專利名稱：一種電弧噴涂系統(tǒng)及制備微冶金結(jié)合的噴涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料加工中的焊接與噴涂領(lǐng)域，更加具體地說，涉及電弧噴涂系統(tǒng)和微冶金噴涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
熱噴涂涂層呈現(xiàn)出典型的層狀結(jié)構(gòu)，噴涂過程中，由于對(duì)熔融顆粒的霧化，熔融顆粒迅速冷卻，當(dāng)?shù)竭_(dá)工件上時(shí)，可能已經(jīng)部分凝固，與基體的結(jié)合是以機(jī)械結(jié)合為主，鮮有冶金結(jié)合，導(dǎo)致涂層結(jié)合不致密，涂層與基體的粘結(jié)強(qiáng)度很低等缺點(diǎn)。這樣，涂層就極易剝落，其抗腐蝕和熱震性能較低。尤其對(duì)于大厚度涂層，涂層受載大、激冷激熱等服役條件惡劣的工件難以滿足性能要求，這限制了它的應(yīng)用范圍和使用壽命。為了提高涂層與工件的結(jié)合強(qiáng)度與致密度，人們利用噴焊或者用激光或氬弧重熔 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)基體與涂層的冶金結(jié)合。噴焊是用噴槍把加熱到熔化狀態(tài)的合金粉末噴到零件的表面上，再用火焰使涂層重新熔化，從而使涂層與金屬零件的表面熔焊在一起，它包括噴涂和噴焊兩個(gè)工藝過程。氬弧或激光重熔也是首先對(duì)基體進(jìn)行噴涂，然后對(duì)涂層進(jìn)行重熔，重熔過程中，由于重熔時(shí)能量較為集中所以在熔覆過程中不會(huì)產(chǎn)生未熔化的顆粒，孔隙率也較少，熔覆層組織晶粒小，且分布均勻，沒有層狀現(xiàn)象，熔覆層與基體能形成良好的冶金結(jié)合。但是，噴焊與重熔技術(shù)中因其本身急速加熱、冷卻的特點(diǎn)，易導(dǎo)致裂紋和涂層剝落。并且噴焊與重熔時(shí)，對(duì)工件熱輸入相當(dāng)大，工件瞬時(shí)會(huì)升高到很大的溫度(基體溫度很可能達(dá)到上千度)，極易變形；而且對(duì)于大面積涂層的激光重熔還有很大的技術(shù)缺口，操作復(fù)雜，成本也較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電弧噴涂系統(tǒng)及制備噴涂層的方法，使基體在不會(huì)過熱的情況下能夠與涂層達(dá)到微冶金結(jié)合以提高結(jié)合強(qiáng)度。本發(fā)明的技術(shù)目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)一種電弧噴涂系統(tǒng)，包括第一電源I (即主電源)、氣體裝置2、第二電源3(即外加電源)、第一送絲機(jī)4、第二送絲機(jī)5和電弧噴槍6,其中所述第一電源I的正負(fù)兩極分別與兩根噴涂絲相連接；所述第一電源I與第一送絲機(jī)4相連，以控制陰極絲的送進(jìn)；所述第二電源3與第二送絲機(jī)5相連，以控制正極絲的送進(jìn)；所述氣體裝置2與電弧噴槍6通過氣體管路相連，位于電弧噴槍的中央，為電弧噴涂過程提供高速霧化氣流；所述兩根噴涂絲與電弧噴槍6相連，位于氣體管路的兩側(cè)，通過對(duì)中裝置保證兩極絲準(zhǔn)確對(duì)中，并調(diào)節(jié)兩絲的夾角。利用上述電弧噴涂系統(tǒng)制備微冶金結(jié)合的噴涂層的方法，按照下述步驟進(jìn)行首先連接形成上述電弧噴涂系統(tǒng)，然后將工件固定在夾具上，再啟動(dòng)噴涂電源進(jìn)行噴涂，兩絲短路起弧，在高速氣流的作用下，將熔滴霧化。通過調(diào)節(jié)兩送絲機(jī)的送絲速度匹配來調(diào)節(jié)電流和噴涂電弧的穩(wěn)定，調(diào)節(jié)合適的工藝參數(shù)進(jìn)行噴涂，包括負(fù)極絲送絲速度10-18m/min,正極絲送絲速度6-10m/min,兩絲夾角15-30° ,兩絲相交前伸出長(zhǎng)度10_15mm,兩根絲接觸點(diǎn)與工件距離7-15cm，噴涂電流200-245A，噴涂電壓30-34V，噴涂壓力O. 4Mpa_0. 6Mpa，噴槍移動(dòng)速度為2-4cm/s進(jìn)行噴涂。