CN115612965B - 一种完全非晶涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种完全非晶涂层的制备方法，属于超音速火焰喷涂技术领域。一种完全非晶涂层的制备方法，所述方法为超音速火焰喷涂法，其中，原料为非晶粉末，所采用的超音速火焰喷涂装置的喷嘴为拉瓦尔喷嘴，所述拉瓦尔喷嘴由发散段和收缩段组成，其中，所述收缩段长度为21～56mm，收缩段线型采用维托辛斯基曲线设计法；所述发散段长度为170～200mm，喉口部直径12～16mm。本发明所述超音速火焰喷涂喷嘴采用拉瓦尔喷嘴，优化拉瓦尔喷发散段和收缩段结构，促使粉末粒子在撞击基板之前处于半熔化状态、较高的撞击速度、较短的驻留时间，从而减少所制备铁基非晶涂层中的孔隙和氧化缺陷，增加与基体结合强度，防止涂层开裂。
Description
技术领域
本发明涉及一种完全非晶涂层的制备方法，属于超音速火焰喷涂技术领域。
背景技术
块体非晶合金的出现，实现了用常规铸造方法制备大尺寸非晶合金，并使非晶合金作为结构材料的应用成为可能。非晶合金在许多方面呈现出较常规合金材料更优异的性能，如高硬度、高弹性模量、高耐磨性以及优异的耐腐蚀性能。在对材料的各种性能要求日益苛刻的21世纪，非晶合金材料有望成为最重要的新型工程材料之一。
然而，块体非晶合金的塑性很差，这严重限制了其实际应用。由于在微米尺度下，非晶合金的脆性会大大改善，将非晶合金微粉末喷涂到韧性基体上制成非晶涂层是一个有效改善脆性并发挥其耐磨耐蚀特性的方法。热喷涂方法制备的非晶合金涂层，呈现出高强度、高耐磨性及优异的耐腐蚀性能，在海洋、电力、石化等国家重大领域关键部件上具有重要应用前景。然而，热喷涂涂层使役过程中一个突出问题是其易于发生分层或局部开裂，最终导致涂层失效，这与涂层制备过程中形成的氧化物及孔隙等缺陷密切相关。涂层中氧化物和孔隙的形成由喷涂过程粉末粒子的速度和温度变化规律决定，而粒子的速度和温度特性与超音速火焰喷涂喷嘴结构息息相关。因而，超音速火焰喷涂喷嘴结构特性是制备高致密度、低氧化缺陷、高性能非晶合金涂层的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超音速火焰喷涂喷嘴优化方法及高性能非晶涂层的制备方法，所述方法为优化超音速火焰喷涂喷嘴结构，具体为：超音速火焰喷涂喷嘴采用拉瓦尔喷嘴，通过优化设计拉瓦尔喷嘴收缩段和发散段，使非晶粉末在撞击基板的速度高且处于半熔化状态，之后在基板上形成铁基完全非晶涂层。
一种完全非晶涂层的制备方法，所述方法为超音速火焰喷涂法，其中，原料为非晶粉末，所采用的超音速火焰喷涂装置的喷嘴为拉瓦尔喷嘴，所述拉瓦尔喷嘴由发散段和收缩段组成，其中，
所述收缩段长度为21～56mm，收缩段线型采用维托辛斯基曲线设计法；
所述发散段长度为170～200mm，喉口部直径12～16mm。
本发明所述拉瓦尔喷嘴口与燃烧室相接，其尺寸与燃烧室入口相匹配。优选，本发明所述拉瓦尔喷嘴的喷嘴口处直径为71mm。
本发明所述完全非晶涂层的制备方法中所使用的超音速火焰喷涂装置为现有技术公开的超音速火焰喷涂装置，可商业购得。
本发明所述超音速火焰喷涂装置与现有技术的差别主要在于喷嘴的设计与使用。
本发明所完全非晶涂层的制备方法中，所得涂层为完全非晶合金涂层，孔隙率低于2.1％，氧含量低于1.8％。
优选地，所述非晶粉末粒子在撞击基板之前熔化指数小于1。
优选地，所述非晶粉末的直径为10～60μm；进一步优选地，所述非晶粉末的直径为20～30μm。
优选地，所述超音速火焰喷涂法中，所述超音速火焰喷涂法中，喷涂距离为150～200mm；空气压力为850～940KPa；丙烷压力为900～980KPa；氮气压力为700～800KPa。
本发明通过上述超音速火焰喷涂拉瓦尔喷嘴的优化，喷涂过程中，非晶粉末获得较高的速度，在撞击基板前非晶粉末处于半熔化状态，粉末粒子的驻留时间短，降低涂层中孔隙和氧化的缺陷数量。
本发明的有益效果为：本发明提供一种超音速火焰喷涂喷嘴优化方法及高性能非晶涂层的制备方法，超音速火焰喷涂喷嘴采用拉瓦尔喷嘴，优化拉瓦尔喷发散段和收缩段结构，促使粉末粒子在撞击基板之前处于半熔化状态、较高的撞击速度、较短的驻留时间，从而减少所制备铁基非晶涂层中的孔隙和氧化缺陷，增加与基体结合强度，防止涂层开裂。
