CN109266997B - 一种适用于高温环境的金属工件双层涂层及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于高温环境的金属工件双层涂层及其制作方法。这种适用于高温环境的金属工件双层涂层是通过以下的制作方法得到的：1)预处理：将金属工件进行表面除油，喷砂粗化，清洗；2)喷涂：将预处理后的金属工件进行预热，采用大气等离子喷涂设备进行喷涂，先在金属工件表面喷涂陶瓷内层，再加热，喷涂金属外层，然后在所得的涂层侧面喷涂金属层；3)热处理：将喷涂后的金属工件进行真空热处理，气淬。本发明在陶瓷层上涂覆一层金属层，一方面减少陶瓷精加工的高成本，另一方面，各种耐腐蚀或耐磨损的合金材料能得到应用。此外，金属熔点比陶瓷低，通过热处理工艺能改变涂层的力学性能。

Description

一种适用于高温环境的金属工件双层涂层及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种适用于高温环境的金属工件双层涂层及其制作方法。
背景技术
现代重型柴油机的热效率值约45％，大约30％的能量从排气口流失，约20％的能量由冷却水带走。在发动机缸体内壁涂覆热障涂层能减小热量的流失和提高热效率，但陶瓷加工成本高，不利于缸套内壁的精磨，陶瓷的高熔点也使得其涂层孔隙率比金属涂层孔隙率高，磨屑和碳黑容易嵌入涂层孔隙内；此外，陶瓷磨粒硬度高，易加剧缸壁的磨损或随废气排出冲蚀涡轮机的叶片。
陶瓷作为表面层，比如CN105063542A公开了一种具有耐磨功能的热障涂层及其制作方法，该技术方案的外表主要是陶瓷材料，在对磨过程中剥落的高硬度陶瓷颗粒作为第三研磨体，易造成磨粒磨损。
梯度涂层可以缓解因热膨胀系数不同而产生的失配应力，比如CN1743089A公开了一种自蔓延喷涂连轧制备金属陶瓷梯度涂层钢板的方法，但该技术方案在高温下金属层易氧化，梯度涂层的氧化物分布于整个涂层厚度方向，因此降低涂层抗裂性能。
通过冶金烧铸的双层结构涂层，比如CN101823138A公开了制作内耐磨陶瓷层外金属层且呈无间隙冶金结合状复合管的方法及产品，可广泛应用于耐压、耐磨、耐酸碱管道输送要求高的行业，但受限于有金属浇铸设置的企业和管状的基体形状。CN102146563A公开了具有激光熔覆层和隔热涂层的智能调温钢轨生产工艺，该技术方案用喷涂法或刷涂法在钢轨表面涂覆第一层防腐防晒降温涂料涂层后，再涂覆第二层防晒隔热涂料，该冷镀涂层不适用于超过800℃的高温环境。
发明内容
本发明的目的在于提供克服现有技术的不足，从而提供一种适用于高温环境(≥800℃)的金属工件双层涂层及其制作方法，所得的涂层具有良好的结合力和隔热、耐腐蚀性能。
本发明所采取的技术方案是：
一种适用于高温环境的金属工件双层涂层的制作方法，包括以下步骤：
1)预处理：将金属工件进行表面除油，喷砂粗化，清洗；
2)喷涂：将预处理后的金属工件进行预热，采用大气等离子喷涂设备进行喷涂，先在金属工件表面喷涂陶瓷内层，再加热，喷涂金属外层，然后在所得的涂层侧面喷涂金属层；
3)热处理：将喷涂后的金属工件进行真空热处理，气淬。
优选的，双层涂层制作方法的步骤1)中，表面除油具体是将金属工件放在装有除油液的容器中，然后进行超声除油。
进一步的，双层涂层制作方法的步骤1)中，表面除油所用的除油液为本领域的常规原料，可由碱性物质(如氢氧化钠、纯碱或硅酸钠)、表面活性剂(如脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚)等组成。
优选的，双层涂层制作方法的步骤1)中，超声除油具体是在28kHz～40kHz频率的超声波场内除油。
优选的，双层涂层制作方法的步骤1)中，喷砂粗化是将金属工件放入喷砂机粗化，具体的工作参数如下：工作压力0.4MPa～0.8MPa；喷射角30°～60°；喷嘴距工作面的距离为100mm～200mm。
优选的，双层涂层制作方法的步骤1)中，喷砂粗化后金属工件表面的粗糙度为60μm～100μm。
优选的，双层涂层制作方法的步骤1)中，清洗为超声清洗；进一步的，超声清洗是在28kHz～40kHz频率的超声波场内进行清洗。
优选的，双层涂层制作方法的步骤2)中，将预处理后的金属工件预热至150℃～200℃，喷涂陶瓷内层后加热至250℃～350℃，再喷涂金属外层，然后继续加热至450℃～550℃，冷却至室温，再在所得的涂层侧面喷涂金属层；进一步的，在在所得涂层侧面喷涂的金属层材质与金属外层相同。
