CN103526197A - 维修元件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种维修元件的方法，该方法包括：在电极离开元件一定距离的情况下移动电极对元件上的缺陷/损伤进行扫描；向电极和元件之间的放电间隙中输送第一金属粉末和第二金属粉末；分别控制所述第一金属粉末和第二金属粉末的进料速度；以及以电火花沉积将所述第一和第二金属粉末沉积到元件上形成复合金属涂层。其中，所述第一金属粉末包括维氏硬度是元件的维氏硬度的70-200%的第一金属/合金，所述第二金属粉末包括具有润滑性能或耐腐蚀性能的第二金属/合金。
Description
技术领域
本发明涉及一种维修元件的方法，具体地，涉及一种可通过沉积形成复合金属涂层来修复元件，并改进元件的性能，延长元件的使用寿命的方法。
背景技术
由于材料的问题和（或）长久使用的原因，即便是在润滑条件很好的环境下使用的机械元件，比如，活塞筒、闸门阀等移滑元件，凸轮、齿轮等滚滑元件，在使用的过程中也会出现微点蚀、裂化等损伤。损伤通常发生在高应力的工作界面或配合界面，比如，在齿轮的齿面。由于更换这些元件的成本往往比较高，如何通过适当的技术来修复被损害元件的工作或配合界面，使它们回复到可工作的状态，变成一个重要且具挑战性的问题。此外，在有些情况下，为了延长元件的使用寿命，可能还需要对元件的修复表面进行进一步处理，以改进其耐摩擦和（或）腐蚀的性能。
因此，需要提供一种有效的方法来修复元件，并进一步改进该元件的耐摩擦和（或）耐腐蚀性能，以延长该元件的使用寿命。
发明内容
本发明的一方面提供了一种维修元件的方法，该方法包括：在电极离开元件一定距离的情况下移动电极对元件上的缺陷/损伤进行扫描；向电极和元件之间的放电间隙中输送第一金属粉末和第二金属粉末；分别控制所述第一金属粉末和第二金属粉末的进料速度；以及通过电火花沉积将所述第一和第二金属粉末沉积到所述元件上形成复合金属涂层。其中，所述第一金属粉末包括维氏硬度是元件的维氏硬度的70-200%的第一金属/合金，所述第二金属粉末包括具有润滑性能或耐腐蚀性能的第二金属/合金。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1为本发明一个实施例中一种示例性的电火花沉积系统的示意图；
图2是本发明一个实施例中的一种被沉积有复合金属涂层的元件的截面照片，其中该复合金属涂层包括由34CrNiMo6钢组成的第一涂层、由铜组成的过渡层、以及由银组成的表面润滑层。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下内容中将不对习知的结构或功能进行详细的描述。
本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。在一些实施例中，“大约”或“左右”表示允许其修正的数值在正负百分之十（10%）的范围内变化，比如，“大约100”表示的可以是90到110之间的任何数值。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，“大约”同时修正第一数值和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。
本发明中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。举例来说，如果说了一个组分的数量或一个工艺参数的值，比如，温度，压力，时间等等，是从1到90，20到80较佳，30到70最佳，是想表达15到85，22到68，43到51，30到32等数值都已经明白的列举在此说明书中。对于小于1的数值，0.0001,0.001,0.01或者0.1被认为是比较适当的一个单元。前述例子仅作举例说明之用，实际上，所有在列举的最低到最高值之间的数值组合均被视为以类似方式清楚地列在本说明书中。
除有定义外，本文中所用的技术和科学术语具有与本发明所述领域技术人员普遍理解的相同含义。本文所用的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而只是用于区别一种元件和另一种元件。并且，所述“一”或“一个”不表示数量的限定，而是表示存在一个的相关项目。
本发明的一个方面提供了一种维修元件的方法，该方法包括以下步骤：在电极离开元件一定距离的情况下移动电极对元件上的缺陷/损伤进行扫描；往所述电极和元件之间的放电间隙中输送第一金属粉末和第二金属粉末；分别控制所述第一和第二金属粉末的进料速度；以及通过电火花沉积所述第一和第二金属粉末沉积到所述元件形成复合金属涂层。其中，所述第一金属粉末包括维氏硬度大约是元件的维氏硬度的70-200%的第一金属/合金，所述第二金属粉末包括具有润滑性能或耐腐蚀性能的第二金属/合金。