与现有技术相比，本发明具有下述特点：
(1)本发明方法通过优化超音速喷嘴结构，解决了以往喷涂工艺参数优化过程中大量资源浪费问题，降低了非晶涂层制备成本，并获得了低孔隙率、低氧化缺陷的铁基非晶涂层，提高铁基非晶涂层与基体的结合力及耐腐蚀性能，推动其更广泛的应用。
(2)超音速火焰喷涂的拉瓦尔喷嘴收缩段型线采用维托辛斯基曲线设计方法，与传统的收缩段采用直线型线相比，维氏曲线具有进口收缩较快、中后部收缩与进口处相比要小、出口速度与加速性都比较均匀的优点，因此收缩段维氏曲线具有均匀的速度和温度分布特点，收缩段焰流的温度场和速度场增加地更加均匀，粉末粒子获得更高的冲击速度，更重要的是粉末粒子在喷涂过程中的驻留时间大大降低，从而降低涂层氧化缺陷的产生。此外，拉瓦尔喷嘴收缩段长度的优化，有效地控制粉末粒子的熔化状态，减少涂层中的孔隙缺陷，提高涂层致密性以及与基体结合强度。
附图说明
图1(a)是拉瓦尔喷嘴结构示意图；(b)是对比例1中拉瓦尔喷嘴收缩段线型为直线的喷嘴结构示意图；
图2是实施例1制备的涂层XRD图；
图3是不同直径的粉末颗子飞行过程中熔化特性图；
图4为不同直径的粉末颗子飞行过程中速度变化图。
图5为实施例1制备的涂层表面和截面SEM照片；其中：(a)表面；(b)截面。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下述实施例中，所用用超音速火焰喷涂装置为KERMETICO公司的AK07。
实施例1
采用超音速火焰喷涂技术制备铁基非晶涂层，其中：选取拉瓦尔喷嘴收缩段线型为维托辛斯基曲线，收缩段长度：50mm，拉瓦尔喷嘴发散段长度：190mm，喉口部直径14mm，如图1所示。所用非晶粉末尺寸为20-30μm，喷涂距离为180mm，空气压力为900KPa；丙烷压力为950KPa；氮气压力为760KPa。据此制备的铁基非晶涂层，由图2表明所制备的涂层为完全非晶特征。图3是不同直径的粉末颗子飞行过程中熔化特性，其中，直径为10μm和20μm粉末粒子熔化指数小于1，处于半熔化状态，图4为不同直径的粉末颗子飞行过程中速度变化特性，由图5(a)可以看出涂层的表面熔化的状态良好，没有未熔颗粒和熔化过度现象，根据图5(b)计算获得涂层的孔隙率为1.1％，涂层氧含量为0.75％。
实施例2
采用超音速火焰喷涂技术制备铁基非晶涂层，其中：选取拉瓦尔喷嘴收缩段线型为维托辛斯基曲线，收缩段长度：21mm，拉瓦尔喷嘴发散段长度：190mm，喉口部直径14mm。所用非晶粉末尺寸为20-30μm，喷涂距离为180mm，空气压力为900KPa；丙烷压力为950KPa；氮气压力为760KPa。据此制备的铁基非晶涂层，涂层的孔隙率为2.0％，涂层氧含量为1.03％。
实施例3
采用超音速火焰喷涂技术制备铁基非晶涂层，其中：选取拉瓦尔喷嘴收缩段线型为维托辛斯基曲线，收缩段长度：28mm，拉瓦尔喷嘴发散段长度：190mm，喉口部直径14mm。所用非晶粉末尺寸为20-30μm，喷涂距离为180mm，空气压力为900KPa；丙烷压力为950KPa；氮气压力为760KPa。据此制备的铁基非晶涂层，涂层的孔隙率为1.8％，涂层氧含量为1.33％。
实施例4
采用超音速火焰喷涂技术制备铁基非晶涂层，其中：选取拉瓦尔喷嘴收缩段线型为维托辛斯基曲线，收缩段长度：36mm，拉瓦尔喷嘴发散段长度：190mm，喉口部直径14mm。所用非晶粉末尺寸为20-30μm，喷涂距离为180mm，空气压力为900KPa；丙烷压力为950KPa；氮气压力为760KPa。据此制备的铁基非晶涂层，涂层的孔隙率为1.7％，涂层氧含量为1.59％。
实施例5
采用超音速火焰喷涂技术制备铁基非晶涂层，其中：选取拉瓦尔喷嘴收缩段线型为维托辛斯基曲线，收缩段长度：56mm，拉瓦尔喷嘴发散段长度：190mm，喉口部直径14mm。所用非晶粉末尺寸为20-30μm，喷涂距离为180mm，空气压力为900KPa；丙烷压力为950KPa；氮气压力为760KPa。据此制备的铁基非晶涂层，涂层的孔隙率为1.4％，涂层氧含量为1.71％。
对比例1
与实施例1的不同之处在于：拉瓦尔喷嘴收缩段线型为直线，收缩段长度60mm，拉瓦尔喷嘴发散段长度210mm，喉口部直径17mm。结果：所制备的完全非晶合金涂层孔隙率为3.33％，涂层氧含量为5.31％，高于实施例1。
