CN106367749B - 一种管道内壁涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道内壁涂层的制备方法，首先提供一种可伸入管件内孔的喷涂枪，由支撑杆与支持架夹持下可进行横向往复移动；然后从送气口通入高压工作气体，高压气体经过喷涂枪后将产生超音速气体流动；然后再从送粉口送入待制备金属涂层材料的粉末颗粒，在进入喷涂枪前与工作气体混合，经过加速后获得高的速度，形成高速粒子流，碰撞一定速度旋转的管体内壁后，发生大的塑性变形而固态沉积制备涂层。本发明解决了如何在管状零件内壁表面低成本制备厚度范围100～1000μm的金属或金属基复合材料涂层。

Description

一种管道内壁涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种管道内壁涂层的制备方法，具体设计在通孔和盲孔的管道内壁涂层的制备方法，是一种利用固态喷涂技术将金属粉末或金属复合粉末沉积到管状零件内壁上，以提供耐腐蚀、耐磨、耐冲蚀等功能。

背景技术

众所周知，工业领域很多重要零部件的内壁往往面临磨损、腐蚀、冲蚀或高温等苛刻工况，必须进行表面防护，如铝合金发动机气缸体、航空发动机喷管、液压油缸、石油管道、阀门等等。同时，由于磨损或腐蚀造成的零件内壁尺寸超差也需要修复。例如汽车发动机的气缸套是磨损最为严重的零部件，由于承受高温、高压冲击和活塞往复摩擦直运动，磨损较快，易产生拉缸现象。因此，可在缸套的内壁上喷涂涂层代替原有的铸钢套，不仅可以降低缸套内壁的磨损，还能减轻发动机的重量，延长发动机的使用寿命。

目前工业常用内孔涂层制备技术主要有物理气相沉积(PVD)和热喷涂技术。PVD技术可以在较小内孔表面(如直径10mm及以上)制备金属、氮化物、氧化物涂层，涂层较均匀致密，结合力较高，但涂层厚度受工艺限制，一般不超过100微米，内孔长度也不易过长(一般小于500mm)。热喷涂技术由于其沉积效率高，可以制备较厚金属、陶瓷、金属-陶瓷涂层(根据需要可几百微米～1mm以上)，内孔长度也可到2m，但涂层结合力较差，且由于喷枪结构与工艺限制，内壁直径一般要80～100mm以上。尤其在制备金属或金属基复合材料涂层方面，上述两种技术均受到不同程度的局限，如金属氧化问题、金属-陶瓷界面反应问题、深盲孔等。

因此，开发一种简易的、制造成本低的、涂层结合力高的内壁金属或金属基复合材料涂层制备方法将非常有工程意义。不仅可以实现内壁涂层制备，还可以实现对零件内壁的修复。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种管道内壁涂层的制备方法，不仅可以实现内壁涂层制备，还可以实现对零件内壁的修复。

技术方案

一种通孔管道内壁涂层的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将支撑杆2采用螺纹与喷涂枪连接，其中第一支撑杆2-2和第二支撑杆2-1连接在喷涂枪两端；将连接的支撑杆2和喷涂枪送入通孔管道内，第一支撑杆2-2和第二支撑杆2-1分别连接第一支持架3-1和支持架第二3-2；

所述第一支撑杆2-2轴向设有内流道，内流道内设有送气通道和送粉通道；所述喷涂枪的内流道采用收缩-扩张型拉瓦尔喷管，且成L型结构；喷涂枪的内流道与第一支撑杆2-2的内流道相互连通；

所述喷涂枪内流道的方向，使高速粒子流与管道壁面呈90度喷涂；

步骤2：喷涂枪停留在管外距端面50mm的地方，然后将管体以速度ω旋转；然后从送气口通入工作气体，气体经过第一支撑杆2-2内流道引入到喷涂枪，在喷涂枪内流道产生超音速气体流动；待工作气体温度达到设定喷涂温度时，将纯金属粉末或复合粉末从送粉口送入，经过第一支撑杆2-2内的粉末流道，从喷涂枪内流道的上游送入高速气流，形成高速粒子流；

步骤3：然后启动第一支持架3-2往管内以速度v移动；粒子流垂直碰撞管体内壁后，金属颗粒发生大的塑性变形而固态沉积制备出涂层；喷涂枪到达管体另外一端后，根据单道涂层的厚度以及所需要涂层总厚度决定是否返回继续喷涂还是停止送粉喷涂。

