CN109112466A - 等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法，其包括下列步骤：提供用于制备涂层的金属粉末，金属粉末包括Ni粉、Al粉、Cr粉；将Ni粉和Al粉分别加入送粉器中，设计送粉器的程序，主要是调整送粉器的转速，使Ni粉和Al粉在不同的时间段内出粉体积分数不同，但是两种粉同一时间出粉的体积分数之和相同。本发明等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法能够获得准连续成分的涂层，经过退火处理后,结合物相、成分及性能分析可以快速筛选出优异性能的Ni基合金涂层，即高硬度较小区域所对应的成分，同时在二元成分优化的基础上能够实现多元成分优化的Ni基合金涂层制备，缩短了研发周期。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温合金涂层高通量制备方法，特别是涉及一种等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法。
背景技术
Ni基合金涂层因具有高硬度，低的表面粗糙度，良好的抗氧化性能，以及良好的耐磨和耐热性能等在航空发动机，舰船，汽车等工业领域得到广泛的应用。目前国际上开发的Ni基合金涂层主要有Ni-5Al，Ni-20Al，Ni-Al-Cr，Ni-Al-B, Ni-Al-Fe等，然而随着工业技术的发展，对Ni基合金涂层提出了更高的要求。影响Ni基合金涂层性能最主要的因素是合金中物相的组成，而物相与其成分密切相关。采用高通量的制备和表征方法可以快速建立Ni基合金涂层性能与其成分之间的关系，实现合金成分的最优化，加快Ni基合金涂层的研发速度。
为了更好地适应我国工业发展的需求，在现有Ni基合金涂层的基础上采用等离子喷涂的方法高通量制备和表征Ni基合金涂层，快速建立Ni基合金涂层性能与成分之间的关系，实现优化合金成分的筛选，进而开发出具有自主知识产权的高性能高温合金涂层，对我国工业化的发展具有深远的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法，其能够获得准连续成分的涂层，结合物相、成分及性能分析可以快速筛选出优异性能的Ni基合金涂层，即高硬度较小区域所对应的的成分，同时在二元成分优化的基础上能够实现多元成分优化的的Ni基合金涂层制备，该方法集制备和筛选与一体，大大缩短了研发周期。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法，其包括下列步骤：
步骤一，提供用于制备涂层的金属粉末，金属粉末包括Ni（镍）粉、Al（铝）粉、Cr（铬）粉；
步骤二，将Ni粉和Al粉分别加入送粉器中，设计送粉器的程序，主要是调整送粉器的转速，使Ni粉和Al粉在不同的时间段内出粉体积分数不同，但是两种粉同一时间出粉的体积分数之和相同；
步骤三，打开等离子喷枪开始喷涂实验，同一时间段内，喷涂基底固定不动，该段时间结束后，基底向上方运动一定距离，按步骤二，更换送粉器的转速，使喷出来的Ni粉和Al粉的体积分数按比例改变，从而喷涂出不同成分的Ni基合金涂层，重复上述步骤，而从实现准连续成分的单块涂层的制备，在喷涂的过程中，保持两把喷枪喷出来熔融的粉末能够相互交互在一起；
步骤四，对上述准连续成分的涂层进行退火处理，温度范围400℃~550℃，时间1~10h；准连续成分的涂层由于存在浓度梯度，在热流的作用下，逐渐有高成分向低成分扩散，通过扩散温度和时间的调整，涂层最终能够实现连续梯度成分变化，退火后缓慢冷却至室温；
步骤五，将上述退火处理后的涂层切割成小条，按喷涂设计的成分范围选取多个点进行微区衍射和能谱分析，然后进行显微硬度测试，快速建立涂层硬度与成分和物相的关系，实现优化Ni基成分涂层的筛选，进而获得多个性能优异的Ni基合金成分；
步骤六，选取上述步骤优化的二元合金涂层成分与另外的金属粉重复步骤二到步骤五，从而实现三元成分的Ni基涂层成分的筛选。
