CN100590226C - 制备高熔点陶瓷涂层的喷涂工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可在基体材料表面制备高熔点陶瓷涂层或陶瓷-金属复合涂层的工艺方法。其步骤为对基体进行常规预处理；将待喷涂材料粉末置于喷枪空腔内；给电极施加冲击大电流，发生电爆炸，对陶瓷粉末进行预热并推动其运动；粉末到达二级喷枪入口处时，二级喷枪的电极击穿并产生大电流，形成等离子体导电通道，加热并推动粉末向前高速运动与二级喷枪出口处的基体表面高速碰撞形成喷涂涂层。本发明使基体材料与微粒材料形成冶金结合，结合强度大为提高，特别是能对陶瓷类非金属材料进行高强度的涂覆。

Description

制备高熔点陶瓷涂层的喷涂工艺

技术领域：

本发明涉及一种粉末喷涂工艺，特别是指一种可将高熔点陶瓷粉末喷涂在基体上的喷涂工艺。

背景技术：

热喷涂技术即利用喷涂方法在工件表面制备一定厚度的涂层材料，从而获得基材不具备而又期望具有的性能与功能，它可显著提高材料表面的耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐磨性能，从而显著提高部件的使用寿命。

磨损、断裂和腐蚀是材料破坏的三种主要形式。由磨损造成的经济损失也是巨大的。在工业国家每年磨损带来的损失占到国民生产总值的2～8％，其中仅磨粒磨损造成的损失占到国民生产总值的1～4％，根据有关研究，设备的维护和修理的费用占到机器费用的30～50％。目前表面涂层技术的工艺过程根据沉积相的状态分为四类：气相沉积，液相沉积，熔融相沉积，固相沉积，这些常规的表面涂层技术都有各自的优势和局限性，制作的涂层的性能相差很大。提高涂层与基体的结合强度，在提高材料的磨损性方面，有着重要的意义。

传统的粉末热喷涂技术如等离子喷涂和HVOF高速火焰喷涂等技术是目前成熟的技术，已在工程中得到广泛应用。但这些技术也有一些局限性，具体如下：(1)难以制备一些高熔点(2800-3830℃)的陶瓷涂层(或涂层性能不高)，如HfC、NbC、TaC、ZrC、ZrB、TiC、TiB₂、B₄C等(这些高熔点涂层对于延长一些在800-1500℃高温、腐蚀环境下工作的部件寿命具有十分重要的意义)。(2)传统的粉末热喷涂技术大都利用气体热动力学原理推动粉末运动，粉末速度一般低于1000m/s，涂层与基体主要为机械结合，涂层与基体的结合强度较低，一般为数十MPa；例如用等离子喷涂B4C涂层(用于核反应堆第一壁材料的涂层)，其结合强度为10～20MPa，且孔隙率较高，难以满足工程需要。另有就是利用电爆炸技术将金属或合金丝在大电流的作用下的电爆炸，使金属粉末与基体碰撞而形成涂层，该方法无法使非金属材料作为涂覆材料，因此如何能将非金属材料与基体达成良好的结合涂覆是目前的一个技术难题。

发明内容：

本发明的发明目的是公开一种可在基体材料表面制备高结合强度的耐磨、耐腐蚀及抗氧化的高熔点陶瓷涂层或陶瓷-金属复合涂层的工艺方法。

实现本发明的技术解决步骤如下：

a.对基体的待喷涂表面清污、防锈、除油常规预处理；

b.将待喷涂材料粉末送入一端带一对放电电极的喷枪的靠近电极的空腔内，根据实验结果和计算，一级喷枪所需电容器储能为15-25kJ；

c.给电极施加一个冲击大电流，电极击穿并在电极间产生瞬时大电流，在喷枪内腔发生电爆炸，电爆炸产生的高温、高压等离子体对陶瓷粉末进行预热，并推动陶瓷粉末向喷枪的空腔的另一端运动；

d.在高速运动的陶瓷粉末到与喷枪连接的二级喷枪入口处时，通过触发装置使二级喷枪的电极击穿并产生大电流，形成包含部分运动的陶瓷粉末的等离子体导电通道，或称为等离子体电枢，上、下电极和等离子体电枢分别受到电动力和洛伦兹(Lorentz)力的作用，在电磁力的作用下，等离子体高速向前运动，高温、高压等离子体在向前高速运动的同时，加热并推动陶瓷粉末向前高速运动，根据计算及实验结果，二级喷枪所需电容器总储能为20-30kJ；

