CN105316618B - 一种等离子喷涂高结合强度氧化铝涂层的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子喷涂高结合强度氧化铝涂层的工艺方法，工艺步骤包括：对Ni合金材料零件基体的涂层部位表面进行清洁粗糙化处理；对经清洁粗糙化处理后的Ni合金材料零件基体进行预热处理；喷涂Ni‑5Al底层：电流500‑530A，以氩气和氢气为等离子体工作气，其中氩气流量为40‑50标准升分钟，氢气流量为4‑6标准升分钟，喷枪喷口距喷涂面的距离为100‑130mm，送粉速率30‑40g/min；喷涂Al2O3‑3TiO2面层：电流600‑630A，以氩气和氢气为等离子体工作气，其中氩气流量为38‑40标准升分钟，氢气流量为12‑14标准升分钟，喷枪喷口距喷涂面的距离为90‑100mm，送粉速率16‑25g/min。采用本发明喷涂的涂层，涂层结合强度可达35‑39MPa。
Description
技术领域
本发明涉及热喷涂加工技术领域，特别涉及在Ni合金材料零件表面热喷涂制备高结合强度氧化铝涂层的工艺方法。
背景技术
随着现代科学技术的进步，对工程装备的性能要求越来越高，但同时又希望成本越低越好。鉴于许多工程零部件的破坏是从表面损伤开始的，如承受磨损、腐蚀的工程零件通常都是因表面失效而报废。基于此，材料工作者开始把注意力从零件整体强化转向零件材料表面强化，通过在工程零件表面上热喷涂一层具有高耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化的材料，使产品寿命得到大幅度提高。如燃气动力机械轴颈的密封部位，由于工作环境恶劣，一般采取热喷涂一层高耐磨、抗高温氧化的材料改善性能。热喷涂加工技术在工程零件加工中已广泛使用。可用于热喷涂的材料范围很广，如金属、陶瓷和复合材料等固态工程材料。通过在工程零件表面热喷涂一层涂层材料，赋予工程零件特定功能的表面，是提高工程零件性能，降低零件重量，节约贵重材料非常有效的重要技术手段。
在工程零件表面热喷涂加工中，通常是根据零件的材质、零件的结构、涂层的材料以及涂层的性能等要求的不同，需要采用不同的工艺。在零件基体材料和涂层材料相同的情况下，喷涂工艺不同，涂层的性能差异很大。对于Ni合金材料的零件基体的封严部位，一般结合强度要求的氧化铝涂层，可以使用常规的等离子喷涂工艺参数实现，得到的涂层结合强度一般在7-25MPa。但对于在Ni合金材料的工程零件基体上采用现有技术的热喷涂工艺热喷涂氧化铝涂层，热喷涂层结合强度超过35MPa的，据发明人所知，现有技术文献未有报道。而在航空航天领域，一些重要的零件例如某燃气轮机的蓖齿零件需要涂层具备大于35MPa的结合强度，以提升零件极限条件下的使用寿命。因此，如何制备结合强度大于35MPa的氧化铝涂层，是工业生产急需解决的技术任务。
发明内容
根据工业生产实践的需求，本发明的目的在于提供一种能在Ni合金材料零件基体上获得结合强度大于35MPa的氧化铝涂层的喷涂工艺方法，以解决工业生产中急需解决的问题。
本发明提供的等离子喷涂高结合强度氧化铝涂层的工艺方法，其方案的基本内容包括：①以Al2O3-3TiO2粉末喷涂涂层作为面层，以Ni-5Al粉末喷涂涂层作为底层；②待喷涂的Ni合金材料零件表面进行预处理；③通过等离子枪对Ni合金材料零件基体进行预热；④通过等离子枪先喷涂Ni-5Al底层，再喷涂Al2O3-3TiO2面层，在零件表面覆盖氧化铝涂层。
本发明提供的等离子喷涂高结合强度氧化铝涂层的工艺方法，其具体工艺步骤包括：(1)对Ni合金材料零件基体的涂层部位表面进行清洁粗糙化处理；(2)喷涂前对经清洁粗糙化处理后的Ni合金材料零件基体进行预热；(3)将Ni-5Al粉末用等离子喷枪喷涂在Ni合金材料零件基体涂层部位表面，形成涂层Ni-5Al底层；(4)将Al2O3-3TiO2粉末用等离子喷枪在涂层底层上，形成涂层Al2O3-3TiO2面层；其中喷涂Ni-5Al底层和Al2O3-3TiO2面层的工艺参数分别为：
