阅读说明：本技术 在铝基体上制备仿贝壳结构钢基涂层的方法 (Method for preparing steel-based coating with shell-like structure on aluminum substrate ) 是由 李文生 胡春莲 张绍兵 翟海民 何东青 张辛健 冯力 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种在铝基体上制备仿贝壳结构钢基涂层的方法,先将铁铝合金箔片与不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面,置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理,得到涂层预制体。然后用雾化不锈钢粉末和粒化碳化硅粉末为原料,通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层,并将不锈钢箔片粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面,再采用双喷技术得到金属陶瓷层,如此重复,最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备。此方法具有涂层厚度控制精度高,工艺稳定性和重复性较强,可实现仿贝壳结构钢基涂层的强界面和高性能。(The invention discloses a method for preparing a steel-based coating with a shell-like structure on an aluminum substrate. Then, atomized stainless steel powder and granulated silicon carbide powder are used as raw materials, a steel-bonded silicon carbide metal ceramic layer is prepared on the surface of the coating prefabricated body through a supersonic plasma double-spraying technology, a stainless steel foil sheet is bonded on the surface of the steel-bonded silicon carbide metal ceramic layer, a metal ceramic layer is obtained through the double-spraying technology, the steps are repeated, and finally the preparation of the shell-like structure steel-based coating is completed on the aluminum substrate. The method has the advantages of high control precision of the thickness of the coating, strong process stability and repeatability, and realization of strong interface and high performance of the steel-based coating with the shell-like structure.)

在铝基体上制备仿贝壳结构钢基涂层的方法

技术领域

本发明涉及涂层制备技术领域，特别涉及一种在铝基体上制备仿贝壳结构钢基涂层的方法。

背景技术

铝合金具有大强重比和良好耐蚀性，广泛用于航空、航天、船舶、桥梁等领域。但其耐磨性及高温性能较差，难以用于轴套、外置结构件及其他接触磨损件。涂层技术是提高工业结构件耐磨及高温性能的经济、有效手段，但因铝的低熔点和质软缺点，使涂层难以兼具强界面结合与耐高温耐磨性能。因此，寻找一种涂层微结构设计及过渡层方法，强化层、基体界面，提高其耐高温耐磨性能至关重要。

发明内容

本发明是针对常见手段难以有效解决铝基体涂层难以兼具强界面结合与耐高温耐磨性能问题的研发领域现状，提供一种在铝基体上制备仿贝壳结构钢基涂层的方法。此方法具有涂层厚度控制精度高，工艺稳定性和重复性较强，可实现铝基体涂层的强界面和高性能。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种在铝基体上制备仿贝壳结构钢基涂层的方法，包括以下步骤：

1)将铁铝合金箔片与不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面，置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理，得到涂层预制体；

2)采用雾化不锈钢粉末和粒化碳化硅粉末为原料，通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层；

3)将不锈钢箔片粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面，再采用步骤2)的双喷技术得到金属陶瓷层，如此重复，最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备。

作为本发明的进一步改进，步骤1)中，铁铝合金箔片的铝元素质量百分含量为6％～10％，厚度0.01～0.04毫米，304不锈钢箔片厚度0.02～0.05毫米；箔片横向尺寸大于涂层尺寸1厘米；高真空加热炉的真空度≤10^-3，粘吸处理温度275～398℃。

作为本发明的进一步改进，步骤2)中，雾化304不锈钢粉末和粒化碳化硅粉末粒度分别为45～68微米和62～88微米；超音速等离子双喷技术的两个喷枪夹角60度，工作气体为丙烷，电压与电流分别为180伏特和360安培。

作为本发明的进一步改进，步骤3)中，粘结箔片用3摩尔每升聚乙烯醇缩醛酒精溶液；箔片—金属陶瓷复合层的层数为3～5层。

作为本发明的进一步改进，制得的仿贝壳结构钢基涂层的表面硬度大于等于64HRC，界面结合强度大于等于210MPa，涂层厚度误差小于等于143微米，500℃不锈钢(304)、200牛销盘摩擦磨损速率小于等于0.09克/小时。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优势：

