[发明专利]一种冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种冷喷涂自润滑耐磨蚀铝基涂层成分及其制备技术，属于金属表面处理技术。所述涂层包含Al和Al₂O₃以及M，所述M为铝稀土合金和/或铝镁合金与二硫化钼和/或二硫化钨的组合；所述Al和Al₂O₃中，Al₂O₃体积占比X为28‑32％；所述涂层中，M的质量总占比Y为0.96％～70.08％；所述涂层结构表述为：(Al‑Xvol％Al₂O₃)‑Y wt％M涂层。本发明制得的铝基自润滑耐磨蚀涂层表现出了较好的耐磨损、耐局部腐蚀性能，可使海洋用钢结构得到充分的保护，延长其使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层及其制备方法，属于金属表面处理技术领域。

背景技术

随着我国深海大型油气田的勘探与开发，深海钻机、钻采平台、浮式生产储卸装置的应用将日益广泛。这些海洋工程装备的上层建筑在服役过程中不仅面临着严苛的海洋大气腐蚀环境，而且还遭受着高速、强摩擦等特殊环境，由此造成的磨损和腐蚀失效问题异常突出，给装备的长周期安全运行带来巨大风险。因此，迫切需要提高设备的耐磨、耐蚀性能。

在改善材料表面耐磨损及耐腐蚀性能的众多手段中，喷涂金属防护涂层是延长海洋油气装备使用寿命的重要措施之一。目前，常用的金属防护涂层多采用热喷涂、电镀、化学镀以及等离子体微弧氧化等工艺制备获得，虽然这些方法都能起到一定的防护作用，但这些技术自身都存在一些缺陷：由于热喷涂过程需要使用高温电弧、火焰、等离子体等高温热源，将喷涂粉末或线材加热到熔融或半熔融状态，容易使喷涂材料发生相当程度的相变、氧化和晶粒长大等现象，进而造成制备涂层的高孔隙、高含氧量、高热应力等缺陷；电镀和化学镀方法制备出来的镀层较薄，不够致密，附着力差，不仅制备工艺复杂困难，而且一些含重金属盐的镀液对人类健康及环境造成了威胁。等离子体微弧氧化耗能高，设备昂贵，不适合大规模生产。因此，寻找新的喷涂工艺方法，在海洋平台、钻机、在线生产储卸装置等海洋构筑物上制备防护涂层是非常必要的。

冷喷涂技术，又称冷气动力学技术(Cold Gas Dynamic Spray，简称CGDS)，是由前苏联西伯利亚分院的科学家提出的一种新型喷涂技术。根据喷涂压力的不同，可分为两大类：低压冷喷涂技术和高压冷喷涂技术。冷喷涂方法主要是指利用压缩超声速气流(300～1200m/s)将具有一定塑性的细小固体粒子喷射到金属或绝缘基体表面，经过强烈的塑性变形而发生沉积，形成涂层的方法。在冷喷涂过程中，由于喷涂温度较低(0～700℃)，喷涂材料很难发生氧化、晶粒变大、相变等现象，能够较好地保留原始材料的性质。同时，冷喷涂过程由于工艺温度降低，固体粒子主要依靠提高动能导致的塑性变形沉积，颗粒变形较为充分，冷喷涂方法制备出来的涂层要比常规的热喷涂涂层组织结构致密、热影响残余应力低，能更好地对海洋油气装备的上层建筑行长效防护。

在所有的金属材料中，金属铝及其合金颗粒因其较低的屈服强度、良好的塑性变形能力以及优秀的耐腐蚀性能，被公认为比较理想的冷喷涂材料。金属铝涂层已被广泛用做钢铁构件的防腐蚀涂层，它作为一种阳极型涂层，不仅具有屏蔽腐蚀介质的作用，使之无法与基体发生反应，而且还可以作为牺牲阳极材料，为钢铁基体提供阴极保护，保护钢铁基体免受腐蚀。

众所周知，铝涂层表面可以形成惰性的氧化物薄膜，其耐蚀性取决于保护膜的完好程度和破裂后的自修复能力。而铝涂层在海洋环境中的惰性或钝态是不稳定的，易产生局部腐蚀而导致涂层体系失效，且铝涂层自身也存在强度和硬度较低的缺点，难以保证装备的长效安全和服役可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷喷涂铝基自润滑耐磨蚀涂层，通过添加硬质相(Al₂O₃陶瓷颗粒)、润滑剂(MoS₂和/或WS₂)和微量合金元素(Al/Mg、Al/RE)对现有铝涂层进行改性，旨在提高新涂层的润滑耐磨蚀性能；本发明同时提供所述涂层的制备方法。