CN101818318A - 一种大气等离子体喷涂法制备细晶钨、钼涂层的方法 - Google Patents

一种大气等离子体喷涂法制备细晶钨、钼涂层的方法 Download PDF

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宋书香
郭双全
姚伟志
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Abstract

本发明是一种大气等离子体喷涂法制备细晶钨、钼涂层的方法，是通过对超细钨粉及钼粉进行造粒处理，喷涂过程中布置保护气幕，采用大气等离子体喷涂技术制备细晶粒钨、钼涂层。其工艺为：选择粒度为30nm至30μm的钨粉、钼粉或平均粒径为15-30μm的羰基钨粉烘干后备用；喷涂基体采用无氧铜、铜合金或不锈钢板。使用大气等离子体喷涂设备进行喷涂，设备功率27kW-40kW之间；采用氩气为喷涂主气；氢气为喷涂辅气。本发明的优点在于：本发明的方法制备得到的细晶粒钨、钼涂层气孔率较低，有较好的力学性能和抗热冲击性，适于机械部件的耐磨表面保护层，耐高温等离子体冲刷部件，如核聚变装置中的第一壁材料等。

Description

一种大气等离子体喷涂法制备细晶钨、钼涂层的方法
技术领域
本发明属于高熔点金属和等离子喷涂涂层技术领域，特别是提供了一种利用大气等离子体喷涂法制备细晶粒钨、钼涂层的方法。
背景技术
本发明涉及大气等离子体喷涂钨、钼涂层。它具有高熔点、高强度、高硬度和高耐磨性的优点，此外，它的热膨胀系数小、抗蚀性和抗氧化性能好以及导电导热性能好，因此在尖端科学领域、国防工业和民用工业中都已得到了非常广泛的应用。如用作汽车工业中作为汽车零件的表面耐磨保护层，核聚变装置中面向等离子体的装甲材料等。
目前制备钨、钼涂层的常用方法主要有化学气相沉积、物理气相沉积以及等离子喷涂等。相比较化学气相沉积技术和物理气相沉积技术，等离子喷涂技术具有独特的优势：操作简单易行，沉积效率高，易于制备厚涂层，而且还易于对受损涂层进行原位修复。因此，利用等离子喷涂技术制备钨、钼涂层作为耐磨耐高温涂层，聚变堆中面向等离子材料受到广泛的关注。
目前制备钨、钼涂层所采用的喷涂钨、钼粉原料均采用粒度为几十微米以上的粉末，所制备的钨、钼涂层还存在一些不足：如涂层的气孔率较高，和基体的结合问题，热冲击性能问题等。由于喷涂过程中钨、钼容易氧化，目前主要采用真空或低压等离子体喷涂技术，喷涂操作复杂，成本高。
细晶粒(纳米结构)涂层由于其独特的物理、化学特性引起了人们越来越广泛的关注。纳米材料具有独特的结构和优异的性能，可以使机件的服役性能大大提高。研究结果表明，细晶粒(纳米结构)涂层可使涂层的拉伸强度、屈服极限、抗蚀、抗高温作用和抗接触疲劳性能大幅度提高。例如美国纳米材料公司通过特殊的粘接处理制成了专用热喷涂纳米粉，用等离子喷涂方法获得了纳米结构的AI2O3/TiO2涂层，致密度达95～98％，结合强度比传统的喷涂粉末涂层提高2～3倍，耐磨性提高3倍。
超细(纳米)表面技术目前还没有报道应用于钨、钼涂层的制备，以及在聚变堆中面向等离子体材料的应用。本发明的目的是根据用作核聚变堆面向等离子体部件的工作特点及性能要求，采用超细钨、钼粉或羰基钨粉作为原料通过大气等离子体喷涂技术获得高性能的细晶粒钨、钼涂层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大气等离子体喷涂法制备细晶钨、钼涂层的方法，具体工艺步骤为：
a、原料的准备：以Φ40mm×8mm的无氧铜圆片、或铜合金片、或不锈钢片为喷涂基体，经过喷砂预处理，再经酒精或丙酮清洗，从而获得洁净、粗糙的表面。选择粒度为30nm～30μm的钨粉和钼粉，或平均粒径为15-30μm的羰基钨粉。喷涂前粉末在100℃条件下烘干30min，以避免喂粉过程中的团聚和送粉管堵塞。
b、喷涂：使用大气等离子体喷涂的设备，设备的功率27KW-40KW。采用氩气为喷涂主气；氢气为辅气，以提高喷涂功率并防止涂层基体氧化；送粉方式采用内送粉，以提高熔化效率，抑制氧化。喷涂工艺参数为：电弧电压60-70V，电弧电流450-600A，主气采用氩气，流量为40-50L/min，氢气流量为4-7L/min，送粉速率为15-30g/min，喷涂距离约为100-120mm。
所述喷涂设备包括电源、喷涂工作台、电气控制系统、喷枪、输气管、氩气瓶、送粉器、气路、和水路系统等部分组成，在所述喷涂工作台周围布置喷气管，并由输气管连接至氩气瓶，以便在喷涂过程中在喷涂基体周围喷入具有一定压力的氩气，使得基体和涂层处于氩气保护下，旨在防止基材过热，同时也避免喷涂过程中基材和涂层的氧化。