本发明先将铁铝合金箔片与304不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面，置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理，得到涂层预制体。然后用雾化304不锈钢粉末和粒化碳化硅粉末为原料，通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层，并将304不锈钢箔片粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面，再采用双喷技术得到金属陶瓷层，如此重复，最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备；其中铁铝合金箔片与304不锈钢箔片用于制备过渡层，防止产生涂层的柯肯达尔效应，保证涂层及界面组织得的致密性；使用雾化304不锈钢粉末、粒化碳化硅粉末和304不锈钢箔片为涂层原料，并重叠排列，形成仿贝壳结构，可强化涂层耐磨性和抗冲击强度；超音速等离子双喷技术利于喷涂两种性质差异较大的粉末，并相互协调，实现仿贝壳结构硬质层的致密度及硬度。本发明制得的仿贝壳结构钢基涂层的表面硬度大于等于64HRC，界面结合强度大于等于210MPa，涂层厚度误差小于等于143微米，500℃不锈钢(304)、200牛销盘摩擦磨损速率小于等于0.09克/小时。

进一步，通过过渡层技术、仿贝壳结构设计、双喷技术，充分发挥钢结金属陶瓷的强硬性及不锈钢箔片的韧性优势，是有效解决铝基体涂层难以兼具强界面结合与耐高温耐磨性能问题的关键手段。此方法具有涂层厚度控制精度高，工艺稳定性和重复性较强，可实现仿贝壳结构钢基涂层的强界面和高性能。

具体实施方式

本发明一种在铝基体上制备仿贝壳结构钢基涂层的方法，包括下述步骤：

1)将铝元素质量百分含量为6％～10％、厚度0.01～0.04毫米的铁铝合金箔片与厚度0.02～0.05毫米的304不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面，箔片横向尺寸大于涂层尺寸1厘米，置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理，真空度≤10^-3，粘吸处理温度275～398℃，得到涂层预制体；

2)采用粒度为45～68微米的雾化304不锈钢粉末和粒度62～88微米的粒化碳化硅粉末为原料，通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层，两个喷枪夹角60度，工作气体为丙烷，电压与电流分别为180伏特和360安培；

3)将304不锈钢箔片用3摩尔每升聚乙烯醇缩醛酒精溶液粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面，再采用步骤2)的双喷技术得到金属陶瓷层，如此重复3～5层，最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备。

以下通过具体实施例对本发明的方法进行详细说明。

实施例1

1)将铝元素质量百分含量为6％、厚度0.01毫米的铁铝合金箔片与厚度0.02毫米的304不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面，箔片横向尺寸大于涂层尺寸1厘米，置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理，真空度≤10^-3，粘吸处理温度275℃，得到涂层预制体；

2)采用粒度为45微米的雾化304不锈钢粉末和粒度62微米的粒化碳化硅粉末为原料，通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层，两个喷枪夹角60度，工作气体为丙烷，电压与电流分别为180伏特和360安培；

3)将304不锈钢箔片用3摩尔每升聚乙烯醇缩醛酒精溶液粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面，再采用步骤2)的双喷技术得到金属陶瓷层，如此重复3层，最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备。

实施例2

1)将铝元素质量百分含量为7％、厚度0.02毫米的铁铝合金箔片与厚度0.03毫米的304不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面，箔片横向尺寸大于涂层尺寸1厘米，置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理，真空度≤10^-3，粘吸处理温度288℃，得到涂层预制体；

2)采用粒度为47微米的雾化304不锈钢粉末和粒度64微米的粒化碳化硅粉末为原料，通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层，两个喷枪夹角60度，工作气体为丙烷，电压与电流分别为180伏特和360安培；

