CN108165974A - 感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法 - Google Patents

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李争显
黄春良
王少鹏
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Abstract

本发明公开了一种感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，该方法包括：一、将硬基体的表面依次进行除油、除锈和清洗处理；二、将金属粉末装入高压送粉器中，再向感应线圈中通入电流，使硬基体的表面加热；三、调节低压冷喷涂控制器并打开阀门，使气源中的载气进入载气加热器中进行预热，然后进入步骤二中所述高压送粉器中，带动金属粉末经过喷嘴喷涂在硬基体上，形成涂层。该方法在硬基体的周围设置感应线圈，产生感应电流使硬基体表面升温，降低了硬基体的表面硬度，增强了金属颗粒撞击硬基体过程中发生的塑性流变，提高了低压冷喷涂涂层与硬基体之间的结合强度。

Description

感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法
技术领域
本发明属于材料复合表面改性技术领域，具体涉及一种感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法。
背景技术
冷喷涂技术是一种以预热压缩气体(氮气、氦气或混合气体)为加速介质，带动金属颗粒在固态下以极高的速度撞击基体，通过金属颗粒发生强烈塑性变形的方式沉积形成涂层的技术。金属颗粒在沉积过程不发生冶金现象，而是在保持固态的情况下通过塑性变形的方式与基体形成物理结合，避免了热喷涂沉积过程中可能发生的成分、组织结构的变化，因此适用于温度敏感材料(如纳米材料、非晶材料等)、易氧化材料(如铝、铜、钛等)和易相变材料(如碳基复合材料等)的涂层制备。但热喷涂技术通过燃烧火焰(温度均高于2000℃)、电弧(温度达到5000℃以上)或等离子体(温度高达16000℃))使金属颗粒在沉积过程中发生熔化或半熔化现象，因此形成的涂层与基体之间除了物理结合还存在冶金融合，结合强度较好；而冷喷涂技术的金属颗粒在沉积过程中不发生熔化，预热载气主要增加金属颗粒的飞行速度，对金属颗粒的温度影响不大，因此形成的涂层与基体之间完全依靠机械咬合的方式物理结合，结合强度差。冷喷涂涂层与基体的结合强度与金属颗粒以及基体的硬度有直接关系，金属颗粒硬度越低越容易沉积，基体硬度越低，涂层与基体的结合强度越高。
授权公告号为CN103469197B的发明专利公开了一种在硬基体上通过激光辅助冷喷涂获得硬质颗粒涂层的方法，该方法将激光直接作用在硬基体上进行加热，降低了颗粒表层和硬基体表面的硬度，提高了硬质颗粒的塑性变形能力，实现了硬质颗粒的冷喷涂，但由于激光照射与粉末喷涂的方向不一，使喷涂点处的激光能量分布不均，导致涂层厚度不均匀，并且激光波长对硬基体的激光吸收率有影响，限制了该方法的使用范围。另外，激光直接对硬基体加热的作用方式会使活泼金属基体材料发生氧化燃烧，进一步限制了方法的使用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法。该方法在硬基体的周围设置感应线圈，产生感应电流使硬基体表面迅速升温加热，降低了硬基体的表面硬度，增强了金属颗粒撞击硬基体过程中发生的塑性流变，提高了金属颗粒与硬基体的结合紧密程度，从而提高了低压冷喷涂涂层与硬基体之间的结合强度。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将硬基体的表面依次进行除油、除锈和清洗处理；所述硬基体的材质为金属，所述硬基体的硬度HRC大于20；
步骤二、将金属粉末装入高压送粉器中，然后调节硬基体与喷嘴之间的距离、以及感应线圈与硬基体之间的位置和距离，再向感应线圈中通入电流，使硬基体的表面加热，加热后所述硬基体表面的温度为500℃～1200℃；