对比例2
与实施例1的不同之处在于：拉瓦尔喷嘴收缩段线型为直线，收缩段长度19mm，拉瓦尔喷嘴发散段长度210mm，喉口部直径17mm。结果：所制备的完全非晶合金涂层孔隙率为5.01％，涂层氧含量为4.09％，高于实施例1。
对比例3
与实施例1的不同之处在于：拉瓦尔喷嘴收缩段线型为直线，收缩段长度60mm，拉瓦尔喷嘴发散段长度110mm，喉口部直径17mm。结果：所制备的完全非晶合金涂层孔隙率为6.13％，涂层氧含量为3.01％，高于实施例1。
对比例4
与实施例1的不同之处在于：拉瓦尔喷嘴收缩段线型为直线，收缩段长度19mm，拉瓦尔喷嘴发散段长度110mm，喉口部直径17mm。结果：所制备的完全非晶合金涂层孔隙率为6.94％，涂层氧含量为2.47％，高于实施例1。
对比例5
与实施例1的不同之处在于：拉瓦尔喷嘴收缩段线型为直线，收缩段长度60mm，拉瓦尔喷嘴发散段长度210mm，喉口部直径11mm。结果：所制备的完全非晶合金涂层孔隙率为2.98％，涂层氧含量为6.03％，高于实施例1。
对比例6
与实施例1的不同之处在于：拉瓦尔喷嘴收缩段线型为直线，收缩段长度19mm，拉瓦尔喷嘴发散段长度210mm，喉口部直径11mm。结果：所制备的完全非晶合金涂层孔隙率为4.49％，涂层氧含量为5.04％，高于实施例1。
对比例7
与实施例1的不同之处在于：拉瓦尔喷嘴收缩段线型为直线，收缩段长度60mm，拉瓦尔喷嘴发散段长度110mm，喉口部直径11mm。结果：所制备的完全非晶合金涂层孔隙率为5..89％，涂层氧含量为3.49％，高于实施例1。
对比例8
与实施例1的不同之处在于：拉瓦尔喷嘴收缩段线型为直线，收缩段长度19mm，拉瓦尔喷嘴发散段长度110mm，喉口部直径11mm。结果：所制备的完全非晶合金涂层孔隙率为6.71％，涂层氧含量为3.07％，高于实施例1。
Claims (6)
1.一种完全非晶涂层的制备方法，其特征在于：所述方法为超音速火焰喷涂法，其中，原料为非晶粉末，
所采用的超音速火焰喷涂装置的喷嘴为拉瓦尔喷嘴，所述拉瓦尔喷嘴由发散段和收缩段组成，其中，
所述收缩段长度为21～56mm，收缩段线型采用维托辛斯基曲线设计法；
所述发散段长度为170～200mm，喉口部直径12～16mm；
所述拉瓦尔喷嘴的喷嘴口处直径为71mm，
所述超音速火焰喷涂法中，喷涂距离为150～200mm；空气压力为850～940kPa；丙烷压力为900～980kPa；氮气压力为700～800kPa。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所得涂层为完全非晶合金涂层，孔隙率低于2.1％，氧含量低于1.8％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述非晶粉末的直径为10～60μm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述非晶粉末的直径为20～30μm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述超音速火焰喷涂法的原料为铁基非晶粉末。
6.根据权利要求1～5任一项所述的方法，其特征在于：所述非晶粉末粒子在撞击基板之前熔化指数小于1。
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| 基于变比热比的拉瓦尔喷管设计的数值研究;詹银晓等;第18届中国CAE工程分析技术年会暨第4届中国数字仿真论坛论文集;20221122;第427-431页 * |
| 超音速电弧喷枪的拉瓦尔喷嘴设计 及流场的数值模拟;项建海等;第七届国际热喷涂研讨会（ITSS’2004）暨第八届全国热喷涂年会（CNTSC’2004）论文集;20041101;第133-136页 * |
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| CN115612965A (zh) | 2023-01-17 |
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