CN103966595A - 在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的装置及方法，包括外部套装能量吸收管的待喷基体管，待喷基体管内设有内衬管，内衬管外表面环绕环形炸药装药层，环形炸药装药层表面刻锥形槽并装填有待喷涂粉体，待喷涂粉体是由70-80重量份的WC-Co复合粉末和20-30重量份的气体发生剂组成的。环形炸药装药层一端被起爆装置起爆后，爆炸驱动待喷涂粉体高速撞击待喷基体管内壁，在其内表面形成耐磨防锈涂层。本发明装置及方法制备的硬质耐磨防锈涂层与常规方法相比，具有结合强度好、气孔率低、硬度高、耐磨防锈等特点，可以使本体材料的强度提高，同时在大直径管内壁得到一种优良的复合硬质耐磨防锈涂层。

Description

在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的装置及方法
技术领域
本发明涉及耐磨防锈涂层制备技术领域，具体是一种在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的装置及方法。
背景技术
在现代工业中，很多机械零部件往往在高速、高温、高压、高腐蚀性等环境下工作，从表面的磨损、损耗、腐蚀开始，造成零部件或整个设备的故障，特别是石化、化工、冶金和矿山等部门的设备和管道输运技术需要大量的耐磨防锈钢管，而普通材料的钢管不能满足这些要求。因此，研究人员积极开发有效的表面改性技术，针对不同情况施以最佳的改性手段，达到延长设备的使用寿命，降低成本的目的。
专利CN 90107244.3中采用自蔓延反应技术在钢管内壁制取了耐蚀耐磨陶瓷内衬，使钢管具备了优良的机械性能和耐腐蚀性。专利CN103277629A、CN103305774A、CN103290306A通过离心铸造、回火强化热处理等工艺强化管道本体强度，通过静电或普通喷涂机喷涂防锈涂层和防腐涂层得到了金属耐磨防腐防锈管道。专利CN102527624A将金属粉和粘结剂混合均匀，通过球形挤涂器装置涂覆金属涂层，阴干，再采用熔结工艺获得高品质的功能金属粉末涂层。专利CN102560476A则采用感应加热线圈伸入金属管内加热，从而获得了高品质的功能金属粉末涂层。可以看出，这些都是采用了常规加工设备制备耐磨涂层，涂层与管道本体结合强度有限。
WC熔点高、硬度大、摩擦系数低、耐磨，多用在耐磨防护领域。WC-Co涂层是540℃以下硬度最高的耐磨涂层，具有良好的抗冲击性、韧性，与基体材料结合强度较高，因此被研究人员所重视，WC-Co涂层一般采用热喷涂技术制备。
上世纪末，Gromilov和Kinelovskii等人首次把聚能装药用于爆炸喷涂处理金属表面，将W粉和石墨粉末混合制成药型罩，在爆炸冲击波作用下，形成发散的粒子流高速撞击靶板表面，达到喷涂处理表面的目的。由于采用了凝聚态炸药作为驱动源，具有了更高的粒子飞行速度，更高的结合强度，涂层微观组织更致密，孔洞更少，几乎接近致密化；涂层硬度高且不需要大型设备。但是由于药型罩制备工艺的限制，形成的涂层仍然存在不少缺点，如：涂层不均匀等。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的装置及方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的装置，包括待喷基体管，在待喷基体管外套置有能量吸收管，能量吸收管的管壁厚度大于待喷基体管的管壁厚度，在待喷基体管内设有内衬管，内衬管、能量吸收管和待喷基体管的轴线重合；内衬管上沿内衬管的外管壁设有一层环形炸药装药层，环形炸药装药层的外壁上开设有若干条相邻并沿内衬管轴线方向设置的锥形槽，锥形槽的锥角为60°-120°，环形炸药装药层的每条锥形槽内装填有待喷涂粉体；内衬管端部安装有用于引爆环形炸药装药层的起爆装置（如电雷管等）；其中，环形炸药装药层采用塑性炸药或注装成型猛炸药制成；待喷涂粉体是由70-80重量份的WC-Co复合粉末和20-30重量份的气体发生剂组成的，该配比的气体发生剂含量在冲击波作用下爆燃或燃烧产生的气体是最有利于粉体的发散的，从而制得的涂层更均匀。
