一种金属基体的表面粗化方法与流程

1.本发明涉及金属材料表面处理技术领域，特别涉及一种金属基体的表面粗化方法。


背景技术：

2.表面粗化是利用物理或化学方法对工件表面进行处理(物理撞击或化学腐蚀)，从而破坏表面组织，使完整的表面组织变成含缺陷的表面组织，以达到粗化的目的。粗化后，工件表面粗糙度提升，附着力增强。对于金属基体，常用的表面粗化方法有机械打磨、喷砂、喷丸、拉丝、电弧打底、阳极氧化处理与化学蚀刻等。
3.机械打磨金属基体后，表面会产生不规则的划痕，划痕是打磨介质对表面基体的破换后产生的，划痕的深浅与排列顺序往往决定了打磨后的表面粗糙度，机械打磨过程相对简单，通常用于对表面粗糙度要求不高的场所，机械打磨后的表面，粗糙度一般较小，很难获得均匀和高粗糙度的表面。
4.喷砂或喷丸是常见的金属表面粗化处理工艺，其主要是利用压缩空气加速喷料(多为莫氏硬度大于8的氧化物或矿物)以使其高速喷射到需要处理的工件表面，使工件外表面因为喷料的冲击或切削而被破坏，从而获得不同范围的粗糙度。相对与其他表面粗化工艺，金属表面喷砂工艺可处理大体积的工件，工件表面粗糙度范围可通过喷料的颗粒大小和压缩空气的压力来控制。喷丸与喷砂的工艺原理基本一致，喷丸主要用的是外观形貌接近球形的钢珠或玻璃珠，因此喷丸后工件表面的粗糙度值更近均匀。但无论是喷砂还是喷丸工艺，生产现场都需要用大量的砂或特质的丸，现场环境比较恶劣，且很难获得均匀性好、粗糙度高的基体表面。
5.电弧喷涂打底丝是用高温的火焰将丝材熔化后敷在金属基体表面，从而使得基体表面粗糙化的一种工艺。电弧喷涂打底丝中常用丝材多为镍合金或铜合金，相比于喷砂、机械打磨，电弧喷涂打底丝更容易获高粗糙度的表面，且选择镍基或铜基合金作为打底的丝材，这类合金通常有较强的抗腐蚀能力，其不仅改变了原基体表面的粗糙度，也改了基体的表面成份，在某些特殊领域有较大的需求。然而合金打底丝，尤其是镍基合金丝通常含有90％以上的金属镍，其价格较高，目前市场上制备1米0.35mm厚的镍基打底层的价格大约在600-800元。
6.化学腐蚀也是常见的金属基体表面粗化方法，化学腐蚀根据基体表面的化学性质，通常选择不同种类的无机酸或有机酸组合对基体表面进行腐蚀，其主要原理是：晶界处比表面积大、杂质与本体的化学性质不一致等特性导致腐蚀液在不同部位的腐蚀速率不一致，使得经过腐蚀后，原本相对平整的表面变的不平整。中国专利cn101215703a、专利cn101215699a等采用无机强酸和有机酸在加温的条件下对不锈钢表面进行洗白砂面处理。cn110468413a先在金属基板表面印刷感光油墨，预烤、曝光后形成抗腐点，后再采用碱性或酸性蚀刻液对表面腐蚀，从而得到所需要的粗化表面。相比于物理粗化，化学粗化更多用小工件表面的处理，且根据腐蚀液的浓度和用量等来实现不同粗糙表面的制备，其粗糙度的
控制精度相对物理法更高。但是大量蚀刻液的利用加大工厂废酸处理的负担，同时对环境产生危害。
7.喷涂技术是制备工件表面功能涂层的主要技术之一，其根据是否将粉料熔化分为热喷涂和冷喷涂。为了增强涂层与基体之间的结合力，通常需要将基体表面进行粗化处理，基体表面的粗糙范围会影响不同位置涂层与基体之间的结合力。冷喷涂(cold spraying，cs)是一种新型的喷涂技术，它基于空气动力学原理，利用高压气体携带金属粉末颗粒从轴向进入喷枪拉瓦尔(laval nozzle)喷嘴产生超音速气流，金属粉末颗粒(1-90μm)经高速气流加速到500-1200m/s后在完全固态下撞击基体(金属、陶瓷、玻璃等)，通过塑性变形沉积于基体表面形成致密涂层。相比与热喷涂技术，冷喷涂非常适合制备具备塑性变形的材料层，且冷喷涂后涂层致密度和强度基本可以到铸造强度，因此其在航天零配件修复、3d打印、大尺寸靶材制备等领域的应用越来越广泛。冷喷涂技术涂层与基体之间的结合基本都是冶金结合或颗粒之间的机械啮合，因基体粗糙度不一致导致不同部位涂层与基体间结合强度不一致。在冷喷涂制备领域中，要求基体表面的粗糙度范围在8-13μm，粗糙度太小，涂层结合力不够，粗糙度过大会导致涂层形貌不平整。传统的喷砂很难满足冷喷涂工艺对基体表面粗糙度的要求，而合金丝电弧打底成本较高，通常表面打底层粗糙度均较高，一定程度影响涂层平整度。


