CN106011729A - 一种热喷涂法制备多层涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种热喷涂法制备多层涂层的方法，属于多层复合涂层制备领域。本发明所述方法为对基体进行预处理，然后进行热喷涂，热喷涂过程中采用单次喷涂，并且多个送粉管路同时送粉，一个送粉管路内输送一种粉末。不同种类的热喷涂粉末通过不同的送粉管路送入热喷涂焰流中，并主要集中在焰流中的不同区域，当携带着熔滴的热喷涂焰流以一定的速度和方向在基体上沉积涂层时，不同区域的焰流经过基体同一部位的时间不同，因此先后在基体上分别沉积了不同种类的涂层。本发明所述方法制备得到的涂层与涂层之间没有明显界面，结合更好，涂层间的缺陷更少。涂层的抗各种载荷冲击性能更强，使制备更厚涂层成为可能。
Description
技术领域
本发明涉及一种热喷涂法制备多层涂层的方法，属于多层复合涂层制备领域。
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。其中涂层服役过程中承受的冲击载荷、高温载荷、复杂条件载荷使得对涂层结构设计、各方面性能要求更高。因此多层涂层逐渐成为热喷涂行业的研究重点。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。多层涂层相对单一涂层更有效的保护工件表面不被损坏，涂层承受反复载荷能力更强。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。
在表面工程技术中，热喷涂技术占有及其重要的地位。和表面工程技术中的其他技术相比，其具有更广泛的应用范围。其主要工作原理为：将喷涂材料在高温条件下融化，在高速气流的推动下喷射到基体表面形成涂层。热喷涂是一门技术学科，从单纯的手工操作到机械化、自动化，从经验到科学化，都是人们长期实践和研究的结果。相关研究围绕提高涂层的粘结强度、致密度等问题进行了分析，从表面处理到喷涂材料、喷涂工艺都作了许多改进。近年来多层涂层、梯度涂层、纳米结构涂层、合金涂层、高温涂层成为研究的热点。然而热喷涂制备的这些涂层中涂层与基体，粘结层与涂层，涂层与涂层之间都是机械结合。层与层间存在明显的界面，界面上存在大量缺陷。因而改善热喷涂涂层的制备方法，优化热喷涂涂层的结构成为目前迫切需要解决的问题。
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。
文献Cheng Zhang, Huang Zhou, Lin Liu, Laminar Fe-based amorphouscomposite coatings with enhanced bonding strength and impact resistance, ActMaterial.72(2014)239-251，用HVOF热喷涂的方法在中碳钢上沉积了Fe48Mo14Cr15Y2C15B6/NiCrAl多层涂层来增加涂层的粘结强度和抗冲击性能。但是通过在基体上多次沉积不同的涂层形成多层涂层。而本发明的多层涂层制备方法能够单次喷涂沉积得到，且能获得更高的结合强度，为制备更厚，抗载荷冲击性能更好的涂层提供了技术支持。
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且层与层之间是机械结合有明显分界面的问题，提高热喷涂的喷涂效率，获得更高的结合强度，制备的涂层可在承受各种冲击载荷的条件下达到预期的寿命要求。
本发明的目的在于提供一种单次喷涂形成多层涂层技术，所述方法具体为:对基体进行预处理，然后进行热喷涂，热喷涂过程中采用单次喷涂，并且多个送粉管路同时送粉，一个送粉管路内输送一种粉末，送粉管路数目与喷涂材料种类相同；不同的粉末熔滴集中分布于热喷涂焰流的不同区域，每个区域在热喷涂过程中经过基体某一部位存在时间差，因此先后在基体表面沉积不同种类的涂层，从而得到多层涂层（涂层的数目与送粉管路数目相同）。
本发明所述单次喷涂是指喷涂束流经过基材表面一次的过程，制备获得与送粉管路数相同数目的涂层。
优选的，本发明所述方法中不同管路中的粉末熔点差不超过1800℃，如果超过1800℃涂层内部缺陷会增多。
进一步优选的，本发明所述方法中不同管路中的粉末熔点差不超过300℃，多层涂层质量很好，基本没有缺陷。
优选的，本发明所述热喷涂过程中喷涂距离为18-22mm；功率120-180kW；Ar流量100-150L/min；N2流量200-300L/min；H2流量10-20L/min，送粉电压为18V。
本发明所述方法制备得到的多层涂层，基体与涂层间为机械结合，多层涂层之间没有明显界面但又不是冶金结合，是不同热喷涂粉末熔滴均匀混合分布的一个过渡层，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。
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，工艺参数必须是经过大量的正交试验优化确定后的参数；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。
本发明的原理：本发明利用异路送不同种类的热喷涂粉末一次喷涂制备多层涂层，各送粉管路垂直等离子焰流束流方向对称布置，熔融粉末并不是全部在焰心区域；各粉末熔滴在焰流内的聚集运动区域刚好被焰心分隔开；当喷枪从上往下运动时，分布在焰流下半部的熔滴先沉积，分布在焰流上半部的熔滴沉积在先沉积的涂层表面，因此单次喷涂形成多层涂层，形成多层涂层原理如附图2所示。
本发明的有益效果：
（1）制备的多层涂层涂层与涂层之间没有明显界面；
（2）熔点相近粉末制备的多层涂层缺陷少，沉积效率高；
（3）涂层制备效率高。
附图说明
图1为本发明所述方法制备制备的多层涂层SEM图；
图2本发明的原理图。
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
