CN104711506A

CN104711506A - 一种大厚度、高性能涂层的喷涂方法

Info

Publication number: CN104711506A
Application number: CN201510127844.7A
Authority: CN
Inventors: 田立辉; 芦笙; 陆二林; 毛淑滑; 刘兆朋
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2015-03-23
Filing date: 2015-03-23
Publication date: 2015-06-17

Abstract

本发明公开了一种大厚度、高性能涂层的喷涂方法，首先对金属基体表面进行清洗、喷砂预处理；再以压缩空气为主气及送粉气，通过大气等离子喷涂在金属基体表面沉积0.5-5mm厚自熔合金涂层；然后以压缩空气作为主气，通过等离子焰流对喷涂态涂层进行重熔处理。利用本方法可有效提高涂层厚度及致密性、提高涂层与基体的结合强度，同时大大降低涂层的制造成本、提高生产效率。

Description

一种大厚度、高性能涂层的喷涂方法

技术领域

本发明于热喷涂涂层技术领域，涉及到一种大厚度、高性能涂层的喷涂方法。

背景技术

金属材料的磨损、腐蚀等失效，一般从其表面开始，由这些失效造成的经济损失相当惊人。尽管工程用高性能结构钢具有较好的力学及化学性能，但在石油化工、矿山、钻井平台等复杂的工作环境下，单靠其自身的性能还不能完全满足使用要求。对一些关键结构件进行表面处理是一种有效的方法，其中采用大气等离子喷涂技术在结构件表面制备一层耐腐蚀、耐磨损的涂层，可有效提高材料性能和服役寿命，并且便捷而经济。

大气等离子喷涂是热喷涂技术的一种重要方法，它是随着现代航空、航天技术的出现而发展起来的，目前已经广泛应用于航空、航天、军事、机械、电力和生物工程等各个领域，从上世纪80年代开始，大气等离子喷涂技术开始成为热喷涂表面处理的主流工艺，其应用比例达到了近50%。大气等离子喷涂以高温（＞10000℃）、高速的等离子焰流为热源，将粉末状喷涂材料加热至熔化状态，并加速形成高速熔滴，熔滴撞击基体或已沉积涂层表面，发生扁平化、快速冷却凝固，通过无数扁平粒子的累加形成涂层。

大气等离子喷涂涂层具有典型的层状、多孔结构，喷涂态涂层的孔隙率一般＞2%。涂层中的三维孔洞、粒子间未结合界面及垂直微裂纹等缺陷的存在严重影响了涂层在腐蚀、磨损等条件下的使用性能。

涂层与基体的结合强度是评定涂层质量的重要指标。由于基体与涂层材料的化学成分相差较大，其组织结构和物化性能相差很大，喷涂过程中在基体与涂层的界面处，会由于温度和相变产生较大的残余应力，从而降低界面的结合强度。通常涂层与基体的结合以机械结合为主，两者之间存在明显的界面，影响涂层与基材的结合，尤其在高温、受压等苛刻条件下容易发生龟裂、起皮、剥落等现象，从而导致涂层失效。目前，凭借国内的等离子喷涂技术，通常金属涂层与基体的最佳结合强度只能达到70 MPa左右。

一般情况下，随着涂层厚度的增加，其孔隙率会提高，而涂层的显微硬度会降低。试验数据表明，当涂层厚度从100 μm提高至500 μm以后，孔隙率提高了2.6倍，而显微硬度则降低了30%。此外，基于大气等离子喷涂原理，通常涂层厚度与结合强度成反比，即厚度越厚，结合强度越差。因为随着涂层厚度的增加，涂层内部的残余应力也随之增加。研究表明，当涂层厚度从100 μm提高至500 μm后，涂层与基体的结合强度降低了70%左右。因此，大气等离子喷涂涂层一般较薄，不能满足大厚度特殊涂层的应用要求，也因没有足够的余量而难以加工出非平面、异形面的构件和零部件。

目前，为了实现性能优异的涂层，在大气等离子喷涂过程中通常采用价格较昂贵的He、H₂等气体，且气体用量较大，从而增加了喷涂工艺及最终涂层的制造成本。

由Ni基、Co基、Fe基等自熔合金粉末沉积而成的涂层具有耐热、抗氧化、抗高温腐蚀、耐磨损等诸多优点，因此被广泛应用于石油、化工、水泥等行业。目前，一般通过热喷涂工艺沉积自熔合金粉末制备涂层，然后通过激光对喷涂态涂层进行重熔处理。如火焰喷涂自熔合金涂层结合激光重熔处理、大气等离子喷涂自熔合金涂层结合激光重熔处理等。尽管通过不同工艺的复合能够得到结构致密、结合强度较高的涂层，但由于涂层的沉积与重熔采用两种不同的工艺，从而加大了涂层制造工艺的复杂性，增加了生产成本，降低了生产效率。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种大厚度、高性能涂层的高效、低成本制备方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种大厚度、高性能涂层的喷涂方法，其制备步骤为：采用大气等离子喷涂技术在金属基体表面沉积大厚度自熔合金涂层，然后采用等离子焰流对喷涂态涂层进行重熔处理，最终制备出所需涂层。