利用本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行噴涂層的制備，也可用于噴涂打底層，涂層間形成了大量的微冶金結(jié)合區(qū)，如附圖2-4所示，涂層與基體的界面幾乎都達(dá)到冶金結(jié)合，涂層本身比較致密，沒有典型的層狀結(jié)構(gòu)，氣孔率低，大大提高了基體與粘結(jié)層的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)噴涂時(shí)用多路測(cè)溫儀測(cè)量基體溫度(型號(hào)FLF5008，杭州奮樂電子有限公司)，測(cè)量結(jié)果顯示基體沒有達(dá)到很高的溫度(如附圖5所示)，可減小或避免工件變形。


圖I本發(fā)明的電弧噴涂系統(tǒng)示意圖，其中第一電源I、氣體裝置2、第二電源3、第一送絲機(jī)4、第二送絲機(jī)5、電弧噴槍6、工件7。 圖2利用本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行實(shí)施例I對(duì)應(yīng)涂層的金相照片(金相顯微鏡型號(hào)為GX-51, Olympus公司生產(chǎn))。圖3利用本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行實(shí)施例3對(duì)應(yīng)涂層的金相照片(金相顯微鏡型號(hào)為GX-51, Olympus公司生產(chǎn))。圖4利用本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行實(shí)施例5對(duì)應(yīng)涂層的金相照片(金相顯微鏡型號(hào)為GX-51, Olympus公司生產(chǎn))。圖5利用本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行實(shí)施涂層過程中，基體溫度隨著時(shí)間(時(shí)刻)的變化曲線圖。
具體實(shí)施例方式以下通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述，由于實(shí)際噴涂時(shí)會(huì)碰到不同尺寸的基體，在熱輸入一定時(shí)，不同的基體對(duì)應(yīng)著不同的熱循環(huán)，因此材料表面也會(huì)有不同的受熱，這樣界面的冶金結(jié)合程度就不一樣。因此，下面針對(duì)不同板厚給出最佳實(shí)施方案。以下僅僅是幾個(gè)特殊的實(shí)例，但本發(fā)明不限于此。按照如附圖I所示的連接方式進(jìn)行連接，主電源I采用NB500A(天津市電焊機(jī)總廠生產(chǎn))型的逆變式電源，它的正負(fù)兩極分別與兩根噴涂絲相連接；送絲機(jī)4(型號(hào)NS-500，天津電焊機(jī)廠生產(chǎn))接主電源I，控制陰極絲的送進(jìn)；送絲機(jī)5 (型號(hào)SB-10C/D，南京振康送絲機(jī)廠生產(chǎn))接外加電源3 (型號(hào)ZD7-500S/NB/PM IGBT,云南歐亞高科技有限公司)，控制正極絲的送進(jìn)；氣體裝置2為高壓保護(hù)氣瓶或空氣壓縮機(jī)，提供高速霧化氣流，并與電弧噴槍6的中央相連，以為電弧噴涂提供氣體保護(hù)；兩根噴涂絲與電弧噴槍6相連，位于電弧噴槍的周邊，通過對(duì)中裝置保證兩極絲準(zhǔn)確對(duì)中，并調(diào)節(jié)兩絲的夾角。選用Q235鋼為基體材料，選用市售ER50-2焊絲為噴涂絲，絲徑分別為I. 2mm和I. 6mm,其中與電源正極相連的絲徑為I. 6mm,與電源負(fù)極相連的絲徑為1.2mm。實(shí)施例I采用Q235作為基體，長(zhǎng)寬高分別為8cm，8cm, 2mm。利用市售ER50-2焊絲，絲徑分別為I. 2mm和I. 6mm,其中與電源正極相連的絲徑為I. 6mm,與電源負(fù)極相連的絲徑為1.2mm。I)將按尺寸切割好的Q235鋼板，先去除油污并打磨干凈后用噴砂機(jī)噴砂。2)將鋼板固定于夾具上待噴。3)保持兩絲之間夾角為30度，兩絲相交前伸出長(zhǎng)度為10mm，兩絲所在平面垂直于工件，兩絲軸線交點(diǎn)與工件之間的距離保持在15cm。4)設(shè)定工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)兩送絲機(jī)送絲速度，使其有最佳的匹配，得到穩(wěn)定的噴涂電弧，并以此來調(diào)節(jié)電流。負(fù)極絲送絲速度10m/min,正極絲送絲速度6m/min,使電流值為200A，電壓值為30V，噴涂壓力為O. 6Mpa，噴槍移動(dòng)速度為4cm/s。實(shí)施例2