进一步地，所述的WC-Co复合粉末的粒径为10-60μm，该粒径的WC-Co复合粉末制得的涂层结合强度最高，其中，WC粉的质量分数为80-90%、Co粉的质量分数为10-20%， Co作为WC的粘结相，适量的Co可使涂层质量较好，但由于Co材料本身强度不高，含量高了反而影响涂层的耐磨强度；所述的气体发生剂为NH4NO3或NH4ClO4。
一种基于上述装置在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的方法，包括如下步骤：1）取待喷基体管，通过喷砂和清洗工序对待喷基体管内壁进行预处理；2）按配比称取WC-Co复合粉末和气体发生剂，然后放入混粉机内进行混制，充分混合得到待喷涂粉体；3）取塑性炸药或注装成型猛炸药，制成薄厚一致的片状炸药，根据内衬管的长度计算出所需长度、根据内衬管直径计算出所需宽度，裁制并环绕固定在内衬管的外管壁上，形成环形炸药装药层，在环形炸药装药层的外壁上开设锥形槽，在内衬管端部安装有用于引爆环形炸药装药层的起爆装置；4）将步骤1）中得到的待喷涂粉体填装到环形炸药装药层的锥形槽内并用聚乙烯薄膜包裹；5）取能量吸收管并将其套固在待喷基体管外，将内衬管组件插入待喷基体管内，令内衬管、能量吸收管和待喷基体管的轴线重合后将其固定；6）引爆起爆装置，起爆装置再引爆环形炸药装药层，环形炸药装药层驱动待喷涂粉体形成粒子流，高度撞击待喷基体管内壁，最终形成致密均匀、结合强度高的硬质耐磨防锈涂层。
本发明可使用普通钢管作为待喷基体管，环形炸药装药层作为待喷涂粉体的驱动能源，能将待喷涂粉体驱动至800m/s以上高速撞击待喷基体管内壁，从而形成耐磨防锈防腐涂层，同时利用爆炸冲击波作用使待喷基体管屈服强度提高，达到提高普通待喷基体管硬度的目的。
能量吸收管紧密围护在待喷基体管外侧，材料与待喷基体管材料相同，壁厚大于待喷基体管壁厚。能量吸收管可以吸收爆炸和粉末撞击待喷基体管时的冲击波能量，减弱粉末高速碰撞待喷基体管管壁时反射拉伸波对涂层的质量的影响，对于保护涂层质量具有重要作用。
环形炸药装药层采用塑性炸药或注装成型猛炸药制成，表面增加锥形槽（即V型刻槽），为了使粒子获得高速度，锥形槽的锥角范围为60°-120°。
WC-Co涂层是540℃以下硬度最高的耐磨涂层，具有良好的抗冲击性、韧性，与基体材料结合强度较高，同时为了使涂层更加均匀，本发明在WC-Co复合粉末中添加了气体发生剂，使粉末飞行更加发散，从而使涂层更加均匀。本发明中的气体发生剂选用NH4NO3或NH4ClO4，一方面可以使涂层更加均匀，另一方面其产生的惰性气体N2以及NOX对于WC脱碳具有一定的抑制作用。待喷涂粉体在环形炸药装药层上的填装总量可根据涂层的厚度及面积计算出，这是本领域技术人员容易实现的。
待喷基体管经本发明装置及方法制得硬质耐磨防锈涂层后，管材无明显变形，抗拉强度提高了7%，内壁显微硬度（HV500）可达16-18Gpa，将其放入水中30天，内壁无绣迹产生。
采用本发明装置及方法制备得到的WC-Co复合硬质耐磨防锈涂层与常规方法相比，具有结合强度好、气孔率低、硬度高、耐磨防锈等特点，可以使本体材料的强度提高，同时在大直径管内壁得到一种优良的复合硬质耐磨防锈涂层。本发明不需要固定的设备，工艺简单，设备投资少，适用于工业化生产且常规喷涂设备无法到达的地方。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为图1中的A-A剖视图。
图中：1-待喷基体管、2-能量吸收管、3-内衬管、4-环形炸药装药层、5-待喷涂粉体、6-起爆装置。
具体实施方式
以下结合附图1、2及具体实施例对本发明作进一步地描述：
实施例1
一种在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的装置，包括待喷基体管1，在待喷基体管1外套置有能量吸收管2，能量吸收管2的管壁厚度大于待喷基体管1的管壁厚度，在待喷基体管1内设有内衬管3，内衬管3、能量吸收管2和待喷基体管1的轴线重合；内衬管3上沿内衬管3的外管壁设有一层环形炸药装药层4，环形炸药装药层4的外壁上开设有若干条相邻并沿内衬管3轴线方向设置的锥形槽，锥形槽的锥角为60°，环形炸药装药层4的每条锥形槽内装填有待喷涂粉体5；内衬管3端部安装有用于引爆环形炸药装药层4的起爆装置6；其中，环形炸药装药层4采用塑性炸药或注装成型猛炸药制成；待喷涂粉体5是由70重量份的WC-Co复合粉末和30重量份的气体发生剂组成的。