优选的，双层涂层制作方法的步骤2)中，大气等离子喷涂陶瓷内层的工作参数如下：送粉速率42g/min～44g/min，喷涂距离80mm～100mm，电弧电压60V～62V，电弧电流540A～580A，喷枪移动速度60cm/s～80cm/s，载粉气速率8slpm～10slpm(stard liter perminute，即标准公升每分钟流量值)。
优选的，双层涂层制作方法的步骤2)中，大气等离子喷涂金属外层的工作参数如下：送粉速率38g/min～42g/min，喷涂距离150mm～200mm，电弧电压60V～62V，电弧电流540A～580A，喷枪移动速度60cm/s～80cm/s，载粉气速率6slpm～8slpm。
优选的，双层涂层制作方法的步骤2)中，陶瓷内层的材质为氧化锆、锆酸钆、氧化铝、氧化铬中的至少一种；进一步优选的，陶瓷内层的材质为氧化锆、锆酸钆中的至少一种。
优选的，双层涂层制作方法的步骤2)中，金属外层的材质为镍、铬、铝、铁、钇、钴、钛、钨、锌、镁、铜中的一种或多种形成的合金；进一步优选的，金属外层的材质为镍、铬、铝中的一种或多种形成的合金；再进一步优选的，金属外层的材质为镍铬铝合金；更进一步的，镍铬铝合金中铝的质量百分数为0.2％～0.8％。
优选的，双层涂层制作方法的步骤3)中，真空热处理具体是：先以9℃/min～11℃/min的升温速率，从室温升温至630℃～650℃，保温60min～100min；再以7℃/min～9℃/min的升温速率，继续升温至830℃～850℃，保温60min～100min；最后以7℃/min～8℃/min的升温速率，继续升温至1020℃～1035℃，保温60min～100min；进一步优选的，真空热处理具体是：先以10℃/min的升温速率，从室温升温至630℃～650℃，保温80min～100min；再以8℃/min的升温速率，继续升温至830℃～850℃，保温70min～90min；最后以7℃/min～7.5℃/min的升温速率，继续升温至1020℃～1035℃，保温80min～100min。
优选的，双层涂层制作方法的步骤3)中，气淬具体是通入氮气冷却50min～70min，氮气的压力为0.4MPa～0.5MPa。
优选的，金属工件为钢工件、铝合金工件、镍合金工件中的任意一种。
一种适用于高温环境的金属工件双层涂层，是由前述的制作方法制得。
本发明的有益效果是：
本发明在陶瓷层上涂覆一层金属层，一方面减少陶瓷精加工的高成本，另一方面，各种耐腐蚀或耐磨损的合金材料能得到应用。此外，金属熔点比陶瓷低，通过热处理工艺能改变涂层的力学性能。
与现有技术相比，本发明具有以下的优点：
1)在喷涂陶瓷涂层前不需要喷涂粘接层，也不需要梯度涂层减小热失配应力，喷涂金属外层时，加热工件而不是冷却工件；喷枪与工件的距离(喷涂距离)增长至150～200mm。
2)双层涂层喷涂完成后，其暴露于外界的侧面喷涂金属层。
3)陶瓷层和金属层喷涂完成后，进行高温真空加热和气淬处理，可以增加各层之间的结合力。
附图说明
图1是本发明双层涂层的结构示意图；
图2是对比例1的样品图；
图3是经60次热循环试验的对比例2样品图；
图4是经60次热循环试验的实施例1样品图；
图5是对比例2样品经10次热循环试验后的涂层截面图；
图6是实施例1样品经60次热循环试验后的涂层截面图。
具体实施方式
参见附图1本发明双层涂层的结构示意图，双层涂层是指金属工件的表面从内到外依次设有陶瓷内层和金属外层，在陶瓷内层和金属外层组成的双层涂层侧面还设有金属外层。
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例中所用的原料或设备如无特殊说明，均可从常规商业途径得到。
实施例1
实施例1的样品制作方法如下：
(1)工件表面的机械(或化学)处理
将钢工件放在装有除油液的烧杯中，放入处于30kHz频率的超声波场内除油。随后放入喷砂机粗化，调整喷砂机压缩空气的工作压力在0.7MPa，喷射角按制在50°，喷嘴距工作面的距离控制在150mm，喷砂后工件表面的粗糙度在80μm。然后再放入处于30kHz频率的超声波场内再次清洗。
(2)工件表面的热喷涂
