CN110144542A - 一种超音速火焰喷涂系统及铁基非晶涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超音速火焰喷涂系统及高质量铁基非晶涂层的制备方法，包括超音速火焰喷枪和风冷设备，风冷设备包括底座、冷却台和储存罐；冷却台为内部带有空腔的中空结构，冷却台上设置有多个与冷却台内部空腔相通的出风孔，储存罐通过进气管与冷却台的内部空腔连通，进气管上设置有电磁阀，冷却台上还设置有温度传感器，温度传感器用于监测喷涂温度；制备高质量铁基非晶涂层时，通过温度传感器实时监测喷涂过程中基板的温度，通过电磁阀控制冷却气体通入到冷却台内的流量，实现对喷涂过程中基板温度进行精确地调节，得到致密度以及非晶含量较高的非晶涂层，并且极大的提高了喷涂效率，可以有效的制备出高质量的铁基非晶涂层。

Description

一种超音速火焰喷涂系统及铁基非晶涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及非晶涂层喷涂技术领域，特别是涉及一种超音速火焰喷涂系统及高质量铁基非晶涂层的制备方法。

背景技术

目前许多结构件在恶劣条件下由于防腐耐磨性能较差因此使用寿命大幅度降低，因此需要对其进行表面防护以延长其使用寿命，使用超音速火焰喷涂在工件表面喷涂铁基非晶涂层，则可以有效地提高工件的防腐耐磨性能，但喷涂过程中基体的温度会快速升高，使得制备的涂层非晶含量受到严重影响，并且喷涂效率也收到极大的影响。因此通过设计一套风冷设备在喷涂过程中对基板进行冷却，精确控制基体温度，有效提高非晶涂层的致密性和非晶含量，使得涂层的防腐耐磨性能得到极大的提高；同时能够大幅度缩短等待冷却的时间，使得喷涂的效率得到极大的提高。

非晶合金是一种具有极高硬度的材料，这与其成分有着密切联系，一般可达1400HV；由于其微观结构是无序的，因此它具有高强度及良好的韧性及高耐磨性，延长了其疲劳寿命，被广泛应用于如涡轮、刀具等需耐磨材料的实际产生中。其次，由于非晶合金中无晶粒和晶界，从而不存在位错、层错等缺陷，且化学成分均匀。将其制备成涂层的形式可以使材料表面形成致密的钝化膜，使得材料拥有优异的防腐蚀性能。

在非晶涂层中，铁基非晶涂层有着优异的耐磨性能，相对较低的成本。并且通过超音速火焰喷涂(HVOF)方法制备出来的非晶涂层非晶含量以及致密度较高。而在实际喷涂过程中，由于超音速火焰喷涂的温度较高，因此每喷涂几次后基板的温度就会升到较高的数值，这样会使得非晶涂层难以快速冷却，造成涂层非晶含量下降，使得防腐耐磨性能降低的问题。因此在喷涂过程中，每喷涂几次就需要等待基板温度降低，这就使得喷涂的效率受到了极大的影响，而通过自行设计的风冷设备则可以在喷涂过程中有效控制基板温度，使得能够在制备出高非晶含量以及致密度的涂层前提下进行连续喷涂，这样不仅能够有效提高铁基非晶涂层的非晶含量以及致密度，还能使得生产过程中的喷涂效率得到极大的提高。

目前大部分人直接使用空压机对基板使用传统的风冷。由于喷涂过程只是简单采用空气冷却，因此不能通过控制气流量实现基板温度的实时监控，使得涂层的致密度或非晶含量受到极大影响，同时喷涂效率也会降低。这是因为不能实时监控基板温度，可能会造成基板温度过低使得涂层与基板的结合强度大幅度降低并且涂层的致密度受到极大影响，而当基板温度过高则使得喷涂的非晶颗粒难以快速冷却，使得涂层的非晶含量大幅度降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种超音速火焰喷涂系统及高质量铁基非晶涂层的制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够精准控制基板温度，提高涂层的综合性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种超音速火焰喷涂系统及高质量铁基非晶涂层的制备方法，包括超音速火焰喷枪和风冷设备，所述风冷设备包括底座、冷却台和储存罐；所述冷却台设置于所述底座上，所述冷却台为内部带有空腔的中空结构，所述冷却台与所述超音速火焰喷枪相对的一侧的侧壁为冷却壁，所述冷却壁上设置有多个与所述冷却台内部空腔相通的出风孔，所述储存罐用于盛放液氮或制冷剂，所述储存罐通过进气管与所述冷却台的内部空腔连通，所述进气管上设置有电磁阀，所述冷却壁上还设置有温度传感器，所述温度传感器用于监测喷涂温度，所述温度传感器与所述电磁阀电连接；所述冷却壁上还设置有用于夹持待喷涂零件的夹具。

优选地，所述温度传感器固定于所述夹具上。

优选地，所述底座上与所述超音速火焰喷枪相对的一侧还设置有V型卡盘，所述V型卡盘用于夹持回转零部件。

优选地，所述超音速火焰喷枪固定于三轴移动平台上。

本发明还提供了一种高质量铁基非晶涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)、将基板放入超声波清洗机中使用酒精进行震荡清洗，以去除基板表面油污，用筛子对铁基非晶粉末进行粒度的筛选，筛选出铁基非晶粉末；

