一種大厚度、高性能涂層的噴涂方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明于熱噴涂涂層技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種大厚度、高性能涂層的噴涂方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬材料的磨損、腐蝕等失效，一般從其表面開始，由這些失效造成的經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)驚人。盡管工程用高性能結(jié)構(gòu)鋼具有較好的力學(xué)及化學(xué)性能，但在石油化工、礦山、鉆井平臺(tái)等復(fù)雜的工作環(huán)境下，單靠其自身的性能還不能完全滿足使用要求。對一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行表面處理是一種有效的方法，其中采用大氣等離子噴涂技術(shù)在結(jié)構(gòu)件表面制備一層耐腐蝕、耐磨損的涂層，可有效提高材料性能和服役壽命，并且便捷而經(jīng)濟(jì)。
[0003]大氣等離子噴涂是熱噴涂技術(shù)的一種重要方法，它是隨著現(xiàn)代航空、航天技術(shù)的出現(xiàn)而發(fā)展起來的，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事、機(jī)械、電力和生物工程等各個(gè)領(lǐng)域，從上世紀(jì)80年代開始，大氣等離子噴涂技術(shù)開始成為熱噴涂表面處理的主流工藝，其應(yīng)用比例達(dá)到了近50%。大氣等離子噴涂以高溫(> 10000°C)、高速的等離子焰流為熱源，將粉末狀噴涂材料加熱至熔化狀態(tài)，并加速形成高速熔滴，熔滴撞擊基體或已沉積涂層表面，發(fā)生扁平化、快速冷卻凝固，通過無數(shù)扁平粒子的累加形成涂層。
[0004]大氣等離子噴涂涂層具有典型的層狀、多孔結(jié)構(gòu)，噴涂態(tài)涂層的孔隙率一般> 2%。涂層中的三維孔洞、粒子間未結(jié)合界面及垂直微裂紋等缺陷的存在嚴(yán)重影響了涂層在腐蝕、磨損等條件下的使用性能。
[0005]涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度是評定涂層質(zhì)量的重要指標(biāo)。由于基體與涂層材料的化學(xué)成分相差較大，其組織結(jié)構(gòu)和物化性能相差很大，噴涂過程中在基體與涂層的界面處，會(huì)由于溫度和相變產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，從而降低界面的結(jié)合強(qiáng)度。通常涂層與基體的結(jié)合以機(jī)械結(jié)合為主，兩者之間存在明顯的界面，影響涂層與基材的結(jié)合，尤其在高溫、受壓等苛刻條件下容易發(fā)生龜裂、起皮、剝落等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致涂層失效。目前，憑借國內(nèi)的等離子噴涂技術(shù)，通常金屬涂層與基體的最佳結(jié)合強(qiáng)度只能達(dá)到70 MPa左右。
[0006]一般情況下，隨著涂層厚度的增加，其孔隙率會(huì)提高，而涂層的顯微硬度會(huì)降低。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)涂層厚度從100 μπι提高至500 μπι以后，孔隙率提高了 2.6倍，而顯微硬度則降低了 30%。此外，基于大氣等離子噴涂原理，通常涂層厚度與結(jié)合強(qiáng)度成反比，即厚度越厚，結(jié)合強(qiáng)度越差。因?yàn)殡S著涂層厚度的增加，涂層內(nèi)部的殘余應(yīng)力也隨之增加。研宄表明，當(dāng)涂層厚度從100 ym提高至500 μ m后，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度降低了 70%左右。因此，大氣等離子噴涂涂層一般較薄，不能滿足大厚度特殊涂層的應(yīng)用要求，也因沒有足夠的余量而難以加工出非平面、異形面的構(gòu)件和零部件。