3)将304不锈钢箔片用3摩尔每升聚乙烯醇缩醛酒精溶液粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面，再采用步骤2)的双喷技术得到金属陶瓷层，如此重复4层，最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备。

实施例3

1)将铝元素质量百分含量为8％、厚度0.03毫米的铁铝合金箔片与厚度0.04毫米的304不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面，箔片横向尺寸大于涂层尺寸1厘米，置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理，真空度≤10^-3，粘吸处理温度298℃，得到涂层预制体；

2)采用粒度为49微米的雾化304不锈钢粉末和粒度66微米的粒化碳化硅粉末为原料，通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层，两个喷枪夹角60度，工作气体为丙烷，电压与电流分别为180伏特和360安培；

3)将304不锈钢箔片用3摩尔每升聚乙烯醇缩醛酒精溶液粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面，再采用步骤2)的双喷技术得到金属陶瓷层，如此重复5层，最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备。

实施例4

1)将铝元素质量百分含量为9％、厚度0.04毫米的铁铝合金箔片与厚度0.05毫米的304不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面，箔片横向尺寸大于涂层尺寸1厘米，置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理，真空度≤10^-3，粘吸处理温度398℃，得到涂层预制体；

2)采用粒度为68微米的雾化304不锈钢粉末和粒度88微米的粒化碳化硅粉末为原料，通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层，两个喷枪夹角60度，工作气体为丙烷，电压与电流分别为180伏特和360安培；

3)将304不锈钢箔片用3摩尔每升聚乙烯醇缩醛酒精溶液粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面，再采用步骤2)的双喷技术得到金属陶瓷层，如此重复5层，最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备。

实施例1～4制备仿贝壳结构钢基涂层的性能参数见表1所示：

表1

从上表可以得出，本发明制得的仿贝壳结构钢基涂层的表面硬度大于等于64HRC，界面结合强度大于等于210MPa，涂层厚度误差小于等于143微米，500℃不锈钢(304)、200牛销盘摩擦磨损速率小于等于0.09克/小时。

实施例5

1)将铝元素质量百分含量为7％、厚度0.04毫米的铁铝合金箔片与厚度0.02毫米的304不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面，箔片横向尺寸大于涂层尺寸1厘米，置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理，真空度≤10^-3，粘吸处理温度388℃，得到涂层预制体；

2)采用粒度为58微米的雾化304不锈钢粉末和粒度72微米的粒化碳化硅粉末为原料，通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层，两个喷枪夹角60度，工作气体为丙烷，电压与电流分别为180伏特和360安培；

3)将304不锈钢箔片用3摩尔每升聚乙烯醇缩醛酒精溶液粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面，再采用步骤2)的双喷技术得到金属陶瓷层，如此重复3层，最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备。

实施例6

1)将铝元素质量百分含量为6％、厚度0.04毫米的铁铝合金箔片与厚度0.05毫米的304不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面，箔片横向尺寸大于涂层尺寸1厘米，置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理，真空度≤10^-3，粘吸处理温度368℃，得到涂层预制体；

2)采用粒度为56微米的雾化304不锈钢粉末和粒度67微米的粒化碳化硅粉末为原料，通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层，两个喷枪夹角60度，工作气体为丙烷，电压与电流分别为180伏特和360安培；

3)将304不锈钢箔片用3摩尔每升聚乙烯醇缩醛酒精溶液粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面，再采用步骤2)的双喷技术得到金属陶瓷层，如此重复4层，最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备。

实施例7

1)将铝元素质量百分含量为9％、厚度0.01毫米的铁铝合金箔片与厚度0.02毫米的304不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面，箔片横向尺寸大于涂层尺寸1厘米，置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理，真空度≤10^-3，粘吸处理温度299℃，得到涂层预制体；

2)采用粒度为52微米的雾化304不锈钢粉末和粒度64微米的粒化碳化硅粉末为原料，通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层，两个喷枪夹角60度，工作气体为丙烷，电压与电流分别为180伏特和360安培；