(2)、在喷涂前1h内使用20目的白刚玉沙对基板进行表面喷砂处理，以去除基板表面的氧化膜，并让基板表面粗糙度达到Ra3；将所述铁基非晶粉末置于真空干燥箱中以100℃的温度烘干1h，来提高粉末的流动性；

(3)、将经过步骤(2)处理过后的基板放到冷却台上通过夹具夹持固定，将配置好的所述铁基非晶粉末加入到超音速火焰喷枪的送粉器中；

(4)、对基板进行预热，将其预热至55℃～65℃；

(5)、预热过后所述超音速火焰喷枪对基板进行喷涂，在喷涂过程中通过温度传感器对基板进行测温，并开启风冷设备对基板温度进行调节，使其温度稳定在100℃-150℃范围内。

优选地，超音速火焰喷枪的喷涂参数如下：

喷涂速度8-25m/min，氧气流量20-50m³/h，煤油流量14-25L/h，喷枪长度尺寸5英寸，喷距260-380mm，送粉量20-50g/min。

优选地，所述筛子筛选出的铁基非晶粉末的粒度为250-300目。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明提供的超音速火焰喷涂系统及高质量铁基非晶涂层的制备方法，能够对喷涂过程中基板温度进行精确地调节，得到致密度以及非晶含量较高的非晶涂层，并且极大的提高了喷涂效率，可以有效的制备出高质量的铁基非晶涂层。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中超音速火焰喷涂系统的结构示意图；

图2为本发明中传感器安装位置处的局部放大图；

图3为本发明实例中涂层的横截面形貌图；

图4为本发明实例中涂层的XRD衍射图；

图5为本发明实例中涂层的DSC曲线图；

图中：1-底座、2-V型卡盘、3-夹具、4-温度传感器、5-冷却台、501-出风孔、6-储存罐、601-电磁阀、602-进气管、7-超音速火焰喷枪、8-三轴移动平台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种超音速火焰喷涂系统及高质量铁基非晶涂层的制备方法，以解决现有技术存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本实施例提供了一种超音速火焰喷涂系统，如图1所示，包括超音速火焰喷枪7和风冷设备，风冷设备包括底座1、冷却台5和储存罐6；冷却台5设置于底座1上，冷却台5为内部带有空腔的中空结构，冷却台5与超音速火焰喷枪7相对的一侧的侧壁为冷却壁，冷却壁上设置有多个与冷却台5内部空腔相通的出风孔501，储存罐6用于盛放液氮或制冷剂，储存罐6通过进气管602与冷却台5的内部空腔连通，进气管602上设置有电磁阀601，冷却壁上还设置有温度传感器4，温度传感器4用于实时近距离监测喷涂温度，温度传感器4与电磁阀601电连接，根据温度传感器4传递的温度信号，电磁阀601控制进气管602通往冷却台5内的制冷气体的流量；冷却壁上还固定有用于夹持待喷涂零件的夹具3。

本实施例中，将温度传感器4固定于夹具3上；如图2所示，在夹具3上固定一U型固定杆，通过螺栓将温度传感器4固定在U型固定杆上。

本实施例中，在底座1上与超音速火焰喷枪7相对的一侧还设置有V型卡盘2，V型卡盘2用于夹持回转零部件，回转体零部件可以装夹在V型卡盘2上进行表面喷涂。

本实施例中，超音速火焰喷枪7固定于三轴移动平台8上，三轴移动平台8控制超音速火焰喷枪7的喷涂方位。

需要说明的是，夹具3和V型卡盘2均为现有技术中的常用结构，因而，对于二者的结构本实施例中不再赘述。

本实施例提供的超音速火焰喷涂系统，在具体工作中，喷涂前将基板(待喷涂零件)装夹到冷却台5表面，喷涂时打开温度传感器4及电磁阀601。在喷涂过程中根据温度传感器4对基板的温度进行实时检测，将信号反馈给电磁阀601，通过电磁阀601对送气强度进行调控，以达到对基板温度进行控制的目的。这套装置能够对喷涂过程中基板温度进行精确地调节，当基板温度过高，电磁阀601将自动调大气体流量，以达到快速降低基板温度的效果，从而避免了铁基非晶涂层非晶含量的下降；当基板温度临近100℃时，电磁阀601将大幅度减少冷却气体的输出，有效地防止了由于基板温度过低使得涂层与基板的结合强度降低，导致涂层产生脱落的现象。

本实施例还提供了一种应用上述超音速火焰喷涂系统进行的高质量铁基非晶涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)、将基板放入超声波清洗机中使用酒精进行震荡清洗，以去除基板表面油污，用筛子对铁基非晶粉末进行粒度的筛选，筛选出的铁基非晶粉末的粒度为250-300目；

(2)、在喷涂前1h内使用20目的白刚玉沙对基板进行表面喷砂处理，以去除基板表面的氧化膜，并让基板表面粗糙度达到Ra3；将铁基非晶粉末置于真空干燥箱中以100℃的温度烘干1h，来提高粉末的流动性；