(a)喷涂Ni-5Al底层：电流500-530A，以氩气和氢气为等离子体工作气，其中氩气流量为40-50标准升分钟，氢气流量为4-6标准升分钟，喷枪喷口距喷涂面的距离为100-130mm，送粉速率30-40g/min；
(b)喷涂Al2O3-3TiO2面层：电流600-630A，以氩气和氢气为等离子体工作气，其中氩气流量为38-40标准升分钟，氢气流量为12-14标准升分钟，喷枪喷口距喷涂面的距离为90-100mm，送粉速率16-25g/min。
在本发明的上述技术方案中，Ni合金材料零件基体的涂层部位表面进行清洁粗糙化处理，优先采用丙酮对Ni合金材料零件基体的涂层部位表面进行清洗，清洗干净后再采用吹砂对涂层部位表面进行粗糙化处理；进一步地，使用50-70目的刚玉砂吹砂将涂层部位表面粗糙化至粗糙度2-3.5μm。涂层部位表面用刚玉砂粗糙化后，最好使用压缩空气吹除涂层部位表面上残留的砂粒。
在本发明的上述技术方案中，涂层粉末在使用之前，优先于60-90℃烘干除去潮气；涂层粉末在烘干之前，最好先搅拌5-6分钟,烘干之后再搅拌1-3分钟。
在本发明的上述技术方案中，在对Ni合金材料零件基体的涂层部位进行喷涂之前，可采用等离子喷枪对Ni合金材料零件基体预热至60-150℃，使得涂层与零件之间有良好的热匹配效果。预热过程可通过1-2个加热循环，使得零件的温度预热至60-150℃。
在本发明的上述技术方案中，当零件的喷涂面为回转面，喷涂过程一般将零件的回转线速度控制为1000-1200mm/秒，等离子喷枪沿回转喷涂面母线方向移动的速度控制为2.0～3.0mm/秒，保持喷枪与喷涂面的距离固定，使零件待喷涂区域全面喷涂。
在本发明的上述技术方案中，当零件喷涂面为平面，喷涂过程一般将等离子喷枪相对零件平面横向或纵向移动速度控制为1000-1200mm/秒，在纵向或横向的移动步长控制为2.0～3.0mm，保持喷枪与喷涂面的距离固定，使零件待喷涂区域全面喷涂。
发明人在本发明的研究完成过程中，采用一般的喷涂参数对Ni合金材料零件基体喷涂部位进行喷涂，所获得的涂层结合强度一般只有7-25Mpa；发明人通过大量的工艺试验，并配合热喷涂在线监控系统研究发现，在使用等离子喷枪喷涂氧化铝涂层时，使用发明人设定的喷涂工艺参数，涂层材料在喷枪中的熔化状态最适合达到更高的结合强度。基于发明人的上述发现，提出了本发明的技术方案。采用本发明的工艺方法在Ni合金材料零件基体表面喷涂氧化铝涂层，涂层结合强度可达35-39MPa。
本发明具有以下十分突出的有益技术效果：
1、采用本发明的工艺方法，在工程零件表面等离子喷涂氧化铝涂层，扩大了等离子喷涂法的适用对象，解决了工业生产提出的技术任务。
2、采用本发明的工艺方法在Ni合金材料零件基体表面上喷涂氧化铝封严涂层，得到的涂层结合强度可达35-39MPa。
附图说明
图1是本发明等离子工艺方法一个实施例的系统示意图；
图2是图1所示系统在另一个方向的示意图；
在上述图中各图示标号标识的对象分别为：1-旋转工作台；2-工程零件；3-工装；4-等离子喷枪；5-工程零件喷涂区域。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是，实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员可根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，但这样的改进和调整仍属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例的喷涂系统如附图1、2所示，工程零件为Ni合金材料的回转零件，喷涂区域直径300mm，喷涂工作为在工程零件表面采取等离子喷涂方法喷涂氧化铝封严涂层。