当所述钨粉或钼粉的粒度在10μm以下时，需要对其预先进行造粒，采用压制破碎筛分或预烧破碎筛分的方法进行造粒，以提高其流动性。
本发明的优点在于：通过对超细钨粉及钼粉进行造粒处理，喷涂过程中布置保护气幕，采用大气等离子体喷涂技术制备细晶粒钨、钼涂层。制备得到的细晶粒钨、钼涂层气孔率较低，有较好的力学性能和抗热冲击性，适于机械部件的耐磨表面保护层，耐高温等离子体冲刷部件，如核聚变装置中的第一壁材料等。
具体实施方式
实施例1
以16μm钨粉为喷涂原料制备的钨涂层。
以Φ40mm×8mm的无氧铜圆片为喷涂基体，经过喷砂预处理，再经酒精或丙酮清洗，从而获得洁净、粗糙的表面。将粒度为16μm的钨粉在100℃条件下烘干30min后，采用大气等离子体喷涂技术喷涂到无氧铜基体上，大气等离子体喷涂设备的功率35KW，送粉方式采用内送粉。喷涂工艺使用的电弧电压为70V，电弧电流为500A，采用氩气为喷涂主气，氢气为辅气，氩气流量为45L/min，氢气流量为6L/min；送粉速率为25g/min，喷涂距离约为120mm，涂层厚度为1mm，所得涂层样品测得气孔率为4.5％，显微硬度为276.80HV。涂层的结合强度为27MPa。
实施例2
以28μm钨粉为喷涂原料制备的钨涂层。
以Φ40mm×8mm的无氧铜圆片为喷涂基体，经过喷砂预处理，再经酒精或丙酮清洗，从而获得洁净、粗糙的表面。将粒度为28μm的钨粉在100℃条件下烘干30min后，采用大气等离子体喷涂技术喷涂到无氧铜基体上，大气等离子体喷涂设备的功率35KW，送粉方式采用内送粉。喷涂工艺使用的电弧电压为70V，电弧电流为500A，采用氩气为喷涂主气，氢气为辅气，氩气流量为45L/min，氢气流量为6L/min；送粉速率为25g/min，喷涂距离约为100mm，涂层厚度为1.5mm，所得涂层样品测得气孔率为7.5％，显微硬度为245.20HV。涂层的结合强度为35MPa。
实施例3
以0.2μm钨粉为喷涂原料制备的钨涂层。
以Φ40mm×8mm的无氧铜圆片为喷涂基体，经过喷砂预处理，再经酒精或丙酮清洗，从而获得洁净、粗糙的表面。将粒度为0.2μm的钨粉进行预烧破碎造粒，在100℃条件下烘干30min后，采用大气等离子体喷涂技术喷涂到无氧铜基体上，大气等离子体喷涂设备的功率32.5KW，送粉方式采用内送粉。喷涂工艺使用的电弧电压为65V，电弧电流为500A，采用氩气为喷涂主气，氢气为辅气，氩气流量为45L/min，氢气流量为7L/min；送粉速率为25g/min，喷涂距离约为120mm，涂层厚度为0.5mm，所得涂层样品测得气孔率为3.2％，显微硬度为532.50HV。涂层的结合强度为22MPa。
实施例4
以50nm钨粉为喷涂原料制备的钨涂层。
以Φ40mm×8mm的不锈钢圆片为喷涂基体，经过石英喷砂预处理，再经酒精或丙酮清洗，从而获得洁净、粗糙的表面。将粒度为50nm的钨粉进行压制破碎造粒，在100℃条件下烘干30min后，采用大气等离子体喷涂技术喷涂到不锈钢基体上，大气等离子体喷涂设备的功率30KW，送粉方式采用内送粉。喷涂工艺使用的电弧电压为60V，电弧电流为500A，采用氩气为喷涂主气，氢气为辅气，氩气流量为40L/min，氢气流量为7L/min；送粉速率为20g/min，喷涂距离约为100mm，涂层厚度为0.3mm，所得涂层样品测得气孔率为7％。涂层的结合强度为12MPa。
实施例5
以3μm钼粉为喷涂原料制备的钼涂层。
以Φ40mm×8mm的不锈钢圆片为喷涂基体，经过石英喷砂预处理，再经酒精或丙酮清洗，从而获得洁净、粗糙的表面。将粒度为3μm的钼粉进行预烧破碎造粒，采用大气等离子体喷涂技术喷涂到不锈钢基体上，大气等离子体喷涂设备的功率30KW，送粉方式采用内送粉。喷涂工艺使用的电弧电压为60V，电弧电流为500A，采用氩气为喷涂主气，氢气为辅气，氩气流量为40L/min，氢气流量为6L/min；送粉速率为25g/min，喷涂距离约为120mm，涂层厚度为1.5mm，所得涂层样品测得气孔率为3％，显微硬度为430HV。涂层的结合强度为15MPa。
实施例6
以20μm羰基钨粉为喷涂原料制备的钨涂层。
以Φ40mm×8mm的铜铬锆合金圆片为喷涂基体，经过喷砂预处理，再经酒精或丙酮清洗，从而获得洁净、粗糙的表面。将粒度为20μm的钼粉进行预烧破碎造粒，在100℃条件下烘干30min后，采用大气等离子体喷涂技术将粒度为20μm羰基钨粉喷涂到铜合金基体上，大气等离子体喷涂设备的功率35KW，送粉方式采用内送粉。喷涂工艺使用的电弧电压为70V，电弧电流为500A，采用氩气为喷涂主气，氢气为辅气，氩气流量为45L/min，氢气流量为6L/min；送粉速率为25g/min，喷涂距离约为120mm，涂层厚度为3.2mm，所得涂层样品测得气孔率为2％，显微硬度为280HV。涂层的结合强度为10MPa。