一种盲孔管道内壁涂层的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将支撑杆采用螺纹与喷涂枪连接，支撑杆连接支持架；将连接的支撑杆和喷涂枪送入盲孔管道内；

所述支撑杆轴向设有内流道，内流道内设有送气通道和送粉通道；所述喷涂枪的内流道采用收缩-扩张型拉瓦尔喷管，且成L型结构；喷涂枪的内流道与支撑杆的内流道相互连通；

所述喷涂枪内流道的方向，使高速粒子流与管道壁面呈75～80度喷涂；

步骤2：喷涂枪停留在管外距端面50mm的地方，然后将管体以速度ω旋转；通入工作气体，气体经过支撑杆内流道引入到喷涂枪，在喷涂枪内流道产生超音速气体流动；待工作气体温度达到设定喷涂温度时，将纯金属粉末或复合粉末从送粉口送入，经过支撑杆内的专门粉末流道，从喷涂枪内流道的上游送入高速气流，形成高速粒子流；

步骤3：然后启动支持架往管内以速度v移动；粒子流垂直碰撞管体内壁后，金属颗粒发生大的塑性变形而固态沉积制备出涂层；喷涂枪最前缘到达距离管体底部2～3mm的地方时，根据单道涂层的厚度以及所需要涂层总厚度决定是否往返继续喷涂还是停止送粉直接返回

盲孔管道的步骤3完成后，盲孔底部需要制备涂层时，更换用于盲孔的喷涂枪，喷涂枪停留在管外距端面50mm、下方100mm部位，将管体旋转后通入工作气体，待工作气体温度达到设定喷涂温度时，将喷涂枪沿管体中心线管向内移动，到达距离盲孔20～30mm后，送入纯金属粉末或提前混合好的复合粉末，与高速气流形成高速粒子流，根据单道涂层的厚度以及所需要涂层总厚度决定是否上下往复继续喷涂，还是停止送粉喷涂；所述用于盲孔的涂枪内流道采用收缩-扩张型拉瓦尔喷管，且成直线结构，用于加速的扩张段长度为100～200mm。

所述喷涂枪收缩-扩张型拉瓦尔喷管的下游流道扩张段长度不小于40mm。

通孔管道加工时，所述喷涂枪的喷口相对一侧与内壁的距离大于3mm。

盲孔管道加工时，所述喷涂枪的喷口相对一侧与内壁的距离大于5mm。

所述管体的移动速度v为60～300mm/min，旋转速度ω＝v/2rot/min。

所述喷涂枪的移动速度v为60～300mm/min，管体发热旋转速度ω＝v/2rot/min。

所述气体压力为0.5～3.0MPa。

气体温度不超过被喷涂金属材料的熔点。

工作气体可选择单一气体(压缩空气、氮气、氦气、氩气、二氧化碳)或它们的混合气体；气体温度根据被喷涂材料的熔点可在室温～800℃之间(不超过被喷涂材料和基体材料的熔点)。

工作气体与粉末同时送入支撑杆2-2，但两者开始分别有自己的流道，只在进入喷涂枪1内流道时混合，一方面避免可能的粉末粘附支撑杆2内壁，另一方面对粉末起到间接预热作用。

有益效果

本发明提出的一种管道内壁涂层的制备方法，首先提供一种可伸入管件内孔的喷涂枪，由支撑杆与支持架夹持下可进行横向往复移动；然后从送气口通入高压工作气体，高压气体经过喷涂枪后将产生超音速气体流动；然后再从送粉口送入待制备金属涂层材料的粉末颗粒，在进入喷涂枪前与工作气体混合，经过加速后获得高的速度，形成高速粒子流，碰撞一定速度旋转的管体内壁后，发生大的塑性变形而固态沉积制备涂层。

本发明解决了如何在管状零件内壁表面低成本制备厚度范围100～1000μm的金属或金属基复合材料涂层，管状零件需要涂覆长度一般大于500mm，内径尺寸大于60mm，金属涂层内不发生氧化，且结合力不小于40MPa，涂层致密性小于0.5％，从而提高重要零件的内表面性能与使用寿命。

