CN106011721B - 一种采用热喷涂法制备多层涂层的方法 - Google Patents

一种采用热喷涂法制备多层涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种采用热喷涂法制备多层涂层的方法，属于复合涂层技术领域。本发明所述方法为：热喷涂过程中单次喷涂，同路送两种或两种以上不同喷涂材料的混合粉末；不同粉末在焰流中被加速获得不同的速度；导致不同粉末喷射到基体上存在时间差，从而得到多层涂层不同密度或粒度的粉末。本发明所述方法与已有技术相比，涂层与涂层之间结合更好，涂层的性能可塑性更强，使制备更厚涂层成为可能，界面上缺陷少等优点。本发明还具有工艺和设备简单、省时、节能、高效率等特点。

Description

一种采用热喷涂法制备多层涂层的方法
技术领域
本发明属于多层复合涂层制备领域，涉及到应用热喷涂制备各层成分、微观结构不同的高性能多层涂层。
背景技术
随着表面改性技术的发展，以及表面喷涂的功能涂层如热障涂层、耐磨涂层、耐腐蚀涂层、绝缘涂层的应用环境越来越恶劣。恶劣环境下复合涂层性能的研究逐渐成为研究重点。传统的单层涂层其各方面的性能都达不到应用于恶劣环境的需求。因此，在基体表面喷涂不同成分的多层涂层来提高在高速、高温、高压、重载、腐蚀条件下工作的可靠性，相对有效的保护工件表面，承受反复载荷能力提高。多层涂层对工件表面的改性直接提高了恶劣环境下工件的使用寿命。
热喷涂是一种常用的表面工程技术，随着应用实际对工件性能的要求不断提高，热喷涂技术得到飞速的发展和广泛应用。其中等离子热喷涂是利用等离子火焰（焰心温度可达到30000℃）融化金属合金粉末、陶瓷粉末形成熔融或半熔融状液滴，并由焰流加速喷到基体上，形成微观上为饼状结构堆垛在一起的涂层。超音速火焰喷涂是将气态或液态燃料与高压氧气混合后在特定的燃烧室或喷嘴中燃烧，产生的高温、高速的燃烧焰流被用来喷涂，由于燃烧火焰的速度是音速的数倍。使用热喷涂（等离子喷涂、超音速喷涂等）多次喷涂各成分按梯度变化的多层涂层，使涂层与基体间物理性能差异得到缓冲，进而提高涂层与基体间的结合力以及涂层的综合性能。由于热喷涂（等离子喷涂、超音速喷涂等）形成的涂层与基体，涂层与涂层间是以机械结合的方式结合，而且结合界面处会存在氧化、夹杂、孔洞、裂纹等缺陷，这决定了热喷涂（等离子喷涂、超音速喷涂等）喷涂形成的涂层的结合力不能达到冶金强度。但是，通过激光熔覆形成的涂层，虽然能与基体形成冶金结合，结合强度很大，但激光熔覆过程中熔池温度很高，冷却后存在很高的热应力，容易导致基体变形或者涂层形成裂纹。
中国专利201510329817.8采用真空等离子喷涂成型，在基体表面通过多次喷涂制备了超厚CoNiCrAlY涂层，最后得到≥1.5mm厚的涂层。中国专利201310693535.7在石英基材上依次喷涂了B4C梯度涂层以降低或消除界面物性突变和界面应力，提高石英基材和B4C涂层的结合强度。中国专利201110352789.3采用等离子熔覆法制备Fe基WC-Ni梯度涂层以提高涂层界面的结合强度。所有的这些制备梯度涂层的方法都必须多次喷涂重复步骤才能在基材表面沉积梯度涂层。而本发明采用热喷涂方法，单次喷涂即可在基材表面沉积多层涂层。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有热喷涂技术制备不同材料多层涂层时需要多次喷涂的问题，提高热喷涂的喷涂效率，获得更高的结合强度，同样厚度的情况下涂层可承受冲击载荷次数更多。
本发明的目的是提供了一种采用热喷涂法单次喷涂形成多层涂层的方法，其中，基体与涂层间为机械结合，多层涂层之间为不同材料粉末沉积后互相嵌合，多层涂层间没有明显的分界线，提高涂层结合强度，基体与涂层间可以通过进一步的热处理达到冶金结合。所述方法具体为对基体进行预处理，然后进行热喷涂，热喷涂过程中单次喷涂，同路送两种或两种以上不同喷涂材料的混合粉末；不同粉末在焰流中被加速获得不同的速度；导致不同粉末喷射到基体上存在时间差，从而得到多层涂层；
本发明所述同路是指一个送粉管路内同时输送两种不同喷涂材料的混合粉末；单次喷涂是指喷涂束流经过基材表面一次的过程中制备获得与喷涂材料种类相同数目的涂层。
优选的，本发明所述不同喷涂材料的混合粉末至少满足以下三个条件中的一个：
①任意两种粉末的粒度相差为50~100目；
②任意两种粉末的熔点相差800~1800℃；
③任意两种粉末的密度相差为2~10g/cm3。
优选的，本发明所述热喷涂过程中喷涂距离为10-12mm；喷涂功率为30-100KW；送粉电压为10-13V；N2流量为2200-2600L/h，Ar流量2000~2500L/h。
本发明本发明所热喷涂过程中所使用的粉末，为常规热喷涂过程中使用的粉末，粒度大约为200-300目，例如元素周期表中Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ副族金属和铝、硅的硼化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、氮化物、NiAl、NiCr、NiCrAl、NiMoAl、CoNiCrAlY、NiCoCrAlY、TiAlN、CrN、Cu、FeCrBSi、TiAlSiN、低碳铬铁、高碳铬铁、MoS2、MoSi2、WS2、Ag、CaF、BaF、SrF、钼酸盐、钨酸盐等。