e.高速运动的陶瓷粉末与置于二级喷枪出口处的基体的待喷涂表面高速碰撞形成喷涂涂层。

所述的放电电极是两相对延伸的负极板中间位置为正极，正负极之间为绝缘材料，正负极端部具一定的尖端状。

所述的二级喷枪为两平板状电极夹持两块中间有一间距的非导电材料，中间形成一条状通道。

可对基材的表面进行一次以上的高速粉末的高速碰撞喷涂，多次喷涂可增加涂层的厚度，提高耐磨、耐腐蚀等性能，提高使用寿命。

本发明利用可重复送粉的脉冲送粉装置将待喷涂材料粉送入喷枪通孔内接近放电极的适当位置(利用脉冲式压缩气体送粉装置可使粉末在喷枪内弥散分布)，随后通过延时控制电路触发大电流发生装置，在放电电极的两极上施加一个高电压，将电极间的空气介质击穿形成短路状态，通过一个瞬时的大电流，在电极间形成瞬间的放电，产生一个高温高压的等离子区域，该高温高压的等离子体对预置在喷枪内的陶瓷粉末进行加热，并推动粉末向前运动，根据实验结果，在喷枪内有相当程度的陶瓷粉末达到熔点以上的温度，并根据理论推算和实验测量，陶瓷粉末在一级喷枪出口端的出口速度可达1000～2000m/s。当粉末运动至二级喷枪时，通过延时触发装置使连接二级喷枪的开关接通，开关导通后，二级喷枪的两个电极通过尖端放电被击穿，并产生大电流，形成包含部分运动的陶瓷粉末的等离子体导电通道，或称为等离子体电枢，上、下电极和等离子体电枢分别受到电动力和洛伦兹(Lorentz)力的作用，在电磁力的作用下，等离子体高速向前运动，高温、高压等离子体在向前高速运动的同时，加热并推动陶瓷粉末向前高速运动。放电大电流发生装置在目前是成熟的现有技术，本发明的结构相当简单，产生的高速运动的陶瓷粉末与待涂覆的基体表面碰撞，在微粒与基体的碰撞界面产生几万以上大气压的压力。该压力已远远超过任何材料的屈服极限，基体材料和微粒材料在上述压力下，均可视为高速流体，导致基体材料与微粒材料形成冶金结合，结合强度大为提高，特别是能对陶瓷类非金属材料进行高强度的涂覆。

附图说明：

图1为本发明的系统原理图。

图2为实现本发明涉及的喷涂装置的结构示意图。

图3为图2的A-A剖面结构示意图。

图4为图2的B-B剖面结构示意图。

其中的标号11为限流电阻。

其中的标号12为升压变压器。

其中的标号13为高压脉冲充放电电容器组。

其中的标号14为间隙开关。

其中的标号15为触发装置。

其中的标号16为电流测量装置。

其中的标号17为电压测量装置。

具体实施方式：

请同时参照图1～图4，本发明的具体实施例的工艺步骤如下：

a.对基体的待喷涂表面清污、防锈、除油常规预处理；

b.将待喷涂材料粉末9置于一端带一对放电电极的喷枪5的靠近电极的空腔内(一级喷枪)，一级喷枪总长度在150～250mm范围，横截面积在2～3cm²范围；

c.给电极施加一个冲击大电流，电极击穿并在电极间产生瞬时大电流，在喷枪5内腔发生电爆炸，电爆炸产生的高温、高压等离子体对陶瓷粉末9进行预热，并推动陶瓷粉末9向喷枪5的空腔的另一端运动；

d.在高速运动的陶瓷粉末9到与喷枪5连接的二级喷枪6入口处时，通过触发装置8使二级喷枪6的电极击穿并产生大电流，形成包含部分运动的陶瓷粉末的等离子体导电通道，或称为等离子体电枢，上、下电极和等离子体电枢分别受到电动力和洛伦兹(Lorentz)力的作用，在电磁力的作用下，等离子体高速向前运动，高温、高压等离子体在向前高速运动的同时，加热并推动陶瓷粉末向前高速运动，二级喷枪的长度在300～500mm范围，横截面积在2～3cm²范围；