优选地，所述送粉器采用多通道送粉，熔融的粉体相互交互，通过送粉量的调整实现准连续成分涂层的制备，对于不同熔点的金属采用不同的能量进行喷涂。
优选地，所述退火处理，主要包括高温元素梯度扩散，硬度，物相和成分快速测试，从而实现优化Ni基成分涂层的筛选。
优选地，所述二元合金涂层成分在二元成分筛选的基础上重复上述过程，可以进行三元成分的筛选，以此类推，可以进行多元成分的筛选。
本发明的积极进步效果在于：本发明等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法能够获得准连续成分的涂层，结合物相、成分及性能分析可以快速筛选出优异性能的Ni基合金涂层，即高硬度较小区域所对应的的成分，同时在二元成分优化的基础上能够实现多元成分优化的的Ni基合金涂层制备，该方法集制备和筛选与一体，大大缩短了研发周期。
附图说明
图1为本发明等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法的实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法包括下列步骤：
步骤一，提供用于制备涂层的金属粉末，金属粉末包括Ni粉、Al粉、Cr粉；
步骤二，将Ni粉和Al粉分别加入送粉器中，设计送粉器的程序，主要是调整送粉器的转速，使Ni粉和Al粉在不同的时间段内出粉体积分数不同，但是两种粉同一时间出粉的体积分数之和相同；
步骤三，打开等离子喷枪开始喷涂实验，同一时间段内，喷涂基底固定不动，该段时间结束后，基底向上方运动一定距离，按步骤二，更换送粉器的转速，使喷出来的Ni粉和Al粉的体积分数按比例改变，从而喷涂出不同成分的Ni基合金涂层，重复上述步骤，而从实现准连续成分的单块涂层的制备，在喷涂的过程中，保持两把喷枪喷出来熔融的粉末能够相互交互在一起；
步骤四，对上述准连续成分的涂层进行退火处理，温度范围400℃~550℃，时间1~10h；准连续成分的涂层由于存在浓度梯度，在热流的作用下，逐渐有高成分向低成分扩散，通过扩散温度和时间的调整，涂层最终能够实现连续梯度成分变化，退火后缓慢冷却至室温；
步骤五，将上述退火处理后的涂层切割成小条，按喷涂设计的成分范围选取多个点进行微区衍射和能谱分析，然后进行显微硬度测试，快速建立涂层硬度与成分和物相的关系，实现优化Ni基成分涂层的筛选，进而获得多个性能优异的Ni基合金成分；
步骤六，选取上述步骤优化的二元合金涂层成分与另外的金属粉重复步骤二到步骤五，从而实现三元成分的Ni基涂层成分的筛选。同时在三元成分筛选的基础上，可以实现四元成分筛选以及更好成分的筛选。
所述送粉器采用多通道送粉，熔融的粉体相互交互，通过送粉量的调整实现准连续成分涂层的制备，对于不同熔点的金属采用不同的能量进行喷涂，突破材料物理属性的限制。
所述退火处理，主要包括高温元素梯度扩散，硬度，物相和成分快速测试，从而实现优化Ni基成分涂层的筛选，进而获得多个性能优异的Ni基合金成分。
所述二元合金涂层成分在二元成分筛选的基础上重复上述过程，可以进行三元成分的筛选，以此类推，可以进行多元成分的筛选，大大缩短研发周期。
在具体实施例中，本发明等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法使用的制备装置包括第一送粉器1、第二等离子喷枪2、第三送粉器3、第四等离子喷枪4、基底5、梯度涂层6，具体步骤如下：
将纯10KgNi粉加入第一送粉器1，3Kg 纯Al粉加入第三送粉器3中，设计送粉器的程序，第一个3min，送粉器Al转速60r/min，第三送粉器3转速0 r/min；第二个3min，送粉器Al转速50r/min，第三送粉器3转速10 r/min；以此类推到第七个3min，送粉器Al转速0r/min，第三送粉器3转速60 r/min；
打开第二等离子喷枪2和第四等离子喷枪4开始喷涂实验，第一个3min内，基底5固定不动，改时间段喷涂结束后，基底5向上方运动20mm，以此类推，基底5逐渐向上方移动；因Ni粉和Al粉的熔点不容，第二等离子喷枪2的功率高于第四等离子喷枪4，在喷涂的过程中，保持两把喷枪喷出来熔融的粉末能够相互交互在一起，喷涂结束后，制备的涂层在纵向呈现准连续成分变化；