该方法中支撑杆2采用螺纹与喷涂枪1连接，便于拆装更换。同时采用支撑杆2与支持架3充分保证了喷涂时的系统刚性，在喷涂气流反作用力下不易产生明显变形。

该方法中喷涂枪1的内流道基于空气动力学原理，采用收缩-扩张型拉瓦尔喷管的设计方法，通过FLUENT软件优化设计，可获得较高的粒子速度，有利于碰撞变形沉积。

附图说明

图1：通孔管道内壁涂层制备方法示意图

图2：通孔管道内壁涂层制备时喷涂枪内流道示意图

图3：通孔管道内壁涂层制备时支撑杆2-2内流道示意图

图4：盲孔管道内壁侧面涂层制备方法示意图

图5：盲孔管道内壁侧面涂层制备时喷涂枪1内流道示意图

图6：盲孔管道内壁底部涂层制备方法示意图

图7：盲孔管道内壁底部涂层制备时喷涂枪1内流道示意图

图8：盲孔管道内壁底部涂层制备时支撑架2-2内流道示意图

1-喷涂枪，2-支撑杆，3-支持架，4-送气口，5-送粉口，6-高速粒子流，7-管体，8-涂层。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

(1)通孔管道内壁金属或金属基复合材料涂层制备

如图1所示，首先将喷涂枪1、支撑杆2与支持架3装配好后，喷涂枪1停留在管外距端面50mm的地方，然后将管体7旋转起来；然后从送气口4通入工作气体，气体经过第一支撑杆2-2内流道(图3)引入到喷涂枪1(图2)，在喷涂枪1内流道产生超音速气体流动，待工作气体温度达到设定喷涂温度时，将纯金属粉末或提前混合好的复合粉末从送粉口5送入，经过第一支撑杆2-2内的专门粉末流道(独立于工作气体)，从喷涂枪1内流道的上游送入高速气流，形成高速粒子流6；然后启动第一支持架3-2往管内以一定速度移动；粒子流6垂直碰撞管体7内壁后，金属颗粒发生大的塑性变形而固态沉积制备出涂层8；喷涂枪1到达管体7另外一端后，根据单道涂层的厚度以及所需要涂层总厚度决定是否返回继续喷涂还是停止送粉喷涂。

上述步骤中，管体的内径大于60mm，被涂覆的长度一般不小于500mm。

上述步骤中，工作气体可选择单一气体(压缩空气、氮气、氦气、氩气、二氧化碳)或它们的混合气体，气体压力可在0.5～3.0MPa；气体温度根据被喷涂金属材料的熔点而定，不超过其熔点，一般小于0.8Tm(可在室温～800℃之间)，同时要考虑到被涂覆基体材料的熔点，也要保证低于其熔点。

上述步骤中，喷涂枪1的内流道(图2)基于空气动力学原理设计，采用收缩-扩张型拉瓦尔喷管的设计方法，保证下游流道(扩张段)长度不小于40mm。

上述步骤中，工作气体与粉末同时送入支撑杆2-2，但两者开始分别有自己的流道，只在进入喷涂枪1内流道时混合，一方面可避免粉末粘附支撑杆2内壁，另一方面对粉末起到间接预热作用。送粉气体不需要预热。

上述步骤中，支撑杆2采用螺纹与喷涂枪1连接，便于拆装更换。同时采用支撑杆2与支持架3充分保证了喷涂时的系统刚性，在喷涂气流反作用力下不易产生明显变形。同时，避免喷涂枪1碰撞管体7内壁，喷涂枪1的最下面与内壁的距离要在3mm以上。

上述步骤中，管体7的旋转速度(ω)要根据喷涂枪1的移动速度(v)来定，为了获得良好的表面成形，一般v等于60～300mm/min，ω＝v/2rot/min。

上述步骤中，根据单道涂层的厚度以及所需要涂层总厚度计算出喷涂枪1往返喷涂次数。

上述步骤中，最终所制备涂层的厚度根据需要可在100～1000μm，涂层内基本无氧化发生，涂层结合强度不小于40MPa，涂层致密性小于0.5％。

(2)盲孔管道内壁侧面金属或金属基复合材料涂层制备

与通孔管道类似，如图4所示，首先将喷涂枪1、支撑杆2与支持架3装配好后，喷涂枪1停留在管口外距端面50mm的地方，然后将管体7旋转起来；然后从送气口4通入工作气体，气体经过第一支撑杆2-2内流道(图3)引入到喷涂枪1(图5)，在喷涂枪1内流道产生超音速气体流动，待工作气体温度达到设定喷涂温度时，将纯金属粉末或提前混合好的复合粉末从送粉口5送入，经过第一支撑杆2-2内的专门粉末流道(独立于工作气体)，从喷涂枪1内流道的上游送入高速气流，形成高速粒子流6；然后启动支持架第一3-2往管内以一定速度移动；高速粒子流6垂直碰撞管体7内壁后，金属颗粒发生大的塑性变形而固态沉积制备出涂层8；喷涂枪1最前缘到达距离管体7底部2～3mm的地方时，根据单道涂层的厚度以及所需要涂层总厚度决定是否往返继续喷涂还是停止送粉直接返回。