在一些实施例中，在移动电极对元件上的缺陷/损伤进行扫描之前，还进一步包括检测所述元件的表面，以确定元件上的缺陷或损伤位置的步骤。
在一些实施例中，所述第一金属粉末被先沉积到所述缺陷或损伤的胞间隙中并形成第一涂层，所述第二金属粉末被沉积形成表面涂层。所述第一涂层的厚度由需修补的缺陷或损伤的尺寸决定。在一个实施例中，所述第一涂层的厚度大约为30微米。在一个实施例中，所述表面涂层的厚度大约为10微米或小于10微米。
在一些实施例中，在所述第一涂层和表面涂层之间还沉积有过渡层。
在一些实施例中，所述过渡层是由所述第一和（或）第二金属粉末组成的、具有第一和（或）第二金属粉末成分梯度的梯度层。比如，在一些实施例中，若以变化的进料速度将第一和第二金属粉末输送到放电间隙中并共同沉积到第一涂层上，可通过调整所述第一和第二金属粉末的相对进料速度，形成一个具有连续组分梯度的过渡层。所述组分梯度可以遵循线性函数、指数函数或变量函数变化。在一个具体的实施例中，所述复合金属涂层是通过以下步骤获得的：将所述第一金属粉末沉积到缺陷或损伤的胞间隙中以形成第一涂层；将所述第一和第二金属粉末沉积到所述第一涂层上形成具有组分梯度的过渡层，在此沉积过程中逐渐增加所述第二金属粉末的进料速度和（或）降低所述第一金属粉末的进料速度；以及将所述第二金属粉末沉积到所述过渡层上形成表面涂层。在所述具有组分梯度的过渡层中，在从第一涂层指向表面涂层的方向上，第一金属/合金的含量逐渐降低，第二金属/合金的含量逐渐增加。
可替换地，在一些实施例中，所述过渡层是由一种与所述第一和第二金属粉末不同，但与所述第一涂层和表面涂层都能结合并相容的材料组成。在一个实施例中，所述过渡层是由一种金属粉末所组成的，该金属粉末包括一种与所述第一和第二金属/合金不同，但与所述第一和第二金属/合金都能结合相容的金属/合金。比如，在一个具体的实施例中，所述第一金属/合金是钢，第二金属/合金是银，所述过渡层是由一种包括铜的金属粉末沉积所形成的。
所述方法可通过电火花沉积形成复合金属涂层来修补元件的缺陷或损伤，并改进元件整个表面的耐摩擦和（或）耐腐蚀性能。所述第一金属粉末被沉积到元件上用来修复缺陷或损伤，形成第一涂层，所述第二金属粉末被沉积为表面润滑涂层或是表面耐腐蚀涂层。可选地，还可通过在第一涂层和表面涂层之间沉积过渡层以增强所述第一涂层和表面涂层之间的粘结力。由于电火花沉积形成的涂层能够与基体形成稳定的冶金结合，所述方法使得所述复合金属涂层与元件之间，以及复合金属涂层的各层之间可形成稳定的冶金结合，保证所述复合金属涂层与元件之间的结合力。
所述维氏硬度大约是元件的维氏硬度的70-200%的第一金属/合金能够很好地附着于元件基体上。在一些实施例中，所述第一金属/合金的维氏硬度大约是元件的维氏硬度的90-200%，更适宜地95-200%，更适宜地95-150%，或更适宜地100-120%。其中维氏硬度是材料硬度的一种量度，由一定载荷压入材料表面所产生的压痕凹坑的尺寸计算而来，其可用ISO6507-1、ISO6507-2或ISO6507-3（国际标准化组织）等标准方法进行测量。在一个实施例中，所述第一金属/合金的组分与元件的相同。
用作所述第一金属/合金的材料可根据待修复元件的基体材料来进行选择。举例而言，可用作第一金属/合金的材料包括但不限于碳化硅、二氧化三铝、碳化钨、二碳化三铬、以及其它可以增强硬度或耐磨性的材料或材料的组合。在一些实施例中，所述第一涂层的硬度大约在200HV至800HV之间。
所述“具有润滑性能的金属/合金”是指可以用来构成移滑或滚滑表面的金属/合金。在一些实施例中，所述具有润滑性能的第二金属/合金是指在大约100°C以下的温度下、界面润滑移滑或滚滑条件下的摩擦系数大约为0.05-0.1的金属/合金。在一些具体的实施例中，所述第二金属/合金包括铜、银、锡、铅、锌或其组合。
所述“具有耐腐蚀性能的金属/合金”是指可以用来构成耐腐蚀表面的金属/合金。在一些实施例中，所述具有耐腐蚀性能的第二金属/合金是指比元件基材的耐腐蚀性更好的金属/合金，由该第二金属/合金构成的表面涂层可增强所述元件的耐腐蚀性能。在一些具体的实施例中，所述第二金属/合金包括镍基合金。