采用Q235作為基體，長(zhǎng)寬高分別為8cm，8cm, 4mm。利用市售ER50-2焊絲，絲徑分別為I. 2mm和I. 6mm,其中與電源正極相連的絲徑為I. 6mm,與電源負(fù)極相連的絲徑為1.2mm。I)將按尺寸切割好的Q235鋼板，先去除油污并打磨干凈后用噴砂機(jī)噴砂。2)將鋼板固定于夾具上待噴。3)保持兩絲之間夾角為25度，兩絲相交前伸出長(zhǎng)度為10mm，兩絲所在平面垂直于工件。兩絲軸線交點(diǎn)與工件之間的距離保持在12cm。4)設(shè)定工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)兩送絲機(jī)送絲速度，使其有最佳的匹配，得到穩(wěn)定的噴涂電弧，并以此來來調(diào)節(jié)電流。負(fù)極絲送絲速度12m/min,正極絲送絲速度7. 2m/min,電流值為210A，電壓值為31V，噴涂壓力為O. 6Mpa，噴槍移動(dòng)速度為4cm/s。實(shí)施例3采用Q235作為基體，長(zhǎng)寬高分別為8cm，8cm, 6mm。利用市售ER50-2焊絲，絲徑分別為I. 2mm和I. 6mm,其中與電源正極相連的絲徑為I. 6mm,與電源負(fù)極相連的絲徑為1.2mm。I)將按尺寸切割好的Q235鋼板，先去除油污并打磨干凈后用噴砂機(jī)噴砂。2)將鋼板固定于夾具上待噴。3)保持兩絲之間夾角為25度，兩絲相交前伸出長(zhǎng)度為12mm，兩絲所在平面垂直于工件。兩絲軸線交點(diǎn)與工件之間的距離保持在10cm。4)設(shè)定工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)兩送絲機(jī)送絲速度，使其有最佳的匹配，得到穩(wěn)定的噴涂電弧，并以此來調(diào)節(jié)電流。負(fù)極絲送絲速度14. 3m/min,正極絲送絲速度8. 3m/min,調(diào)節(jié)電流值為230A，電壓值為32V，噴涂壓力為O. 5Mpa，噴槍移動(dòng)速度為3cm/s。實(shí)施例4采用Q235作為基體，長(zhǎng)寬高分別為8cm，8cm，8mm。利用市售ER50-2焊絲，絲徑分別為I. 2mm和I. 6mm,其中與電源正極相連的絲徑為I. 6mm,與電源負(fù)極相連的絲徑為1.2mm。I)將按尺寸切割好的Q235鋼板，先去除油污并打磨干凈后用噴砂機(jī)噴砂。2)將鋼板固定于夾具上待噴。3)保持兩絲之間夾角為20度，兩絲相交前伸出長(zhǎng)度為10mm，兩絲所在平面垂直于工件。兩絲軸線交點(diǎn)與工件之間的距離保持在8cm。4)設(shè)定工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)兩送絲機(jī)送絲速度，使其有最佳的匹配，得到穩(wěn)定的噴涂電弧，并以此來調(diào)節(jié)電流。負(fù)極絲送絲速度15. 8m/min,正極絲送絲速度9. lm/min,調(diào)節(jié)電流值為240A，電壓值為33V，噴涂壓力為O. 5Mpa，噴槍移動(dòng)速度為3cm/s。實(shí)施例5
采用Q235作為基體，長(zhǎng)寬高分別為8cm，8cm，10mm。利用市售ER50-2焊絲，絲徑分別為I. 2mm和I. 6mm,其中與電源正極相連的絲徑為I. 6mm,與電源負(fù)極相連的絲徑為