步骤三、调节低压冷喷涂控制器并打开阀门，使气源中的载气进入载气加热器中进行预热，然后进入步骤二中所述高压送粉器中，带动金属粉末经过喷嘴喷涂在硬基体上，形成涂层；所述喷涂的压力不大于1.5MPa。
上述的感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，其特征在于，步骤一中所述清洗处理后的硬基体的表面粗糙度Ra≤6.4μm。
上述的感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，其特征在于，步骤二中所述金属粉末为钛粉末、钛合金粉末、钽粉末、铌粉末或锆粉末。
上述的感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，其特征在于，步骤二中所述金属粉末的形状为球形或类球形，金属粉末的粒度为10μm～50μm。
上述的感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，其特征在于，步骤二中所述硬基体与喷嘴之间的距离为10mm～50mm，所述感应线圈设置在硬基体的正上方，或者环套在硬基体上，感应线圈与硬基体之间的距离为1mm～5mm。
上述的感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，其特征在于，步骤二中所述感应线圈为高频感应线圈，所述高频感应线圈的加热功率为3kW～320kW，加热频率为50kHz～100kHz，加热响应速度不大于0.5s。
上述的感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，其特征在于，步骤三中所述载气为惰性气体或氮气，所述载气预热的温度为25℃～300℃。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明在硬基体的周围设置感应线圈，在进行冷喷涂时，先向感应线圈中通入电流，使感应线圈产生磁场，磁场中高密度的磁力线切割硬基体产生感应电流，并使硬基体中的电流趋向表面流通，引起“集肤效应”，从而使硬基体表面迅速升温加热，降低了硬基体的表面硬度，增强了金属颗粒撞击硬基体过程中发生的塑性流变，提高了金属颗粒与硬基体的结合紧密程度，从而提高了低压冷喷涂涂层与硬基体之间的结合强度。
2、本发明中的感应线圈设置在喷嘴的正下方，且喷嘴对硬基体进行垂直喷涂，因此在低压冷喷涂过程中，硬基体上的加热区与冷喷涂点重合，喷嘴中的金属颗粒在硬基体上的塑性流变较为均匀，因此形成的涂层厚度也较为均匀；并且可以通过移动夹具实现感应线圈和喷嘴的同步运动，进一步保证了硬基体上的加热区与冷喷涂点的重合性，同时也增加了方法的可操作性。
3、本发明中的感应线圈通过磁场对硬基体进行加热，与硬基体不产生直接接触，从而避免了活泼金属材料的硬基体在低压冷喷涂过程中的氧化和烧蚀，扩大了硬基体的适用范围；另外，感应线圈的加热效率不受硬基体的材质的影响，进一步扩大了硬基体的适用范围。
4、本发明利用感应线圈对硬基体进行加热，当感应线圈设置在硬基体的正上方时，感应线圈同一截面上各点与硬基体的距离相等，当感应线圈均匀环套在硬基体上时，同一匝线圈上各点与硬基体的距离相等，因此硬基体上的加热区各点处受热均匀，冷喷涂时金属颗粒在各冷喷涂点的沉积效率相同，最终形成的冷喷涂涂层厚度均匀；另外，感应线圈的设备成本和加热成本均较低，节省了冷喷涂工艺的成本。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明感应加热低压冷喷涂设备的装置示意图。
图2是本发明实施例1中感应线圈与硬基体的位置关系示意图。
图3是本发明实施例1形成的TC4钛合金涂层与45钢结合界面的SEM图。
图4是本发明实施例2中感应线圈与硬基体的位置关系示意图。
附图标记说明
1—低压冷喷涂设备电源； 2—低压冷喷涂控制器； 3—载气加热器；
4—阀门； 5—第一气体运输管道； 6—气源；
7—第二气体运输管道； 8—高压送粉器； 9—喷嘴；
