CN107267907B - 一种超音速火焰喷涂薄板形零件的变形补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热喷涂薄板形零件的变形补偿方法，尤其涉及一种超音速火焰喷涂薄板形零件的变形补偿方法。本发明针对薄板形零件超音速火焰喷涂涂层过程中因热量输入和颗粒冲击等原因造成的零件变形，采用对薄板形零件非喷涂表面进行超音速火焰喷涂高熔点金属氧化物处理的方式，通过控制氧化物熔点、粒径尺寸和工艺过程参数，在不实现金属氧化物沉积的条件下，最大程度的模拟薄板形零件超音速火焰喷涂涂层时热量输入和颗粒冲击的变形产生过程，实现对喷涂涂层后薄板形零件的变形补偿。本发明有效解决了采用钣金、热处理、喷丸等手段对超音速火焰喷涂薄板形零件的变形抵消补偿难的问题，实现了对超音速火焰喷涂薄板形零件的变形补偿。

Description

一种超音速火焰喷涂薄板形零件的变形补偿方法
技术领域
本发明涉及一种热喷涂薄板形零件的变形补偿方法，尤其涉及一种超音速火焰喷涂薄板形零件的变形补偿方法。
背景技术
超音速火焰喷涂(High Velocity Oxy fuel，简称HVOF)是20世纪80年代初在普通火焰喷涂的基础上发展起来的一种新型热喷涂技术。它是利用氢、乙炔、丙烯、煤油等做燃料，用氧气作助燃剂，在燃烧室或特殊的喷嘴中燃烧，产生超音速燃焰，同时将粉末送进火焰中，产生熔化或半熔化的粒子，高速撞击在基体表面上沉积形成涂层。焰流温度低和速度快是超音速火焰喷涂的两个重要特点，在喷涂碳化钨/钴金属陶瓷以及金属及其合金涂层方面具有显著优势，喷涂过程中能够有效避免碳化钨失碳以及金属材料的氧化，有利于得到具有低孔隙率、低氧化物含量和高结合强度的高质量金属或金属陶瓷涂层。然而，由于焰流温度较低和速度较快，当超音速火焰喷涂Al2O3、ZrO2等高熔点材料时，往往难以使粉末材料达到熔融或半熔融状态而实现在基体材料表面涂层的沉积，因此采用超音速火焰喷涂工艺不适宜制备金属氧化物陶瓷等高熔点涂层材料。
HVOF发展非常迅速。从1982年美国的James.A.Browning开发出第一代超音速火焰喷涂装置Jet Kote I以来，仅10余年，HVOF工艺及装置取得了长足的进展，其优异的涂层质量及与自动控制系统的结合使用，使该工艺从问世之初的仅用于飞行发动机零部件耐磨层喷涂，发展到航空、冶金、纺机、汽车、铁路等领域的大量应用，表现出广阔的应用前景。
然而，随着超音速火焰喷涂技术在应用领域和应用部位等方面的不断拓展，不同形状零件超音速火焰喷涂涂层时逐渐暴露出一定的问题。例如，薄板形零件在超音速火焰喷涂涂层时，由于火焰对零件的热量输入以及喷涂颗粒对零件的冲击作用等原因，往往造成薄板形零件超音速火焰喷涂后产生一定的变形，从而影响薄板形零件喷涂表面的平面度，这种喷涂产生的变形如果不进行有效的控制及补偿，往往会影响零件的后续装配使用，严重时甚至会造成零件的报废。对于薄板形零件变形补偿的传统方法有钣金、热处理、反面喷丸、反面喷涂等方法，但是每种方法都存在各自的缺点。