CN104087888B - 一种高硬度、低孔隙率镍铬-碳化铬涂层的制备方法 - Google Patents

一种高硬度、低孔隙率镍铬-碳化铬涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高硬度、低孔隙率镍铬-碳化铬涂层的制备方法，通过调节和设置各项喷涂参数，使原材料粉末达到良好的熔化状态，并保证了镍铬-碳化铬涂层优异的质量。本发明采用的方法为等离子喷涂方法，成本低，同时使涂层硬度达到了HR15N 80以上，并且涂层孔隙率小于5％，最大孔隙直径在25μm以下，满足了耐高温磨损涂层的指标要求。

Description

一种高硬度、低孔隙率镍铬-碳化铬涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种涂层的制备方法，尤其是高硬度、低孔隙率镍铬-碳化铬涂层的制备方法。
背景技术
镍铬-碳化铬涂层为一种耐高温磨损涂层。一般情况下，制备这种涂层通常采用等离子喷涂技术和超音速火焰喷涂技术。等离子喷涂技术成本低，但涂层硬度往往不高，通常小于HR15N80，同时涂层显微组织不佳，孔隙率往往大于15％，并且最大孔隙直径较难控制在30μm以下。超音速火焰喷涂技术虽然可以达到上述的涂层指标，但成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本的制备高硬度、低孔隙率镍铬-碳化铬涂层的方法，并满足：
1)制备出的镍铬-碳化铬涂层具有较高硬度，不小于HR15N80；
2)制备出的镍铬-碳化铬涂层具有优异的显微组织，孔隙率不大于5％，最大孔隙直径在25μm以下。
本发明的技术解方案为，一种高硬度、低孔隙率镍铬-碳化铬涂层的制备方法包括以下步骤：
(1)表面净化：对零件需喷涂部位及邻近部位进行刷洗后，在空气中晾干或用清洁、干燥的压缩空气吹干；
(2)零件保护：采用胶带、薄金属片或专用保护工装对非喷涂表面进行保护，确保非喷涂面不受损伤，胶带、薄金属片或保护工装不得遮蔽喷涂面；
(3)喷砂处理：采用具有分筛装置的喷砂机对喷涂部位进行喷砂处理，喷砂磨料选用24#白刚玉砂，喷砂压力范围为0.2～0.6MPa，喷砂距离100～300mm，压力方向与基体表面不垂直，以防砂粒嵌入基体表面；喷砂后，用洁净干燥的压缩空气将粘附在工件表面的碎砂及浮灰吹净；要求喷砂处理后，对于基体材料为铸铁、钢基合金、高温合金及钛合金喷涂部位的粗糙度要求Ra≥4，铝合金与镁合金则为Ra≥7；
(4)等离子喷涂镍铝底层：零件进行喷砂处理后应立即进行镍铝底层的喷涂工序，对于镁合金、铝合金及钛合金材料，时间间隔最多30分钟，其它材料最多2小时；制备镍铝底层工艺参数为：
送粉方式：垂直送粉
粉末型号：Metco450NS
送粉量(％r.p.m)：24
主气压力(氩气，psi)：75±5
主气流量(氩气，SCFH)：95～105
辅气压力(氢气，psi)：50±5
辅气流量(氢气，SCFH)：调至电压值
送粉气压力(氩气，Bar)：3.5±0.2
送粉气流量(氩气，NLPM)：8～9
喷涂电流(A)：490～500
喷涂电压(V)：68±2
喷涂距离(mm)：120～170
喷枪移动速度(mm/s)：400～800
按上述参数进行喷涂，直至镍铝底层的厚度为0.05～0.20mm时停止；