与通孔管道不同之处：

上述步骤中，管体的内径大于60mm，被涂覆的长度根据盲孔深度而定。

上述步骤中，不同于通孔管道内壁涂层制备的，喷涂枪1的内流道收缩-扩张段(图5)中心线有10～15度偏移，使粒子流6不再呈90度喷涂，倾斜后喷涂角度可在75～80，便于盲孔底部拐角处制备涂层，同样要保证下游流道(扩张段)长度不小于40mm。

上述步骤中，不同于通孔管道内壁涂层制备的，图1中的支撑杆2-1与支持架3-1不再需要。为了保证了喷涂时的系统刚性，在喷涂气流反作用力下不易产生明显变形，将支撑杆2-2宽度加大1倍。同时，避免喷涂枪1碰撞管体7内壁，喷涂枪1的最下面与内壁的距离要在5mm以上。

最终所制备涂层的厚度根据需要可在100～1000μm，涂层内基本无氧化发生，涂层结合强度不小于40MPa，涂层致密性小于0.5％。

(3)盲孔管道底部金属或金属基复合材料涂层制备

根据需要，如果底部制备涂层，如图6所示，需要更换喷涂枪(图7)与支撑杆2-2(图8)。首先将喷涂枪1、支撑杆2与支持架3装配好后，喷涂枪1停留在管外距端面50mm、下方100mm的地方，保证预热气体时加热不到管体；然后将管体7旋转起来；然后从送气口4通入工作气体，气体经过支撑杆2-2内流道(图8)引入到喷涂枪1(图7)，在喷涂枪1内流道产生超音速气体流动；待工作气体温度达到设定喷涂温度时，启动支持架3-2先往上移动，再往管内移动，到达指定喷涂距离(20～30mm)后，将纯金属粉末或提前混合好的复合粉末从送粉口5送入，经过支撑杆2-2内的专门粉末流道(独立于工作气体)，从喷涂枪1内流道的上游送入高速气流，形成高速粒子流6，同时，支持架3-2开始以一定速度往管体中心线移动；粒子流6垂直碰撞底部，金属颗粒发生大的塑性变形而固态沉积制备出涂层8；喷涂枪1到达管体7中心线后，根据单道涂层的厚度以及所需要涂层总厚度决定是否上下往复继续喷涂，还是停止送粉喷涂。

与管道侧面涂层制备不同之处：

上述步骤中，喷涂枪1的内流道(图7)用于加速的扩张段(下游)长度可为100～200mm，喷嘴出口距离底部距离(喷涂距离)为20～30mm。粒子有足够的加速条件获得更高的速度，所得涂层结合力、致密度大幅度提高。

上述步骤中，避免喷涂枪1碰撞管体7内壁，喷涂枪1的最下面与内壁的距离要在3mm以上。上下往复运动速度一般v＝120～300mm/min，ω＝v/2rot/min。

最终所制备涂层的厚度根据需要可在100～1000μm，涂层内基本无氧化发生，涂层结合强度不小于40MPa，涂层致密性小于0.5％。

Claims (9)

1.一种通孔管道内壁涂层的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将支撑杆(2)采用螺纹与喷涂枪连接，其中第一支撑杆(2-2)和第二支撑杆(2-1)连接在喷涂枪两端；将连接的支撑杆(2)和喷涂枪送入通孔管道内，第一支撑杆(2-2)和第二支撑杆(2-1)分别连接第一支持架(3-1)和第二支持架(3-2)；

所述第二支撑杆(2-2)轴向设有内流道，内流道内设有送气通道和送粉通道；所述喷涂枪的内流道采用收缩-扩张型拉瓦尔喷管，且成L型结构；喷涂枪的内流道与第二支撑杆(2-2)的内流道相互连通；

