CN106756723A - 一种利用高频爆炸喷涂技术制备高致密度陶瓷涂层的方法 - Google Patents

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陆磊
余玖明
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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Abstract

一种利用高频爆炸喷涂技术制备高致密度陶瓷涂层的方法，所述方法步骤如下：（1）将待喷涂陶瓷粉末置于干燥箱内烘干；（2）采用酒精、丙酮等有机溶剂清洗基体材料；（3）对基体材料表面进行喷砂处理，增加基体表面粗糙度；（4）将基体固定在工作台上，采用六轴机器人夹持的高频爆炸喷涂设备制备陶瓷涂层。所述方法制备的陶瓷涂层较现有技术所制备的涂层，致密度、硬度和结合强度等性能大幅提高，涂层的孔隙率<2%，涂层的结合强度≥70MPa，涂层的显微硬度＞1200HV0.3；且喷涂效率可达20～50次/秒，涂层生产效率大幅提高，适合在对涂层质量要求高的国防军工、能源、冶金等领域推广应用。

Description

一种利用高频爆炸喷涂技术制备高致密度陶瓷涂层的方法
技术领域
本发明涉及一种利用高频爆炸喷涂技术制备高致密度陶瓷涂层的方法
，属材料表面技术领域。
背景技术
现代工业的发展对材料表面性能的要求越来越高，特别是在高速、高温、高压、重载、腐蚀等条件下，材料的失效往往起始于表面，材料表面的局部损坏加速了整个零部件的失效，最终导致整套设备的停产，对工业生产造成重大损失。因此，通过表面强化技术提高关键机械零部件和工模具的耐磨、耐蚀、抗氧化等性能已成为科研与工业发展的重要方向。
陶瓷材料具有优异的耐磨、耐蚀、抗氧化、绝缘等性能，采用热喷涂技术将陶瓷材料沉积到基材表面，可将基材优异的力学性能和陶瓷材料的特性结合起来，赋予材料更佳的表面功能特性，显著提高其使用寿命。目前通常采用等离子喷涂技术制备陶瓷涂层。所谓等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源将粉末材料加热至熔融或半熔融状态，然后高速撞击到经过粗糙化处理的基材表面形成涂层的方法。但是，等离子喷涂形成的陶瓷涂层具有结合力偏低、孔隙率偏高的缺点，在一定程度上降低了涂层的使用性能。
爆炸喷涂技术是利用可燃气体爆炸瞬间产生的冲击波将喷涂粉未加速、加热轰击到基体表面，形成表面涂层的方法。粉未颗粒可被加速至800～1200m/s,气体爆炸中心温度可达2400～3500℃。该技术制备的涂层具有结合强度好、致密度高、使用性能优异等优点。目前，爆炸喷涂技术主要用于制备金属和金属陶瓷陶瓷，也可制备部分陶瓷涂层。但常规爆炸喷涂技术的爆炸喷涂速率仅为2～8次/秒（通常使用4次/秒），造成单位面积涂层喷涂时间长，涂层生产效率低下，严重影响了爆炸喷涂技术的推广应用。
发明内容
针对等离子喷涂陶瓷涂层致密度低、结合强度差和常规爆炸喷涂喷涂速率低，涂层生产效率慢的不足，本发明提供了一种利用高频爆炸技术制备高致密度陶瓷涂层的方法。
本发明通过下述技术方案实现：一种利用高频爆炸喷涂技术制备高致密度陶瓷涂层的方法，其步骤包括：
（1）将待喷涂陶瓷粉末置于干燥箱内在100℃下保温1小时以上，除去粉末中的水分；
（2）采用酒精、丙酮等有机溶剂清洗待喷涂基体材料，清除基体表面的油脂；
（3）通过专用喷砂机，采用20-80目的白刚玉或棕刚玉砂粒、0.2-0.6MPa的喷砂压力对基体表面进行喷砂粗化处理，增加基体表面粗糙度；
（4）将基体固定在工作台上，采用六轴机器人夹持的高频爆炸喷涂设备制备陶瓷涂层，喷涂工艺参数为：氧气流量为4～10m3/h，可燃气体流量0.7～2.0 m3/h，压缩空气流量0.2～4 m3/h，枪管长度300～600mm，送粉速率60～150g/min，喷涂速率20～60次/秒，喷涂距离30～100mm；控制涂层单次厚度不超过50μm，经多次喷涂制备所需厚度涂层。
所述陶瓷粉末包括氧化铝、氧化铬、氧化锆、氧化钇、硼化锆、碳化硅、氧化硅或硅化钼中的一种或两种/两种以上的混合物，粉末粒径为5～45μm。
所述可燃气体包括氢气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、丙炔或丁炔中的一种或两种气体的混合物。
所述高频爆炸喷涂设备中可燃气体和助燃气体的爆炸腔为两个或两个以上，多个爆炸腔既相互关联又相互独立。
采用本发明方法制备的氧化铝陶瓷涂层厚度为25～3000μm，涂层的孔隙率<2%，涂层的结合强度≥70MPa，涂层的显微硬度＞1200HV0.3。
本发明的有益效果为：与等离子喷涂技术相比，本发明采用的高频爆炸喷涂技术制备的陶瓷涂层的致密度、结合强度和显微硬度等性能有了显著的提升，涂层的孔隙率<2%，涂层的结合强度≥70MPa，涂层的显微硬度＞1200HV0.3。可大幅延长陶瓷涂层在高速、高温、高压、重载、腐蚀等苛刻工况下的使用寿命。与常规爆炸喷涂技术相比，本发明采用的高频爆炸喷涂技术的喷涂速率可达20～60次/秒，数倍于常规爆炸技术（2～8次/秒），涂层生产效率大幅提高，适合在对涂层质量要求高的军用和民用领域推广应用，如国防军工、能源、冶金等。
具体实施方式
下面结合实例说明本发明的具体实施方式，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
本发明实施例一种利用高频爆炸喷涂技术制备高致密度陶瓷涂层的方法，其步骤如下：
（1）选择氧化铝陶瓷粉末为待喷涂粉末，粉末粒径为5～22μm，将该粉末置于干燥箱内在100℃下保温1小时以上，除去粉末中的水分；
（2）选用316L不锈钢为基体材料，采用酒精清洗基体材料，清除基体表面的油脂；
（3）通过专用喷砂机，采用20-40目的白刚玉砂粒、0.6MPa的喷砂压力对基体表面进行喷砂粗化处理，增加基体表面粗糙度；
（4）将基体固定在工作台上，采用六轴机器人夹持的高频爆炸喷涂设备制备陶瓷涂层，选择丙烷为可燃气体，选择两个爆炸腔进行工作。具体喷涂工艺参数为：爆炸腔Ⅰ氧气流量为2～3m3/h，丙烷流量0.3～0.5 m3/h，压缩空气流量1.0～1.5 m3/h，爆炸腔Ⅱ氧气流量为3～4m3/h，丙烷流量0.5～0.9 m3/h，压缩空气流量0.8～1.5 m3/h，枪管长度500mm，送粉速率70～120g/min，喷涂速率30次/秒，喷涂距离60～80mm，控制涂层单次厚度不超过50μm，经多次喷涂制备所需厚度涂层。
经测试分析表明，制备的氧化铝涂层厚度为200μm，结合强度为80MPa，显微硬度为1289 HV0.3，孔隙率为0.8%。