[0007]目前，為了實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異的涂層，在大氣等離子噴涂過程中通常采用價(jià)格較昂貴的He、H2等氣體，且氣體用量較大，從而增加了噴涂工藝及最終涂層的制造成本。
[0008]由Ni基、Co基、Fe基等自熔合金粉末沉積而成的涂層具有耐熱、抗氧化、抗高溫腐蝕、耐磨損等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于石油、化工、水泥等行業(yè)。目前，一般通過熱噴涂工藝沉積自熔合金粉末制備涂層，然后通過激光對噴涂態(tài)涂層進(jìn)行重熔處理。如火焰噴涂自熔合金涂層結(jié)合激光重熔處理、大氣等離子噴涂自熔合金涂層結(jié)合激光重熔處理等。盡管通過不同工藝的復(fù)合能夠得到結(jié)構(gòu)致密、結(jié)合強(qiáng)度較高的涂層，但由于涂層的沉積與重熔采用兩種不同的工藝，從而加大了涂層制造工藝的復(fù)雜性，增加了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種大厚度、高性能涂層的高效、低成本制備方法。
[0010]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的一種大厚度、高性能涂層的噴涂方法，其制備步驟為:采用大氣等離子噴涂技術(shù)在金屬基體表面沉積大厚度自熔合金涂層，然后采用等離子焰流對噴涂態(tài)涂層進(jìn)行重熔處理，最終制備出所需涂層。
[0011]其具體的制備步驟為:
(1)采用丙酮對金屬基體表面進(jìn)行清洗，通過噴砂去除基體表面的氧化皮，得到粗糙表面；
(2)采用大氣等離子噴涂技術(shù)在金屬基體表面沉積厚度為0.5-5 mm的自熔合金涂層，主氣及送粉氣均選用壓縮空氣；
(3)采用等離子焰流對噴涂態(tài)涂層進(jìn)行重熔處理，主氣選用壓縮空氣。
[0012]本發(fā)明首先對金屬基體表面進(jìn)行清洗、噴砂預(yù)處理；再以壓縮空氣為主氣及送粉氣，通過大氣等離子噴涂在金屬基體表面沉積0.5-5 mm厚自熔合金涂層；然后以壓縮空氣作為主氣，通過等離子焰流對噴涂態(tài)涂層進(jìn)行重熔處理。
[0013]有益效果:本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)而言具有以下優(yōu)點(diǎn):
利用本方法可有效提高涂層厚度及致密性、提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)大大降低涂層的制造成本、提尚生廣效率。
【附圖說明】
[0014]圖1采用本發(fā)明中大氣等離子噴涂Ni基自熔合金涂層等離子焰流重熔后涂層形貌。
[0015]圖2采用本發(fā)明中大氣等離子噴涂Ni基自熔合金/WC復(fù)合涂層等離子焰流重熔后涂層形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0017]本發(fā)明大厚度、高性能涂層的噴涂方法包括如下步驟:
步驟一、噴涂前金屬基體表面預(yù)處理，采用丙酮清洗基體表面，通過噴砂粗化基體表面；
步驟二、以壓縮空氣作為主氣及送粉氣，通過大氣等離子噴涂技術(shù)采用大氣等離子噴涂設(shè)備在金屬基體表面沉積0.5-5 mm厚的自恪合金涂層，自恪合金涂層可以采用Co基、Ni基、Fe基自熔合金材料，或自熔合金/陶瓷復(fù)合材料；
步驟三、以壓縮空氣作為主氣，通過等離子焰流對噴涂態(tài)涂層進(jìn)行重熔處理。