本发明的原理：本发明利用不同粉末由于密度、粒度、熔点不同，同时送粉，各种粉末在焰流中被加速获得不同的速度，因此不同粉末喷射到基体上存在时间差，里层为速度较快的粉末沉积形成的涂层，外层大部分为速度较慢的粉末沉积形成的涂层。这样工装每运动一次能形成与喷涂粉末种类数相同的紧密结合的多层涂层，可以利用调节工装的速度来控制多层涂层的厚度；通过此方法形成的涂层结合紧密，远远超过常规的机械结合，界面上的缺陷较少。
本发明所述热喷涂过程为常规过程，具体包括以下步骤：
（1）首先使用白刚玉、棕刚玉或锆刚玉（沙粒的粒度为18目）对基体进行喷砂处理，喷完后用压缩干燥空气吹掉残余在基体表面凹坑中的砂粒。
（2）将喷好砂的基体放到超声波清洗仪中清洗10min，清洗液为乙醇，清洗结束后，将样品取出，固定到夹具上。
（3）进行等离子喷涂，喷涂涂层前需对基体进行预热，预热时保证基体温度在100-300℃。
（4）设置热喷涂工艺参数，喷涂参数需用大量正交试验优化确定，启动热喷涂系统及工装以及工件冷却气体，在表面喷涂沉积获得涂层，待基体和涂层冷却至室温后，取下样品。
本发明步骤（4）中同路送粉喷涂多层涂层时，根据涂层性能需求，按比例均匀机械混合所需要喷涂的不同粉末；熔点高，粒度大，可以适当增加电流，以达到预期融化效果；根据所需涂层的厚度，控制工装的移动速度。
与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下：
（1）利用不同粉末的密度、粒度、熔点不同，同时送粉，各种粉末在焰流中被加速获得不同的速度，里层为速度较快的粉末沉积形成的涂层，外层大部分为速度较慢的粉末沉积形成的涂层；这样单次喷涂就能制备多层涂层，提高了制备效率。
（2）本发明利用不同融化液滴在空气中运动速度不同，得以在基体上形成多层涂层。虽然融化的液滴在空气中的速度不同，但是不可避免的会存在相互作用，因此形成的第二层涂层中会均匀的掺杂速度较快的液滴，造成涂层与涂层间没有明显的界面。同时，虽然液滴的运动速度不同，沉积到基体上存在时间差，但是这个时间相当短，因此形成的涂层综合性能比多次喷涂不同粉末形成的涂层性能更好。
（3）多层涂层可以有合金与氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等组成，多层的涂层结构设计可以有效的降低不同材料的热膨胀系数差异，降低涂层内应力，提高涂层韧性，从而可以沉积获得更厚的涂层。
附图说明
图1为实施例一的SEM图。
图2为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例一
本实施例所用喷涂材料为Al2O3+40wt%TiO2、NiAl的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表1所示：
表1
采用同路送粉制备Al2O3+40wt%TiO2/NiAl多层涂层，制备的多层涂层如图1所示，喷涂距离110mm；电流550A，电压70V；N2流量2400L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压10V；Al2O3+40wt%TiO2与NiAl按照5:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为500μm；硬度约为800HV；粘结强度达到90Mpa。
实施例二
本实施例所用喷涂材料为Al2O3+40wt%TiO2、MgO的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表2所示：
表2
采用同路送粉制备Al2O3+40wt%TiO2/MgO，喷涂距离100mm；电流580A，电压70V；N2流量2400L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压10V；Al2O3+40wt%TiO2与MgO按照4:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为500μm；硬度约为900HV；粘结强度达到80Mpa。
实施例三
本实施例所用喷涂材料为Al2O3+40wt%TiO2、YSZ(ZrO2+8wt%Y2O3)的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表3所示：
表3
采用同路送粉制备Al2O3+40wt%TiO2/YSZ多层涂层，喷涂距离100mm；电流600A，电压70V；N2流量2400L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压10V；Al2O3+40wt%TiO2与YSZ按照4:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为400μm；控制两种粉末的配比来控制各层的厚度；硬度约为900HV；粘结强度达到90Mpa。
实施例四
本实施例所用喷涂材料为YSZ、Ta2O5的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表4所示：
表4