在一些实施例中，所述方法可通过如图1所示的系统实现。如图1所示，所述系统100包括一个可在离开元件202一定距离处移动，对元件表面进行扫描的电极102，用来将输送到该电极和元件之间的放电间隙302内的粉末材料沉积到元件202上。通过向该电极102施加一定的脉冲直流电，并以元件202为阴极，可用极低的热输入将输送到放电间隙302中的粉末材料沉积到元件202上的预期位置。其中，输送到放电间隙302中的粉末材料，如金属粉末的颗粒过电后变的活跃，相互靠近。由于粉末颗粒的形状和尺寸各异，粉末颗粒之间形成互锁现象。这样，在放电间隙中的粉末颗粒以链条形式排列，起到系列粒子电极的作用。链条的形成在放电间隙302中起到搭桥的作用，使得在放电间隙增大的情况下仍可实现有效沉积。因此，通过在离开元件一定距离处移动电极，可在电极不接触元件的状况下实现元件的维修。此外，由于是将输送到电极和元件之间的放电间隙中的粉末材料沉积到元件上，而不是将电极上的材料沉积到元件上，所述系统可以极大地降低或者甚至是消除电极的损耗。无损耗电极的使用可方便根据需要将任何组分的材料以粉末形式沉积到待修复的元件上。
所述系统进一步包括至少一个粉末输送通道106，用来将粉末材料输送到放电间隙302中。所述粉末输送通道可以设置在所述电极的内部或外部，其可以是任何合适的结构。举例来说，合适的粉末输送通道结构包括但不限于空、槽和环形通道等。在一些实施例中，所述设置于电极外部的粉末输送通道至少部分围绕所述电极。在一个具体的实施例中，所述设置于电极外部的粉末输送通道包括一个围绕所述电极的环形槽道。在另一个实施例中，所述设置于电极外部的粉末输送通道包括大致围绕所述电极排列的多个通道。所述电极外部的粉末输送通道可以形成于一个或多个喷撒装置，如喷嘴、粒剂撒布机等。
在图示的实施例中，所述系统100包括一个位于电极102内部的粉末输送通道106。所述第一和第二金属粉末是分别通过两个粉末进料器（未图示）输送到所述电极内部的粉末输送通道106中的，以便能够通过分别控制所述粉末进料器中的第一和第二金属粉末的进料速度，来控制输送到放电间隙中的粉末的组分。比如，如图1所示，可通过将第二金属粉末的粉末进料器中的第二金属粉末的进料速度控制为零，仅将第一金属粉末输送到通道106中并沉积到元件202上形成第一涂层402。然后，可逐渐增大第二金属粉末的进料速度并降低第一金属粉末的进料速度，在第一涂层402上形成具有梯度组分的过渡层404。然后，可通过将第一金属粉末的粉末进料器中的第一金属粉末的进料速度控制为零，仅将第二金属粉末输送到通道106中并沉积到过渡层404上形成表面涂层406。
可替换地或进一步地，所述第一和第二金属粉末也可以通过电极外部的粉末输送通道输送到放电间隙。比如，在一个实施例中，所述第一和第二金属粉末可能通过两个设置于电极外且独立控制的粉末喷嘴中的粉末通道输送到放电间隙。
所述粉末材料可在干的或湿的状态输送到所述放电间隙中，也就是说，所述粉末既可以干粉的形式输送到放电间隙，也可以粉末和液体的混合物的形式输送到放电间隙。本文所述的“干”或“干粉”是指没有故意往粉末材料中添加液体，但不应该排除由于暴露于空气中而受到空气中的湿度影响的粉末。在一些实施例中，“干粉”是指湿量小于10%（重量百分比）的粉末材料。干粉一般通过载气输送的，载气既可以是活性气体，如氧气，也可以是惰性气体，如氩气。在一些实施例中，所述第一和第二金属粉末是以干粉的形式通过载气输送到放电间隙的。
由于所述维修方法可以在大气环境中进行操作，可以极大地方便元件的在线修复过程。
实例
在本实例中，采用一个与如图1所示的系统类似的、具有一个空心电极的系统，将34CrNiMo6钢的粉末沉积到一个由34CrNiMo6钢制成的元件的表面上形成第一涂层，然后将铜粉沉积到所述第一涂层上形成过渡层，再将银粉沉积到所述过渡层上形成表面润滑层。
先将大约65伏的电压施加到电极和元件之间以便实现材料沉积，以电极为阳极，待修元件为阴极，在离开元件一定距离处移动电极沿元件的表面进行扫描，同时用载气向电极和元件之间的放电间隙中输入34CrNiMo6钢粉，以将该34CrNiMo6钢粉沉积到元件表面形成第一涂层。其中，电极的移动/扫描速度约为1mm/s，粉末的输送速度约为1g/min，载气的流量约为8L/min。
然后，移动电极对所述元件上的第一涂层进行扫描，并通过载气将铜粉输送到电极和元件之间的放电间隙，将所述铜粉沉积到所述第一涂层之上形成过渡层。其中，电极的移动/扫描速度约为1mm/s，粉末的输送速度约为1.7g/min，载气的流量约为8L/min。
再移动电极对所述元件上的过渡层进行扫描，并通过载气将银粉输送到电极和元件之间的放电间隙，将所述银粉沉积到所述过渡层之上形成表面润滑层。其中，电极的移动/扫描速度约为1mm/s，粉末的输送速度约为0.75g/min，载气的流量约为8L/min。
