CN102787289A - 用于制备致密层的电弧喷涂方法 - Google Patents

Abstract

提供一种在基材上制备致密层的电弧喷涂方法，其中向两个导电的喷涂丝（2）施加电压并且借此在喷涂丝（2）间点燃电弧（6），其中在熔融区域（7）中从喷涂丝（2）产生熔体（8），其中流体（4）作用于熔体（8），该流体（4）将熔体（8）运输到基材（10），在此沉积熔体（8）生成层（18）。可氧化颗粒（11）被供给到熔体（8）并随熔体（8）一起沉积到基材（10）上；以及在喷涂结束后，可氧化颗粒（11）被至少部分氧化来使层（18）致密。

Description

用于制备致密层的电弧喷涂方法

本发明涉及一种与独立方法权利要求的前序部分相一致的用于制备致密层的电弧喷涂方法。本发明进一步涉及根据该方法制备的致密层。

通过热喷涂的方法制备的涂层常常遭受腐蚀现象。例如，船上的甲板涂层高度暴露于含有盐水的海洋空气并且因此特别易于腐蚀损坏。众所周知施加腐蚀保护层，例如以专用的漆或涂层的形式；然而，在这方面，经常发生称之为表面下腐蚀的效应，即腐蚀发生于基材之上涂层之下。这种腐蚀会导致涂层，即，例如，保护漆或热喷涂保护层，从基材剥落。这种表面下腐蚀的原因可能是保护涂层受到自然损害，引起腐蚀的材料，例如盐水，通过该保护涂层到达基材上并且导致那里的腐蚀。然而，也可能的是引起腐蚀的材料通过毛细管效应或通过扩散过程穿透本身完整的保护层而因此到达基材。保护层因此是准不够致密的。这种效应在保护层具有高度的粗糙度时也尤其得到促进。然而，出于安全的原因，保护层的高度的粗糙度常常是需要的，例如，在轮船的甲板上来尽可能降低船员滑倒的风险。

因此本发明的目的是提出一种廉价的和简单的方法来在基材上制备致密层以使在该层下的基材受到保护，尤其是腐蚀防护。本发明还进一步提供相应的致密层。

满足该目的的本发明的主题通过各自类别的独立权利要求来表征。

根据本发明，电弧喷涂法因此被提出用于制备基材之上的致密层，在该方法中，向两个导电的喷涂丝施加电压并由此在喷涂丝之间点燃电弧，其中在熔融区域从喷涂丝产生熔体，熔体受到这样的流体的作用，该流体将熔体运输到基材，在此熔体被沉积而形成该层。可氧化颗粒被供给熔体并随熔体一起沉积在基材上；以及喷涂完成后，可氧化颗粒至少部分被氧化以使该层致密。

电弧喷涂，通常还更精确地称为丝电弧喷涂(wire arc spraying)，是一种可以以廉价和简单的方式在基材上沉积层的热喷涂过程。在喷涂过程后，被供给到熔体的可氧化颗粒至少部分被氧化。通过氧化，颗粒的体积增加，从而使层致密且层被密封。位于层下的基材因此可以得到非常专效的保护，还特别是腐蚀防护。由于颗粒是分布于整个层中，不仅是层的表面被致密化，而且整个层在其内部中被密封。