采用同路送粉制备YSZ/Ta2O5多层涂层，喷涂距离100mm；电流600A，电压70V；N2流量2600L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压10V；YSZ与Ta2O5按照5:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为500μm；硬度约为900HV；粘结强度达到80Mpa。
实施例五
本实施例所用喷涂材料为Al2O3+40wt%TiO2、TiC的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表5所示：
表5
采用同路送粉制备Al2O3+40wt%TiO2/TiC多层涂层，喷涂距离100mm；电流600A，电压70V；N2流量2600L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压10V；Al2O3+40wt%TiO2与TiC按照4:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为500μm；硬度约为1200HV；粘结强度达到70Mpa。
实施例六
本实施例所用喷涂材料为Al2O3+40wt%TiO2、AlN的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表6所示：
表6
采用同路送粉制备Al2O3+40wt%TiO2/AlN多层涂层，喷涂距离100mm；电流600A，电压70V；N2流量2400L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压10V；Al2O3+40wt%TiO2与AlN按照4:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为600μm；硬度约为2000HV；粘结强度达到70Mpa。
实施例七
本实施例所用喷涂材料为SiC、TiC的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表7所示：
表7
采用同路送粉制备SiC/TiC多层涂层，喷涂距离100mm；电流600A，电压70V；N2流量2600L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压10V；SiC与TiC按照2:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为400μm；硬度约为2800HV；粘结强度达到70Mpa。
实施例八
本实施例所用喷涂材料为TiC、AlN的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表8所示：
表8
采用同路送粉制备TiC/AlN多层涂层，喷涂距离100mm；电流600A，电压70V；N2流量2600L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压10V；TiC与AlN按照4:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为500μm；硬度约为3000HV；粘结强度达到70Mpa。
实施例九
本实施例所用喷涂材料为TiN、AlN的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表9所示：
表9
采用同路送粉制备TiN/AlN多层涂层，喷涂距离100mm；电流600A，电压70V；N2流量2600L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压10V；TiN与AlN按照4:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为500μm；硬度约为3000HV；粘结强度达到70Mpa。
实施例十
本实施例所用喷涂材料为Al2O3+40wt%TiO2、高铬铁的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表10所示：
表10
采用同路送粉制备Al2O3+40wt%TiO2/高铬铁涂层，喷涂距离110mm；电流550A，电压65V；N2流量2400L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压10V；Al2O3+40wt%TiO2与高铬铁粉按照3:1比例的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为500μm；硬度约为900HV；粘结强度达到90Mpa。
实施例十一
本实施例所用喷涂材料为YSZ、CoNiCrAlY的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表11所示：
表11
采用同路送粉制备YSZ/CoNiCrAlY多层涂层，喷涂距离110mm；电流550A，电压70V；N2流量2400L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压8V；YSZ与CoNiCrAlY按照6:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为300μm；硬度约为900HV；粘结强度达到90Mpa。