[0018]應(yīng)用本方法，可采用烏克蘭Kiev-7型大氣等離子噴涂設(shè)備，在經(jīng)過預(yù)處理的2Cr 13不銹鋼基體(50 X 40 X 5 mm)表面噴涂2 mm厚的Ni基自熔合金涂層；所用噴涂材料為Ni基自熔合金粉末PG-10N-01 ;主要噴涂參數(shù)為:等離子弧功率28 kW，主氣(壓縮空氣)壓力0.15 MPa、流量6 m3/h，送粉氣(壓縮空氣)壓力6 kPa，噴涂距離200 mm ;涂層的重熔參數(shù)為:重熔距離100 mm。通過此參數(shù)制備出的涂層，如圖1所示，孔隙率< 2%，結(jié)合強(qiáng)度> 200 MPa，顯微硬度> 1000 HV。
[0019]也可采用烏克蘭Kiev-7型大氣等離子噴涂設(shè)備，在經(jīng)過預(yù)處理的2Crl3不銹鋼基體(50X40X5 mm)表面噴涂2 mm厚的Co基自熔合金涂層；所用噴涂材料為Co基自熔合金粉末PG-10K-01 ;主要噴涂參數(shù)為:等離子弧功率31.5 kW，主氣(壓縮空氣)壓力0.15 MPa,流量6 m3/h，送粉氣(壓縮空氣)壓力6 kPa，噴涂距離200 mm ;涂層的重熔參數(shù)為:重熔距離 100 mmη
[0020]還可采用烏克蘭Kiev-7型大氣等離子噴涂設(shè)備，在經(jīng)過預(yù)處理的2Crl3不銹鋼基體(50 X 40 X 5 mm)表面噴涂2 mm厚的Ni基自熔合金/WC復(fù)合涂層；所用噴涂材料為Ni基自熔合金粉末與WC粉末的機(jī)械混合粉末PS-12NVK-01 ;主要噴涂參數(shù)為:等離子弧功率46.2 kW，主氣(壓縮空氣)壓力0.23 10^、流量6.9 m3/h，送粉氣(壓縮空氣)壓力6 kPa，噴涂距離200 mm ;涂層的重熔參數(shù)為:重熔距離100 mm。通過此參數(shù)制備出的涂層，如圖2所示，孔隙率< 1%，結(jié)合強(qiáng)度> 200 MPa，顯微硬度> 1100 HV。
[0021]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種大厚度、高性能涂層的噴涂方法，其特征在于:其制備步驟為:采用大氣等離子噴涂技術(shù)在金屬基體表面沉積大厚度自熔合金涂層，然后采用等離子焰流對噴涂態(tài)涂層進(jìn)行重熔處理，最終制備出所需涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大厚度、高性能涂層的噴涂方法，其特征在于:其具體的制備步驟為: (1)采用丙酮對金屬基體表面進(jìn)行清洗，通過噴砂去除基體表面的氧化皮，得到粗糙表面； (2)通過大氣等離子噴涂設(shè)備在金屬基體表面沉積厚度為0.5-5 mm的自熔合金涂層，主氣及送粉氣均用壓縮空氣，所述自熔合金涂層采用Co基、Ni基或者Fe基自熔合金材料，或者自熔合金/陶瓷復(fù)合材料； (3)采用等離子焰流對噴涂態(tài)涂層進(jìn)行重熔處理，主氣選用壓縮空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大厚度、高性能涂層的噴涂方法，其特征在于:步驟(2)和(3)中的主要參數(shù):等離子弧功率28~46.2 kW，主氣壓力0.15-0.23 MPa、流量6 ~6.9 m3/h，送粉氣壓力6 kPa，噴涂距離200 mm ;涂層的重熔參數(shù)為:重熔距離100 mm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大厚度、高性能涂層的噴涂方法，首先對金屬基體表面進(jìn)行清洗、噴砂預(yù)處理；再以壓縮空氣為主氣及送粉氣，通過大氣等離子噴涂在金屬基體表面沉積0.5-5mm厚自熔合金涂層；然后以壓縮空氣作為主氣，通過等離子焰流對噴涂態(tài)涂層進(jìn)行重熔處理。利用本方法可有效提高涂層厚度及致密性、提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)大大降低涂層的制造成本、提高生產(chǎn)效率。
【IPC分類】C23C4-02, C23C4-12
【公開號】CN104711506
【申請?zhí)枴緾N201510127844
【發(fā)明人】田立輝, 蘆笙, 陸二林, 毛淑滑, 劉兆朋
【申請人】江蘇科技大學(xué)
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年3月23日