其具体的制备步骤为：

（1）采用丙酮对金属基体表面进行清洗，通过喷砂去除基体表面的氧化皮，得到粗糙表面；

（2）采用大气等离子喷涂技术在金属基体表面沉积厚度为0.5-5 mm的自熔合金涂层，主气及送粉气均选用压缩空气；

（3）采用等离子焰流对喷涂态涂层进行重熔处理，主气选用压缩空气。

本发明首先对金属基体表面进行清洗、喷砂预处理；再以压缩空气为主气及送粉气，通过大气等离子喷涂在金属基体表面沉积0.5-5 mm厚自熔合金涂层；然后以压缩空气作为主气，通过等离子焰流对喷涂态涂层进行重熔处理。

有益效果：本发明相对于现有技术而言具有以下优点：

利用本方法可有效提高涂层厚度及致密性、提高涂层与基体的结合强度，同时大大降低涂层的制造成本、提高生产效率。

附图说明

图1 采用本发明中大气等离子喷涂Ni基自熔合金涂层等离子焰流重熔后涂层形貌。

图2 采用本发明中大气等离子喷涂Ni基自熔合金/WC复合涂层等离子焰流重熔后涂层形貌。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明大厚度、高性能涂层的喷涂方法包括如下步骤：

步骤一、喷涂前金属基体表面预处理，采用丙酮清洗基体表面，通过喷砂粗化基体表面；

步骤二、以压缩空气作为主气及送粉气，通过大气等离子喷涂技术采用大气等离子喷涂设备在金属基体表面沉积0.5-5 mm厚的自熔合金涂层，自熔合金涂层可以采用Co基、Ni基、Fe基自熔合金材料，或自熔合金/陶瓷复合材料；

步骤三、以压缩空气作为主气，通过等离子焰流对喷涂态涂层进行重熔处理。

应用本方法，可采用乌克兰Kiev-7型大气等离子喷涂设备，在经过预处理的2Cr13不锈钢基体（50×40×5 mm）表面喷涂2 mm厚的Ni基自熔合金涂层；所用喷涂材料为Ni基自熔合金粉末PG-10N-01；主要喷涂参数为：等离子弧功率28 kW，主气（压缩空气）压力0.15 MPa、流量6 m³/h，送粉气（压缩空气）压力6 kPa，喷涂距离200 mm；涂层的重熔参数为：重熔距离100 mm。通过此参数制备出的涂层，如图1所示，孔隙率＜2%，结合强度＞200 MPa，显微硬度＞1000 HV。

也可采用乌克兰Kiev-7型大气等离子喷涂设备，在经过预处理的2Cr13不锈钢基体（50×40×5 mm）表面喷涂2 mm厚的Co基自熔合金涂层；所用喷涂材料为Co基自熔合金粉末PG-10K-01；主要喷涂参数为：等离子弧功率31.5 kW，主气（压缩空气）压力0.15 MPa、流量6 m³/h，送粉气（压缩空气）压力6 kPa，喷涂距离200 mm；涂层的重熔参数为：重熔距离100 mm。

还可采用乌克兰Kiev-7型大气等离子喷涂设备，在经过预处理的2Cr13不锈钢基体（50×40×5 mm）表面喷涂2 mm厚的Ni基自熔合金/WC复合涂层；所用喷涂材料为Ni基自熔合金粉末与WC粉末的机械混合粉末PS-12NVK-01；主要喷涂参数为：等离子弧功率46.2 kW，主气（压缩空气）压力0.23 MPa、流量6.9 m³/h，送粉气（压缩空气）压力6 kPa，喷涂距离200 mm；涂层的重熔参数为：重熔距离100 mm。通过此参数制备出的涂层，如图2所示，孔隙率＜1%，结合强度＞200 MPa，显微硬度＞1100 HV。

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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种大厚度、高性能涂层的喷涂方法，其特征在于：其制备步骤为：采用大气等离子喷涂技术在金属基体表面沉积大厚度自熔合金涂层，然后采用等离子焰流对喷涂态涂层进行重熔处理，最终制备出所需涂层。

2.根据权利要求1所述的大厚度、高性能涂层的喷涂方法，其特征在于：其具体的制备步骤为：

（2）通过大气等离子喷涂设备在金属基体表面沉积厚度为0.5-5 mm的自熔合金涂层，主气及送粉气均用压缩空气，所述自熔合金涂层采用Co基、Ni基或者Fe基自熔合金材料，或者自熔合金/陶瓷复合材料；

3.根据权利要求2所述的大厚度、高性能涂层的喷涂方法，其特征在于：步骤（2）和（3）中的主要参数：等离子弧功率28~46.2 kW，主气压力0.15~0.23 MPa、流量6 ~6.9 m³/h，送粉气压力6 kPa，喷涂距离200 mm；涂层的重熔参数为：重熔距离100 mm。