CN104762586A - 一种工件热喷涂工艺及其喷涂装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工件热喷涂工艺及其喷涂装置，在热喷涂过程中向工件(4)基体中导入功率超声振动，利用功率超声振动的力-声联合效应，提高涂层与基材的结合强度，降低涂层孔隙率，细化和改善涂层组织。

Description

一种工件热喷涂工艺及其喷涂装置

技术领域

本发明属于热喷涂技术领域，尤其涉及一种工件热喷涂工艺及其喷涂装置。

背景技术

热喷涂技术是现代表面工程一个重要的组成,它是以火焰、电弧和等离子体作为热源,将引入其中的粒子熔融或半熔融,同时高速焰流将动能传递给粒子,使这些熔融或者半熔融粒子获得动能而沉积在基体表面形成涂层。由于热喷涂技术可以在基体上快速获得性能优良的耐磨、耐蚀、热障、介电和导电等功能性涂层,而越来越为人们所重视,在航空航天、机械、船舶、造纸和能源等领域有着广阔的应用前景。目前，常见热喷涂工艺有等离子喷涂、火焰喷涂和电弧喷涂等。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

热喷涂技术目前发展较为成熟，但其中仍有不少技术难题有待解决，其中重点是解决涂层的孔隙率及其与基材的结合强度问题。如为降低热喷涂涂层的孔隙率，目前采用的主要措施有改进喷涂工艺、重熔处理和改善喷涂材料本身性质等方法，但尚需要人们在此领域作进一步的探索研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高热喷涂层与基材的结合强度，降低涂层孔隙率，细化和改善涂层组织的工件热喷涂工艺及其喷涂装置。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种工件热喷涂工艺，包括如下过程：

1)对工件待喷涂表面进行预处理；

2)将工件进行固定，并与超声工具头相接触；开启超声电源，向工件基体导入功率超声波；工件表面的超声振动方向与喷涂颗粒飞行方向间成不同角度；

3)热喷涂喷枪对工件待喷涂表面进行热喷涂；

4)形成工件表面涂层，完成喷涂后处理后，待工件表面冷却后停止超声振动，取下工件。

在第4步中，喷涂后处理为：在形成涂层后，在涂层热态下进行加热重熔；采用火焰喷涂的涂层火焰重熔、等离子喷涂的激光重熔或电子束重熔技术。

在第4步中，工件基体涂层表面部位温度冷却至基体材料熔点的2/3～1/3时停止超声振动。

在第2步中，工件表面的超声振动方向有多个，与喷涂颗粒飞行方向垂直、平行或成锐角。

超声工具头与工件紧密接触，接触面为平面或平缓曲面，采用加压接触、强磁力吸触或临时胶结接触。

超声波发生器为压电式或磁致伸缩式换能器；超声频率范围为15～100KHZ；待加工工件表面振幅范围为1～100μm间；振动波可为纵波或横波。

在第2步中，针对较大型工件，为获得表面较大振幅，可先扫描工件共振频率，然后在亚共振点处进行高频振动波导入，高频共振振动波激振频率大于1KHZ。

一种采用上述的工件热喷涂工艺的喷涂装置，具有：

换能器；

与换能器连接的超声变幅杆；

连接超声变幅杆与杆状工件的套筒夹具；

夹持杆状工件的夹持机构。

一种采用如上述的工件热喷涂工艺的喷涂装置，具有：

换能器；

一端与换能器连接，另一端与板状工件接触的超声变幅杆。

一种采用上述的工件热喷涂工艺的喷涂装置，具有：

换能器；

与换能器连接的超声变幅杆；

工台，所述工台上设有夹紧工件的夹具；

与超声变幅杆连接的弯曲振动棒，所述弯曲振动棒上设有多个超声工具头，所述超声工具头与所述工台接触。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果，在热喷涂过程中向工件基体中导入功率超声振动，利用功率超声振动的力-声联合效应，提高涂层与基材的结合强度，降低涂层孔隙率，细化和改善涂层组织。该工艺适用于等离子喷涂、火焰喷涂和电弧喷涂各类高温热喷涂工艺。

1、高速飞行的粉末颗粒在与工件表面接触、结合阶段，由于工件表面同时做超声振动，改变了粉末颗粒与喷涂表面间的相对运动状态。根据工件表面超声振动方向与喷涂颗粒飞行方向所成不同角度可产生不同有益效果：①当工件待喷涂表面的超声振动方向与颗粒飞行方向平行相对，颗粒将获得更大的相对飞行速度相撞，冲击力更大，颗粒塑性变形更大，与表层界面结合强度更高；②当工件待喷涂表面的超声振动方向与颗粒飞行方向垂直，则颗粒与工件表面接触瞬间将给颗粒以剪切交变应力，使颗粒在承受更大合力作用的同时，在表面的铺展面积更大，更扁平，塑性变形更大；②当工件待喷涂表面的超声振动方向与颗粒飞行方向成一定角度时，其喷涂效果则介于上述平行和垂直两者之间。