实施例十二
本实施例所用喷涂材料为SiC、NiCr的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表12所示：
表12
采用同路送粉制备SiC/NiCr多层涂层，喷涂距离100mm；电流600A，电压70V；N2流量2400L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压12V；SiC与NiCr按照6:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度3mm/s；制备的涂层厚度约为700μm；硬度约为2000HV；粘结强度达到90Mpa。
实施例十三
本实施例所用喷涂材料为TiN、NiAl的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表13所示：
表13
采用同路送粉制备TiN/NiAl多层涂层，喷涂距离100mm；电流600A，电压65V；N2流量2500L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压10V；TiN与NiAl按照4:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为580μm；硬度约为2000HV；粘结强度达到90Mpa。
实施例十四
本实施例所用喷涂材料为TiN、MoS2的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表14所示：
表14
采用同路送粉制备TiN/MoS2多层涂层，喷涂距离100mm；电流600A，电压70V；N2流量2400L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压10V；TiN与MoS2按照6:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为400μm；硬度约为2200HV；粘结强度达到70Mpa。
实施例十五
本实施例所用喷涂材料为WC、MoS2的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表15所示：
表15
采用同路送粉制备WC/MoS2多层涂层，喷涂距离100mm；电流550A，电压70V；N2流量2400L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压10V；WC与MoS2按照6:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为500μm；硬度约为1200HV；粘结强度达到70Mpa。
实施例十六
本实施例所用喷涂材料为Al2O3+40wt%TiO2、MoS2的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表16所示：
表16
采用同路送粉制备Al2O3+40wt%TiO2/MoS2多层涂层，喷涂距离110mm；电流600A，电压70V；N2流量2400L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压10V；Al2O3+ 40wt%TiO2与MoS2按照6:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为500μm；硬度约为1200HV；粘结强度达到70Mpa。
实施例十七
本实施例所用喷涂材料为YSZ、NiCoCrAlY的混合粉末，其中，各粉末的粒度、熔点、密度如表17所示：
表17
采用同路送粉制备YSZ/NiCoCrAlY多层涂层，喷涂距离110mm；电流550A，电压70V；N2流量2400L/h；Ar流量2000L/h；送粉电压8V；YSZ与NiCoCrAlY按照6:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s；制备的涂层厚度约为300μm；硬度约为900HV；粘结强度达到90Mpa。

Claims (3)

1.一种采用热喷涂法制备多层涂层的方法，所述方法为对基体进行预处理，然后进行热喷涂，其特征在于：热喷涂过程中单次喷涂，同路送两种或两种以上不同喷涂材料的混合粉末；不同粉末在焰流中被加速获得不同的速度；导致不同粉末喷射到基体上存在时间差，从而得到多层涂层；
所述同路是指一个送粉管路内同时输送两种不同喷涂材料的混合粉末；
任意两种所述不同喷涂材料的混合粉末的熔点相差800~1800℃。
2.根据权利要求1所述采用热喷涂法制备多层涂层的方法，其特征在于：所述不同喷涂材料的混合粉末还满足以下条件中的一个或两个：
①任意两种粉末的粒度相差为50~100目；
②任意两种粉末的密度相差为2~10g/cm3。
3.根据权利要求1所述采用热喷涂法制备多层涂层的方法，其特征在于：所述热喷涂过程中喷涂距离为10-12mm；喷涂功率为30-100KW；送粉电压为10-13V；N2流量为2200-2600L/h，Ar流量2000~2500L/h。
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