CN104611665A - 一种在大尺寸弯管类工件上热喷涂制备涂层的方法 - Google Patents

Abstract

一种在大尺寸弯管类工件上热喷涂制备涂层的方法，先对弯管类工件的表面进行预处理，再采用特殊设计的弯管喷涂工装进行夹持固定，该喷涂工装主要包括工装主体、支撑架、马达、主动链轮、从动链轮、主轴、副轴、固定套和防护板，工件通过固定套和紧固螺丝固定在主轴和副轴上并通过马达带动的主动链轮、从动链轮、主轴和副轴的带动下作旋转运动。喷涂时，喷枪沿着A、B、C轨迹线分别喷涂一次为一个喷涂道次，重复多道次直到获得需要的涂层厚度，同时通过高速气幕对工件进行冷却。本发明能够确保弯管类工件的弧长方向和外圆周向上的涂层厚度、组织和性能均匀，能有效防止部件变形，尤其适用于曲率半径大于或等于2m，长度小于2m，口径在30～140mm之间的大尺寸弯管类工件的热喷涂制备涂层。

Description

一种在大尺寸弯管类工件上热喷涂制备涂层的方法

技术领域

本发明涉及现代材料表面工程技术领域的热喷涂工艺，特别是涉及一种采用热喷涂技术在大尺寸弯管或弯棒类工件上制备涂层的方法。

背景技术

热喷涂技术最早出现在20世纪早期的瑞士，随后的一百多年中大量成果不断涌现，包括各种热喷涂设备的研制、新的热喷涂材料的开发及新技术的应用。热喷涂技术是一种将涂层材料（粉末或丝材）送入某种热源（电弧、燃烧火焰、等离子体等）中熔化，并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成涂层的工艺。热喷涂涂层取材范围广，几乎所有的金属、合金、陶瓷乃至有机高分子材料均可喷涂，赋予基体耐磨损、耐腐蚀、耐高温和隔热等优良性能，并能对磨损、腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复，在航空航天、机械制造、石油化工等领域中得到了广泛的应用。

通过选择合适的工艺方法几乎任何固体材料均可作为基体进行喷涂加工。既可以是大型构件的大面积喷涂，也可以是工件的局部喷涂。但是不管热喷涂的热源是何种形式，如电弧、火焰或等离子体等，均需要形成高速（几倍音速）气流，将材料喷射到基体表面形成涂层。这种工艺特点决定了对可喷涂工件的形状限制，一般来说，平板类或回旋体工件是适于喷涂的。平板类工件一般通过夹具固定，喷枪面向需要喷涂的部位沿着预定轨迹移动进行喷涂。回旋体工件一般通过转台围绕回旋轴按一定角速度旋转，喷枪沿着回旋轴向上下移动进行喷涂。这样喷涂角较大，可以保证涂层在基体上的结合力和厚度均匀性。实际上随着机器人技术和热喷涂设备的发展，热喷涂工艺通过计算机控制，编程和机器人操作能实现更加复杂型面的工件如异型面叶片的喷涂。但对于大尺寸弯管类工件的喷涂还是具有非常大的挑战。

主要难点在于：一是普通圆柱管（棒）工件喷涂时，工件围绕中心轴旋转，喷枪沿着中心轴向往复移动进行喷涂即可。但弯管类工件的中心线是一段圆弧线，如果工件旋转轴选择不恰当，在弯管类工件的弧长方向和外圆周向上的涂层厚度很难保证一致，涂层组织和性能均匀性受到很大影响。二是大量弯管（棒）部件或属于薄壁管件或是长度/直径比很大，这类大尺寸工件的本身刚性有限，且对温度敏感，在进行喷涂加工过程中, 容易出现弯曲变形的问题, 甚至会导致工件精度达不到规定要求。因此，必须严格控制涂层工艺对部件的热输入，防止部件变形。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种在大尺寸弯管类工件上热喷涂制备涂层的方法，该方法采用了大尺寸弯管类工件固定和旋转的特殊喷涂工装、特殊设计的喷涂轨迹和气幕冷却方式，确保弯管类工件的弧长方向和外圆周向上的涂层厚度、组织和性能均匀，同时严格控制涂层工艺对工件的热输入，防止部件变形。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的在大尺寸弯管类工件上热喷涂制备涂层的方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一：采用常规处理工艺对大尺寸弯管类工件的表面进行清洁、非涂层部位的遮蔽和需喷涂部位的表面粗化；

