CN107904547A - 一种钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法，将钛合金工件不需要喷涂的表面遮盖保护，将需喷涂的表面暴露出来；对暴露的工件表面进行喷砂粗化；采用超音速等离子喷涂系统和等离子喷枪，在清洗后的表面喷涂一层镍铝包覆粉涂层，在镍铝包覆粉涂层上喷涂钴铬钨面层。本发明采用超音速等离子喷涂技术制备耐磨耐高温涂层的方法，得到的涂层致密，涂层表面均匀，涂层与工件的结合强度良好，涂层硬度达到要求，能够很好的满足在高温(500℃)条件下耐磨的技术要求。

Description

一种钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐磨耐高温涂层，特别是涉及一种钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法。
背景技术
由于钛合金具有低密度，高比强度和比模量等优势，在航空、航天、生物医疗、石油化工等领域的应用日益广泛，然而因钛合金导热性差、硬度低、耐磨性差、摩擦时易发热粘着等特性，限制了钛合金的应用。
如何有效地提高钛合金耐磨性能以及耐高温性能，已成为诸多学者研究的热点。
由钛合金材料本身着手进行的提高，受材料标准以及材料特性的限制，已经不能再大幅度提高其耐高温及耐磨性。所以，研究和发展钛合金材料的表面处理技术就具有重大的技术和经济意义。而表面处理技术也在这种需求的推动下得到了快速的发展和提高。热喷涂技术就是其中之一，所谓热喷涂，就是利用某种热源，如电弧、等离子弧、火焰等将粉末状或丝状的金属或非金属喷涂材料加热到熔融或半熔化状态，然后靠热源自身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的工件材料表面，依靠喷涂材料的物理变化和化学变化，与工件材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层技术。按热源分，热喷涂又分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和激光喷涂等。在材料表面采用等离子喷涂技术制备涂层，能大幅度提高材料的耐磨、耐腐蚀性能，是减少部件损耗的有效方法，成为表面强化的首选方法。通过等离子喷涂技术进行材料表面的处理，可以很好的提高材料的使用寿命和安全性。
现阶段的针对钛合金的热喷涂涂层不能有效兼顾耐高温、耐磨的性能要求，传统的耐高温涂层一般选用陶瓷类涂层，此类涂层较脆在复杂受力环境下，容易脱落。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法，通过表面处理的方法进一步提高钛合金的耐高温以及耐磨性，得到的涂层致密、表面均匀，涂层与工件的结合强度良好。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)工件表面保护：将钛合金工件不需要喷涂的表面遮盖保护，将需喷涂的表面暴露出来；
2)喷砂粗化：对暴露的工件表面进行喷砂粗化；
3)热喷涂：采用超音速等离子喷涂系统和等离子喷枪，在清洗后的表面喷涂一层镍铝包覆粉涂层，在镍铝包覆粉涂层上喷涂钴铬钨面层。
本发明进一步的改进在于，喷砂粗化后的工件表面粗糙度Ra≥12.5um。
本发明进一步的改进在于，喷涂的工艺参数为：功率为40～60KW，送粉速率为30～50g·min-1，主汽流量为100～130L·min-1，喷涂距离为50～100mm。
本发明进一步的改进在于，镍铝包覆粉涂层的厚度为50～100μm。
本发明进一步的改进在于，钴铬钨面层的厚度为100～200μm。
本发明进一步的改进在于，镍铝包覆粉涂层的材料为镍铝包覆粉。
本发明进一步的改进在于，钴铬钨面层的材料为钴铬钨合金粉末。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明选用镍铝包覆粉(底层)与钴铬钨合金粉(面层)两种材料，通过超音速等离子喷涂技术制备钛合金耐磨耐高温涂层，得到的涂层致密，涂层表面均匀，涂层与工件的结合强度良好，并且涂层表面合金颗粒无脱落，具有足够的硬度，可满足使用环境下耐磨性要求。本发明针对较高的瞬时使用温度，以及使用过程中受接触磨损的使用环境，制备了一种同时兼具耐高温、耐磨的钛合金零件用涂层，能够满足航空、航天、精密机械加工等行业的产品要求，并且本发明提高了制备镍基合金涂层的工作效率，降低了成本，利于批量生产。
附图说明
图1为喷涂后的工件表面涂层的整体照片；
图2为喷涂后的工件表面涂层的局部照片。
图3为涂层的金相照片。
具体实施方式