采用钣金方法通过对薄板形零件进行反向变形，虽然能够使薄板形零件恢复平面度，但是过大的反向变形极易造成喷涂面涂层产生裂纹等缺陷甚至造成涂层的开裂剥落，对喷涂涂层质量产生不利影响；热处理方法虽然能够松弛薄板形零件的应力，在一定程度上恢复补偿零件的变形，但是其对零件变形补偿的程度有限，对零件变形进行等效补偿的难度较大，并且对于钛合金、铝合金等材料零件，还会受到热处理温度的限制；采用反面喷丸的方式能够实现对薄板形零件的变形补偿，但是由于与薄板形零件喷涂过程变形产生方式的不同，反面喷丸方式在实现对薄板形零件变形的等效补偿方面也存在一定的困难，尤其是当喷丸覆盖率达到100％后，其后续变形补偿的程度会变得极为有限，同时反面喷丸方式也附加了零件的一道处理工序，提高零件加工的复杂程度；采用相同方式反面喷涂的方法虽然能够有效补偿薄板形零件的喷涂变形，但是会造成薄板形零件的非喷涂面沉积涂层，从而影响薄板形零件的尺寸公差，同样对零件的后续装配使用产生不利影响。因此，针对上述方法在对超音速火焰喷涂薄板形零件变形补偿上存在的问题，急需发展研究针对超音速火焰喷涂薄板形零件变形补偿的新方法，以满足薄板形零件的涂层制备及装配使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超音速火焰喷涂薄板形零件的变形补偿方法，在不影响薄板形零件尺寸公差的前提下，最大限度的模拟薄板形零件喷涂过程热输入和颗粒冲击的变形产生方式，有效实现对超音速火焰喷涂薄板形零件变形的等效补偿，保证零件良好的后续使用效果。
本发明的技术方案为：通过在薄板形零件喷涂面反侧的非喷涂面进行超音速火焰喷涂高熔点金属氧化物处理的方式实现对薄板形零件的变形补偿，具体方法为：
1)在薄板形零件喷涂面超音速火焰喷涂涂层后，将薄板形零件翻转并按相同方式进行装夹固定；
2)以熔点大于2000℃的高熔点金属氧化物为喷涂粉料，控制粉料粒径在75～125μm，喷涂距离200～230mm，送粉速率15～18g/min，氧气压力145～155psi，氮气压力130～140psi，丙烷压力75～85psi，氢气压力90～100psi，空气压力90～110psi，氧气流量180～200SLPM，丙烷流量55～60SLPM，空气流量380～400SLPM，对薄板形零件的非喷涂面进行超音速火焰喷涂高熔点金属氧化物处理；
3)超音速火焰喷涂高熔点金属氧化物处理过程喷枪移动速度、步进距离以及每遍间隔时间与喷涂面超音速火焰喷涂涂层时保持一致，处理遍数为喷涂面超音速火焰喷涂涂层遍数的1～1.5倍，使高熔点金属氧化物在基体材料表面沉积，实现对薄板形零件的变形补偿。
所采用的高熔点难沉积氧化物可以为Al2O3或ZrO2或Y2O3或HfO2。
在薄板形零件喷涂表面超音速火焰喷涂的涂层材料可以为金属材料或金属-陶瓷复合材料。
本发明的有益效果为：
针对薄板形零件超音速火焰喷涂涂层过程中因热量输入和颗粒冲击等原因造成的零件变形，采用超音速火焰喷涂高熔点金属氧化物处理的方式，实现对薄板形零件的变形补偿，改善零件的平面度形位公差，保证零件的后续使用效果。由于超音速火焰喷涂具有焰流温度较低(约为2000～3000℃)、粒子速度较快的特点，在制备金属或金属-陶瓷复合涂层时往往能够得到氧化物含量和孔隙率低、结合强度较高的涂层，但是当喷涂粉末为大于2000℃的高熔点金属氧化物时，超音速火焰焰流温度很难将其加热到熔化或半熔化状态，因此很难在零件基体表面实现涂层沉积。本发明利用该特点，针对超音速火焰喷涂薄板形零件的非喷涂表面，以高熔点金属氧化物为喷涂粉料，并通过进一步精细控制粉料尺寸、工艺过程参数，在不实现高熔点金属氧化物在基体表面沉积的条件下，最大程度的模拟薄板形零件超音速火焰喷涂涂层时热量输入和颗粒冲击对零件造成的变形过程，实现对喷涂涂层后薄板形零件的变形补偿。