步骤二：采用特殊设计的弯管喷涂工装对工件进行夹持固定；

步骤三：喷涂时，喷枪沿着特殊设计的轨迹运动，即沿着A轨迹线、B轨迹线和C轨迹线分别喷涂一次为一个喷涂道次，重复多道次直到获得需要的涂层厚度为止，喷涂的同时采用气幕冷却工件；

步骤四：喷涂完成后，从弯管喷涂工装上拆卸工件，并对工件进行后续常规工艺处理后，如清洁检验、封孔等，即完成大尺寸弯管类工件上涂层的制备。

其中，上述弯管喷涂工装主要包括支撑架、设置在支撑架顶部的工装主体、设置在支撑架上且位于工装主体下方的马达、设置在马达转轴上的主动链轮及设置在工装主体上的从动链轮、主轴和副轴，其中所述主轴与从动链轮固定连接并通过轴承安装在工装主体的一端，所述副轴通过轴承安装在工装主体的另一端，所述主轴和副轴同轴设置且相对的两端面上分别设置有固定套，工件通过固定套和紧固螺丝固定在主轴和副轴上并在主轴的带动下作旋转运动，所述工装主体的顶部设置有带多个出气孔的冷却管，压缩空气通过冷却管上的多个出气孔吹出，形成高速流动的用于冷却工件的气幕，所述工装主体的两端还设置有防护板。

上述主轴与副轴的间距d为：1/2L≥d≥1/3L，其中L为工件的长度。

上述支撑架的高度不小于工件长度的一半。

上述防护板的上边缘设置有螺丝卡槽，防护板左右平移到所需位置时通过穿置在螺丝卡槽内的螺丝实现固定。

上述B轨迹线位于主轴和副轴的同一轴心线上，A轨迹线和C轨迹线对称位于B轨迹线的上下两侧，且A轨迹线与B轨迹线及B轨迹线与C轨迹线之间的距离 。

克服热喷涂大尺寸弯管类工件的工艺难点，本发明具有以下显著优点：

1）解决了大尺寸弯管类工件喷涂时的固定和旋转问题，提供了一种用于大尺寸弯管类工件固定和旋转的特殊喷涂工装，喷涂工装可以根据工件的尺寸参数进行适当调整和改动，普适性强；

2）设计了一种特殊的喷涂轨迹，确保弯管类工件的弧长方向和外圆周向上的涂层厚度平均偏差不超过10%，涂层组织和性能均匀性好；

3）采用了高速气幕冷却方式，再加上工件在特殊喷涂工装夹持下的旋转，可严格控制热喷涂工艺对工件的热输入，控制工件温度在100℃以下，可有效防止部件变形；

4）本发明尤其适用于曲率半径R大于或等于2m，长度L小于2m，口径D在30～140mm之间的大尺寸弯管（棒）类工件的热喷涂制备涂层，弧长方向和外圆周向上的涂层厚度平均偏差不超过10%。而尺寸在此范围外的类似工件在涂层厚度均匀性可适当放宽的前提下，本发明依然适用；

5）本发明特殊的固定和旋转方式，加上喷涂工艺对工件的热输入下，可以适用与薄壁（壁厚5mm）管件的喷涂，完全可以防止机械固定和喷涂造成的工件变形；

6）本发明中采用的装置结构简单，部件更换方便，加工成本低，易于推广应用。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明所述弯管喷涂工装的结构示意图。

