CN102935742A - 一种耐高温铝液腐蚀的超声变幅杆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种耐铝液腐蚀的阶梯形超声变幅杆，该变幅杆材质为30号碳钢，热处理调质后，采用等离子喷涂的方法将变幅杆外表面包裹Al2O3与TiO2的复合陶瓷涂层，其中TiO2的比例为10%~25%，涂层的厚度为2~6mm。与传统变幅杆相比，本发明提供的变幅杆表现出极好的化学稳定性和抗腐蚀性，并且通过添加TiO2颗粒解决了Al2O3陶瓷层本身较脆，易碎的实际问题，确保超声波变幅杆的震动频率稳定，不偏移，提高发射效率，同时也延长了它的使用寿命。此变幅杆不需要采用昂贵的钛合金材料，采用相对低廉的碳钢，有效地降低成本，具有良好的经济效益。

Description

一种耐高温铝液腐蚀的超声变幅杆及其制备方法

技术领域

本发明属于超声波技术领域，尤其是涉及一种适合在铝液中使用的耐高温，耐腐蚀的超声变幅杆。

背景技术

超声变幅杆的主要作用是聚能作用，还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量更有效地从换能器向负载传输。超声波在铝液中传播时，可以通过空化效应改善铝液组织，细化晶粒，提高铝液的力学性能和耐磨性能。但是铝液相当于一种强烈的金属腐蚀剂，对变幅杆的腐蚀速度很快。传统的超声变幅杆往往由于铝液的腐蚀、高温磨损、热疲劳、氧化等的共同作用，出现大小不等的腐蚀孔，随着腐蚀孔不断扩大、扩张，变幅杆脱皮、断裂，导致铝液污染，变幅杆的振动频率发生偏移，发射效率下降，使用寿命大大降低。

要解决超声变幅杆在铝液中腐蚀的现象，通常认为，若用一般的耐高温腐蚀材料是行不通的，因为超声变幅杆要做到高频小振幅振动，振动加速度极大，而且由于保护材料一般质量比较大，在很大的振动加速度条件下，剥离力就会轻易地超过结合强度，导致保护材料很快脱落，所以涂层不应该过厚。但是从提高硬度和耐腐蚀的角度看，涂层太薄极易被刺穿，太薄很快会失效。因此适宜的厚度很重要。而采用等离子喷涂A1₂O₃和 TiO₂的混合物能解决这一难题。           

等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。它具有以下优势：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③使用惰性气体作为工作气体，使喷涂材料不易氧化。因此在生活中有广泛的应用，目前已被应用在航空航天，冶金，机械，生物等领域。

 A1₂O₃资源丰富，价格低廉，且其硬度高，摩擦系数低，化学稳定性好，有着良好的耐磨损性能，在 1000℃以下不为铝液所浸润, 其耐铝液腐蚀性能十分优异。但其韧性不足，在A1₂O₃中加入适量的 TiO₂，其涂层韧性可得到明显的改善，耐磨损和耐冲击性能优于纯氧化铝涂层，适于腐蚀环境下，存在重负荷磨损的情况。

发明内容

本发明克服现有技术中的缺陷，解决了原有的超声变幅杆在铝液中会受到快速腐蚀，导致振动频率偏移，发射效率下降，使用寿命很短的技术问题，提供一种能够在铝液中不会受到腐蚀，确保振动频率稳定，提高发射效率，延长使用寿命的超声变幅杆。

本发明耐高温铝液腐蚀的超声变幅杆，包括基体，基体表面依次有粘结层和复合陶瓷涂层；所述复合陶瓷涂层为Al2O3+TiO2，其中TiO2重量比例为10%~25%。所述粘结层选用金属粉末选用Ni-17Cr-6Al，颗粒尺寸为200-300目，粘结层厚度为0.5-1mm。

本发明所述的超声变幅杆，所述的基体由30号碳钢为材料。

本发明耐高温铝液腐蚀的超声变幅杆的制备方法，是在变幅杆基体表面先用等离子喷涂粘结层，然后再喷涂复合陶瓷涂层；所述复合陶瓷涂层材料为Al2O3+TiO2，其中TiO2重量比例为10%~25%。

其步骤如下：

（1）30号碳钢进行热处理，并在车床上加工成阶梯型变幅杆。

（2）将试样放入浓度为50~70g/L的NaOH溶液中浸泡 30分钟,对试样除油，清洗干燥。

（3）用5~95目的混合砂对试样进行喷涂处理，使其表面粗糙。

（4）依次用水和丙酮清洗基体并干燥，保持试样表面清洁。 

（5）用等离子焰流对基体进行预热，再进行等离子喷涂Ni-17Cr-6Al粉末，厚度为0.5~1 mm。

（6）等离子喷涂A1₂O₃与 TiO₂的混合粉末，每次喷涂的厚度不超过200um,完成后进行涂层冷却，喷涂的陶瓷总厚度为2~6mm。

采用等离子喷涂技术，促使涂层的组织结构发生变化，提高了涂层的结合强度, 改善了涂层的致密性，从而有效地提高了涂层的耐铝液腐蚀性。该变幅杆对整个超声系统性能的影响也在可控制和可接受的范围内，是可靠安全的，完全可以用在超声波振动系统。