(5)等离子喷涂镍铬-碳化铬面层：底层喷涂结束后，2小时内进行面层喷涂；制备镍铬-碳化铬面层工艺参数为:
送粉方式：垂直送粉
粉末型号：KF-71
送粉量(％r.p.m)：20
主气压力(氩气，psi)：75±5
主气流量(氩气，SCFH)：80±5
辅气压力(氢气，psi)：50±5
辅气流量(氢气，SCFH)：调至电压值
送粉气压力(氩气，Bar)：3.5±0.2
送粉气流量(氩气，NLPM)：8～9
喷涂电流(A)：520±5
喷涂电压(V)：65±2
喷涂距离(mm)：110～120
喷枪移动速度(mm/s)：400～800
喷涂过程中，对零件温度进行实时监控，当钢、铸铁及耐热合金零件的温度大于150℃时，或铝合金、镁合金或钛合金零件的温度大于120℃时，停枪中止喷涂，当钢、铸铁及耐热合金零件的温度不大于150℃时，或铝合金、镁合金或钛合金零件的温度不大于120℃时，继续进行喷涂，直至涂层厚度满足要求为止；
(6)最终检验：喷涂后将零件的保护工装去除，进行检验。
上述步骤(5)中，采用红外测温仪对零件温度进行实时监控。
本发明通过调节等离子喷涂功率、喷涂距离、送粉量及主辅气压力与流量使原材料粉末达到良好的熔化状态，所制备的涂层具有较高硬度，组织均匀、致密，显微层状结构明显，无分层、裂纹和聚集现象，涂层氧化物均匀分布，涂层与基体界面结合良好。同时，量化喷涂前喷砂工序参数、规定喷砂后不同基体材料喷涂部位粗糙度要求、量化工序间时间间隔、规定喷涂过程中零件温度控制范围等严格的等离子喷涂过程控制与合理的喷涂工艺参数共同保证了镍铬-碳化铬涂层优异的质量。本发明采用的方法为等离子喷涂方法，成本低，同时使涂层硬度达到了HR15N80以上，并且涂层孔隙率小于5％，最大孔隙直径在25μm以下，满足了耐高温磨损涂层的指标要求。
具体实施方式
一种高硬度、低孔隙率镍铬-碳化铬涂层的制备方法包括以下步骤：
(1)表面净化：对零件需喷涂部位及邻近部位进行刷洗后，在空气中晾干或用清洁、干燥的压缩空气吹干；
(2)零件保护：采用胶带、薄金属片或专用保护工装对非喷涂表面进行保护，确保非喷涂面不受损伤，胶带、薄金属片或保护工装不得遮蔽喷涂面；
(3)喷砂处理：采用具有分筛装置的喷砂机对喷涂部位进行喷砂处理，喷砂磨料选用24#白刚玉砂，喷砂压力范围为0.2～0.6MPa，喷砂距离100～300mm，压力方向与基体表面不垂直，以防砂粒嵌入基体表面；喷砂后，用洁净干燥的压缩空气将粘附在工件表面的碎砂及浮灰吹净；要求喷砂处理后，对于基体材料为铸铁、钢基合金、高温合金及钛合金喷涂部位的粗糙度要求Ra≥4，铝合金与镁合金则为Ra≥7；
(4)等离子喷涂镍铝底层：零件进行喷砂处理后应立即进行镍铝底层的喷涂工序，对于镁合金、铝合金及钛合金材料，时间间隔最多30分钟，其它材料最多2小时；制备镍铝底层工艺参数为：
送粉方式：垂直送粉
粉末型号：Metco450NS
送粉量(％r.p.m)：24
主气压力(氩气，psi)：75±5
主气流量(氩气，SCFH)：95～105
辅气压力(氢气，psi)：50±5
辅气流量(氢气，SCFH)：调至电压值
送粉气压力(氩气，Bar)：3.5±0.2
送粉气流量(氩气，NLPM)：8～9
喷涂电流(A)：490～500
喷涂电压(V)：68±2
喷涂距离(mm)：120～170
喷枪移动速度(mm/s)：400～800
按上述参数进行喷涂，直至镍铝底层的厚度为0.05～0.20mm时停止；