具体实施时，待喷基体管1选用外径为360mm、壁厚为10mm、长度为1000mm 的45#钢管；能量吸收管2的材质与待喷基体管1材质相同，其内径为360mm、壁厚为20mm；内衬管3选用外径为63mm的PVC管；环形炸药装药层4的厚度为7mm；起爆装置6选用8#电雷管；WC-Co复合粉末的粒径为10μm，其中，WC粉末的质量分数为90%、Co粉末的质量分数为10%；所述的气体发生剂选用NH4NO3。
基于上述装置在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的方法，包括如下步骤：1）取待喷基体管1，通过喷砂和清洗工序对待喷基体管1内壁进行预处理；2）按配比称取WC-Co复合粉末和气体发生剂，然后放入混粉机内进行混制，充分混合得到待喷涂粉体5；3）取塑性炸药或注装成型猛炸药，制成薄厚一致的片状炸药，根据内衬管3的长度计算出所需长度、根据内衬管3的直径计算出所需宽度，裁制并环绕固定在内衬管3的外管壁上，形成环形炸药装药层4，在环形炸药装药层4的外壁上开设锥形槽，在内衬管3端部安装有用于引爆环形炸药装药层4的起爆装置6；4）将步骤1）中得到的待喷涂粉体5填装到环形炸药装药层4的锥形槽内并用聚乙烯薄膜包裹；5）取能量吸收管2并将其套固在待喷基体管1外，将内衬管3组件插入待喷基体管1内，令内衬管3、能量吸收管2和待喷基体管1的轴线重合后将其固定；6）引爆起爆装置6，起爆装置6再引爆环形炸药装药层4，环形炸药装药层4驱动待喷涂粉体5形成粒子流，高度撞击待喷基体管1内壁，最终形成致密均匀、结合强度高的硬质耐磨防锈涂层。
实施例2
一种在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的装置，包括待喷基体管1，在待喷基体管1外套置有能量吸收管2，能量吸收管2的管壁厚度大于待喷基体管1的管壁厚度，在待喷基体管1内设有内衬管3，内衬管3、能量吸收管2和待喷基体管1的轴线重合；内衬管3上沿内衬管3的外管壁设有一层环形炸药装药层4，环形炸药装药层4的外壁上开设有若干条相邻并沿内衬管3轴线方向设置的锥形槽，锥形槽的锥角为120°，环形炸药装药层4的每条锥形槽内装填有待喷涂粉体5；内衬管3端部安装有用于引爆环形炸药装药层4的起爆装置6；其中，环形炸药装药层4采用塑性炸药或注装成型猛炸药制成；待喷涂粉体5是由75重量份的WC-Co复合粉末和25重量份的气体发生剂组成的。
具体实施时， WC-Co复合粉末的粒径为60μm，其中，WC粉末的质量分数为85%、Co粉末的质量分数为15%；所述的气体发生剂选用NH4NO3。
基于上述装置在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的方法，包括如下步骤：1）取待喷基体管1，通过喷砂和清洗工序对待喷基体管1内壁进行预处理；2）按配比称取WC-Co复合粉末和气体发生剂，然后放入混粉机内进行混制，充分混合得到待喷涂粉体5；3）取塑性炸药或注装成型猛炸药，制成薄厚一致的片状炸药，根据内衬管3的长度计算出所需长度、根据内衬管3的直径计算出所需宽度，裁制并环绕固定在内衬管3的外管壁上，形成环形炸药装药层4，在环形炸药装药层4的外壁上开设锥形槽，在内衬管3端部安装有用于引爆环形炸药装药层4的起爆装置6；4）将步骤1）中得到的待喷涂粉体5填装到环形炸药装药层4的锥形槽内并用聚乙烯薄膜包裹；5）取能量吸收管2并将其套固在待喷基体管1外，将内衬管3组件插入待喷基体管1内，令内衬管3、能量吸收管2和待喷基体管1的轴线重合后将其固定；6）引爆起爆装置6，起爆装置6再引爆环形炸药装药层4，环形炸药装药层4驱动待喷涂粉体5形成粒子流，高度撞击待喷基体管1内壁，最终形成致密均匀、结合强度高的硬质耐磨防锈涂层。
实施例3
一种在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的装置，包括待喷基体管1，在待喷基体管1外套置有能量吸收管2，能量吸收管2的管壁厚度大于待喷基体管1的管壁厚度，在待喷基体管1内设有内衬管3，内衬管3、能量吸收管2和待喷基体管1的轴线重合；内衬管3上沿内衬管3的外管壁设有一层环形炸药装药层4，环形炸药装药层4的外壁上开设有若干条相邻并沿内衬管3轴线方向设置的锥形槽，锥形槽的锥角为90°，环形炸药装药层4的每条锥形槽内装填有待喷涂粉体5；内衬管3端部安装有用于引爆环形炸药装药层4的起爆装置6；其中，环形炸药装药层4采用塑性炸药或注装成型猛炸药制成；待喷涂粉体5是由80重量份的WC-Co复合粉末和20重量份的气体发生剂组成的。