在高熔点金属氧化物喷涂粉料尺寸方面，如果喷涂氧化物粉料粒径过小，会造成某些细小颗粒达到熔融或半熔融状态而在零件表面实现沉积，从而影响非喷涂面的表面状态；如果喷涂氧化物粉料粒径过大，对零件表面冲击过大，会产生零件表层被冲蚀掉的潜在危险，本发明中选择合适的氧化物粉料尺寸为75～125μm。同时，通过对氧气、丙烷等气体流量的合理调节，使超音速火焰焰流具有相对适中的温度，使金属氧化物粉料达不到熔融沉积状态；通过对喷涂距离和送粉速率的调节，使金属氧化物颗粒对薄板形零件非喷涂表面具有适中的冲击力度和冲击密度。最终，通过对上述参数的良好匹配，实现对薄板形零件变形的良好补偿，并通过多次试验，得出在超音速火焰喷涂高熔点金属氧化物处理过程喷枪移动速度、步进距离以及每遍间隔时间与喷涂面超音速火焰喷涂涂层时保持一致条件下，非喷涂面超音速火焰喷涂高熔点金属氧化物处理的遍数为喷涂面超音速火焰喷涂涂层遍数的1～1.5倍。本发明有效解决了采用钣金、热处理、喷丸等手段对超音速火焰喷涂薄板形零件的变形抵消补偿难的问题，通过进行超音速火焰喷涂高熔点金属氧化物处理的方式，有效实现了对喷涂后薄板形零件的变形补偿，改善了零件的平面度形位公差，保证了薄板形零件的后续使用效果。同时本发明实施简便，不需要转换设备，对薄板形零件变形的抵消补偿作用明显，有益效果显著。
附图说明
图1为实施例一薄板形零件1形状示意图。
图2为实施例一薄板形零件1变形补偿过程。
图3为实施例二薄板形零件2形状示意图。
图4为实施例二薄板形零件2变形补偿过程。
附图标记说明：1–薄板形零件1、2–薄板形零件2、A、B–超音速火焰喷涂涂层材料、Ⅰ–超音速火焰喷涂涂层后、Ⅱ–变形补偿后。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
通过在薄板形零件喷涂面反侧的非喷涂面进行超音速火焰喷涂高熔点金属氧化物处理的方式实现对薄板形零件的变形补偿，具体方法为：
1)在薄板形零件喷涂面超音速火焰喷涂涂层后，将薄板形零件翻转并按相同方式进行装夹固定；
2)以熔点大于2000℃的高熔点金属氧化物为喷涂粉料，控制粉料粒径在75～125μm，喷涂距离200～230mm，送粉速率15～18g/min，氧气压力145～155psi，氮气压力130～140psi，丙烷压力75～85psi，氢气压力90～100psi，空气压力90～110psi，氧气流量180～200SLPM，丙烷流量55～60SLPM，空气流量380～400SLPM，对薄板形零件的非喷涂面进行超音速火焰喷涂高熔点金属氧化物处理；
3)超音速火焰喷涂高熔点金属氧化物处理过程喷枪移动速度、步进距离以及每遍间隔时间与喷涂面超音速火焰喷涂涂层时保持一致，处理遍数为喷涂面超音速火焰喷涂涂层遍数的1～1.5倍，从而在不实现高熔点金属氧化物在基体材料表面沉积的条件下通过高速火焰热量输入和颗粒冲击实现对薄板形零件的变形补偿。
实施例1