2、涂层组织在熔融或表面熔融阶段时，从工件基体导入的超声波可使熔融组织晶粒进一步细化；熔体中混杂的氧化物杂质、孔隙、气泡相聚上浮至涂层表面移出；最终改善涂层质量，降低孔隙率。此外，对于涂层与工件相接的界面，超声波在界面处的传播效应可促进界面原子间相互扩散，强化界面结合强度。

3、在热喷涂后处理过程中，涂层加热重熔阶段，导入的超声效应同样可大大增强处理效果，进一步减少孔隙率，降低裂纹数，促使涂层中亚稳相向稳定相转变，提高涂层表面性能。

4、热喷涂结束后冷却过程中涂层及工件表面附近残余热应力可通过超声塑性变形消除，其原理与振动时效VSR(Vibratory Stress Relief)相同。

5、工艺简单，设备使用方便，不受场地限制，能耗及成本低，工艺处理效果佳，投资少，极易工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的工件热喷涂工艺的工艺流程图；

图2为喷涂装置的第一种实施方式的结构示意图；

图3为喷涂装置的第二种实施方式的结构示意图；

图4为喷涂装置的第三种实施方式的结构示意图；

上述图中的标记均为：1、换能器，2、超声变幅杆，3、套筒夹具，4、工件，5、夹持机构，6、喷枪喷头，7、工台，8、夹具，9、超声工具头，10、弯曲振动棒。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

功率超声通常指能量高于1W/cm2，频率低于100kHz的超声波，该类超声波主要用于超声加工领域。功率超声的力-声联合效应是指同时将功率超声的超声频微幅机械振动和一系列特殊的声学效应应用在相关工艺过程中，依靠其共同作用达到最终的目的需求。

如图1所示，一种工件热喷涂工艺，包括如下过程：

1)对工件4待喷涂表面进行预处理；

2)将工件4进行固定，并与超声工具头9相接触；开启超声电源，向工件4基体导入功率超声波；工件4表面的超声振动方向与喷涂颗粒飞行方向间成不同角度；

3)热喷涂喷枪对工件4待喷涂表面进行热喷涂；

4)形成工件4表面涂层，完成喷涂后处理后，待工件4表面冷却后停止超声振动，取下工件4。

涂层组织在熔融或表面熔融阶段时，从工件4基体导入的超声波可使熔融组织晶粒进一步细化；熔体中混杂的氧化物杂质、孔隙、气泡相聚上浮至涂层表面移出；最终改善涂层质量，降低孔隙率。此外，对于涂层与工件4相接的界面，超声波在界面处的传播效应可促进界面原子间相互扩散，强化界面结合强度。

在第2步中，向工件4基体导入功率超声波，其导入方式可根据工件4大小及形状采取多种形式：如对小或形状简单工件4，可将工件4直接与超声工具头9表面固定，紧密接触导入超声；如对较大或形状复杂工件4，可将工件4固定于超声工作台，而一个或多个超声工具头9与工作台直接相连以导入超声。

在第4步中，喷涂后处理为：在形成涂层后，在涂层热态下进行加热重熔；采用火焰喷涂的涂层火焰重熔、等离子喷涂的激光重熔或电子束重熔技术。在热喷涂后处理过程中，涂层加热重熔阶段，导入的超声效应同样可大大增强处理效果，进一步减少孔隙率，降低裂纹数，促使涂层中亚稳相向稳定相转变，提高涂层表面性能。

在第4步中，工件4基体涂层表面部位温度冷却至基体材料熔点的2/3～1/3时停止超声振动。

在第2步中，工件4表面的超声振动方向有多个，与喷涂颗粒飞行方向垂直、平行或成锐角。根据工件4表面超声振动方向与喷涂颗粒飞行方向所成不同角度可产生不同有益效果：①当工件4待喷涂表面的超声振动方向与颗粒飞行方向平行相对，颗粒将获得更大的相对飞行速度相撞，冲击力更大，颗粒塑性变形更大，与表层界面结合强度更高；②当工件4待喷涂表面的超声振动方向与颗粒飞行方向垂直，则颗粒与工件4表面接触瞬间将给颗粒以剪切交变应力，使颗粒在承受更大合力作用的同时，在表面的铺展面积更大，更扁平，塑性变形更大；②当工件4待喷涂表面的超声振动方向与颗粒飞行方向成一定角度时，其喷涂效果则介于上述平行和垂直两者之间。