喷涂工艺方法的构成为：将待喷涂的工程零件2首先用丙酮清洗干净，然后用50目的刚玉砂吹砂至粗糙度为2-3.5μm，并用压缩空气吹干净残留沙粒，随后将工程零件2固定到旋转工作台1上，使之随旋转工作台旋转运动，旋转速度为64转/分；然后启动Metco F4等离子枪，使喷枪沿工程零件2轴线方向往复运动2个循环，使工程零件温度达到约80℃，随后将搅拌约5min后，在约60℃下烘干1h左右再继续搅拌约3min的Ni-5Al粉末装入送粉机构，并设定送粉速率为30g/min，然后保持Metco F4等离子枪喷口距工程零件表面100mm，并设定喷枪沿工程零件2轴线方向移动速度为2.5mm/s，再设定喷涂电流500A，主气氩气40标准升分钟，辅气氢气4标准升分钟，喷涂5个循环后，底层涂层厚度达到0.14mm，然后停止喷枪，更换为搅拌约5min，并在约60℃下烘干1h左右再继续搅拌约3min的Al2O3-3TiO2粉末，再继续喷涂面层。面层喷涂设定电流600A，主气氩气38标准升分钟，辅气氢气12标准升分钟，保持Metco F4等离子喷枪喷口距工程零件表面喷涂距离为90mm，送粉速率16g/min，喷枪沿工程零件2轴线方向移动速度为2.5mm/s，喷涂8个循环后，获得氧化铝封严涂层，涂层总厚度达到0.25mm。
实施例2
本实施例的喷涂系统、喷涂的工程零件、喷涂部位和喷涂的工艺过程与实施例1相同，所不同的是喷涂工艺参数。喷涂工艺方法的构成为：将待喷涂的工程零件2首先用丙酮清洗干净，然后用70目的刚玉砂吹砂至粗糙度为2-3.5μm，并用压缩空气吹干净残留沙粒，随后将工程零件2固定到旋转工作台1上，使之随旋转工作台旋转运动，旋转速度为76转/分；然后启动Metco F4等离子枪，使喷枪沿工程零件2轴线方向往复运动2个循环，使工程零件温度达到约150℃，随后将搅拌约5min后，在约90℃下烘干1h左右再继续搅拌约3min的Ni-5Al粉末装入送粉机构，并设定送粉速率为40g/min，然后保持Metco F4等离子枪喷口距工程零件表面130mm，并设定喷枪沿工程零件2轴线方向移动速度为3.0mm/s，再设定喷涂电流530A，主气氩气50标准升分钟，辅气氢气6标准升分钟，喷涂5个循环后，底层涂层厚度达到0.14mm，然后停止喷枪，更换为搅拌约5min，并在约90℃下烘干1h左右再继续搅拌约3min的Al2O3-3TiO2粉末，再继续喷涂面层。面层喷涂设定电流630A，主气氩气40标准升分钟，辅气氢气14标准升分钟，保持Metco F4等离子喷枪喷口距工程零件表面喷涂距离为100mm，送粉速率15g/min，喷枪沿工程零件2轴线方向移动速度为2.5mm/s，喷涂8个循环后，获得氧化铝封严涂层，涂层总厚度达到0.25mm。
实施例3
本实施例的喷涂系统、喷涂的工程零件、喷涂部位和喷涂的工艺过程与实施例1相同，所不同的是喷涂工艺参数。喷涂工艺方法的构成为：将待喷涂的工程零件2首先用丙酮清洗干净，然后用60目的刚玉砂吹砂至粗糙度为2-3.5μm，并用压缩空气吹干净残留沙粒，随后将工程零件2固定到旋转工作台1上，使之随旋转工作台旋转运动，旋转速度为70转/分；然后启动Metco F4等离子枪，使喷枪沿工程零件2轴线方向往复运动2个循环，使工程零件温度达到约120℃，随后将搅拌约5min后，在约80℃下烘干1h左右再继续搅拌约3min的Ni-5Al粉末装入送粉机构，并设定送粉速率为36g/min，然后保持Metco F4等离子枪喷口距工程零件表面120mm，并设定喷枪沿工程零件2轴线方向移动速度为3.0mm/s，再设定喷涂电流510A，主气氩气45标准升分钟，辅气氢气5标准升分钟，喷涂5个循环后，底层涂层厚度达到0.14mm，然后停止喷枪，更换为搅拌约5min，并在约80℃下烘干1h左右再继续搅拌约3min的Al2O3-3TiO2粉末，再继续喷涂面层。面层喷涂设定电流610A，主气氩气39标准升分钟，辅气氢气13标准升分钟，保持Metco F4等离子喷枪喷口距工程零件表面喷涂距离为95mm，送粉速率20g/min，喷枪沿工程零件2轴线方向移动速度为2.5mm/s，喷涂8个循环后，获得氧化铝封严涂层，涂层总厚度达到0.25mm。