技术实现要素：

8.本发明的主要目的是提供一种金属基体的表面粗化方法，旨在解决目前冷喷涂过程中粗糙度的控制精度较低的问题。
9.为实现上述目的，本发明提出了一种金属基体的表面粗化方法，包括以下步骤：将待处理工件置于冷喷涂设备夹具上，将陶瓷粉装入冷喷涂设备的送粉器内，启动冷喷涂设备进行喷涂，喷涂过程中，喷枪出口压力为3-6mpa，送粉量为70-150g/min。
10.本发明技术方案中，针对冷喷涂工艺对基体表面粗糙度的高要求，借助商业化的冷喷涂设备将具有一定粒度和硬度的陶瓷粉体进行加速，使得陶瓷粉颗粒具备足够大的动能撞击金属基体(即待处理工件)表面，破坏金属基体表面后，形成粗糙的表面。
11.金属基体表面粗糙度与陶瓷粉的撞击速度和单位时间内撞击金属基体表面的粒子数目相关，其中，陶瓷粉的撞击速度主要取决于喷涂过程中喷枪的压力。为了确保粗化后，金属基体的表面粗糙度均匀一致，需要控制单位时间撞击基体表面的粒子数，如果粒子数量太多，载气对粒子加速不足，粒子速度太小，没有足够的动能破坏基体表面，无法获得较大的粗糙度范围；如果粒子数太少，粗化效率较低，加工成本上升，成本过分增加使得该项加工技术没有优势。
12.发明人经过大量实验发现，当喷枪出口压力为3-6mpa，送粉量为70-150g/min时，金属基体表面经喷涂粗化后，基体表面粗糙度ra在8-13μm范围内，且粗糙度ra的标准差可控制小于0.5μm，使得金属基体表面粗糙度保持在较高的水平。
13.作为本发明所述金属基体的表面粗化方法的优选实施方式，所述陶瓷粉的莫氏硬度大于8，所述陶瓷粉包括：氧化锆、氧化铝、氧化硅和碳化硅中的至少一种。
14.金属基体表面粗糙过程与冷喷涂法制备涂层过程是相反的，即在做基体表面粗糙时，粒子不能在金属基体表面发生沉积。因此粒子的选择比较重要，常用不具备塑性变形的
陶瓷颗粒，例如：氧化锆、氧化铝、氧化硅、sic等等，同时粒子必须具备一定的硬度，如果粒子的硬度小于基体的硬度，则不会破坏基体。
15.作为本发明所述金属基体的表面粗化方法的优选实施方式，所述陶瓷粉体的中值粒径为350-800um。
16.金属基体表面粗糙度还与陶瓷粉的粒子的大小有关，金属基体表面粗糙的形成，是因为光滑、平整的表面被破坏后产生很多缺陷。表面粗糙度是加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度，就是两波峰或两波谷之间的距离，简称波距。结合粗糙度定义可知：粒子速度相同时，大粒子动能大，撞击基体后会产生宽而深的缺陷。本发明所采用的陶瓷粉体的微观形貌为无规则、具有尖锐棱角的颗粒或形貌近似球形的颗粒。发明人经过大量实验发现，当陶瓷粉体的d50颗粒尺寸(即中值粒径)为350-800um范围内时，喷涂后的金属基体表面粗糙度相较于其它粒径对应的粗糙度效果更好。
17.作为本发明所述金属基体的表面粗化方法的优选实施方式，所述冷喷涂设备的载气和加速气包括：氮气、干燥空气中的至少一种。
18.作为本发明所述金属基体的表面粗化方法的优选实施方式，所述载气和所述加速气的流量比为载气：加速气＝0.15-0.3:1。
19.作为本发明所述金属基体的表面粗化方法的优选实施方式，所述喷枪出口与所述待处理工件的表面之间的距离为30-80mm。
20.作为本发明所述金属基体的表面粗化方法的优选实施方式，若所述待处理工件的表面为平面，则在喷涂过程中，喷枪相对于所述待处理工件做直线往复运动，所述喷枪的移动速度为50-120mm/s。
21.本发明技术方案中，当待处理工件的表面为平面时，则喷枪采用机械手夹持，待处理工件的基面固定，喷枪以50～120mm/s的速度相对于待处理工件移动。喷枪的移动方式为直线往复移动，即喷枪沿着工件的一个边(x方向)从近端进入，远端出来后，再沿y轴移动0.7-0.9倍的喷枪出口直径距离后，从工件的远端回到近端，如此往复直至整个工件表面完成粗化。
22.作为本发明所述金属基体的表面粗化方法的优选实施方式，若所述待处理工件为管状，则在喷涂过程中，喷枪相对于所述待处理工件的中心轴方向以80-120mm/s的速度做直线往复运动，并且所述待处理工件的旋转速度为50-100rpm。
23.本发明技术方案中，当待处理工件为管状时，即金属基体表面为圆柱形，则在喷涂过程中待处理工件以其中心轴为基准进行旋转，旋转速度为50-100rpm，与此同时，喷枪以80-120mm/s的速度相对于待处理工件的中心轴方向做直线往复运动。
24.作为本发明所述金属基体的表面粗化方法的优选实施方式，所述待处理工件的表面粗糙度小于1um。
25.作为本发明所述金属基体的表面粗化方法的优选实施方式，所述待处理工件在喷涂前采用碱液进行表面脱脂处理。