Claims (5)

1.一种利用高频爆炸喷涂技术制备高致密度陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
（1）将待喷涂陶瓷粉末置于干燥箱内在100℃下保温1小时以上，除去粉末中的水分；
（2）采用酒精、丙酮有机溶剂清洗待喷涂基体材料，清除基体表面的油脂；
（3）通过专用喷砂机，采用20～80目的白刚玉或棕刚玉砂粒、0.2～0.6MPa的喷砂压力对基体表面进行喷砂处理，增加基体表面粗糙度；
（4）将基体固定在工作台上，采用六轴机器人夹持的高频爆炸喷涂设备制备陶瓷涂层，喷涂工艺参数为：氧气流量为4～10m3/h，可燃气体流量0.7～2.0 m3/h，压缩空气流量0.2～4 m3/h，枪管长度300～600mm，送粉速率60～150g/min，喷涂速率20～60次/秒，喷涂距离30～100mm；控制涂层单次厚度不超过50μm，经多次喷涂制备所需厚度涂层。
2.根据权利要求1所述的一种利用高频爆炸喷涂技术制备高致密度陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述陶瓷粉末包括氧化铝、氧化铬、氧化锆、氧化钇、硼化锆、碳化硅、氧化硅或硅化钼中的一种或两种/两种以上的混合物，粉末粒度为5～45μm。
3.根据权利要求1所述的一种利用高频爆炸喷涂技术制备高致密度陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述可燃气体包括氢气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、丙炔或丁炔中的一种或两种气体的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种利用高频爆炸喷涂技术制备高致密度陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述高频爆炸喷涂设备中可燃气体和助燃气体的爆炸腔为两个或两个以上，多个爆炸腔既相互关联又相互独立。
5.根据权利要求1所述的一种利用高频爆炸喷涂技术制备高致密度陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述方法制备的氧化铝陶瓷涂层的孔隙率<2%，涂层的结合强度≥70MPa，涂层的显微硬度＞1200HV0.3。
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