对上述准连续成分的涂层进行退火处理，温度范围400℃~550℃，时间1~10h；准连续成分的涂层由于存在浓度梯度，在热流的作用下，逐渐有高成分向低成分扩散，通过扩散温度和时间的调整，涂层最终能够实现连续梯度成分变化，退火后缓慢冷却至室温；
将上述退火处理后的涂层切割成10×14mm小条，按比列选取50个点进行微区衍射和能谱分析，然后进行显微硬度测试，快速建立涂层硬度与成分和物相的关系，实现优化Ni基成分涂层的筛选，进而获得多个性能优异的Ni基合金成分。
本发明涉及一种Ni基合金涂层高通量制备方法，即快速建立Ni基合金涂层成分，物相与性能关系的高通量制备和表征方法，属于材料制备技术领域。本发明采用多工位等离子喷涂技术，实现准连续成分Ni基合金涂层的制备；涂层经后续退火处理，对其进行硬度测试，建立了Ni基合金涂层成分，物相与性能的关系，实现了Ni基合金成分的筛选，进而获得更高优异性能的Ni基合金涂层，加快了高性能Ni基合金涂层的研发进程。
综上所述，本发明等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法能够获得准连续成分的涂层，结合物相、成分及性能分析可以快速筛选出优异性能的Ni基合金涂层，即高硬度较小区域所对应的的成分，同时在二元成分优化的基础上能够实现多元成分优化的的Ni基合金涂层制备，该方法集制备和筛选与一体，大大缩短了研发周期。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法，其特征在于，其包括下列步骤：
步骤一，提供用于制备涂层的金属粉末，金属粉末包括Ni粉、Al粉、Cr粉；
步骤二，将Ni粉和Al粉分别加入送粉器中，设计送粉器的程序，主要是调整送粉器的转速，使Ni粉和Al粉在不同的时间段内出粉体积分数不同，但是两种粉同一时间出粉的体积分数之和相同；
步骤三，打开等离子喷枪开始喷涂实验，同一时间段内，喷涂基底固定不动，该段时间结束后，基底向上方运动一定距离，按步骤二，更换送粉器的转速，使喷出来的Ni粉和Al粉的体积分数按比例改变，从而喷涂出不同成分的Ni基合金涂层，重复上述步骤，而从实现准连续成分的单块涂层的制备，在喷涂的过程中，保持两把喷枪喷出来熔融的粉末能够相互交互在一起；
步骤四，对上述准连续成分的涂层进行退火处理，温度范围400℃~550℃，时间1~10h；准连续成分的涂层由于存在浓度梯度，在热流的作用下，逐渐有高成分向低成分扩散，通过扩散温度和时间的调整，涂层最终能够实现连续梯度成分变化，退火后缓慢冷却至室温；
步骤五，将上述退火处理后的涂层切割成小条，按喷涂设计的成分范围选取多个点进行微区衍射和能谱分析，然后进行显微硬度测试，快速建立涂层硬度与成分和物相的关系，实现优化Ni基成分涂层的筛选，进而获得多个性能优异的Ni基合金成分；
步骤六，选取上述步骤优化的二元合金涂层成分与另外的金属粉重复步骤二到步骤五，从而实现三元成分的Ni基涂层成分的筛选。
2.如权利要求1所述的等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法，其特征在于，所述送粉器采用多通道送粉，熔融的粉体相互交互，通过送粉量的调整实现准连续成分涂层的制备，对于不同熔点的金属采用不同的能量进行喷涂。
3.如权利要求1所述的等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法，其特征在于，所述退火处理主要包括高温元素梯度扩散，硬度，物相和成分快速测试，从而实现优化Ni基成分涂层的筛选。
4.如权利要求1所述的等离子喷涂Ni基高温合金涂层高通量制备方法，其特征在于，所述二元合金涂层成分在二元成分筛选的基础上重复上述过程，可以进行三元成分的筛选，以此类推，进行多元成分的筛选。
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