所述喷涂枪内流道的方向，使高速粒子流与管道壁面呈90度喷涂；

步骤2：喷涂枪停留在管外距端面50mm的地方，然后将管体以速度ω旋转；然后从送气口通入工作气体，气体经过第二支撑杆(2-2)内流道引入到喷涂枪，在喷涂枪内流道产生超音速气体流动；待工作气体温度达到设定喷涂温度时，将纯金属粉末或复合粉末从送粉口送入，经过第二支撑杆(2-2)内的粉末流道，从喷涂枪内流道的上游送入高速气流，形成高速粒子流；

步骤3：然后启动第二支持架(3-2)使得喷涂枪往管内以速度v移动；粒子流垂直碰撞管体内壁后，金属颗粒发生大的塑性变形而固态沉积制备出涂层；喷涂枪到达管体另外一端后，根据单道涂层的厚度以及所需要涂层总厚度决定是否返回继续喷涂还是停止送粉喷涂。

2.一种盲孔管道内壁涂层的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将支撑杆采用螺纹与喷涂枪连接，支撑杆连接支持架；将连接的支撑杆和喷涂枪送入盲孔管道内；

所述支撑杆轴向设有内流道，内流道内设有送气通道和送粉通道；所述喷涂枪的内流道采用收缩-扩张型拉瓦尔喷管，且成L型结构；喷涂枪的内流道与支撑杆的内流道相互连通；

所述喷涂枪内流道的方向，使高速粒子流与管道壁面呈75～80度喷涂；

步骤2：喷涂枪停留在管外距端面50mm的地方，然后将管体以速度ω旋转；通入工作气体，气体经过支撑杆内流道引入到喷涂枪，在喷涂枪内流道产生超音速气体流动；待工作气体温度达到设定喷涂温度时，将纯金属粉末或复合粉末从送粉口送入，经过支撑杆内的专门粉末流道，从喷涂枪内流道的上游送入高速气流，形成高速粒子流；

步骤3：然后启动支持架使得喷涂枪往管内以速度v移动；粒子流垂直碰撞管体内壁后，金属颗粒发生大的塑性变形而固态沉积制备出涂层；喷涂枪最前缘到达距离管体底部2～3mm的地方时，根据单道涂层的厚度以及所需要涂层总厚度决定是否往返继续喷涂还是停止送粉直接返回。

3.根据权利要求2所述盲孔管道内壁涂层的制备方法，其特征在于：步骤3完成后，盲孔底部需要制备涂层时，更换用于盲孔的喷涂枪，喷涂枪停留在管外距端面50mm、下方100mm部位，将管体旋转后通入工作气体，待工作气体温度达到设定喷涂温度时，将喷涂枪沿管体中心线管向内移动，到达距离盲孔20～30mm后，送入纯金属粉末或提前混合好的复合粉末，与高速气流形成高速粒子流，根据单道涂层的厚度以及所需要涂层总厚度决定是否上下往复继续喷涂，还是停止送粉喷涂；所述用于盲孔的涂枪内流道采用收缩-扩张型拉瓦尔喷管，且成直线结构，

用于加速的扩张段长度为100～200mm。

4.根据权利要求1所述通孔管道内壁涂层的制备方法或权利要求2所述盲孔管道内壁涂层的制备方法，其特征在于：所述喷涂枪收缩-扩张型拉瓦尔喷管的下游流道扩张段长度不小于40mm。

5.根据权利要求1所述通孔管道内壁涂层的制备方法，其特征在于：所述喷涂枪的喷口相对一侧与内壁的距离大于3mm。

6.根据权利要求2所述盲孔管道内壁涂层的制备方法，其特征在于：所述喷涂枪的喷口相对一侧与内壁的距离大于5mm。

7.根据权利要求1所述通孔管道内壁涂层的制备方法或权利要求2所述盲孔管道内壁涂层的制备方法，其特征在于：所述喷涂枪的移动速度v为60～300mm/min，管体发热旋转速度ω＝v/2rot/min。

8.根据权利要求1所述通孔管道内壁涂层的制备方法或权利要求2所述盲孔管道内壁涂层的制备方法，其特征在于：所述气体压力为0.5～3.0MPa。

9.根据权利要求1所述通孔管道内壁涂层的制备方法或权利要求2所述盲孔管道内壁涂层的制备方法，其特征在于：气体温度不超过被喷涂金属材料的熔点。