e.高速运动的陶瓷粉末与置于二级喷枪6出口处的基体的待喷涂表面高速碰撞形成喷涂涂层。

所述的放电电极是两相对延伸的负极板3中间位置为正极4，正负极之间为绝缘材料，正负极端部具一定的尖端状。

所述的二级喷枪6为两平板状电极夹持两块中间有一间距的非导电材料7，中间形成一条状通道。

可对基材的表面进行一次以上的高速粉末的高速碰撞喷涂，多次喷涂可增加涂层的厚度，提高耐磨、耐腐蚀等性能，提高使用寿命。

可同时结合图1～图3所给出的喷涂装置，详细描述本发明的具体内容，本发明的喷涂装置包括大电流发生装置1和控制大电流发生装置放电的控制电路，这一部分为现有技术，有成熟的电路可供选择，关键是大电流发生装置1接喷枪5通孔一端的放电电极，喷枪5的近封闭端有一送料装置2，该送料装置可使待喷涂的陶瓷粉末9置入喷枪5的适当位置，实质上送料装置2就是在喷枪5壁上有一送料孔和一可开启或关闭该孔的机构，在粉末9置入喷枪5后，关闭该送料孔，喷枪5的另一端为开口状；实际使用时，先将陶瓷粉末9置入喷枪5通孔内，触发电路使大电流发生装置1在电极的正负极产生高压，并使电极的正负极之间击穿呈短路状，并有大电流通过正负极，这实质就是产生大的电弧，亦可称为电爆炸，则在喷枪5的封闭端产生高温高速膨胀的等离子体，驱动电极前的粉末向前运动，同时对粉末进行加热，根据理论计算和实验测定，粉末可加速至1000～2000m/s，高温高速的粉末直接碰撞置于喷枪开口端的基体表面，高速碰撞又产生高温高压，使粉末与基体表面形成高强度的冶金结合。

上述的放电电极的结构是具两相对延伸的负极板3中间位置为正极4，正负极之间为绝缘材料，正负极端具尖端，由于正负极之间呈对称状，并且中间的正极4基本处于喷枪5通孔的轴心位置，则产生的电爆炸基本为均匀对称，可保让对粉末的推动为一近似平面的驱动，使喷枪5端部的电爆炸可认为满足一维的活塞运动模型，则经计算可得粉末的平均速度为1000～2000m/s左右。

上述的喷枪5为非导电材料，中心为通孔，一端与放电电极的负极板3为可拆式固定连接；因为放电电极在经过若干次高压大电流放电后会产生一定程度的烧蚀，会使涂层的精度产生一定的变化，电极与喷枪之间之可拆卸，则可根据烧蚀情况更换放电电极，这种可拆式连接的实现完全是现有技术，例如卡扣连接式或是螺纹连接式均可，则可保证多次涂覆的精度。

上述的大电流发生装置1的电容器组的高压端通过三极开关与放电电极的一个电极连接，低压端直接与放电电极的另一电极连接。

上述的喷枪5水平延长段(由非导电陶瓷材料组成)的开口端连接二级喷枪6，该二级喷枪6的结构为两平板状的电极夹持两块中间有一间距的非导电材料7(如三氧化二铝)，中间形成一条状的通孔10，两平板电极接另一独立的大电流发生装置8，大电流发生装置8接触发控制电路；大电流发生装置8的电容器组的高压端通过三电极开关与二级喷枪6的一个电极接触，低压端直接与二级喷枪另一电极连接；当在喷枪5中被加热的粉末运动至喷枪5与二级喷枪6的连接处时，控制电路触发大电流发生装置8对二级喷枪6的两电极施加高电压并击穿和通过一个大电流，形成包含部分陶瓷粉末的等离子导电通道(亦称等离子体电枢)向前运动。上下电极和等离子电枢分别受到电动力和Lorentz力的作用，在电磁力的作用下，等离子电枢向前加速运动。高温高压状的等离子体在向前高速运动的同时，快速加热其中的陶瓷粉末并推动其沿着二级喷枪6内的条状通道(即通孔10)高速运动，根据理论计算，可使陶瓷粉末在二级喷枪6出口处的速度达到3000m/s以上。

虽然粉末在一级喷枪5内可获得较高的速度，但由于粉末在一级喷枪加热的时间较短，在一级喷枪5内，仅有少于50％的粉末达到熔融状态。因此，粉末还需进入二级喷枪6内，继续被加热和加速。

二级喷枪6可按等离子电枢运动模型来分析等离子体的移动速度，设回路的电流方程为

I(t)＝I₀e^-βt sinωt

经计算，最后得推动粒子运动的等离子弧速度公式如下：

$v=\frac{C_2}{{4C}_1\mathrm{\β}}(1-e^{-2\mathrm{\βt}})-\frac{C_2\mathrm{\β}}{{4C}_1({\mathrm{\β}}^2+{\mathrm{\ω}}^2)}[1-(\cos 2\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\β}}\sin 2\mathrm{\ωt})e^{-2\mathrm{\βt}}]$

其极限速度

计算实例：

取d₀＝2cm＝0.02m，b＝2cm＝0.02m；

$I\left(t\right)=8.3e^{-1.47\×{10}^{3}t},$

则：

$C_2=\frac{{\mathrm{\μI}}_0^2}{4\mathrm{\π}}\frac{b}{x(b-x)}={10}^{-7}\×{(8.3\×{10}^4)}^2\frac{0.02}{x(0.02-x)}=\frac{13.78}{x(0.02-x)}$

$\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\π}}{400\×{10}^{-6}}=1.57\×{10}^4$