实践证明如果可氧化颗粒的体积是层体积的3-20%将是特别有利的。

根据第一个优选的方法，在流体作用于熔体之前将可氧化颗粒与流体混合。该颗粒因此与流体一起撞击到熔融区域上并将熔体从此运输到基材上。

另一优选的方法在于向熔融区域和基材之间的熔体添加可氧化颗粒。在这种变形中，可氧化颗粒因此被引入到熔融区域下游的"射流"，所述射流将熔体运输至基材。

进一步可能的是，可氧化颗粒是至少一个喷涂丝的组分。因而喷涂丝设计为，例如中空丝或所谓的"芯丝"，即可氧化颗粒并入到喷涂丝中。

进一步可能的方法在于提供含有可氧化颗粒的第三喷涂丝。

在优选实施方案中，可氧化颗粒包含铁或锌或铝或镁或这些元素的合金。这些元素或它们的合金可以被特别简单地氧化。就铁而言，存在有多个适用于本发明方法的可氧化的铁化合物或铁含量至少50wt%的铁基材料，例如含有铬和/或铝的铁基材料。元素铝或镁或锌由于它们的易氧化性以及与此相关的体积增加也是适用的。例如，氧化的铝粉因此，具有大约三倍于非氧化的铝粉的体积。此外含有85wt%锌和15wt%铝的ZnAl 85/15合金是适用的。可氧化颗粒的适宜选择的一个标准是它们没有与喷涂材料形成合金的显著的倾向。即尽管不是必需的，但是非常可能的是，在本发明的方法中，可氧化颗粒熔融或被塑化并且随后当它们随熔体一起被施加到基材上时再次固化。这种情况是不希望的，即可氧化颗粒与喷涂材料形成合金并且然后，视情况而定，是不再可氧化的或至少是不再简单地可氧化的。如果可氧化颗粒与喷涂材料的组分形成易氧化的合金或其它化合物，则这种例外可能是可行的。于是能够自然地直接地利用的是，可氧化颗粒仅仅在喷涂过程中形成或可氧化颗粒进入随后代表可氧化颗粒的化合物。

对于可氧化颗粒来说，利用水来氧化是尤其简单和可能的。

本发明的方法还特别适用于那些基材由钢构成或具有钢表面的应用。该层下的钢的表面下腐蚀，通过该层的密封或该层的致密(density)可能特别地被至少有效地抑制或延迟，如果不是实际上完全地和永久地被阻止的话。

本发明进一步提出一种使用本发明的方法制备的致密层。

该致密层优选具有内压应力。该层内的这些内压应力可以通过可氧化颗粒的氧化来直接产生，因为与氧化相关的体积增加导致内压应力的形成，这可以显著地改进该层在基材上的耐用性或粘附性。

本发明其它有利的措施和优选的实施方案源于从属权利要求。

以下将参照实施方案和附图来对本发明进行更加详细的解释。这些以部分截面示意图的形式显示。

图1用于实施本发明方法的第一实施方案的电弧喷涂装置的主要部件；

图2，如图1，用于本发明方法的第二实施方案；

图3，用于本发明方法另一实施方案的喷涂丝；和

图4，另一实施方案的图示说明。

图1以示意图的方式显示电弧喷涂装置的主要部件，该装置适合于实施本发明方法第一实施方案并且借助其可以在基材10上制备致密层18。

电弧喷涂装置包括喷枪1， 第一供料设备3，用于通常在存储容器12中以粉末形式存在的可氧化颗粒11的存储容器12，以及控制工艺的控制单元14。喷枪1以本身公知的方式包括两个导电的喷涂丝2，其连接到用于提供电能的能量源16以便电弧6可以在熔融区域7中在喷涂丝2间被点燃(ignited)并且可以在预定的一段期间内以稳定的方式被维持。喷涂丝2可由丝导引器5的存储设备（未显示）供给。丝导引器5包括适合于将喷涂丝2通过导引设备17供给到熔融区域7的丝送料器13。导引设备17更优选地被设计以便它能作为导电设备连接到能量源16并且与喷涂丝2导电接触以使产生电弧6所必需的电能可以通过导引设备17供给喷涂丝2。由于在熔融区域7中电弧喷涂时，喷涂丝2的材料不断移动到熔体8内，喷涂丝2必须通过丝导引器5不断供给到熔融区域7内以维持电弧6。

电弧喷涂法可以，但不必须，在受控气氛中实施。在这种情况中，该方法在处理室30中实施，处理室30只在图1中显示且其气氛可以采用泵和气体供应设备（未显示）以本身公知的方式进行设定或监测。

通过第一供料设备3从气体存储器19中供应的流体4作用于在电弧6中由喷涂丝2的材料形成的熔体8。流体4运输熔体8到待涂覆的基材10的表面9，由此形成层18。在可预定的工作压力下，流体4，其优选是气体，尤其是氧气，氮气，氩，氦，环境空气，这些气体的混合物或其它气体，作用于熔体8，由此将熔体8猛投到基材10的表面9上。在那里熔体8凝结成固态。

按照本发明，可氧化颗粒11被供给到熔体8以便可氧化颗粒11与熔体8一起沉积于基材10上。为此目的，按照这里描述的第一实施方案，可氧化颗粒11在流体4作用于熔体8之前与流体4混合。