(5)等离子喷涂镍铬-碳化铬面层：底层喷涂结束后，2小时内进行面层喷涂；制备镍铬-碳化铬面层工艺参数为:
送粉方式：垂直送粉
粉末型号：KF-71
送粉量(％r.p.m)：20
主气压力(氩气，psi)：75±5
主气流量(氩气，SCFH)：80±5
辅气压力(氢气，psi)：50±5
辅气流量(氢气，SCFH)：调至电压值
送粉气压力(氩气，Bar)：3.5±0.2
送粉气流量(氩气，NLPM)：8～9
喷涂电流(A)：520±5
喷涂电压(V)：65±2
喷涂距离(mm)：110～120
喷枪移动速度(mm/s)：400～800
喷涂过程中，对零件温度进行实时监控，当钢、铸铁及耐热合金零件的温度大于150℃时，或铝合金、镁合金或钛合金零件的温度大于120℃时，停枪中止喷涂，当钢、铸铁及耐热合金零件的温度不大于150℃时，或铝合金、镁合金或钛合金零件的温度不大于120℃时，继续进行喷涂，直至涂层厚度满足要求为止；
(6)最终检验：喷涂后将零件的保护工装去除，进行检验。
上述步骤(5)中，采用红外测温仪对零件温度进行实时监控。
实施例
采用Metco9M等离子喷涂系统对钢制长方形试片进行镍铬-碳化铬涂层制备，钢制材料为45#钢，尺寸为12×10×2.5，喷涂表面(12×10表面)光洁度Ra≤1.6。要求涂层厚度不小于1.0mm，涂层性能指标为：孔隙率≤5％、最大孔隙直径≤25μm、涂层硬度HR15N≥80、结合强度≥30MPa、喷涂后组织均匀、无分层、裂纹和聚集现象；氧化物均匀分布。涂层具体制备步骤如下：
(1)表面净化：对零件需喷涂部位及邻近部位进行仔细的刷洗，然后用清洁、干燥的压缩空气吹干；
(2)零件保护：采用胶带对非喷涂表面进行保护，确保胶带无遮蔽喷涂表面现象；
(3)喷砂处理：采用具有分筛装置的喷砂机对喷涂部位进行喷砂处理，喷砂磨料选用24#白刚玉砂，喷砂压力为0.5MPa，喷砂距离200mm；压力方向与基体表面不垂直；喷砂后，用洁净干燥的压缩空气将粘附在喷涂表面的碎砂及浮灰吹净；喷砂处理后，试片喷涂部位的粗糙度为Ra7.7；
(4)等离子喷涂镍铝底层：零件进行喷砂处理后立即进行镍铝底层的喷涂工序，时间间隔为15分钟；制备镍铝底层工艺参数为：
送粉方式：垂直送粉
粉末型号：Metco450NS
送粉量(％r.p.m)：24
主气压力(氩气，psi)：75
主气流量(氩气，SCFH)：102
辅气压力(氢气，psi)：50
辅气流量(氢气，SCFH)：调至电压值
送粉气压力(氩气，Bar)：3.5
送粉气流量(氩气，NLPM)：8.5
喷涂电流(A)：497
喷涂电压(V)：70
喷涂距离(mm)：150
喷枪移动速度(mm/s)：800
按上述参数进行喷涂，直至镍铝底层的厚度为0.15mm时停止喷涂；
(5)等离子喷涂镍铬-碳化铬面层：底层喷涂结束后，立即喷涂镍铬-碳化铬面层，时间间隔12分钟；制备镍铬-碳化铬面层工艺参数为：
送粉方式：垂直送粉
粉末型号：KF-71
送粉量(％r.p.m)：20
主气压力(氩气，psi)：75
主气流量(氩气，SCFH)：80
辅气压力(氢气，psi)：50
辅气流量(氢气，SCFH)：调至电压值
送粉气压力(氩气，Bar)：3.5
送粉气流量(氩气，NLPM)：8.5
喷涂电流(A)：523
喷涂电压(V)：67
喷涂距离(mm)：120
喷枪移动速度(mm/s)：800