超声工具头9与工件4紧密接触，接触面为平面或平缓曲面，采用加压接触、强磁力吸触或临时胶结接触。

根据工件4大小，超声波发生器为压电式或磁致伸缩式换能器1；超声频率范围为15～100KHZ；根据涂层厚度，待加工工件4表面振幅范围为1～100μm间；振动波可为纵波或横波。为达到上述参数，超声功率则依工件4大小其取值范围从几十到几百千瓦，声强从每平方厘米几十到几千瓦不定。为达到根据工件4大小设计所需的超声功率大小、振动声强或振动幅度大小，可采用单个或多个换能器1联合工作，可采用一个或多个单一变幅杆级联工作组合形式。

上述步骤2中的向工件4基体导入功率超声波，同样也适用于导入频率较低的高频振动波，其激振频率大于1KHZ。即针对较大型工件4，为获得表面较大振幅，可先扫描工件4共振频率，然后在亚共振点处进行高频振动波导入。

上述步骤3中的热喷涂过程所用粉末材料可为金属粉末、非金属粉末、金属基粉末或陶瓷基粉末；粉末飞行速度可为亚音速或超音速。

第1步中，预处理工序为对工件4待喷涂表面进行除锈、去油处理和喷砂粗化表面等处理。

实施例二

如图2所示，一种采用上述的工件热喷涂工艺的喷涂装置，适用于杆状工件4，具有：

换能器1；

与换能器1连接的超声变幅杆2；

连接超声变幅杆2与杆状工件4的套筒夹具3；

夹持杆状工件4的夹持机构5。

以杆状工件4外圆表面的热喷涂为例，如图2工艺图所示：工件4通过工装机构水平固定并以一定角速度匀速旋转。两端部一端为固定夹持机5，一端为超声变幅杆2，与工件4通过套筒夹具3紧密接触并导入超声振动。热喷涂喷枪沿法线垂直外圆表面(或成一定角度)一定距离外进行喷涂，并沿平行工件4轴线方向匀速移动。喷涂参数则依不同喷涂设备而定。

实施例三

如图3所示，一种采用如上述的工件热喷涂工艺的喷涂装置，适用于板状工件4，具有：

换能器1；

一端与换能器1连接，另一端与板状工件4接触的超声变幅杆2。

以板状工件4大平面的热喷涂为例，如图3工艺图所示：工件4通过工装机构固定，热喷涂喷枪于板件正面施喷，超声变幅杆2与工件4背部紧密接触导入超声。其接触方式可采用简单加压接触、强磁力吸触方式(其特征是在变幅杆外侧套上线圈，利用电流通过线圈产生电磁力，将变幅杆与工件4表面牢牢吸在一起导入超声)、临时胶结接触等多种方法。

实施例四

如图4所示，一种采用上述的工件4热喷涂工艺的喷涂装置，适用于异型工件4，具有：

换能器1；

与换能器1连接的超声变幅杆2；

工台7，工台7上设有夹紧工件4的夹具8；

与超声变幅杆2连接的弯曲振动棒10，弯曲振动棒10上设有多个超声工具头9，超声工具头9与工台7接触。

以异形工件4表面的热喷涂为例，如图4工艺图所示，工件4通过夹具8固定于工台7，单个或多个超声工具头9通过工台7导入超声。根据工件4大小及形状，超声导入部位可为1个或多个，导入部位可选择工件4待喷涂表面的背部平面，或待喷涂表面的侧壁平面。图4中为超声变幅杆2通过弯曲振动棒10驱动多个工具头将超声振动导入工台7。为保证系统正常工作，各工具头必须为完全相同的振动元件。

如图4工艺图所示：异型工件4可采用工台7固定，超声工具头9通过工台7导入超声方式。

如需向工件4基体导入大于1KHZ激振频率的工件4高频共振振动波，可将上述各图例中的超声发生及导入装置更换为高频振动发生装置。如一种高频振动波发生设备主要由高频激振驱动电源、高频激振器、功率放大器和波形发生卡组成产生高频振动。通过加速度传感器、放大器和高频数字示波器检测工件4的加速度。

采用上述的方案后，在热喷涂过程中向工件4基体中导入功率超声振动，利用功率超声振动的力-声联合效应，提高涂层与基材的结合强度，降低涂层孔隙率，细化和改善涂层组织。该工艺适用于等离子喷涂、火焰喷涂和电弧喷涂各类高温热喷涂工艺。