图2显示了所述元件的一个截面的显微照片。如图2所示，所述元件502上被沉积了一个复合金属涂层，该复合金属涂层包括由34CrNiMo6钢组成的第一涂层504、由铜组成的过渡层506、以及由银组成的表面润滑层508。其中所述34CrNiMo6涂层504、铜涂层506和银涂层508之间，以及所述涂层与元件之间构成了很好的冶金结合。
本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，本发明的范围是由权利要求书界定，而不是由上述界定的，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。
Claims (20)
1.一种维修元件的方法，该方法包括：
在电极离开元件一定距离的情况下移动电极对元件上的缺陷/损伤进行扫描；
向电极和元件之间的放电间隙中输送第一金属粉末和第二金属粉末，其中，所述第一金属粉末包括维氏硬度是元件的维氏硬度的70-200%的第一金属/合金，所述第二金属粉末包括具有润滑性能或耐腐蚀性能的第二金属/合金；
分别控制所述第一金属粉末和第二金属粉末的进料速度；以及
通过电火花沉积将所述第一和第二金属粉末沉积到所述元件上形成复合金属涂层。
2.如权利要求1所述的方法，在对缺陷/损伤进行扫描之前进一步包括：检测所述元件的表面以确定所述缺陷/损伤的位置。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述第一金属粉末被先沉积到所述缺陷或损伤的胞间隙形成第一涂层，所述第二金属粉末被沉积形成表面涂层。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述第一涂层的厚度大约为30微米。
5.如权利要求3所述的方法，其中所述表面涂层的厚度大约为10微米。
6.如权利要求3所述的方法，在所述第一涂层和表面涂层之间还沉积形成有过渡层。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述过渡层是具有所述第一金属粉末和（或）第二金属粉末的成分梯度的梯度涂层。
8.如权利要求6所示的方法，在从第一涂层指向表面涂层的方向上，所述过渡层中的第一金属/合金的含量逐渐降低，第二金属/合金的含量逐渐增加。
9.如权利要求6所示的方法，其中所述复合金属涂层是通过以下步骤形成的：
将第一金属粉末沉积到元件缺陷/损伤的胞间隙中形成第一涂层；
将第一和第二金属粉末沉积到所述第一涂层上形成过渡层，并在沉积的过程中逐渐增大第二金属粉末的进料速度并降低第一金属粉末的进料速度；
将第二金属粉末沉积到所述过渡层上形成表面涂层。
10.如权利要求6所述的方法，其中所述过渡层是由一种金属粉末所形成的，该金属粉末包括一种与所述第一和第二金属/合金不同，但与所述第一和第二金属/合金都能结合相容的金属/合金。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述第一金属/合金的维氏硬度大约是元件的维氏硬度的90-200%。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述第一金属/合金的维氏硬度大约是元件的维氏硬度的95-200%。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述第一金属/合金的维氏硬度大约是元件的维氏硬度的95-150%。
14.如权利要求1所述的方法，其中所述第一金属/合金的组分与所述元件的组分相同。
15.如权利要求1所述的方法，其中所述第二金属/合金在100°C以下的温度下、界面润滑移滑或滚滑条件下摩擦系数大约为0.05-0.1。
16.如权利要求1所述的方法，其中所述第二金属/合金的耐腐蚀性能比所述元件基材的耐腐蚀性能更好
17.如权利要求1所述的方法，其中所述第二金属/合金包括铜、银、锡、锌、铅、镍基合金中的一种或者它们的组合。
18.如权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二金属粉末是通过设置于电极内部的粉末输送通道输送到放电间隙中的。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述第一和第二金属粉末是分别通过两个粉末进料器输入所述电极内部的粉末输送通道的。
20.如权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二金属粉末是分别通过两个喷嘴输送到放电间隙的。
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