为此目的，提供接线15，可氧化颗粒11通过接线15从存储容器12移入供料设备3，在此它们由流体4携带，从而使颗粒11与流体4一起在熔融区域7中作用于熔体8。这样将可氧化颗粒11通过流体4供给熔体8而使颗粒11与熔体8在熔融区域7内混合并与熔体8一起施加于主体/基材10的表面9。

在这个过程中，可氧化颗粒11可以部分熔融或熔融或塑化。在这种情况下，颗粒11的材料应当优选地选择从而在颗粒11和喷涂丝2的材料之间基本上不形成任何合金或化合物。然而，还可能的是，在可氧化颗粒11在熔体8内的运输期间，可氧化颗粒11保持基本上固体和尺寸上稳定。颗粒11，其通常是固体颗粒，因而自身于是没有在熔体8中熔融，而是保持它们的外形和保持基本上固体。颗粒11仅在其表面发生轻微的部分熔融是当然可能的。

热喷涂过程结束后，可氧化颗粒11在层18内被氧化。这是通过由氧化方式进行作用而发生的。一种可能的氧化方式(oxidation means)是水。例如，可以将这喷到层18上或可以将层18或具有层18的基材10引入浸渍浴。当然也可以采用不同于水的氧化方式。与非氧化态相比，由于氧化，可氧化颗粒11的体积增加；颗粒11因此准膨胀，由此层18内的孔，毛细通道或其它开口或通道被封闭或填满。层18因此通过这种氧化得以密封。这种密封不仅仅发生于层18的表面，而且发生于层18中的每一处。因而随后几乎没有液体能够再穿透层18从而基材10被非常有效地保护，还尤其是对表面下腐蚀的保护。既然密封或致密化发生于整个层18，将层18的表面设计粗糙而没有品质上的损失是可能的。例如，当层18是人们行走的表面比如船的甲板时，这点对于防滑保护是有利的。

另一个可以通过颗粒11的体积增加而实现的有利措施是内压应力18的产生。压应力通过氧化过程中颗粒11的膨胀在层18中产生并且对层18的耐用性或粘附性具有正面的影响。

如果期望在喷涂过程中可氧化颗粒11不熔融的话，颗粒11在熔体8中的形状稳定性可以通过一些参量得以保证；一方面，自然地通过颗粒11材料的适当选择，另一方面，通过颗粒11的尺寸或通过流体11的流速。通过同样的参量，颗粒11的熔融也能够自然地得以实现。

许多材料，尤其是以固体颗粒的形式，适宜用作可氧化颗粒11，其用于随后的层18的致密化。适宜的有，例如：锌，铝，镁，铁或这些元素彼此的或与其它元素的合金。特别地，铁含量超过50％的铁基化合物是合适的或此外含锌85％和含铁15％的ZnAl 85/15合金。

为控制或调节工艺，电弧喷涂装置具有，例如，可自由编程的控制单元14，通过该控制单元14尤其可以调节和设置以下参数：流体4作用于熔体8时的工作压力，颗粒11的供给量，丝送料器13，供给喷涂丝2的电能。为此目的，控制单元14通过信号线20与装置的各个组件相连。进一步，控制单元14可以包括传感器线路21，通过此线路，不同操作参数如当前工作压力，处理室中的气体压力，环境压力，温度能量源的电操作参数或其它参数可以通过传感器（未示出）传输到控制单元14。

为制备致密层18，通过电弧喷涂过程在熔融区域7中产生的熔体8现在首先由负载有颗粒11的流体流运输到基材10的表面9，在此熔体8以飞溅物或液滴的形式沉积。以固体颗粒的形式或部分熔融或熔融的形式存在的可氧化颗粒11结合到形成的层18中。当达到所期望的层厚时，结束热喷涂过程。在进一步的处理步骤中，可氧化颗粒11在固化的层18中现在被氧化，由此来密封层18。

图2显示用于实施本发明方法的第二实施方案的电弧喷涂装置的主要部件。与第一实施方案的唯一区别将在下文显示。前述对第一实施方案的说明也以相应地同样的方式适用于第二实施方案。相同的附图标记是指同样的部件或在功能上与第一实施方案等同的部件。