(3)、将经过步骤(2)处理过后的基板放到冷却台5上通过夹具3夹持固定，将配置好的铁基非晶粉末加入到超音速火焰喷枪7的送粉器中；

(4)、对基板进行预热，将其预热至55℃～65℃(60℃左右)；

(5)、预热过后超音速火焰喷枪7对基板进行喷涂，在喷涂过程中通过温度传感器4对基板进行测温，并开启风冷设备对基板温度进行调节，使其温度稳定在100℃-150℃范围内。

超音速火焰喷枪7的喷涂参数如下：

喷涂速度8-25m/min，氧气流量20-50m³/h，煤油流量14-25L/h，喷枪长度尺寸5英寸，喷距260-380mm，送粉量20-50g/min。

实例：选用两组喷涂参数在AZ31镁合金表面制备铁基非晶涂层，其中喷距300mm，氧气流量42m³/h，煤油流量15L/h，喷枪尺寸4英寸，送粉量50g/min固定，调节了喷涂速度，分别为一号8m/min，二号10m/min。对制备出的涂层横截面形貌进行观察，如图3所示，铁基非晶涂层与AZ31镁合金基板结合面呈现锯齿状，涂层较为致密且成层片状结构，但存在着少量的孔隙。使用Image-Pro6.0软件对涂层界面形貌进行测算，得出一号涂层孔隙率为1.67％，二号涂层孔隙率为1.55％，通过较低的孔隙率能够发现，使用风冷设备对基板进行冷却能够有效得到高质量的铁基非晶涂层。

对不同喷涂速度的涂层进行XRD测试，如图4。通过观察能够发现，涂层在衍射角2θ为44°左右时都出现了表征为馒头状的漫散射峰，并且没有发现其它较为尖锐的衍射峰，说明涂层均有着较高的非晶态组织。图4则是两组涂层的DSC曲线，通过曲线能够发现，在600℃与750℃间出现了三个明显的晶化峰，这说明涂层具有相似的热行为，并且在600℃下具有良好的热稳定性。两组涂层的热力学参数如表1所示。这说明了在风冷设备对基板的温度调节下，能够得到孔隙率低且非晶含量高的涂层，使得涂层防腐耐磨性能得到提高，这样能有效地提高铁基非晶涂层对镁合金表面的保护。

表1非晶粉末与两组涂层的热力学参数

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种超音速火焰喷涂系统，其特征在于：包括超音速火焰喷枪和风冷设备，所述风冷设备包括底座、冷却台和储存罐；所述冷却台设置于所述底座上，所述冷却台为内部带有空腔的中空结构，所述冷却台与所述超音速火焰喷枪相对的一侧的侧壁为冷却壁，所述冷却壁上设置有多个与所述冷却台内部空腔相通的出风孔，所述储存罐用于盛放液氮或制冷剂，所述储存罐通过进气管与所述冷却台的内部空腔连通，所述进气管上设置有电磁阀，所述冷却壁上还设置有温度传感器，所述温度传感器用于监测喷涂温度，所述温度传感器与所述电磁阀电连接；所述冷却壁上还设置有用于夹持待喷涂零件的夹具。

2.根据权利要求1所述的超音速火焰喷涂系统，其特征在于：所述温度传感器固定于所述夹具上。

3.根据权利要求1所述的超音速火焰喷涂系统，其特征在于：所述底座上与所述超音速火焰喷枪相对的一侧还设置有V型卡盘，所述V型卡盘用于夹持回转零部件。

4.根据权利要求1所述的超音速火焰喷涂系统，其特征在于：所述超音速火焰喷枪固定于三轴移动平台上。

5.一种高质量铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将基板放入超声波清洗机中使用酒精进行震荡清洗，以去除基板表面油污，用筛子对铁基非晶粉末进行粒度的筛选，筛选出铁基非晶粉末；

(2)、在喷涂前1h内使用20目的白刚玉沙对基板进行表面喷砂处理，以去除基板表面的氧化膜，并让基板表面粗糙度达到Ra3；将所述铁基非晶粉末置于真空干燥箱中以100℃的温度烘干1h，来提高粉末的流动性；

(3)、将经过步骤(2)处理过后的基板放到冷却台上通过夹具夹持固定，将配置好的所述铁基非晶粉末加入到超音速火焰喷枪的送粉器中；

(4)、对基板进行预热，将其预热至55℃～65℃；

(5)、预热过后所述超音速火焰喷枪对基板进行喷涂，在喷涂过程中通过温度传感器对基板进行测温，并开启风冷设备对基板温度进行调节，使其温度稳定在100℃-150℃范围内。

6.根据权利要求5所述的高质量铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于:超音速火焰喷枪的喷涂参数如下：

喷涂速度8-25m/min，氧气流量20-50m³/h，煤油流量14-25L/h，喷枪长度尺寸5英寸，喷距260-380mm，送粉量20-50g/min。

7.根据权利要求5所述的高质量铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于:所述筛子筛选出的铁基非晶粉末的粒度为250-300目。