图2为本发明所述大尺寸弯管类工件的结构示意图。

图3为本发明所述喷涂轨迹和冷却结构示意图。

图4为在Inconel合金基体上通过本发明制备Cu涂层的截面扫描电镜照片图。

具体实施方式

如图1-图4所示，本发明所述的在大尺寸弯管类工件上热喷涂制备涂层的方法，包括以下步骤：

步骤一：采用常规处理工艺对大尺寸弯管类工件的表面进行清洁、非涂层部位的遮蔽和需喷涂部位的表面粗化；

步骤二：采用特殊设计的弯管喷涂工装对工件进行夹持固定；

步骤三：喷涂时，喷枪沿着特殊设计的轨迹运动，即沿着A轨迹线、B轨迹线和C轨迹线分别喷涂一次为一个喷涂道次，重复多道次直到获得需要的涂层厚度为止，喷涂的同时采用气幕冷却工件；

步骤四：喷涂完成后，从弯管喷涂工装上拆卸工件，并对工件进行后续常规工艺处理后，如清洁检验、封孔等，即完成大尺寸弯管类工件上涂层的制备。

其中，弯管喷涂工装（如图1所示）根据弯管类工件（如图2所示）的尺寸进行特殊设计。如图2所示的弯管类工件尺寸参数包括长度L、中心线曲率半径R、口径D和圆心角a，在本实施例中，工件尺寸参数包括长度L=1800mm、中心线曲率半径R=2100mm、口径D=80mm和圆心角a=45°。如图1所示的弯管喷涂工装主要包括支撑架2、设置在支撑架2顶部的工装主体1、设置在支撑架2上且位于工装主体1下方的马达3、设置在马达3转轴上的主动链轮4及设置在工装主体1上的从动链轮5、主轴6和副轴7，其中所述马达3通过马达固定座固定安装在支撑架2上，所述主轴6与从动链轮5固定连接并通过轴承9安装在工装主体1的一端，所述副轴7通过轴承9安装在工装主体1的另一端，所述主轴6和副轴7同轴设置且相对的两端面上分别设置有固定套8，工件11通过固定套8和紧固螺丝固定在主轴6和副轴7上并在主轴6的带动下作旋转运动，所述工装主体1的两端还设置有防护板10，在防护板10的上边缘设置有螺丝卡槽，防护板10左右平移到所需位置时通过穿置在螺丝卡槽内的螺丝实现固定，所述防护板 10，在喷涂时可置于主轴6和副轴7位置进行遮挡，防止喷涂到轴及附近零件。其中，主动链轮4、从动链轮5、主轴6和副轴7均选用45#钢制作而成，而工装主体1、支撑架2等其它部分则采用Q235钢制作而成。为了确保弯管类工件能够方便地夹持到弯管喷涂工装上，弯管喷涂工装的主轴6与副轴7的间距d需要根据工件11的长度L进行设计，通常设计成：1/2L≥d≥1/3L，在本实施例中d=700mm。且弯管喷涂工装的支撑架2的高度不小于工件长度L的一半，在本实施例中支撑架2的高度为900mm。且弯管喷涂工装的固定套8，可以根据工件11直径D的大小进行更换，在本实施例中选用直径为80mm的固定套。

弯管类工件通过喷涂工装固定和旋转后，喷涂过程中，喷枪按照特殊设计的轨迹运动（如图3所示），即沿着A轨迹线、B轨迹线和C轨迹线分别喷涂一次为一个喷涂道次，重复多道次直到获得需要的涂层厚度。其中，B轨迹线位于主轴6和副轴7的同一轴心线上，A轨迹线和C轨迹线对称位于B轨迹线的上下两侧，且A轨迹线与B轨迹线及B轨迹线与C轨迹线之间的距离设定为。

弯管类工件通过高速气流形成的气幕进行冷却，即采用带多个出气孔的冷却管12固定在弯管喷涂工装的顶部，出气孔的出气口朝下设置，对着旋转工件的正上方，压缩空气通过冷却管12上的多个出气孔吹出，形成高速流动的用于冷却工件的气幕。

本实施例选用低温超音速火焰喷涂设备在上述尺寸的弯管工件上制备Cu涂层，工件材料是Inconel合金，为5mm厚的薄壁弯管。喷涂粉末采用高纯雾化Cu粉，纯度为99.9%，粒径10～38μm；

