CN104404437B - 一种大幅度提高飞行粒子气化的低功率等离子喷涂的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大幅度提高飞行粒子气化的低功率等离子喷涂的方法，使用喷涂系统进行等离子喷涂，喷涂时控制涂层沉积压力低于500Pa；其中，喷涂时在等离子喷枪体外辅助设置聚束罩，所述聚束罩呈筒状，聚束罩一端通过螺纹孔与等离子喷枪喷嘴直接相连；聚束罩中设有一个喇叭状通道，喇叭状通道的入口的直径为喷嘴出口处直径的1‑5倍；喇叭状通道的出口内径大于或等于20mm；喇叭状通道的长度为50‑150mm。该方法采用常规等离子喷涂系统，利用在低于500Pa的条件下进行沉积，通过控制喷枪出口处等离子射流的径向尺寸，提高等离子射流中心区域的温度，从而大幅度等离子射流中粉末的加热程度，实现更多的气相沉积。
Description
【技术领域】
本发明涉及喷涂技术领域，特别涉及一种等离子喷涂方法。
【背景技术】
大气等离子喷涂或简写为APS技术具有高射流温度、低成本、快速沉积涂层的特性，成为制备YSZ热胀涂层常用的方法。该方法制备的涂层具有以扁平粒子组成的层状结构。扁平粒子间存在孔隙及裂纹，在大幅度提高涂层隔热性能的同时，降低了其抗热震性能。在温度变化频率不大的陆基燃气轮机领域具有较多的应用。
电子束物理气相沉积或简写为EB-PVD是一种制备柱状YSZ涂层的方法。采用此种方法能够制备得到结构规整，抗热震性能优良的柱状YSZ层。但是采用EB-PVD法设备投入成本高，且制备涂层所用的周期较长，而且涂层的隔热性能低于APS制备的涂层。在温度变化频率极高的航空发动机上具有较多的应用。
Sulzer-Metco公司在传统低压等离子喷涂的基础上，通过大幅度提高等离子系统功率达到180kW，在小于200Pa的工作压力下，气化YSZ粉末，实现物理气相沉积，即为PS-PVD技术。此技术能够在短时间内制备得到一定厚度的柱状结构YSZ涂层，对EB-PVD制备周期长的缺点具有较好的优化。同时，它改变了传统等离子喷涂或低压等离子喷涂只能制备层状结构涂层的局限。但整个系统包括超大功率等离子喷涂设备、真空抽滤设备、真空下运行的机械手，其投入成本同样很高，一般的研究机构很难承受。
相对于超大功率的等离子喷涂系统，常规低功率(80kW)的等离子喷涂系统也能够在500Pa以下操作，并实现PS-PVD工艺。由于在非常低的压力下，等离子射流在喷枪出口处会迅速的发生膨胀，从而使等离子射流的能量发生扩散，中心区域的温度降低。从而使等离子射流对陶瓷粉末的加热能力降低，使射流中存在未气化的液滴。很难达到制备柱状结构陶瓷涂层的要求。如何利用现有的设备实现PS-PVD，并大幅度提高等离子射流对粉末的加热程度，并制备柱状结构陶瓷涂层是现在面临的难题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种大幅度提高飞行粒子气化的低功率等离子喷涂的方法，以解决常规等离子喷涂系统难以在PS-PVD工艺条件下大幅度气化YSZ粉末的问题；本发明方法能够大幅度提高等离子射流中粉末的气化程度，并且工艺简单、生产成本低廉、可控性好。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大幅度提高飞行粒子气化的低功率等离子喷涂的方法，使用喷涂系统进行等离子喷涂，喷涂时控制涂层沉积压力低于500Pa；其中，喷涂时在等离子喷枪体外辅助设置聚束罩，所述聚束罩呈筒状，聚束罩一端通过螺纹孔与等离子喷枪喷嘴直接相连；聚束罩中设有一个喇叭状通道，喇叭状通道的入口的直径为喷嘴出口处直径的1-5倍；喇叭状通道的出口内径大于或等于20mm；喇叭状通道的长度为50-150mm；所述喷涂系统进行喷涂时等离子喷涂电弧功率小于45kW。
优选的，聚束罩的喇叭状通道外周通有冷却水。
优选的，聚束罩的喇叭状通道的出口距离被喷涂基体的距离为大于100mm。
优选的，喷涂时喷涂系统的参数为：Ar 40-70L/min，H2 8-15L/min，陶瓷粉末的送粉量为大于或等于0.2g/min。
优选的，聚束罩与喷嘴连接处的螺纹孔的内径为28mm，入口的直径为28mm，出口直径为40mm，长度为50mm。
优选的，出口的直径大于入口的直径。
优选的，所述聚束罩的材质为铜。
在等离子喷涂实施过程中，所使用的等离子发生气体为氩气、氩气和氢气、氩气和氦气、氩气与氦气和氢气。为保证等离子喷涂的实施气体流量可进行调节，气体的比例也可以根据粉末的不同进行调节。