本发明中的工件材料为钛合金；涂层材料底层选用镍铝包覆粉，面层选用钴铬钨粉，镍铝包覆粉的化学成分为(质量百分比，％)：Ni：80％、Al：20％(质量百分比，％)。钴铬钨合金粉末的化学成分为(质量百分比，％)W：3.0～6.0％，Cr：25.0～32.0％，Si：1.4～2.0％，C：0.7～1.4％，Co为余量。
本发明的钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)工件表面加工：工件按照图纸加工到相应尺寸后，表面需清除加工过程中形成的熔滴以及毛刺等缺陷；
2)工件表面保护：采用遮蔽胶带将工件不需要喷涂的表面遮盖保护，将需喷涂的表面暴露出来；
3)喷砂粗化：对暴露的工件表面进行喷砂粗化，喷砂粗化后的工件表面粗糙度Ra≥12.5um；
4)工件表面清洗：对喷砂粗化后的工件表面进行清洗；
5)热喷涂：采用超音速等离子喷涂系统和等离子喷枪，在经清洗后的表面喷涂一层厚度为50～100μm的镍铝包覆粉涂层，喷涂完后，于空气中自然冷却，得到镍铝包覆粉底层；在镍铝包覆粉底层上喷涂100～200μm的钴铬钨面层，其中，喷涂的工艺参数：功率为40～60KW，送粉速率为30～50g·min-1，主汽流量为100～130L·min-1，喷涂距离为50～100mm。
6)涂层表面加工：采用内圆磨、外圆磨或平面磨床等设备，磨削涂层表面至产品要求尺寸。
完成步骤1)、2)、3)、4)后将工件放置在工装夹具上再进行步骤5)。
所述镍铝包覆粉涂层的材料为镍铝包覆粉，钴铬钨面层的材料为钴铬钨合金粉末。
下面通过具体实施例对本发明做详细说明。
实施例1
1)工件表面清理：将加工好的工件表面清理干净，无毛刺结疤等缺陷。采用遮蔽胶带将钛合金工件不需要喷涂的表面遮盖保护，将需喷涂的表面暴露出来；
2)喷砂粗化：以白刚玉砂为介质，对暴露的工件表面进行喷砂粗化，喷砂粗化后的工件表面粗糙度Ra≥12.5um；
3)工件表面清洗：采用丙酮清洗喷砂粗化后的工件表面；
4)装夹：将工件放置夹具上；
5)热喷涂：采用超音速等离子喷涂系统、等离子喷枪，在工件经清洗后的表面喷涂一层厚度50μm的镍铝包覆粉底层，喷涂工艺参数为：功率为40KW，送粉速率为30g·min-1，主汽流量为100L·min-1，喷涂距离为50mm。待工件完全冷却后，在再工件表面喷涂一层厚度为100μm的钴铬钨粉，工艺参数与底层相同。
6)涂层表面加工：采用内圆磨床将涂层磨削至图纸要求尺寸。
实施例2
1)工件表面清理：将加工好的工件表面清理干净，无毛刺结疤等缺陷。采用遮蔽胶带将钛合金工件不需要喷涂的表面遮盖保护，将需喷涂的表面暴露出来；
2)喷砂粗化：以白刚玉砂为介质，对暴露的工件表面进行喷砂粗化，喷砂粗化后的工件表面粗糙度Ra≥12.5um；
3)工件表面清洗：采用丙酮清洗喷砂粗化后的工件表面；
4)装夹：将工件放置夹具上；
5)热喷涂：采用超音速等离子喷涂系统、等离子喷枪，在工件经清洗后的表面喷涂一层厚度100μm的镍铝包覆粉底层，喷涂工艺参数为：功率为40KW，送粉速率为30g·min-1，主汽流量为100L·min-1，喷涂距离为100mm。采用氩气吹气冷却工件。待工件完全冷却后，在再工件表面喷涂一层厚度为200μm的钴铬钨粉。
6)涂层表面加工：采用平面磨床将涂层磨削至图纸要求尺寸。
实施例3
1)工件表面清理：将加工好的工件表面清理干净，无毛刺结疤等缺陷。采用遮蔽胶带将钛合金工件不需要喷涂的表面遮盖保护，将需喷涂的表面暴露出来；
2)喷砂粗化：以白刚玉砂为介质，对暴露的工件表面进行喷砂粗化，喷砂粗化后的工件表面粗糙度Ra≥12.5um；
3)工件表面清洗：采用丙酮清洗喷砂粗化后的工件表面；
4)装夹：将工件放置夹具上；
5)热喷涂：采用超音速等离子喷涂系统、等离子喷枪，在工件经清洗后的表面喷涂一层厚度50μm的镍铝包覆粉底层，喷涂工艺参数为：功率为40KW，送粉速率为50g·min-1，主汽流量为130L·min-1，喷涂距离为100mm。采用氩气吹气冷却工件。待工件完全冷却后，在再工件表面喷涂一层厚度为100μm的钴铬钨粉。
6)涂层表面加工：采用内圆磨床将涂层磨削至图纸要求尺寸。
实施例4
1)工件表面清理：将加工好的工件表面清理干净，无毛刺结疤等缺陷。采用遮蔽胶带将钛合金工件不需要喷涂的表面遮盖保护，将需喷涂的表面暴露出来；
2)喷砂粗化：以白刚玉砂为介质，对暴露的工件表面进行喷砂粗化，喷砂粗化后的工件表面粗糙度Ra≥12.5um；
3)工件表面清洗：采用丙酮清洗喷砂粗化后的工件表面；
4)装夹：将工件放置夹具上；
5)热喷涂：采用超音速等离子喷涂系统、等离子喷枪，在工件经清洗后的表面喷涂一层厚度70μm的镍铝包覆粉底层，喷涂工艺参数为：功率为40KW，送粉速率为50g·min-1，主汽流量为130L·min-1，喷涂距离为100mm。采用氩气吹气冷却工件。待工件完全冷却后，在再工件表面喷涂一层厚度为150μm的钴铬钨粉。