将预处理后的工件预加热至200℃，采用大气等离子喷涂设备在工件表面进行喷涂氧化锆陶瓷内层，其喷涂氧化锆陶瓷内层的参数如下：送粉速率42g/min，喷涂距离100mm，电弧电压60V，电弧电流560A，喷枪移动速度80cm/s，载粉气速率8slpm。
喷涂氧化锆陶瓷内层后，用高温电热炉加热工件至300℃，然后进行镍铬铝金属外层的喷涂，其喷涂镍铬铝金属外层的参数如下：送粉速率40g/min，喷涂距离180mm，电弧电压60V，电弧电流560A，喷枪移动速度80cm/s，载粉气速率8slpm。喷涂过程中和喷涂完成后高温电热铝持续加热工件至500℃，最后自然冷却至室温。
双层涂层喷涂完成后，涂层的各个侧面喷涂镍铬铝金属层。所用的镍铬铝合金中铝的质量百分数为0.5％。
(3)真空加热处理
工件被放置在真空加热炉内，升温至640℃，升温速率10℃/min，保温90min；再升温至840℃，升温速率8℃/min，保温80min；最后升温至1025℃，升温速率7.4℃/min，保温90min。随后充入氮气冷却60min，氮气压力为0.45MPa。
实施例2
实施例2的样品制作方法如下：
(1)工件表面的机械(或化学)处理
将钢工件放在装有除油液的烧杯中，放入处于40kHz频率的超声波场内除油。随后放入喷砂机粗化，调整喷砂机压缩空气的工作压力在0.4MPa，喷射角按制在30°，喷嘴距工作面的距离控制在100mm，喷砂后工件表面的粗糙度在100μm。然后再放入处于40kHz频率的超声波场内再次清洗。
(2)工件表面的热喷涂
将预处理后的工件预加热至200℃，采用大气等离子喷涂设备在工件表面进行喷涂氧化锆陶瓷内层，其喷涂氧化锆陶瓷内层的参数如下：送粉速率44g/min，喷涂距离80mm，电弧电压62V，电弧电流580A，喷枪移动速度60cm/s，载粉气速率6slpm。
喷涂氧化锆陶瓷内层后，用高温电热炉加热工件至300℃，然后进行镍铬铝金属外层的喷涂，其喷涂镍铬铝金属外层的参数如下：送粉速率42g/min，喷涂距离200mm，电弧电压62V，电弧电流580A，喷枪移动速度80cm/s，载粉气速率6slpm。喷涂过程中和喷涂完成后高温电热铝持续加热工件至500℃，最后自然冷却至室温。
双层涂层喷涂完成后，涂层的各个侧面喷涂镍铬铝金属层。所用的镍铬铝合金中铝的质量百分数为0.2％。
(3)真空加热处理
工件被放置在真空加热炉内，升温至630℃，升温速率10℃/min，保温90min；再升温至830℃，升温速率8℃/min，保温80min；最后升温至1020℃，升温速率7.4℃/min，保温90min。随后充入氮气冷却60min，氮气压力为0.45MPa。
实施例3
实施例3的样品制作方法如下：
(1)工件表面的机械(或化学)处理
将镍合金工件放在装有除油液的烧杯中，放入处于35kHz频率的超声波场内除油。随后放入喷砂机粗化，调整喷砂机压缩空气的工作压力在0.8MPa，喷射角按制在60°，喷嘴距工作面的距离控制在200mm，喷砂后工件表面的粗糙度在60μm。然后再放入处于35kHz频率的超声波场内再次清洗。
(2)工件表面的热喷涂
将预处理后的工件预加热至200℃，采用大气等离子喷涂设备在工件表面进行喷涂锆酸钆陶瓷内层，其喷涂锆酸钆陶瓷内层的参数如下：送粉速率42g/min，喷涂距离80mm，电弧电压62V，电弧电流540A，喷枪移动速度60cm/s，载粉气速率7slpm。
喷涂锆酸钆陶瓷内层后，用高温电热炉加热工件至300℃，然后进行镍铬铝金属外层的喷涂，其喷涂镍铬铝金属外层的参数如下：送粉速率38g/min，喷涂距离150mm，电弧电压62V，电弧电流540A，喷枪移动速度60cm/s，载粉气速率7slpm。喷涂过程中和喷涂完成后高温电热铝持续加热工件至500℃，最后自然冷却至室温。
双层涂层喷涂完成后，涂层的各个侧面喷涂镍铬铝金属层。所用的镍铬铝合金中铝的质量百分数为0.8％。
(3)真空加热处理
工件被放置在真空加热炉内，升温至650℃，升温速率10℃/min，保温90min；再升温至850℃，升温速率8℃/min，保温80min；最后升温至1035℃，升温速率7.4℃/min，保温90min。随后充入氮气冷却60min，氮气压力为0.45MPa。
对比例1
对比例1与实施例1所不同的是对比例1的步骤2)没有①喷涂陶瓷内层后加热至300℃，②喷涂金属外层后也没有继续加热至500℃，③冷却至室温后没有所得的涂层侧面喷涂金属层。