喷涂主要参数如下表：

工件通过弯管喷涂工装固定和旋转后，喷枪按照图3所示的特殊设计的轨迹运动，即沿着B轨迹线、A轨迹线和C轨迹线分别喷涂一次为一个喷涂道次，重复多道次直到涂层厚度达到0.4～0.5 mm。A轨迹线与B轨迹线及B轨迹线与C轨迹线之间的距离h设定为21mm。沿着A轨迹线、B轨迹线和C轨迹线顺序喷涂亦可，实验中不影响涂层分布和质量。

工件通过高速气流形成的气幕进行冷却，即采用带五个出气孔的冷却管12固定在弯管喷涂工装的顶部，出气孔向下，对着旋转工件的正上方。工件冷却效果好，喷涂过程中温度不超过100℃。

如图4所示，Cu涂层13的组织均匀、致密、无裂纹，未发现未熔颗粒，涂层与基体14（即Inconel合金）的界面无分离现象，界面上的污染小于10%，且弧长方向和外圆周向上的涂层厚度平均偏差不超过10%。

弧长方向和外圆周向上的Cu涂层厚度测试结果： 

测试点	1	2	3	4	5	6	最大平均偏差
								弧长方向	483	477	429	440	472	498	8.0%
外圆周向方向	487	433	441	481	474	455	6.2%

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (6)

1.一种在大尺寸弯管类工件上热喷涂制备涂层的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：采用常规处理工艺对大尺寸弯管类工件的表面进行清洁、非涂层部位的遮蔽和需喷涂部位的表面粗化；

步骤二：采用特殊设计的弯管喷涂工装对工件进行夹持固定；

步骤三：喷涂时，喷枪沿着特殊设计的轨迹运动，即沿着A轨迹线、B轨迹线和C轨迹线分别喷涂一次为一个喷涂道次，重复多道次直到获得需要的涂层厚度为止，喷涂的同时采用气幕冷却工件；

步骤四：喷涂完成后，从弯管喷涂工装上拆卸工件，并对工件进行后续常规工艺处理后，即完成大尺寸弯管类工件上涂层的制备。

2.根据权利要求1所述的在大尺寸弯管类工件上热喷涂制备涂层的方法，其特征在于上述弯管喷涂工装主要包括支撑架（2）、设置在支撑架（2）顶部的工装主体（1）、设置在支撑架（2）上且位于工装主体（1）下方的马达（3）、设置在马达（3）转轴上的主动链轮（4）及设置在工装主体（1）上的从动链轮（5）、主轴（6）和副轴（7），其中所述主轴（6）与从动链轮（5）固定连接并通过轴承（9）安装在工装主体（1）的一端，所述副轴（7）通过轴承（9）安装在工装主体（1）的另一端，所述主轴（6）和副轴（7）同轴设置且相对的两端面上分别设置有固定套（8），工件（11）通过固定套（8）和紧固螺丝固定在主轴（6）和副轴（7）上并在主轴（6）的带动下作旋转运动，所述工装主体（1）的顶部设置有带多个出气孔的冷却管（12），压缩空气通过冷却管（12）上的多个出气孔吹出，形成高速流动的用于冷却工件的气幕，所述工装主体（1）的两端还设置有防护板（10）。

3.根据权利要求2所述的在大尺寸弯管类工件上热喷涂制备涂层的方法，其特征在于上述主轴（6）与副轴（7）的间距d为：1/2L≥d≥1/3L，其中L为工件（11）的长度。

4.根据权利要求2所述的在大尺寸弯管类工件上热喷涂制备涂层的方法，其特征在于上述支撑架（2）的高度不小于工件长度的一半。

5.根据权利要求2所述的在大尺寸弯管类工件上热喷涂制备涂层的方法，其特征在于上述防护板（10）的上边缘设置有螺丝卡槽，防护板（10）左右平移到所需位置时通过穿置在螺丝卡槽内的螺丝实现固定。

6.根据权利要求2所述的在大尺寸弯管类工件上热喷涂制备涂层的方法，其特征在于上述B轨迹线位于主轴（6）和副轴（7）的同一轴心线上，A轨迹线和C轨迹线对称位于B轨迹线的上下两侧，且A轨迹线与B轨迹线及B轨迹线与C轨迹线之间的距离                                               。