6)涂层表面加工：采用内圆磨床将涂层磨削至图纸要求尺寸。
表1本发明制得的涂层硬度测试结果
图1和图2为本发明制得的涂层的照片，图3为本发明制得的涂层的金相照片，表1为本发明制得的涂层硬度测试结果，从图1和图2上可以看出本发明制备的涂层表面合金颗粒无脱落，从图3可以看出本发明制备的涂层致密并且涂层表面均匀。从表1可以看出本发明制备的涂层硬度较基体有大幅度提高。
实施例5
1)工件表面清理：将加工好的工件表面清理干净，无毛刺结疤等缺陷。采用遮蔽胶带将钛合金工件不需要喷涂的表面遮盖保护，将需喷涂的表面暴露出来；
2)喷砂粗化：以白刚玉砂为介质，对暴露的工件表面进行喷砂粗化，喷砂粗化后的工件表面粗糙度Ra≥12.5um；
3)工件表面清洗：采用丙酮清洗喷砂粗化后的工件表面；
4)装夹：将工件放置夹具上；
5)热喷涂：采用超音速等离子喷涂系统、等离子喷枪，在工件经清洗后的表面喷涂一层厚度60μm的镍铝包覆粉底层，喷涂工艺参数为：功率为50KW，送粉速率为35g·min-1，主汽流量为120L·min-1，喷涂距离为80mm。采用氩气吹气冷却工件。待工件完全冷却后，在再工件表面喷涂一层厚度为170μm的钴铬钨粉。
6)涂层表面加工：采用内圆磨床将涂层磨削至图纸要求尺寸。
实施例6
1)工件表面清理：将加工好的工件表面清理干净，无毛刺结疤等缺陷。采用遮蔽胶带将钛合金工件不需要喷涂的表面遮盖保护，将需喷涂的表面暴露出来；
2)喷砂粗化：以白刚玉砂为介质，对暴露的工件表面进行喷砂粗化，喷砂粗化后的工件表面粗糙度Ra≥12.5um；
3)工件表面清洗：采用丙酮清洗喷砂粗化后的工件表面；
4)装夹：将工件放置夹具上；
5)热喷涂：采用超音速等离子喷涂系统、等离子喷枪，在工件经清洗后的表面喷涂一层厚度60μm的镍铝包覆粉底层，喷涂工艺参数为：功率为50KW，送粉速率为35g·min-1，主汽流量为120L·min-1，喷涂距离为80mm。采用氩气吹气冷却工件。待工件完全冷却后，在再工件表面喷涂一层厚度为170μm的钴铬钨粉。
6)涂层表面加工：采用内圆磨床将涂层磨削至图纸要求尺寸。
本发明将工件需喷涂表面加工平整后去除毛刺，对不需要喷涂的表面进行保护后，对需喷涂的表面进行喷砂粗化，再经过清洗，采用超音速等离子喷涂系统和等离子喷枪，在经清洗后的表面喷涂一层厚度为50～100μm的镍铝包覆粉涂层，喷涂完后，于空气中自然冷却，得到镍铝包覆粉底层；待工件冷却后，在底层上喷涂100～200μm的面层钴铬钨粉，其中，喷涂的工艺参数：功率为40～60KW，送粉速率为30～50g·min-1，主汽流量为100～130L·min-1，喷涂距离为50～100mm。本发明采用超音速等离子喷涂技术制备耐磨耐高温涂层的方法，得到的涂层致密，涂层表面均匀，涂层与工件的结合强度良好，涂层硬度达到要求，能够很好的满足在高温(500℃)条件下耐磨的技术要求。

Claims (7)

1.一种钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)工件表面保护：将钛合金工件不需要喷涂的表面遮盖保护，将需喷涂的表面暴露出来；
2)喷砂粗化：对暴露的工件表面进行喷砂粗化；
3)热喷涂：采用超音速等离子喷涂系统和等离子喷枪，在清洗后的表面喷涂一层镍铝包覆粉涂层，在镍铝包覆粉涂层上喷涂钴铬钨面层。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法，其特征在于，喷砂粗化后的工件表面粗糙度Ra≥12.5um。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法，其特征在于，喷涂的工艺参数为：功率为40～60KW，送粉速率为30～50g·min-1，主汽流量为100～130L·min-1，喷涂距离为50～100mm。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法，其特征在于，镍铝包覆粉涂层的厚度为50～100μm。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法，其特征在于，钴铬钨面层的厚度为100～200μm。
6.根据权利要求1所述的一种钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法，其特征在于，镍铝包覆粉涂层的材料为镍铝包覆粉。
7.根据权利要求1所述的一种钛合金耐磨耐高温涂层的制备方法，其特征在于，钴铬钨面层的材料为钴铬钨合金粉末。
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