对比例2
对比例2与实施例1所不同的是对比例2没有步骤3)，即不进行真空热处理和气淬，其余与实施例1的相同。
试验对比
一、与传统方法对比
采用传统喷涂方法的对比例1样品，即喷涂陶瓷材料后其表面上再喷涂金属层，如附图2所示。从图2可见，对比例1的涂层在热膨胀系数不均匀情况下产生的失配应力使涂层剥落，由于剥落严重导致即使经过热处理后裂纹仍不能愈合。
二、有无真空热处理对比
取实施例1和对比例2的样品进行测试，样品的试验方法是加热炉加热至800℃，放入样品恒温保持1小时，随后取出冷却至室温，这一过程为试验的1次热循环。附图3是未经过真空热处理的对比例2样品经过60次热循环的试验样品图，附图4是实施例1样品经过60次热循环的试验样品图。图3的样品中只有两垂直表面交线处出现开裂，显露出底层白色的氧化锆；而图4的样品未出现任何表面开裂现象。可见，通过本发明公开的方法制备的样品在喷涂后无涂层剥落现象。
此外，真空热处理对改善产品的抗裂性能非常显著，附图5是对比例2的样品经过10次热循环试验后的涂层截面，其陶瓷层与金属层已严重分离。附图6是实施例1的样品经过60次热循环试验后的涂层截面，基体与陶瓷层界面、陶瓷层与金属外层界面无明显裂纹。

Claims (6)

1.一种适用于高温环境的金属工件双层涂层的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)预处理：将金属工件进行表面除油，喷砂粗化，清洗；
2)喷涂：将预处理后的金属工件进行预热，采用大气等离子喷涂设备进行喷涂，先在金属工件表面喷涂陶瓷内层，再加热，喷涂金属外层，然后在所得的涂层侧面喷涂金属层；
3)热处理：将喷涂后的金属工件进行真空热处理，气淬；
所述步骤2)中，将预处理后的金属工件预热至150℃～200℃，喷涂陶瓷内层后加热至250℃～350℃，再喷涂金属外层，然后继续加热至450℃～550℃，冷却至室温，再在所得的涂层侧面喷涂金属层；
所述步骤2)中，大气等离子喷涂陶瓷内层的工作参数如下：送粉速率42g/min～44g/min，喷涂距离80mm～100mm，电弧电压60V～62V，电弧电流540A～580A，喷枪移动速度60cm/s～80cm/s，载粉气速率8slpm～10slpm；大气等离子喷涂金属外层的工作参数如下：送粉速率38g/min～42g/min，喷涂距离150mm～200mm，电弧电压60V～62V，电弧电流540A～580A，喷枪移动速度60cm/s～80cm/s，载粉气速率6slpm～8slpm；
所述步骤2)中，陶瓷内层的材质为氧化锆、锆酸钆、氧化铝、氧化铬中的至少一种；金属外层的材质为镍、铬、铝、铁、钇、钴、钛、钨、锌、镁、铜中的一种或多种形成的合金。
2.根据权利要求1所述一种适用于高温环境的金属工件双层涂层的制作方法，其特征在于：
步骤1)中，表面除油具体是将金属工件放在装有除油液的容器中，然后进行超声除油。
3.根据权利要求1所述一种适用于高温环境的金属工件双层涂层的制作方法，其特征在于：
步骤1)中，喷砂粗化是将金属工件放入喷砂机粗化，具体的工作参数如下：工作压力0.4MPa～0.8MPa；喷射角30°～60°；喷嘴距工作面的距离为100mm～200mm。
4.根据权利要求1所述一种适用于高温环境的金属工件双层涂层的制作方法，其特征在于：
步骤3)中，真空热处理具体是：先以9℃/min～11℃/min的升温速率，从室温升温至630℃～650℃，保温60min～100min；再以7℃/min～9℃/min的升温速率，继续升温至830℃～850℃，保温60min～100min；最后以7℃/min～8℃/min的升温速率，继续升温至1020℃～1035℃，保温60min～100min；气淬具体是通入氮气冷却50min～70min，氮气的压力为0.4MPa～0.5MPa。
5.根据权利要求1～4任一项所述一种适用于高温环境的金属工件双层涂层的制作方法，其特征在于：金属工件为钢工件、铝合金工件、镍合金工件中的任意一种。
6.一种适用于高温环境的金属工件双层涂层，其特征在于：是由权利要求1～5任一项所述的制作方法制得。
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