10—感应线圈； 11—感应线圈电源； 12—硬基体；
13—夹具。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例1～实施例3中所用的感应加热低压冷喷涂设备包括低压冷喷涂控制器2，所述低压冷喷涂控制器2通过电线分别与低压冷喷涂设备电源1、载气加热器3、气源6和高压送粉器8连接，所述载气加热器3和气源6通过第一气体运输管道5连接，所述第一气体运输管道5上设置有阀门4，所述载气加热器3和高压送粉器8通过第二气体运输管道7连通，所述高压送粉器8的一端连接有对硬基体12进行垂直喷涂的喷嘴9，所述喷嘴9的正下方设置有对硬基体12进行加热的感应线圈10，所述感应线圈10通过电线与感应线圈电源11连接，所述喷嘴9和感应线圈10均固定安装在夹具13上。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将45钢的表面依次进行除油、除锈和清洗处理；所述45钢的尺寸为100mm×50mm×10mm，硬度HRC为25，所述清洗处理后的45钢的表面粗糙度Ra为6.4μm；
步骤二、将TC4钛合金粉末装入高压送粉器8中，然后调节45钢与喷嘴9之间的距离为10mm，将感应线圈10设置在45钢的正上方，调节感应线圈10与45钢之间的距离为1mm，再向感应线圈10中通入电流，使45钢的表面加热，加热后所述45钢表面的温度为500℃；所述TC4钛合金粉末的形状为类球形，粒度为10μm；所述感应线圈10为高频感应线圈，所述高频感应线圈的加热功率为3kW，加热频率为50kHz，加热响应速度为0.5s；
步骤三、调节低压冷喷涂控制器2，打开阀门4，使气源6中的氦气进入载气加热器3中并预热至25℃，然后进入步骤二中所述高压送粉器8中，带动TC4钛合金粉末经过喷嘴9喷涂在45钢上，形成TC4钛合金涂层；所述喷涂的压力为1.5MPa，喷涂的速度为50mm/s。
本实施例中的金属粉末还可为钛粉末、钽粉末、铌粉末或锆粉末。
图2是本实施例中感应线圈与硬基体的位置关系示意图，从图2可以看出，本发明的高频感应线圈设置在45钢的正上方，高频感应线圈同一截面上各点与45钢的距离相等，因此45钢上的加热区各点处受热均匀，冷喷涂时TC4钛合金粉末在各冷喷涂点的沉积效率相同，最终形成的冷喷涂涂层厚度均匀。
图3是本实施例形成的TC4钛合金涂层与45钢结合界面的SEM图，从图3可以看出，本实施例沉积形成的TC4钛合金涂层与45钢在结合界面形成了良好的机械咬合，说明高频感应加热作用有效的增强了TC4钛合金涂层与45钢之间的结合强度。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将3Cr13不锈钢棒的表面依次进行除油、除锈和清洗处理；所述3Cr13不锈钢棒的直径为100mm，硬度HRC为35，所述清洗处理后的3Cr13不锈钢棒的表面粗糙度Ra为3.2μm；
步骤二、将TA1钛合金粉末装入高压送粉器8中，然后调节3Cr13不锈钢棒与喷嘴9之间的距离为50mm，将感应线圈10环套在3Cr13不锈钢棒上，调节感应线圈10与3Cr13不锈钢棒之间的距离为5mm，向感应线圈10中通入电流，使3Cr13不锈钢棒的表面加热，加热后所述3Cr13不锈钢棒表面的温度为1200℃；所述TA1钛合金粉末的形状为球形，粒度为50μm；所述感应线圈10为高频感应线圈，所述高频感应线圈的加热功率为150kW，加热频率为75kHz，加热响应速度为0.25s；
步骤三、调节低压冷喷涂控制器2，打开阀门4，使气源6中的氮气进入载气加热器3中预热至150℃，然后进入步骤二中高压送粉器8中，带动TA1钛合金粉末经过喷嘴9喷涂在3Cr13不锈钢棒上，同时3Cr13不锈钢棒围绕其中心轴线匀速转动，形成TA1钛合金粉末涂层；所述喷涂的压力为1MPa，喷涂的速度为20mm/s；所述3Cr13不锈钢棒的转速为120rpm。
本实施例中的金属粉末还可为钛粉末、钽粉末、铌粉末或锆粉末。