1、高速飞行的粉末颗粒在与工件4表面接触、结合阶段，由于工件4表面同时做超声振动，改变了粉末颗粒与喷涂表面间的相对运动状态。根据工件4表面超声振动方向与喷涂颗粒飞行方向所成不同角度可产生不同有益效果：①当工件4待喷涂表面的超声振动方向与颗粒飞行方向平行相对，颗粒将获得更大的相对飞行速度相撞，冲击力更大，颗粒塑性变形更大，与表层界面结合强度更高；②当工件4待喷涂表面的超声振动方向与颗粒飞行方向垂直，则颗粒与工件4表面接触瞬间将给颗粒以剪切交变应力，使颗粒在承受更大合力作用的同时，在表面的铺展面积更大，更扁平，塑性变形更大；②当工件4待喷涂表面的超声振动方向与颗粒飞行方向成一定角度时，其喷涂效果则介于上述平行和垂直两者之间。

2、涂层组织在熔融或表面熔融阶段时，从工件4基体导入的超声波可使熔融组织晶粒进一步细化；熔体中混杂的氧化物杂质、孔隙、气泡相聚上浮至涂层表面移出；最终改善涂层质量，降低孔隙率。此外，对于涂层与工件4相接的界面，超声波在界面处的传播效应可促进界面原子间相互扩散，强化界面结合强度。

3、在热喷涂后处理过程中，涂层加热重熔阶段，导入的超声效应同样可大大增强处理效果，进一步减少孔隙率，降低裂纹数，促使涂层中亚稳相向稳定相转变，提高涂层表面性能。

4、热喷涂结束后冷却过程中涂层及工件4表面附近残余热应力可通过超声塑性变形消除，其原理与振动时效VSR(Vibratory Stress Relief)相同。

5、工艺简单，设备使用方便，不受场地限制，能耗及成本低，工艺处理效果佳，投资少，极易工业化生产。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工件热喷涂工艺，其特征在于，包括如下过程：

1)对工件(4)待喷涂表面进行预处理；

2)将工件(4)进行固定，并与超声工具头(9)相接触；开启超声电源，向工件(4)基体导入功率超声波；工件(4)表面的超声振动方向与喷涂颗粒飞行方向间成不同角度；

3)热喷涂喷枪对工件(4)待喷涂表面进行热喷涂；

4)形成工件(4)表面涂层，完成喷涂后处理后，待工件(4)表面冷却后停止超声振动，取下工件(4)。

2.如权利要求1所述的工件热喷涂工艺，其特征在于，在第4步中，喷涂后处理为：在形成涂层后，在涂层热态下进行加热重熔；采用火焰喷涂的涂层火焰重熔、等离子喷涂的激光重熔或电子束重熔技术。

3.如权利要求1所述的工件热喷涂工艺，其特征在于，在第4步中，工件(4)基体涂层表面部位温度冷却至基体材料熔点的2/3～1/3时停止超声振动。

4.如权利要求1所述的工件热喷涂工艺，其特征在于，在第2步中，工件(4)表面的超声振动方向有多个，与喷涂颗粒飞行方向垂直、平行或成锐角。

5.如权利要求1所述的工件热喷涂工艺，其特征在于，超声工具头(9)与工件(4)紧密接触，接触面为平面或平缓曲面，采用加压接触、强磁力吸触或临时胶结接触。

6.如权利要求1所述的工件热喷涂工艺，其特征在于，超声波发生器为压电式或磁致伸缩式换能器(1)；超声频率范围为15～100KHZ；待加工工件(4)表面振幅范围为1～100μm间；振动波为纵波或横波。

7.如权利要求1所述的工件热喷涂工艺，其特征在于，在第2步中，针对较大型工件(4)，为获得表面较大振幅，可先扫描工件(4)共振频率，然后在亚共振点处进行高频振动波导入，高频共振振动波激振频率大于1KHZ。

8.一种采用如权利要求1-7任一所述的工件热喷涂工艺的喷涂装置，其特征在于，具有：

换能器(1)；

与换能器(1)连接的超声变幅杆(2)；

连接超声变幅杆(2)与杆状工件(4)的套筒夹具(3)；

夹持杆状工件(4)的夹持机构(5)。

9.一种采用如权利要求1-7任一所述的工件热喷涂工艺的喷涂装置，其特征在于，具有：

换能器(1)；

一端与换能器(1)连接，另一端与板状工件(4)接触的超声变幅杆(2)。

10.一种采用如权利要求1-7任一所述的工件热喷涂工艺的喷涂装置，其特征在于，具有：

换能器(1)；

与换能器(1)连接的超声变幅杆(2)；

工台(7)，所述工台(7)上设有夹紧工件(4)的夹具(8)；

与超声变幅杆(2)连接的弯曲振动棒(10)，所述弯曲振动棒(10)上设有多个超声工具头(9)，所述超声工具头(9)与所述工台(7)接触。