喷砂所采用粒度为5~95目的混合砂，不同的矿砂在表面留下的痕迹不同，小颗粒砂粒所获得的动能和冲击力小，能获得浅而密的凹凸表面，大颗粒砂粒可获得深而间隙大的凹凸表面，两种不同粒度的砂粒混合使用，粗化表面的效果更佳。且等离子喷涂中所使用的粘结剂为Ni-17Cr-6Al粉末，该粉末与30号碳钢和A1₂O₃和 TiO₂的混合物之间具有良好的浸润性，能改善喷涂效果。

变幅杆采用阶梯形，其余各部分尺寸按照变幅杆纵向振动的波动方程连续的边界条件，在一定的谐振频率下得出。变幅杆本体的横截面可以为圆形，方形，或多边形，在空间受限制的条件下，也可以为任意形状。

与钛合金所做的超声变幅杆相比，30号碳钢价格便宜，具有优良的性能，制造工艺简单,便于进行大批量生产。 

综上所述，本发明中喷涂的涂层能明显增强超声变幅杆耐高温，耐腐蚀的性能，且等离子喷涂技术明显改善了喷涂的效果，使超声变幅杆性能更好。此工艺技术操作简单，用材价格便宜，适合工业生产。

具体实施方式   

1．配置Ni-Cr-Al合金粉100g，其中Al粉重量为6g，Cr粉重量为17g，Ni粉余量，粒度为200目。

2.  配置A1₂O₃与 TiO₂的混合物，粒度为250目，其中TiO₂的质量百分含量为15%, Al₂O₃的含量为85%。

3. 30号碳钢经过调质处理，在车床上加工成阶梯型。

4. 将试样放入浓度为60g/L 的NaOH 溶液中浸泡30分钟，以去除基体表面因磨削加工后残留的油污以及其他污染物。

5．经清洗干燥后，用80目的混合砂进行喷砂处理。

6. 依次用水和丙酮清洗基体并干燥，保持试样表面清洁。

7.     用等离子焰流对基体进行预热，再进行等离子喷涂Ni-17Cr-6Al，厚度为0.7mm，等离子喷涂Ni-17Cr-6Al的工艺参数为：电压60V，电流500A，工作气流量为2400L/h，送粉器流量50L/h，喷涂距离100mm。

8.    然后喷涂A1₂O₃与TiO₂的混合粉，每次喷涂的厚度不超过200um,完成后进行涂层冷却，喷涂总厚度为3mm。等离子喷涂A1₂O₃与 TiO₂的混合物的工艺参数为：电压90V，电流600A，工作气流量2400L/h,送粉器流量70L/h，喷涂距离100mm。 

使用该变幅杆在15K,20K,25K,30K,35K等超声波系统中做了一系列大功率超声波实验，结果证明该变幅杆表层未见明显铝液腐蚀痕迹，变幅杆实验前后质量变化均未超过±10g；耐高温铝液腐蚀性能明显提高，本超声变幅杆耐铝液腐蚀的防护方法是有效的。

Claims (5)

1.一种耐高温铝液腐蚀的超声变幅杆，包括基体，其特征在于，基体表面依次有粘结层和复合陶瓷涂层；所述复合陶瓷涂层为Al2O3+TiO2，其中TiO2重量比例为10%~25%。

2. 根据权利要求1所述的耐高温铝液腐蚀的超声变幅杆，其特征在于，所述粘结层选用金属粉末选用Ni-17Cr-6Al，颗粒尺寸为200-300目，粘结层厚度为0.5-1mm。

3.根据权利要求一所述的超声变幅杆，其特征在于，所述的基体由30号碳钢为材料。

4.一种制备权利要求1所述耐高温铝液腐蚀的超声变幅杆的方法，其特征在于：在变幅杆基体表面先用等离子喷涂粘结层，然后再喷涂复合陶瓷涂层；所述复合陶瓷涂层材料为Al2O3+TiO2，其中TiO2重量比例为10%~25%。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤如下：

（1）30号碳钢进行热处理，并在车床上加工成阶梯型变幅杆；

（2）将试样放入浓度为50~70g/L的NaOH溶液中浸泡 30分钟,对试样除油，清洗干燥；

（3）用5~95目的混合砂对试样进行喷砂处理，使其表面粗糙；

（4）依次用水和丙酮清洗基体并干燥，保持试样表面清洁； 

（5）用等离子焰流对基体进行预热，再进行等离子喷涂Ni-17Cr-6Al粉末，厚度为0.5~1 mm；

（6）等离子喷涂A1₂O₃与 TiO₂的混合粉末，每次喷涂的厚度不超过200um,完成后进行涂层冷却，喷涂的陶瓷总厚度为2~6mm。