采用异路送粉喷涂制备的Al2O3+TiO2/高铬铁多层涂层， Al2O3+TiO2（熔点为1894℃）粒度为300目，高铬铁粉（熔点为1857℃）为300目。喷涂距离200mm；电流410A；电压320V；N2流量230L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；高铬铁粉送粉电压18V；Al2O3+TiO2送粉电压8V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度约为500μm；涂层硬度约为950 HV，粘结强度达到95Mpa。
本实施例制备得到的Al2O3+TiO2与高铬铁交替分布的多层涂层，，其SEM图如图1所示，由图可以看高铬铁层和Al2O3+TiO2层交替分布，层与层之间没有明显界面，且涂层内部微观结构紧密，微观缺陷少。
实施例二
采用异路送粉喷涂制备的Al2O3+TiO2/MgO多层涂层，Al2O3+TiO2（熔点为1894℃）粒度为300目，MgO（熔点为2800℃）粉末为200目。喷涂距离200mm；电流430A；电压320V；N2流量230L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；MgO送粉电压6V；Al2O3+TiO2送粉电压15-20V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度约为500μm。涂层硬度约为950HV，粘结强度达到95Mpa。
实施例三
采用异路送粉喷涂制备的Al2O3+TiO2/YSZ多层涂层，Al2O3+TiO2（熔点为1894℃）粒度为300目，YSZ（熔点为2480℃）粉末为200目。喷涂距离200mm；电流410A；电压320V；N2流量230L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；YSZ送粉电压8V；Al2O3+TiO2送粉电压18V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度约为900μm。涂层硬度约为950 HV，粘结强度达到95Mpa。
实施例四
采用异路送粉喷涂制备的YSZ/Ta2O5多层涂层，YSZ（熔点为2480℃）粒度为200目，Ta2O5（熔点为1800℃）粉末为300目。喷涂距离200mm；电流420A；电压320V；N2流量230L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；Ta2O5送粉电压6V；YSZ送粉电压8V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度约为300μm。涂层硬度约为950 HV，粘结强度达到90Mpa。
实施例五
采用异路送粉喷涂制备的Al2O3+TiO2/TiC多层涂层，Al2O3+TiO2（熔点为1894℃）粒度为300目，TiC（熔点为3100℃）粉末为200目。喷涂距离200mm；电流430A；电压320V；N2流量250L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；TiC送粉电压6V；Al2O3+TiO2送粉电压18V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度约为500μm。涂层硬度约为1300HV，粘结强度达到80Mpa。
实施例六
采用异路送粉喷涂制备的Al2O3+TiO2/AlN多层涂层，Al2O3+TiO2（熔点为1894℃）粒度为300目，AlN（熔点为2200℃）粉末为200目。喷涂距离200mm；电流430A；电压320V；N2流量230L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；AlN送粉电压12V；Al2O3+TiO2送粉电压15V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度约为400μm。涂层硬度约为1300HV，粘结强度达到80Mpa。
实施例七
采用异路送粉喷涂制备的SiC/TiC多层涂层，SiC（熔点为2300℃）粉末粒度为300目，TiC（熔点为3100℃）粉末为200目。喷涂距离200mm；电流450A；电压350V；N2流量230L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；TiC送粉电压8V；SiC送粉电压12V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度约为400μm。涂层硬度约为2900 HV，粘结强度达到80Mpa。
实施例八
采用异路送粉喷涂制备的TiC/AlN多层涂层，TiC（熔点为3100℃）粉末粒度为200目，AlN（熔点为2200℃）粉末为300目。喷涂距离200mm；电流450A；电压350V；N2流量240L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；AlN送粉电压8V；TiC送粉电压12V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度约为400μm。涂层硬度约为3000 HV，粘结强度达到80Mpa。
实施例九
采用异路送粉喷涂制备的TiN/AlN多层涂层，TiN（熔点为2950℃）粉末粒度为200目，AlN（熔点为2200℃）粉末为300目。喷涂距离200mm；电流450A；电压350V；N2流量240L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；AlN送粉电压8V；TiN送粉电压12V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度约为400μm。涂层硬度约为3000 HV，粘结强度达到80Mpa。
实施例十