I.2mm。I)將按尺寸切割好的Q235鋼板，先去除油污并打磨干凈后用噴砂機(jī)噴砂。2)將鋼板固定于夾具上待噴。3)保持兩絲之間夾角為15度，兩絲相交前伸出長(zhǎng)度為15mm，兩絲所在平面垂直于工件。兩絲軸線交點(diǎn)與工件之間的距離保持在7cm。4)設(shè)定工藝參數(shù)，調(diào)節(jié)兩送絲機(jī)送絲速度，使其有最佳的匹配，得到穩(wěn)定的噴涂電弧，并以此來調(diào)節(jié)電流。負(fù)極絲送絲速度18m/min,正極絲送絲速度10m/min,調(diào)節(jié)電流值為245A，電壓值為34V，噴涂壓力為O. 4Mpa，噴槍移動(dòng)速度為2cm/s。 以上只是一些簡(jiǎn)單的實(shí)施案例，實(shí)際噴涂過程中，噴涂距離，噴涂電流，噴涂電壓，噴涂壓力是影響對(duì)基體熱輸入最大的幾個(gè)因素。這顯然影響到了形成涂層與基體的冶金結(jié)合的比率，從而決定了粘結(jié)強(qiáng)度，實(shí)際應(yīng)用中，要考慮實(shí)際需要的粘結(jié)強(qiáng)度，來具體的確定出合適的工藝參數(shù)搭配。以上對(duì)本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡(jiǎn)單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)的等同替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種電弧噴涂系統(tǒng),包括第一電源、氣體裝置、第二電源、第一送絲機(jī)、第二送絲機(jī)和電弧噴槍，其特征在于， 所述第一電源的正負(fù)兩極分別與兩根噴涂絲相連接； 所述第一電源與第一送絲機(jī)相連，以控制陰極絲的送進(jìn)； 所述第二電源與第二送絲機(jī)相連，以控制正極絲的送進(jìn)； 所述氣體裝置與電弧噴槍通過氣體管路相連，位于電弧噴槍的中央，為電弧噴涂過程提供高速霧化氣流； 所述兩根噴涂絲與電弧噴槍相連，位于氣體管路的兩側(cè)，通過對(duì)中裝置保證兩極絲準(zhǔn)確對(duì)中，并調(diào)節(jié)兩絲的夾角。
2.一種利用權(quán)利要求I所述的電弧噴涂系統(tǒng)制備微冶金結(jié)合噴涂層的方法，其特征在 于，按照下述步驟進(jìn)行首先連接形成如權(quán)利要求I所述的電弧噴涂系統(tǒng)，然后將工件固定在夾具上，再啟動(dòng)噴涂電源進(jìn)行噴涂，兩絲短路起弧，在高速氣流的作用下，將熔滴霧化進(jìn)行噴涂。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種利用權(quán)利要求I所述的電弧噴涂系統(tǒng)制備微冶金結(jié)合噴涂層的方法，其特征在于，通過調(diào)節(jié)兩送絲機(jī)的送絲速度匹配來調(diào)節(jié)電流和噴涂電弧的穩(wěn)定，調(diào)節(jié)合適的工藝參數(shù)進(jìn)行噴涂，包括負(fù)極絲送絲速度10-18m/min，正極絲送絲速度6-10m/min，兩絲夾角15-30°，兩絲相交前伸出長(zhǎng)度10_15mm，兩根絲接觸點(diǎn)與工件距離7-15cm,噴涂電流200-245A，噴涂電壓30-34V，噴涂壓力O.4Mpa_0. 6Mpa，噴槍移動(dòng)速度為2-4cm/s進(jìn)行噴涂。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電弧噴涂系統(tǒng)及制備微冶金結(jié)合的噴涂層的方法，首先連接形成電弧噴涂系統(tǒng)，其中第一電源的正負(fù)兩極分別與兩根噴涂絲相連接；第一電源與第一送絲機(jī)相連；第二電源與第二送絲機(jī)相連；氣體裝置與電弧噴槍相連，位于電弧噴槍的中央；兩根噴涂絲與電弧噴槍相連，通過對(duì)中裝置保證兩極絲準(zhǔn)確對(duì)中，并調(diào)節(jié)兩絲的夾角，然后將工件固定在夾具上，再啟動(dòng)噴涂電源進(jìn)行噴涂，調(diào)節(jié)合適的工藝參數(shù)進(jìn)行噴涂。利用本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行噴涂層的制備，也可用于噴涂打底層，涂層間形成了大量的微冶金結(jié)合區(qū)，使基體在不會(huì)過熱的情況下能夠與涂層達(dá)到微冶金結(jié)合以提高結(jié)合強(qiáng)度。
文檔編號(hào)C23C4/06GK102719781SQ20121021861
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月28日
發(fā)明者王鳳會(huì), 王惜寶, 王鑫, 程亮, 蔣歡歡 申請(qǐng)人:天津大學(xué)