CN102168267B - 节约氦气的优化冷喷涂方法 - Google Patents

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Abstract

一种涂层制备技术领域的节约氦气的优化冷喷涂方法，在冷喷涂沉积涂层过程中，先采用廉价气体对整个喷涂系统进行预热，当廉价气体在喷枪入口处的压力和温度接近预先设定工作气体的压力和温度时，切换到工作气体并填充粉末粒子进行喷涂，在不改变粉末粒子的喷涂工艺参数的前提下沉积涂层，通过节约喷涂系统预热过程中工作气体用量实现冷喷涂工艺的优化。本发明简化现有技术的结构，便于大范围推广应用。

Description

节约氦气的优化冷喷涂方法
技术领域
本发明涉及的是一种涂层制备领域的方法，具体是一种节约氦气的优化冷喷涂方法。
背景技术
冷喷涂是建立在合理利用空气动力学原理基础上的一种新型涂层技术。它采用加热设施预热压缩气体，压缩气体通过缩放型Laval喷枪产生超音速气流，粉末粒子经气体加速后以高速撞击基体，通过产生剧烈的塑性变形而在基体表面沉积为涂层。在实际的冷喷涂过程中，比较典型的工作气体为氮气(N2)、氦气(He)和空气，以及它们按照一定比例形成的混合气体，工作气体的预热温度一般低于600℃，压力为1-3.5MPa，喷涂粒子的典型尺寸为5-50μm，粒子经过喷枪加速后速度可达300-1200m/s。
相对于传统的涂层制备技术，尤其是和热喷涂技术相比，冷喷涂在制备涂层的过程中工作气体温度低，不仅对基体的热影响小，而且粉末粒子在整个制备沉积过程中温度低于其熔点，基本没有氧化、相变或晶粒长大等由高温导致的缺陷，同时也避免了热喷涂凝固过程中产生的宏观和微观偏聚，保留了喷涂材料粒子本来的微观组织和性能特征。
经过对现有技术的检索发现，美国专利文献号6502767B2和6491208B2均记载和公开了冷喷涂技术，同时对该技术的实现方法进行了描述；中国文献专利号CN101285187A记载了“一种颗粒增强金属基复合材料的方法”，采用压缩空气为工作气体，在2.7MPa，500℃的条件下沉积Al5356/TiN复合材料涂层，虽然得到的涂层具有较高的硬度和结合强度，但在高温高压的环境下沉积涂层，不仅对机器设备和安全防护提出了更高的要求，而且其经济性也受到影响。
虽然冷喷涂技术已经在很多领域内得到应用，但是仍然存在一些问题需要解决。首先，在冷喷涂粒子沉积过程中，对于成功沉积的粒子来说，存在一个与之对应的临界速度，低于临界速度的粒子和基体发生撞击后发生反弹，对基体造成冲蚀或者破坏，只有高于该速度的粒子才具有足够的动能以穿过基体表面形成的激波，高速撞击基体并发生剧烈塑性变形而形成涂层，同时为后续的粒子提供无污染的、活性较高的沉积表面。其次，冷喷涂中使用的原材料为固体粉末，一些具有面心立方晶体结构、硬度低、密度适中、塑性好的金属粉末材料，例如Al粉末和Cu粉末，在低于700m/s的速度下，就可以在基体表面沉积得到涂层；而另外一些具有体心立方或者具有不规则晶体结构，密度大，硬度大，塑性差的金属或者陶瓷粉末材料，例如W、WC-Co、SiC、Al2O3粉末等，要使粒子成功沉积，必须提高粒子撞击基体或者已经沉积涂层的表面的速度。
由此可见，影响涂层形成及其性能的主要因素是粒子撞击基体时的速度。为了提高粉末粒子的沉积效率和涂层的整体性能，提高工作气体的速度，从而提高粒子的速度至关重要。主要有以下方法来获得：(1)使用平均粒子尺寸(或粒子尺寸分布)较小的粉末粒子；(2)使用扩张比更大，扩张段长度更长的喷枪；(3)优化喷涂工艺参数，如提高工作气体温度等。在上述提高粒子速度的方法中，调整工艺参数，使用He为工作气体为最简单和有效的方法。但是相同规格的高压He的价格约为N2的价格的6倍，因此使用He为工作气体受到较大制约。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种节约氦气的优化冷喷涂方法，简化现有技术的结构，便于大范围推广应用。
本发明是通过以下技术方案实现的，在冷喷涂沉积涂层过程中，先采用廉价气体对整个喷涂系统进行预热，当廉价气体在喷枪入口处的压力和温度接近预先设定工作气体(He)的压力和温度时，切换到He并填充粉末粒子进行喷涂，在不改变粉末粒子的喷涂工艺参数的前提下沉积涂层，通过节约喷涂系统预热过程中He用量来优化冷喷涂工艺。
所述的廉价气体为：氮气，空气或其混合气体。
所述的预热是指：在关闭粉末罐的前提下，开启高频加热设备和廉价气体相对应的控制阀门，使廉价气体在喷枪入口处的压力等于预先设定的工作气体的喷涂压力，当该廉价气体在喷枪入口处的温度达到设定工作气体温度的85％时，即完成整个冷喷涂系统的预热工作。
本发明涉及上述方法的应用装置，包括：高压储气罐，用于储存喷涂所用的高压气体；控制阀门，用于控制气体的流量和压力；高频加热装置，用于加热控制阀门调压后的高压气体；粉末罐，用于在一定压力下，向喷枪中提供气体和喷涂粉末的混合物；超音速Laval缩放喷枪，用于向基体表面喷射气体和喷涂粉末的混合物；温度计，用于测定喷涂系统中特定部位工作气体的温度；压力计，用于测定喷涂系统中特定部位工作气体的压力。其中：两个并联的高压储气罐内分别储藏氦气和氮气，高频加热装置和粉末罐的输入端和输出端分别与高压储气罐和超音速Laval缩放喷枪相连，在喷枪喉部前分别装有温度计和压力计，在粉末罐的输入端装有压力计。
本发明优点在于：
(1)在实验室制备冷喷涂沉积试样的条件下，能够大幅度节省He用量，降低实验成本。
(2)使用廉价气体预热喷涂设备，采用He进行喷涂，没有改变原粉末粒子沉积的过程参数，因此对涂层组织和性能没有任何影响。
(3)对于比较容易采用冷喷涂沉积的粉末粒子(如纯铝粉末和铜粉末)，只需要调整工艺参数(喷枪类型，工作气体的压力和温度等)，即可采用廉价气体直接进行喷涂。
附图说明
图1为经过改进的冷喷涂装置示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例应用装置包括：高压储气罐1、控制阀门2、高频加热装置3、粉末罐4、超音速Laval缩放喷枪5、温度计6和压力计7，其中：两个并联的高压储气罐1内分别储藏氦气和氮气，高频加热装置3和粉末罐4的输入端和输出端分别与高压储气罐1和超音速Laval缩放喷枪5相连，温度计6和压力计7设置于超音速Laval缩放喷枪5上，可控制阀2设置于管路中并按工艺要求实现开闭。
本实施例中选用的基体材料为T6态Al6061合金，粉末粒子为纯Al，其平均直径为58μm，预热气体为高压N2；工作气体为高压He，其压力和温度分别预定为980Kpa和300℃。在沉积涂层前，基体表面需要经过喷砂处理，随后用丙酮清洗表面并干燥；同时把适量的纯Al粉末粒子填充到粉末灌中。然后打开阀门V1，关闭阀门V2，V3和V4，同时启动高频气体加热装置。在温度计T读数不断上升的过程中，调节阀门V1，使压力计P1读数控制在980KPa附近，当温度计T读数上升到粒子喷涂温度的85％(255℃)时，迅速关闭阀门V1，同时打开并调节阀门V2，使压力计P1读数控制在980KPa附近，当温度计T读数为300℃时，打开并调节阀门V3，使P2读数为1.04Mpa，这时，打开阀门V4，开始送粉喷涂。
通过该方法制备的涂层没有改变Al粒子沉积的过程参数，对铝涂层组织和性能没有任何影响。得到的纯铝涂层组织致密，厚度均匀；喷枪移动速度为1mm/s的情况下，单道次沉积涂层厚度可达900μm，孔隙率低于1％。同时，在本实施例制备涂层的过程中，一般用N2进行预热的时间约为4分钟，而用He沉积的时间一般控制在4分钟内。可见该方法具有十分现实的社会和经济效益。
实施例2
本实施例中选用的基体材料为铸态AZ91D镁合金，粉末粒子为Al7075合金，其平均直径为23.3μm，形貌接近于球形。预热气体和工作气体均为氮气，工作气体的压力和温度分别设定为1500Kpa和280℃。在涂层沉积前，基体表面需要经过喷砂处理以提高表面粗糙度，随后用丙酮清洗表面并干燥。取适量的Al7075粉末置于粉末灌中，关闭V2，V3和V4阀门，打开并调节V1阀门和高频气体加热装置，使压力计P1读数控制在1500Kpa左右，当温度计T读数上升到280℃时，打开并调节V3阀门，使P2的读数为1580Kpa，这时，打开阀门V4，喷枪移动速度为2mm/s，开始送粉喷涂。该实施例得到的铝合金涂层厚度大于350μm，孔隙率低于1.8％，和基体的结合强度较高。值得注意的是，使用该装置，能够很方便地选择喷涂气体的种类，提高了该发明的实用性。
实施例3
本实施例中选用的粉末材料和实施例1相同，选用的基体材料为SUS303不锈钢基体，在涂层沉积前，基体表面需要经过喷砂处理以提高表面粗糙度，随后用丙酮清洗表面并干燥。使用和实施例1相同的喷涂工艺参数便能在不锈钢基体上制备纯铝涂层。得到的涂层厚度约为900μm，孔隙率低于1％。