若s＝0.36时，

取x＝0.001m时，t＝5.55×10^-4s，此时喷枪出口速度为：

v＝3.77×10⁴m/s，其极限速度

其中：d₀为等离子弧的直径；

m为等离子弧的质量或被喷涂粉末的质量；

b为两电极板间距；

c₁为单位长度的等离子弧的质量或单位长度的被喷涂粉末的质量；

t为等离子弧到达喷枪出口所需的时间；

x为等离子弧上任一点与一侧电极板的距离；

s为喷枪的长度；

$C_3=\frac{\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\π}}\frac{b}{x(b-x)}={10}^{-7}\×\frac{0.02}{(0.02-x)}$

通过上述计算，粉末在二级喷枪6的出口速度达3000m/s～4000m/s，在本实施例中，与喷枪5连接的电流发生装置1的电压为5～6KV，电容器的储能值为15KJ，与二级喷枪6连接的电流发生装置8的电压为5～6KV，电容器的储能值为20KJ。

本发明的涂覆机理是电爆炸产生的高温等离子体加热高熔点陶瓷粉末、电磁力和高压气体推动粉末高速运动原理和高速碰撞冲击力学原理，高速飞行的涂层材料微粒碰撞基体的瞬时，在微粒与基体的碰撞界面产生幅值为几万至十几万大气压的脉冲压强，上述压力已远远超出任何材料的屈服极限，基体材料和微粒材料在上述压力下，均可视为高速流体，其力学性能已是流体性能，在质量扩散和冲击波后粒子的向前运动的作用下，可使基体表层数微米厚度的材料熔化，部分气化的喷涂材料以离子注入的方式扩散到基体表层约5～20微米深度的范围内。熔融陶瓷颗粒在基体表面沉积，由于基体的自激冷作用，基体表面的熔融颗粒以极高的速度快速冷却，从而形成具有超细晶、纳米晶或非晶组织的陶瓷涂层。

本发明每次喷涂的面积约2～3cm²，即一级喷枪和二级喷枪断面面积在2～3cm²范围，在同一喷涂表面可多次喷涂以增加涂层厚度，本发明可用于制备耐高温耐磨损涂层、热障涂层、耐高温氧化腐蚀涂层，可用于作为涂覆的粉末材料主要有(1)导电陶瓷粉末或合金粉末，如TiC、WC-Co、ZrC、TaC、B₄C、TiB₂、TiN、HfC、VC、Cr₃C₂、等；(2)其他不导电氧化物或碳化物陶瓷粉末，如ZrO₂、TiO₂、Al₂O₃、CBN、Si₃N₄等；(3)陶瓷-合金复合粉末，如NiCr-Cr₂C₃、NiAl-TiC、ZrO₂-NiAl等；(4)难熔金属粉末，如W、Mo、Ta、Nb、Zr等。为了使粉末达到3000m/s以上的速度，喷涂粉末材料的直径在5～15μm范围。

Claims (4)

1.一种制备高熔点陶瓷涂层的喷涂工艺，其步骤如下：

a.对基体的待喷涂表面清污、防锈、除油常规预处理；

b.将待喷涂材料粉末(9)置于一端带一对放电电极的喷枪(5)的靠近电极的空腔内；

c.给电极施加一个冲击电流，电极击穿并在电极间产生瞬时电流，在喷枪(5)内腔发生电爆炸，电爆炸产生的等离子体对陶瓷粉末(9)进行预加热并推动陶瓷粉末(9)向喷枪(5)的空腔的另一端开口运动；

d.在高速运动的陶瓷粉末(9)到与喷枪(5)连接的二级喷枪(6)入口处时，通过触发装置(8)使二级喷枪(6)的电极击穿并产生电流，形成包含部分运动的陶瓷粉末的等离子体导电通道，或称为等离子体电枢，上下电极和等离子体电枢分别受到电动力和洛伦兹(Lorentz)力的作用，在电磁力的作用下，等离子体高速向前运动，等离子体在向前高速运动的同时，加热并推动陶瓷粉末向前高速运动；

e.高速运动的陶瓷粉末与置于二级喷枪(6)出口处的基体的待喷涂表面高速碰撞形成喷涂涂层。

2.按权利要求1所述的制备高熔点陶瓷涂层的喷涂工艺，其特征在于所述的放电电极是两相对延伸的负极板(3)中间位置为正极(4)，正负极之间为绝缘材料，正负极端部具尖端状。

3.按权利要求1所述的制备高熔点陶瓷涂层的喷涂工艺，其特征在于所述的二级喷枪(6)为两平板状电极夹持两块中间有一间距的非导电材料(7)，中间形成一条状通道。

4.按权利要求1或2或3所述的制备高熔点陶瓷涂层的喷涂工艺，其特征在于可对基材的表面进行一次以上的高速粉末的高速碰撞喷涂。

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