为保证等离子射流在出口处的连续性，聚束罩与等离子喷枪喷嘴直接相连，聚束罩与喷嘴连接处的内径为喷嘴出口处直径的1-5倍。
为保证飞行的过程中不在聚束罩上停留发生结瘤堵塞的现象，同时保证对等离子射流的聚束效果，聚束罩出口处内径不低于20mm。
为延长粉末在等离子射流高温区域的停留时间，保证粉末在聚束罩内充分加热并气化，聚束罩对等离子弧聚束长度范围为50-150mm。
在涂层沉积过程中，涂层沉积压力为等离子弧外与基体非接触区域的平均气压，压力小于500Pa。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明采用常规80kW等离子喷涂系统，利用在低于500Pa的腔室压力条件下使等离子射流发生扩张，通过在等离子喷枪的喷嘴前连接聚束罩，聚束罩的出口直径小于不加聚束罩条件下等离子射流扩张后的直径，从而达到对等离子射流进行收缩的作用。在聚束罩的作用下，通过控制喷枪出口处等离子射流的径向尺寸，使等离子射流限制在一个小的区域内不发生大的扩散，在此基础上提高了等离子射流中心区域的温度，增加了粉末在等离子射流高温区域的停留时间，从而大幅度提高等离子射流中粉末的加热程度，能够气化更多的粉末，在涂层制备过程中实现更多的气相沉积。
采用聚束罩对等离子射流进行聚束后，与未约束相比，在相同喷涂参数的条件下，等离子射流中心区域温度提高30％-150％，在较高的温度下有利于等离子射流对粉末的加热并气化更多的粉末。
采用聚束罩对等离子射流进行聚束后，与未约束相比，在相同喷涂参数及沉积时间的条件下，涂层沉积效率提高2-10倍，表明采用聚束罩对等离子射流进行聚束后，等离子射流中粉末的气化量提高2-10倍。
【附图说明】
图1聚束罩示意图；其中，图1(a)为聚束长度为50mm的聚束罩，图1(b)为聚束长度为80mm的聚束罩。
图2为加聚束罩与不加聚束罩等离子温度的比较图；其中图2(a)为等离子射流中心位置的温度变化图；图2(b)为等离子射流径向偏离中心位置15mm处温度变化图；图2(c)为等离子射流径向偏离中心位置30mm处温度变化图。
图3为不加聚束罩制备的YSZ涂层的断面组织结构。
图4为加聚束罩制备的YSZ涂层的断面组织结构。
【具体实施方式】
本发明一种大幅度提高飞行粒子气化的低功率等离子喷涂的方法，使用等离子喷涂电弧功率小于45kW的喷涂系统进行等离子喷涂，喷涂时控制涂层沉积压力低于500Pa，并且在等离子喷枪体外辅助设置铜制备的聚束罩1。
请参阅图1所示，聚束罩1呈筒状，聚束罩1一端通过螺纹孔11与等离子喷枪喷嘴直接相连；聚束罩1中设有一个喇叭状通道12，喇叭状通道12的入口121的直径为喷嘴出口处直径的1-5倍；喇叭状通道12的出口122内径大于或等于20mm；喇叭状通道12的长度为50-150mm。聚束罩1的喇叭状通道12外周通有冷却水。
图1(a)中所示聚束罩1与喷嘴连接处的螺纹孔11的内径为28mm，入口121的直径为28mm，出口122内径为40mm，长度为50mm；图1(b)中所示聚束罩1与喷嘴连接处的螺纹孔11的内径为28mm，入口121的直径为15mm，出口122内径为40mm，长度为80mm。
分别通过加图1(a)的聚束罩和不加聚束罩行进PS-PVD工艺。采用OES对等离子射流进行检测。OES检测参数如下：光栅为300grooves/mm；曝光时间8ms；光谱分辨率为0.058nm；检测波长范围为300至1000nm。OES对等离子射流的检测范围包括轴向(图2中Z轴)50-350mm，径向(图2中Y轴)0-30mm。喷涂参数为喷涂额定功率45kW，Ar40L/min，H2 8L/min。等离子温度结果如图2所示。加聚束罩的等离子射流温度明显提高30％-80％。
分别通过加图1(a)聚束罩和不加聚束罩行进PS-PVD工艺。采用OES对等离子射流进行检测。OES检测参数如下：光栅为300grooves/mm；曝光时间8ms；光谱分辨率为0.058nm；检测波长范围为300至1000nm。OES对等离子射流的检测范围包括轴向(图2中Z轴)50-350mm，径向(图2中Y轴)0-30mm。喷涂参数为喷涂额定功率60-80kW，除掉冷却功率的净功率为32-45kW，Ar流量50-70L/min，H2流量10-15L/min。经测试发现等离子温度明显提高，有利于高熔点的陶瓷粉末的加热与气化。
对比例1：