3)将304不锈钢箔片用3摩尔每升聚乙烯醇缩醛酒精溶液粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面，再采用步骤2)的双喷技术得到金属陶瓷层，如此重复3层，最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备。

实施例8

1)将铝元素质量百分含量为10％、厚度0.04毫米的铁铝合金箔片与厚度0.02毫米的304不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面，箔片横向尺寸大于涂层尺寸1厘米，置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理，真空度≤10^-3，粘吸处理温度321℃，得到涂层预制体；

2)采用粒度为、68微米的雾化304不锈钢粉末和粒度62微米的粒化碳化硅粉末为原料，通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层，两个喷枪夹角60度，工作气体为丙烷，电压与电流分别为180伏特和360安培；

3)将304不锈钢箔片用3摩尔每升聚乙烯醇缩醛酒精溶液粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面，再采用步骤2)的双喷技术得到金属陶瓷层，如此重复3层，最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备。

实施例9

1)将铝元素质量百分含量为6％％、厚度0.01毫米的铁铝合金箔片与厚度0.02毫米的304不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面，箔片横向尺寸大于涂层尺寸1厘米，置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理，真空度≤10^-3，粘吸处理温度275℃，得到涂层预制体；

2)采用粒度为45微米的雾化304不锈钢粉末和粒度62微米的粒化碳化硅粉末为原料，通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层，两个喷枪夹角60度，工作气体为丙烷，电压与电流分别为180伏特和360安培；

3)将304不锈钢箔片用3摩尔每升聚乙烯醇缩醛酒精溶液粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面，再采用步骤2)的双喷技术得到金属陶瓷层，如此重复3层，最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备。

实施例10

1)将铝元素质量百分含量为10％、厚度0.04毫米的铁铝合金箔片与厚度0.05毫米的304不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面，箔片横向尺寸大于涂层尺寸1厘米，置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理，真空度≤10^-3，粘吸处理温度398℃，得到涂层预制体；

2)采用粒度为4568微米的雾化304不锈钢粉末和粒度88微米的粒化碳化硅粉末为原料，通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层，两个喷枪夹角60度，工作气体为丙烷，电压与电流分别为180伏特和360安培；

3)将304不锈钢箔片用3摩尔每升聚乙烯醇缩醛酒精溶液粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面，再采用步骤2)的双喷技术得到金属陶瓷层，如此重复5层，最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备。

实施例5～10制备仿贝壳结构钢基涂层的性能参数见表2所示：

表2

在制备仿贝壳结构涂层过程中，本发明采用一种过渡层技术、仿贝壳结构设计、双喷技术，研究过渡层厚度及成分、粘吸处理温度、雾化304不锈钢粉末和粒化碳化硅粉末粒度、双喷技术参数和仿贝壳结构钢基涂层界面及耐高温耐磨性能的关系，即：对于仿贝壳结构钢基涂层，保持较高界面强度及高温耐磨性能的最佳过渡层厚度及成分、粘吸处理温度、雾化304不锈钢粉末和粒化碳化硅粉末粒度、双喷技术参数。

具体原理为：先将铁铝合金箔片与304不锈钢箔片先后层叠铺展在铝基体表面，置于高真空加热炉中进行箔片—基体的粘吸处理，得到涂层预制体。然后用雾化304不锈钢粉末和粒化碳化硅粉末为原料，通过超音速等离子双喷技术在涂层预制体表面制备钢结碳化硅金属陶瓷层，并将304不锈钢箔片粘接在钢结碳化硅金属陶瓷层表面，再采用双喷技术得到金属陶瓷层，如此重复，最终在铝基体上完成仿贝壳结构钢基涂层的制备。此方法具有涂层厚度控制精度高，工艺稳定性和重复性较强，可实现仿贝壳结构钢基涂层的强界面和高性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。