Claims (4)

1.一种大气等离子体喷涂法制备细晶钨、钼涂层的方法，其特征在于：其具体工艺为：
a、喷涂原料的准备：选择粒度为30nm至30μm的钨粉、钼粉或平均粒径为15-30μm的羰基钨粉，喷涂前将所选原料粉末烘干后备用；
喷涂基体采用无氧铜、铜合金或不锈钢板，喷涂前对基体采用喷砂预处理后再用酒精或丙酮清洗；
b、喷涂：使用大气等离子体喷涂设备进行喷涂，设备功率为27kW-40kW之间；采用氩气为喷涂主气；氢气为喷涂辅气，以防止涂层氧化；送粉方式采用内送粉方式进行喷涂；在喷涂工作台周围布置喷气管，并由输气管道连接至氩气瓶，使喷涂基体周围喷入具有一定压力的氩气，使基体和涂层处于氩气气氛保护下，起到冷却基体，并防止基体和涂层氧化的作用；喷涂参数为：电弧电压60-70V，电弧电流450-600A，氩气流量为40-50L/min，氢气流量为4-7L/min，送粉速率为15-30g/min，喷涂距离约为100mm-120mm。
2.根据权利要求1所述的大气等离子体喷涂法制备细晶钨、钼涂层的方法，其特征在于：所述大气等离子体喷涂设备包括：喷涂工作台，输气管道，氩气瓶；其中，在所述喷涂工作台周围设置有喷气管，并由输气管道连接至氩气瓶，使喷涂基体周围喷入具有一定压力的氩气，使基体和涂层处于氩气气氛保护下，起到冷却基体，并防止基体和涂层氧化的作用。
3.根据权利要求1所述的大气等离子体喷涂法制备细晶钨、钼涂层的方法，其特征在于：所述步骤a中，当钨粉或钼粉粒度小于10μm时，需要采用加压破碎造粒法或预烧破碎造粒法对其预先进行造粒，以提高其流动性。
4.根据权利要求1所述的大气等离子体喷涂法制备细晶钨、钼涂层的方法，其特征在于：所述步骤a中，所选原料粉末是在100℃条件下烘干30min，以避免喂粉过程中的团聚和送粉管堵塞。
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