针对如图1所示的薄板形零件1，首先以碳化钨/钴为喷涂材料，采用超音速火焰喷涂工艺，喷枪移动速度800mm/s，步进距离3mm，每遍喷涂间隔时间25s，对薄板形零件喷涂面喷涂16遍制备得到厚度约130μm的碳化钨/钴金属陶瓷涂层A。超音速火焰喷涂碳化钨/钴涂层过程Ⅰ结束后，将薄板形零件翻转并按相同方式进行装夹固定，以粒径在75～125μm的Al2O3为喷涂粉料，控制喷涂距离200mm，送粉速率15g/min，氧气压力145psi，氮气压力130psi，丙烷压力75psi，氢气压力90psi，空气压力100psi，氧气流量180SLPM，丙烷流量55SLPM，空气流量400SLPM，对薄板形零件的非喷涂面进行超音速火焰喷涂Al2O3处理，处理过程喷枪移动速度、步进距离以及每遍间隔时间与喷涂面超音速火焰喷涂碳化钨/钴涂层时保持一致，非喷涂面超音速火焰喷涂Al2O3处理20遍。超音速火焰喷涂Al2O3处理变形补偿过程Ⅱ结束后，得到平面度小于0.1mm的薄板形涂层零件。
实施例2
针对如图3所示的薄板形零件2，首先以镍铬铝钇(NiCrAlY)为喷涂材料，采用超音速火焰喷涂工艺，喷枪移动速度1000mm/s，步进距离4mm，每遍喷涂间隔时间20s，对薄板形零件喷涂面喷涂10遍制备得到厚度约220μm的NiCrAlY金属涂层B。超音速火焰喷涂碳化钨/钴涂层过程Ⅰ结束后，将薄板形零件翻转并按相同方式进行装夹固定，以粒径在80～100μm的ZrO2为喷涂粉料，控制喷涂距离210mm，送粉速率17g/min，氧气压力150psi，氮气压力140psi，丙烷压力80psi，氢气压力90psi，空气压力100psi，氧气流量200SLPM，丙烷流量60SLPM，空气流量400SLPM，对薄板形零件的非喷涂面进行超音速火焰喷涂ZrO2处理，处理过程喷枪移动速度、步进距离以及每遍间隔时间与喷涂面超音速火焰喷涂NiCrAlY涂层时保持一致，非喷涂面超音速火焰喷涂ZrO2处理15遍。超音速火焰喷涂ZrO2处理变形补偿过程Ⅱ结束后，得到平面度小于0.08mm的薄板形涂层零件。

Claims (3)

1.一种超音速火焰喷涂薄板形零件的变形补偿方法，其特征在于：通过在薄板形零件喷涂面反侧的非喷涂面进行超音速火焰喷涂高熔点金属氧化物处理的方式实现对薄板形零件的变形补偿，具体方法为：
1)在薄板形零件喷涂面超音速火焰喷涂涂层后，将薄板形零件翻转并按相同方式进行装夹固定；
2)以熔点大于2000℃的高熔点金属氧化物为喷涂粉料，控制粉料粒径在75～125μm，喷涂距离200～230mm，送粉速率15～18g/min，氧气压力145～155psi，氮气压力130～140psi，丙烷压力75～85psi，氢气压力90～100psi，空气压力90～110psi，氧气流量180～200SLPM，丙烷流量55～60SLPM，空气流量380～400SLPM，对薄板形零件的非喷涂面进行超音速火焰喷涂高熔点金属氧化物处理；
3)超音速火焰喷涂高熔点金属氧化物处理过程喷枪移动速度、步进距离以及每遍间隔时间与喷涂面超音速火焰喷涂涂层时保持一致，处理遍数为喷涂面超音速火焰喷涂涂层遍数的1～1.5倍，在不实现高熔点金属氧化物在基体材料表面沉积的条件下，实现对薄板形零件的变形补偿。
2.如权利要求1所述的一种超音速火焰喷涂薄板形零件的变形补偿方法，其特征在于：所采用的高熔点金属氧化物包括Al2O3、ZrO2、Y2O3和HfO2。
3.如权利要求1所述的一种超音速火焰喷涂薄板形零件的变形补偿方法，其特征在于：在薄板形零件喷涂表面超音速火焰喷涂的涂层材料包括金属材料和金属-陶瓷复合材料。
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