与第一实施方案的主要的区别在于，在第二实施方案中，可氧化颗粒11仅在流动方向在熔融区域7之后添加。

为此目的，提供第二供料设备31，通过它可以将可氧化颗粒11从存储容器12引入熔体8，其中在此颗粒11的进入仅发生在熔融区域7与基材10之间。为此目的，第二供料设备31具有位于熔融区域7附近但在熔融区域7的基材侧的开口32，因此颗粒11可以从那里引入到熔体8和流体4形成的涂覆射流中。在此实施方案中，颗粒11也可以在流体4的辅助下通过第二供料设备31运输。为此，例如，将第二供料设备31与气体存储器19或单独的流体存储器（图2中未示出）相连。

图2所示的装置当然也包括能量源16，在这里为清楚的原因，已省略其图示说明。

在这里，与之前描述的实施方案类似地，由喷涂丝2的材料在电弧6中形成的熔体8也通过经由第一供料设备3来自气体存储器19的流体4施加于基材10的表面9。可氧化颗粒11从开口32移入熔体8，然后与其一起被运输到基材10。

依据本发明方法的另一实施方案，可氧化颗粒也可以在喷涂丝2之一或两者中提供。喷涂丝2因此被设计为芯丝，其除实际的，例如金属的，涂层材料外额外含有可氧化颗粒11。图3显示这种喷涂丝2的截面图。在此实施方案中，于是不再需要额外提供如图1和图2所示的来自存储容器的可氧化颗粒11。在这种进一步的实施方案中，当喷涂丝2在熔融区域7中熔融时，可氧化颗粒被释放，然后通过流体4和熔体8一起运输，移动到基材10。所得到的颗粒11在层18的体积分数于是可以通过颗粒11在喷涂丝2中的相对比例来设定。

另一实施方案如图4所举例说明。在此实施方案中，提供至少一个包含可氧化颗粒11的第三喷涂丝22。该第三喷涂丝22被引入到熔融区域7，在这里其尖端被熔融，由此释放可氧化颗粒11以便然后通过流体4和熔体8运输到基材10。要理解的是也为第三喷涂丝22提供丝送料器。第三喷涂丝22可在活态(live)或死态(dead)的情况下被供给。如果第三喷涂丝22是活态的，其可以被选择性地切换为阴极或阳极。在这方面，例如，产生至少一个另外的电弧。然而，也可以在死态时使用(conduct)第三喷涂丝，使得其仅利用在两个喷涂丝2间的电弧产生的熔融区域的热量熔融。

Claims (11)

1.用于在基材上制备致密层的电弧喷涂方法，其中向两个导电的喷涂丝（2）施加电压，借此在喷涂丝（2）间点燃电弧（6），其中在熔融区域（7）中从喷涂丝（2）产生熔体（8），其中流体（4）作用于熔体（8），该流体（4）将熔体（8）运输到基材（10），在此沉积熔体（8）以生成层（18），其特征在于，向熔体（8）供给可氧化颗粒（11），其与熔体（8）一起沉积到基材（10）上；以及其中在喷涂结束后可氧化颗粒（11）被至少部分地氧化来使层（18）致密。

2.权利要求1的方法，其中可氧化颗粒（11）在层（18）中的体积分数为3－20 vol.%。

3.前述权利要求中任一项的方法，其中可氧化颗粒（11）在流体（4）作用于熔体（8）之前与流体（4）混合。

4.前述权利要求中任一项所述的方法，其中在熔融区域（7）与基材（10）之间将可氧化颗粒（11）添加到熔体（8）。

5.前述权利要求中任一项所述的方法，其中可氧化颗粒（11）是至少一种喷涂丝（2）的组分。

6.前述权利要求中任一项所述的方法，其中提供包含可氧化颗粒（11）的第三喷涂丝（22）。

7.前述权利要求中任一项所述的方法，其中可氧化颗粒（11）包含铁或锌或铝或镁或这些元素的合金。

8.前述权利要求中任一项所述的方法，其中可氧化颗粒（11）通过水来氧化。

9.前述权利要求中任一项所述的方法，其中基材（10）由钢制成或具有钢表面。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法制备的致密层。

11.权利要求10的致密层，其具有内压应力。

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