Claims (10)
1.一种等离子喷涂高结合强度氧化铝涂层的工艺方法，工艺步骤包括：(1)对Ni合金材料零件基体的涂层部位表面进行清洁粗糙化处理；(2)喷涂前对经清洁粗糙化处理后的Ni合金材料零件基体进行预热；(3)将Ni-5Al粉末用等离子喷枪喷涂在Ni合金材料零件基体涂层部位表面，形成涂层Ni-5Al底层；(4)将Al2O3-3TiO2粉末用等离子喷枪在涂层底层上，形成涂层Al2O3-3TiO2面层；其特征在于：
(a)喷涂Ni-5Al底层：电流500-530A，以氩气和氢气为等离子体工作气，其中氩气流量为40-50标准升/分钟，氢气流量为4-6标准升/分钟，喷枪喷口距喷涂面的距离为100-130mm，送粉速率30-40g/min，喷枪相对于喷涂面在一个方向的移动速度为1000-1200mm/秒，在垂直上述方向的另一个方向的移动速度为2.0-3.0mm/秒；
(b)喷涂Al2O3-3TiO2面层：电流600-630A，以氩气和氢气为等离子体工作气，其中氩气流量为38-40标准升/分钟，氢气流量为12-14标准升/分钟，喷枪喷口距喷涂面的距离为90-100mm，送粉速率16-25g/min，喷枪相对于喷涂面在一个方向的移动速度为1000-1200mm/秒，在垂直上述方向的另一个方向的移动速度为2.0-3.0mm/秒。
2.根据权利要求1所述的等离子喷涂高结合强度氧化铝涂层的工艺方法，其特征在于，Ni合金材料零件基体的涂层部位表面用丙酮清洗干净后，采用吹砂对涂层部位表面进行粗糙化处理。
3.根据权利要求2所述的等离子喷涂高结合强度氧化铝涂层的工艺方法，其特征在于，涂层部位表面使用50-70目的刚玉砂吹砂粗糙化至粗糙度2-3.5μm。
4.根据权利要求3所述的等离子喷涂高结合强度氧化铝涂层的工艺方法，其特征在于，涂层部位表面用刚玉砂粗糙化后使用压缩空气吹除表面上残留的砂粒。
5.根据权利要求1至4之一所述的等离子喷涂高结合强度氧化铝涂层的工艺方法，其特征在于，涂层粉末在使用之前于60-90℃烘干除去潮气。
6.根据权利要求5所述的等离子喷涂高结合强度氧化铝涂层的工艺方法，其特征在于，涂层粉末在烘干之前先搅拌5-6分钟,烘干之后再搅拌1-3分钟。
7.根据权利要求1至4之一所述的等离子喷涂高结合强度氧化铝涂层的工艺方法，其特征在于，在对Ni合金材料零件基体的涂层部位进行喷涂之前，采用喷枪对Ni合金材料零件基体进行预热至60-150℃。
8.根据权利要求6所述的等离子喷涂高结合强度氧化铝涂层的工艺方法，其特征在于，在对Ni合金材料零件基体的涂层部位进行喷涂之前，采用喷枪对Ni合金材料零件基体进行预热至60-150℃。
9.根据权利要求1至4之一所述的等离子喷涂高结合强度氧化铝涂层的工艺方法，其特征在于，当零件喷涂面为回转面，喷涂过程将零件的回转线速度控制为1000-1200mm/秒，等离子喷枪沿回转喷涂面母线方向移动的速度控制为2.0～3.0mm/秒。
10.根据权利要求1至4之一所述的等离子喷涂高结合强度氧化铝涂层的工艺方法，其特征在于，当零件喷涂面为平面，喷涂过程将等离子喷枪相对零件平面横向或纵向移动速度控制为1000-1200mm/秒，在纵向或横向的移动步长控制为2.0～3.0mm。
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