具体实施时， WC-Co复合粉末的粒径为35μm，其中，WC粉末的质量分数为80%、Co粉末的质量分数为20%；所述的气体发生剂选用NH4ClO4。
基于上述装置在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的方法，包括如下步骤：1）取待喷基体管1，通过喷砂和清洗工序对待喷基体管1内壁进行预处理；2）按配比称取WC-Co复合粉末和气体发生剂，然后放入混粉机内进行混制，充分混合得到待喷涂粉体5；3）取塑性炸药或注装成型猛炸药，制成薄厚一致的片状炸药，根据内衬管3的长度计算出所需长度、根据内衬管3的直径计算出所需宽度，裁制并环绕固定在内衬管3的外管壁上，形成环形炸药装药层4，在环形炸药装药层4的外壁上开设锥形槽，在内衬管3端部安装有用于引爆环形炸药装药层4的起爆装置6；4）将步骤1）中得到的待喷涂粉体5填装到环形炸药装药层4的锥形槽内并用聚乙烯薄膜包裹；5）取能量吸收管2并将其套固在待喷基体管1外，将内衬管3组件插入待喷基体管1内，令内衬管3、能量吸收管2和待喷基体管1的轴线重合后将其固定；6）引爆起爆装置6，起爆装置6再引爆环形炸药装药层4，环形炸药装药层4驱动待喷涂粉体5形成粒子流，高度撞击待喷基体管1内壁，最终形成致密均匀、结合强度高的硬质耐磨防锈涂层。

Claims (3)

1.一种在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的装置，包括待喷基体管（1），其特征在于：在待喷基体管（1）外套置有能量吸收管（2），能量吸收管（2）的管壁厚度大于待喷基体管（1）的管壁厚度，在待喷基体管（1）内设有内衬管（3），内衬管（3）、能量吸收管（2）和待喷基体管（1）的轴线重合；内衬管（3）上沿内衬管（3）的外管壁设有一层环形炸药装药层（4），环形炸药装药层（4）的外壁上开设有若干条相邻并沿内衬管（3）轴线方向设置的锥形槽，锥形槽的锥角为60°-120°，环形炸药装药层（4）的每条锥形槽内装填有待喷涂粉体（5）；内衬管（3）端部安装有用于引爆环形炸药装药层（4）的起爆装置（6）；其中，环形炸药装药层（4）采用塑性炸药或注装成型猛炸药制成；待喷涂粉体（5）是由70-80重量份的WC-Co复合粉末和20-30重量份的气体发生剂组成的。
2.根据权利要求1所述的在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的装置，其特征在于：所述的WC-Co复合粉末的粒径为10-60μm，其中，WC粉末的质量分数为80-90%、Co粉末的质量分数为10-20%；所述的气体发生剂为NH4NO3或NH4ClO4。
3.一种基于权利要求1所述的装置在大直径管内壁制备耐磨防锈涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：1）取待喷基体管（1），通过喷砂和清洗工序对待喷基体管（1）内壁进行预处理；2）按配比称取WC-Co复合粉末和气体发生剂，然后放入混粉机内进行混制，充分混合得到待喷涂粉体（5）；3）取塑性炸药或注装成型猛炸药，制成薄厚一致的片状炸药，根据内衬管（3）的长度计算出所需长度、根据内衬管（3）的直径计算出所需宽度，裁制并环绕固定在内衬管（3）的外管壁上，形成环形炸药装药层（4），在环形炸药装药层（4）的外壁上开设锥形槽，在内衬管（3）端部安装有用于引爆环形炸药装药层（4）的起爆装置（6）；4）将步骤1）中得到的待喷涂粉体（5）填装到环形炸药装药层（4）的锥形槽内并用聚乙烯薄膜包裹；5）取能量吸收管（2）并将其套固在待喷基体管（1）外，将内衬管（3）组件插入待喷基体管（1）内，令内衬管（3）、能量吸收管（2）和待喷基体管（1）的轴线重合后将其固定；6）引爆起爆装置（6），起爆装置（6）再引爆环形炸药装药层（4），环形炸药装药层（4）驱动待喷涂粉体（5）形成粒子流，高度撞击待喷基体管（1）内壁，最终形成致密均匀、结合强度高的硬质耐磨防锈涂层。
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