以氧化铝管为基体，通过加工成Φ16×2×250mm(外径×厚度×长度)的试样。使用丙酮和酒精依次对试样进行超声波清洗，采用氧化铝砂纸对试样表面进行打磨处理，最后采用酒精对试样进行表面清洁；采用不加聚束罩的等离子喷枪，在100Pa环境压力下，使用7-8wt.％YSZ粉末进行PS-PVD工艺，制备YSZ涂层，其中喷涂参数为喷涂额定功率45kW，除掉冷却功率的净功率为25kW，Ar 40L/min，H2 8L/min，喷涂距离200mm，送粉量0.2g/min，沉积方式侧面。涂层的断面组织结构(如图3所示)显示为类似柱状结构。
实施例1：
以氧化铝管为基体，通过加工成Φ16×2×250mm(外径×厚度×长度)的试样。使用丙酮和酒精依次对试样进行超声波清洗，采用氧化铝砂纸对试样表面进行打磨处理，最后采用酒精对试样进行表面清洁；采用加图1(a)聚束罩的等离子喷枪，在100Pa环境压力下，使用7-8wt.％YSZ粉末进行PS-PVD工艺，制备YSZ涂层，其中喷涂参数为喷涂额定功率45kW，除掉冷却功率的净功率为25kW，Ar 40L/min，H2 8L/min，喷涂距离200mm，送粉量0.2g/min，沉积方式侧面。涂层的断面组织结构(如图4所示)显示为类似柱状结构。加聚束罩涂层厚度约为不加聚束罩涂层厚度的2倍，证明加聚束罩后粉末的气化量明显提高了，约为不加聚束罩的2倍。
实施例2：
以氧化锆为基体，通过加工成Φ18×2mm(直径×厚度)的试样。使用丙酮和酒精依次对试样进行超声波清洗，采用金刚石砂纸对试样表面进行打磨处理，最后采用酒精对试样进行表面清洁；分别采用加图1(b)聚束罩和不加聚束罩的等离子喷枪，在100Pa环境压力下，使用7-8wt.％YSZ粉末进行PS-PVD工艺，制备YSZ涂层，其中喷涂参数为喷涂额定功率60-80kW，除掉冷却功率的净功率为32-45kW，Ar 50-70L/min，H2 10-15L/min，喷涂距离200-660mm，送粉量0.2g/min，沉积方式侧面。加聚束罩沉积的涂层厚度显著提高。
实施例3：
以氧化铝管为基体，通过加工成Φ16×2×250mm(外径×厚度×长度)的试样。使用丙酮和酒精依次对试样进行超声波清洗，采用氧化铝砂纸对试样表面进行打磨处理，最后采用酒精对试样进行表面清洁；采用加图1(a)聚束罩的等离子喷枪，在小于500Pa环境压力下，使用氧化铝粉末进行PS-PVD工艺，制备氧化铝涂层，其中喷涂参数为喷涂额定功率45-80kW，除掉冷却功率的净功率为25-45kW，Ar 40-70L/min，H2 8-15L/min，喷涂距离200-660mm，送粉量0.2g/min，沉积方式侧面。制备气相沉积柱状结构氧化铝涂层。
实施例4：
以氧化锆为基体，通过加工成Φ18×2mm(直径×厚度)的试样。使用丙酮和酒精依次对试样进行超声波清洗，采用金刚石砂纸对试样表面进行打磨处理，最后采用酒精对试样进行表面清洁；采用加图1(a)聚束罩等离子喷枪，在小于500Pa环境压力下，使用氧化铝粉末进行PS-PVD工艺，制备氧化铝涂层，其中喷涂参数为喷涂额定功率45-80kW，除掉冷却功率的净功率为25-45kW，Ar 40-70L/min，H2 8-15L/min，喷涂距离200-660mm，送粉量0.2g/min，沉积方式侧面。制备气相沉积柱状结构氧化铝涂层。
Claims (4)
1.一种大幅度提高飞行粒子气化的低功率等离子喷涂的方法，其特征在于，使用喷涂系统进行等离子喷涂，喷涂时控制涂层沉积压力低于500Pa；其中，喷涂时在等离子喷枪体外辅助设置聚束罩(1)，所述聚束罩(1)呈筒状，聚束罩(1)一端通过螺纹孔(11)与等子喷枪喷嘴直接相连；聚束罩(1)中设有一个喇叭状通道(12)，喇叭状通道(12)的入口(121)的直径为喷嘴出口处直径的1-5倍；所述喷涂系统进行喷涂时等离子喷涂电弧功率小于45kW；
聚束罩(1)的喇叭状通道(12)外周通有冷却水；
聚束罩(1)与喷嘴连接处的螺纹孔(11)的内径为28mm，入口(121)的直径为28mm，出口(122)直径为40mm，长度为50mm。
2.根据权利要求1所述的一种大幅度提高飞行粒子气化的低功率等离子喷涂的方法，其特征在于，聚束罩(1)的喇叭状通道(12)的出口(122)距离被喷涂基体的距离为大于100mm。
3.根据权利要求1所述的一种大幅度提高飞行粒子气化的低功率等离子喷涂的方法，其特征在于，喷涂时喷涂系统的参数为：Ar 40-70L/min，H2 8-15L/min，陶瓷粉末的送粉量为大于或等于0.2g/min。
4.根据权利要求1所述的一种大幅度提高飞行粒子气化的低功率等离子喷涂的方法，其特征在于，所述聚束罩(1)的材质为铜。
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