26.相对于现有技术，本发明的有益效果为：
27.(1)本发明技术方案采用商业化的冷喷涂设备将具有一定粒度和硬度的陶瓷粉体进行加速，撞击金属基体表面进行表面粗化，通过精确控制喷涂过程中的各项参数实现金属基体表面粗糙度ra值在8μm-13μm的范围内可调，标准差小于0.5μm，满足冷喷涂工艺对基
体表面粗糙度的高要求。
28.(2)本发明喷涂过程所需的陶瓷粉量非常少，对环境污染小，相比于金属基体表面的电弧打底镍基或铜基合金丝，具备原材料的成本优势；且本发明只需一台商业冷喷涂设备即可实现表面粗化-涂层制备两道工序的加工，减少了设备投入成本。
附图说明
29.图1为对比例1-2、实施例1处理后的金属基体表面宏观形貌图，其中，a区对应对比例1，b区对应对比例2，c区对应实施例1。
具体实施方式
30.为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将通过具体实施例对本发明作进一步说明。
31.本发明实施例及对比例所采用的冷喷涂设备为dwcs-2000型高压、高温冷喷涂设备；选择内径125mm、外径133mm、长度500mm的304不锈钢管作为待处理工件，304不锈钢管表面粗糙度经粗糙度测试仪测得的算术平均值为0.56μm。
32.实施例1
33.本实施例的金属基体的表面粗化方法包括以下步骤：
34.使用前，采用氢氧化钠溶液对待处理工件进行清理，脱除表面有机物，将待处理工件置于冷喷涂设备夹具上，将陶瓷粉装入冷喷涂设备的送粉器内，陶瓷粉采用中值粒径为380μm，莫氏硬度为9的氧化铝粉末；
35.启动冷喷涂设备进行喷涂，喷涂过程中，喷枪出口压力为4.2mpa，送粉量为70g/min，喷枪出口与待处理工件的表面之间的距离为30mm，载气和加速气的流量比为载气：加速气＝0.15:1，喷枪相对于待处理工件的中心轴方向以80mm/s的速度做直线往复运动，并且待处理工件的旋转速度为100rpm。
36.实施例2
37.本实施例金属基体的表面粗化方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本实施例的陶瓷粉采用中值粒径为420μm，莫氏硬度为9的氧化铝粉末。
38.实施例3
39.本实施例金属基体的表面粗化方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本实施例的陶瓷粉采用中值粒径为750μm，莫氏硬度为9的氧化铝粉末。
40.对比例1
41.本对比例金属基体的表面粗化方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例的陶瓷粉采用中值粒径为100μm，莫氏硬度为9的氧化铝粉末；
42.对比例2
43.本对比例金属基体的表面粗化方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例的陶瓷粉采用中值粒径为250μm，莫氏硬度为9的氧化铝粉末。
44.对比例3
45.本对比例金属基体的表面粗化方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例的陶瓷粉采用中值粒径为25.4μm，莫氏硬度为9的氧化铝粉末。
46.对比例4
47.本对比例金属基体的表面粗化方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于：本对比例的采用中值粒径为250μm，莫氏硬度为5的矿物砂替换实施例1的陶瓷粉。
48.在实施例1-3、对比例1-4处理后的金属基体表面随机选取7个点测试其粗糙度，并计算粗糙度平均值和标准差，测试结果如下表1所示，对比例1-2、实施例1处理后的金属基体表面宏观形貌图如图1所示。
49.表1.实施例1-3、对比例1-4处理后的金属基体表面粗糙度ra结果(单位：μm)
[0050][0051]
由表1可知，实施例1-3处理后的机体表面粗糙度平均值在8μm-13μm的范围内，标准差小于0.5μm，该参数可满足冷喷涂工艺对基体表面粗糙度的高要求。对比例1-3采用中值粒径较小的氧化铝陶瓷粉末后，基体表面粗糙度均值小于8μm，不能满足冷喷涂工艺对粗糙度的要求；对比例4采用低硬度的矿物砂后，基体表面粗糙度均值为4.04μm，标准差为0.66，采用硬度较小的粉体，会导致标准差较大，且其相较于对比例2中同等粒径的氧化铝粉体，处理后的机体表面粗糙度值偏小，标准差明显增大。
[0052]
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。