Claims (2)

1.一种基于节约氦气的优化冷喷涂装置的喷涂方法，其特征在于，所述优化冷喷涂装置包括：
高压储气罐，用于储存喷涂所用的高压气体，
控制阀门，用于控制气体的流量和压力，
高频加热装置，用于加热控制阀门调压后的高压气体，
粉末罐，用于向喷枪中提供气体和喷涂粉末的混合物，
超音速Laval缩放喷枪，用于向基体表面喷射气体和喷涂粉末的混合物，
温度计，用于测定喷涂系统中特定部位工作气体的温度，
压力计，用于测定喷涂系统中特定部位工作气体的压力，
其中：两个并联的高压储气罐内分别储藏氦气和氮气，高频加热装置和粉末罐的输入端和输出端分别与高压储气罐和超音速Laval缩放喷枪相连，温度计设置于喷枪的喉部，两个压力计分别设置于粉末罐的输入端以及喷枪的喉部；在冷喷涂沉积涂层过程中，先采用氮气对整个喷涂系统进行预热，当氮气在喷枪入口处的压力等于预先设定的工作气体的喷涂压力，当该氮气在喷枪入口处的温度达到设定工作气体温度的85%时，切换到工作气体并填充粉末粒子进行喷涂，在不改变粉末粒子的喷涂工艺参数的前提下沉积涂层，通过节约喷涂系统预热过程中氦气用量实现冷喷涂工艺的优化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的工作气体为：氮气或氦气。
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