喷涂过程中，采用Reytek红外测温仪对试片温度进行实时监控，整个喷涂过程的温度在70～120℃之间；按上述参数进行喷涂，直至镍铬-碳化铬涂层的厚度为1.2mm时停止喷涂；
(6)最终检验：喷涂后将零件的保护工装去除，进行涂层检验，检测结果为：孔隙率1.1％、最大孔隙直径18μm、涂层硬度HR15N86.5、结合强度44MPa、喷涂后组织均匀、无分层、裂纹和聚集现象；氧化物均匀分布，均达到规定的要求。结论：零件喷涂的涂层合格。

Claims (2)

1.一种高硬度、低孔隙率镍铬-碳化铬涂层的制备方法，其特征是，所述的方法包括以下步骤：
1)表面净化：对零件需喷涂部位及邻近部位进行刷洗后，在空气中晾干或用清洁、干燥的压缩空气吹干；
2)零件保护：采用胶带、薄金属片或专用保护工装对非喷涂表面进行保护，确保非喷涂面不受损伤，胶带、薄金属片或保护工装不得遮蔽喷涂面；
3)喷砂处理：采用具有分筛装置的喷砂机对喷涂部位进行喷砂处理，喷砂磨料选用24#白刚玉砂，喷砂压力范围为0.2～0.6MPa，喷砂距离100～300mm，压力方向与零件表面不垂直，以防砂粒嵌入零件表面；喷砂后，用洁净干燥的压缩空气将粘附在零件表面的碎砂及浮灰吹净；要求喷砂处理后，对于零件材料为铸铁、钢基合金、高温合金及钛合金喷涂部位的粗糙度要求Ra≥4，铝合金与镁合金则为Ra≥7；
4)等离子喷涂镍铝底层：零件进行喷砂处理后应立即进行镍铝底层的喷涂工序，对于镁合金、铝合金及钛合金材料，时间间隔最多30分钟，其它材料最多2小时；制备镍铝底层工艺参数为：
送粉方式：垂直送粉
粉末型号：Metco450NS
送粉量：24％r.p.m
主气压力，氩气：75±5psi
主气流量，氩气：95～105SCFH
辅气压力，氢气：50±5psi
辅气流量，氢气：调至电压值SCFH
送粉气压力，氩气：3.5±0.2Bar
送粉气流量，氩气：8～9NLPM
喷涂电流：490～500A
喷涂电压：68±2V
喷涂距离：120～170mm
喷枪移动速度：400～800mm/s
按上述参数进行喷涂，直至镍铝底层的厚度为0.05～0.20mm时停止；
5)等离子喷涂镍铬-碳化铬面层：底层喷涂结束后，2小时内进行面层喷涂；制备镍铬-碳化铬面层工艺参数为:
送粉方式：垂直送粉
粉末型号：KF-71
送粉量：20％r.p.m
主气压力，氩气：75±5psi
主气流量，氩气：80±5SCFH
辅气压力，氢气：50±5psi
辅气流量，氢气：调至电压值SCFH
送粉气压力，氩气：3.5±0.2Bar
送粉气流量，氩气：8～9NLPM
喷涂电流：520±5A
喷涂电压：65±2V
喷涂距离：110～120mm
喷枪移动速度：400～800mm/s
喷涂过程中，对零件温度进行实时监控，当钢基合金、铸铁及高温合金零件的温度大于150℃时，或铝合金、镁合金或钛合金零件的温度大于120℃时，停枪中止喷涂，当钢基合金、铸铁及高温合金零件的温度不大于150℃时，或铝合金、镁合金或钛合金零件的温度不大于120℃时，继续进行喷涂，直至涂层厚度满足要求为止；
6)最终检验：喷涂后将零件的保护工装去除，进行检验。
2.如权利要求1所述的一种高硬度、低孔隙率镍铬-碳化铬涂层的制备方法，其特征是，所述的步骤5)中，采用红外测温仪对零件温度进行实时监控。
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