采用异路送粉喷涂制备的Al2O3+TiO2/NiAl多层涂层，Al2O3+40wt%TiO2（熔点为1894℃）粉末粒度为200目，NiAl（熔点为1638℃）粉末为300目。喷涂距离200mm；电流410A；电压320V；N2流量230L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；NiAl送粉电压8V；Al2O3+TiO2送粉电压18V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度约为500μm。涂层硬度约为1000 HV，粘结强度达到90Mpa。
实施例十一
采用异路送粉喷涂制备的YSZ/NiCoCrAlY多层涂层，YSZ（熔点为2480℃）粉末粒度为200目，NiCoCrAlY（熔点为1200-1400℃）粉末为300目。喷涂距离200mm；电流410A；电压320V；N2流量230L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；NiCoCrAlY电压8V；YSZ送粉电压15V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度为400μm。涂层硬度约为1300 HV，粘结强度达到95Mpa。
实施例十二
采用异路送粉喷涂制备的SiC/NiCr多层涂层，SiC（熔点为2300℃）粉末粒度为200目，NiCr（熔点为1300℃）粉末为300目。喷涂距离200mm；电流430A；电压320V；N2流量230L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；NiCr送粉电压8V；SiC送粉电压15V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度约为600μm。涂层硬度约为2000 HV，粘结强度达到95Mpa。
实施例十三
采用异路送粉喷涂制备的TiN/NiAl多层涂层，TiN（熔点为2950℃）粉末粒度为200目，NiAl（熔点为1638℃）粉末为300目。喷涂距离200mm；电流430A；电压320V；N2流量230L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；NiAl粉送粉电压8V；TiN送粉电压20V。喷枪移动速度4mm/s，制备的涂层厚度约为1100μm。涂层硬度约为2100 HV，粘结强度达到95Mpa。
实施例十四
采用异路送粉喷涂制备的TiN/MoS2多层涂层，TiN（熔点为2950℃）粉末粒度为200目，MoS2（熔点为1185℃）粉末为200目。喷涂距离200mm；电流430A；电压320V；N2流量230L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；MoS2粉送粉电压4V；TiN送粉电压12V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度约为300μm。涂层硬度约为2300 HV，粘结强度达到80Mpa。
实施例十五
采用异路送粉喷涂制备的WC/MoS2多层涂层，WC（熔点为2870℃）粉末粒度为200目，MoS2（熔点为1185℃）粉末为200目。喷涂距离200mm；电流430A；电压320V；N2流量230L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；MoS2粉送粉电压4V；WC送粉电压18V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度约为600μm。涂层硬度约为1250 HV，粘结强度达到80Mpa。
实施例十六
采用异路送粉喷涂制备的Al2O3+40wt%TiO2/MoS2多层涂层，Al2O3+40wt%TiO2（熔点为1894℃）粉末粒度为200目，MoS2（熔点为1185℃）粉末为200目。喷涂距离200mm；电流430A；电压320V；N2流量230L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；MoS2电压4V；Al2O3+40wt%TiO2送粉电压18V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度约为600μm。涂层硬度约为1200 HV，粘结强度达到80Mpa。
实施例十七
采用异路送粉喷涂制备的YSZ/NiCoCrAlY多层涂层，YSZ（熔点为2480℃）粉末粒度为200目，NiCoCrAlY（熔点为1200-1400℃）粉末为300目。喷涂距离200mm；电流410A；电压320V；N2流量230L/min；Ar流量100L/min；H2流量15L/min；NiCoCrAlY电压8V；YSZ送粉电压15V。喷枪移动速度6mm/s，制备的涂层厚度为400μm。涂层硬度约为1200 HV，粘结强度达到95Mpa。
Claims (5)
1.一种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：热喷涂过程中采用单次喷涂，并且多个送粉管路同时送粉，一个送粉管路内输送一种粉末。
2.根据权利要求1所述热喷涂法制备多层涂层的方法，其特征在于：多个送粉管路在垂直于喷涂束流的平面内对称分布。
3.根据权利要求1所述热喷涂法制备多层涂层的方法，其特征在于：不同管路中的粉末熔点差不超过1800℃。
4.根据权利要求3所述热喷涂法制备多层涂层的方法，其特征在于：不同管路中的粉末熔点差不超过300℃时。
5.根据权利要求1~4任意一项所热喷涂法制备多层涂层的方法，其特征在于：其特征在于：热喷涂过程中喷涂距离为18-22mm；功率120-180kW；Ar流量100-150L/min；N2流量200-300L/min；H2流量10-20L/min，送粉电压为18V。
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