图4是本实施例中感应线圈与硬基体的位置关系示意图，从图4可以看出，本实施例中高频感应线圈环套在3Cr13不锈钢棒上，同一匝线圈上各点与3Cr13不锈钢棒的距离相等，因此3Cr13不锈钢棒上的加热区各点处受热均匀，冷喷涂时金属颗粒在各冷喷涂点的沉积效率相同，最终形成的冷喷涂涂层厚度均匀。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将高速钢的表面依次进行除油、除锈和清洗处理；所述高速钢的牌号为W6Mo5Cr4V2，高速钢的尺寸为100mm×50mm×10mm，硬度为HRC 55；所述清洗处理后的高速钢的表面粗糙度Ra为4.5μm；
步骤二、将钽粉末装入高压送粉器8中，然后调节高速钢与喷嘴9之间的距离为30mm，将高频感应线圈10设置在高速钢的正上方，调节感应线圈10与高速钢之间的距离为3mm，向感应线圈10中通入电流，使高速钢的表面加热，加热后所述高速钢表面的温度为800℃；所述钽粉末的形状为球形，粒度为30μm；所述感应线圈10为高频感应线圈，所述高频感应线圈的加热功率为320kW，加热频率为100kHz，加热响应速度为0.1s；
步骤三、调节低压冷喷涂控制器2，打开阀门4，使气源6中的氮气进入载气加热器3中预热至300℃，然后进入步骤二中所述高压送粉器8中，带动钽粉末经过喷嘴9喷涂在高速钢上，形成钽涂层；所述喷涂的压力为0.5MPa，喷涂的速度为50mm/s。
本实施例中的金属粉末还可为钛粉末、钛合金粉末、铌粉末或锆粉末。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将硬基体(12)的表面依次进行除油、除锈和清洗处理；所述硬基体(12)的材质为金属，所述硬基体(12)的硬度HRC大于20；
步骤二、将金属粉末装入高压送粉器(8)中，然后调节硬基体(12)与喷嘴(9)之间的距离、以及感应线圈(10)与硬基体(12)之间的位置和距离，再向感应线圈(10)中通入电流，使硬基体(12)的表面加热，加热后所述硬基体(12)表面的温度为500℃～1200℃；
步骤三、调节低压冷喷涂控制器(2)并打开阀门(4)，使气源(6)中的载气进入载气加热器(3)中进行预热，然后进入步骤二中所述高压送粉器(8)中，带动金属粉末经过喷嘴(9)喷涂在硬基体(12)上，形成涂层；所述喷涂的压力不大于1.5MPa。
2.根据权利要求1所述的感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，其特征在于，步骤一中所述清洗处理后的硬基体的表面粗糙度Ra≤6.4μm。
3.根据权利要求1所述的感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，其特征在于，步骤二中所述金属粉末为钛粉末、钛合金粉末、钽粉末、铌粉末或锆粉末。
4.根据权利要求1所述的感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，其特征在于，步骤二中所述金属粉末的形状为球形或类球形，金属粉末的粒度为10μm～50μm。
5.根据权利要求1所述的感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，其特征在于，步骤二中所述硬基体(12)与喷嘴(9)之间的距离为10mm～50mm，所述感应线圈(10)设置在硬基体(12)的正上方，或者环套在硬基体(12)上，感应线圈(10)与硬基体(12)之间的距离为1mm～5mm。
6.根据权利要求1所述的感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，其特征在于，步骤二中所述感应线圈(10)为高频感应线圈，所述高频感应线圈的加热功率为3kW～320kW，加热频率为50kHz～100kHz，加热响应速度不大于0.5s。
7.根据权利要求1所述的感应加热增强低压冷喷涂涂层与硬基体结合强度的方法，其特征在于，步骤三中所述载气为惰性气体或氮气，所述载气预热的温度为25℃～300℃。
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