CN112410713B - 一种变直径零件表面爆炸喷涂涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于热喷涂涂层技术领域，尤其涉及一种变直径零件表面爆炸喷涂涂层的方法；本发明针对变直径零件热喷涂涂层厚度均匀性难以控制问题，采用分段交叠爆炸喷涂方式，通过精确控制交叠间距和圆周半径在变直径零件表面形成具有良好厚度均匀性的涂层；本发明实施简便且有效解决了变直径零件喷涂难的问题，所制备涂层具有优异的厚度均匀性和质量一致性，可实现多种变直径零件表面多种涂层材料的喷涂，有效满足了变直径零件喷涂区域的使用特性和要求。
Description
技术领域
本发明属于热喷涂涂层技术领域，尤其涉及一种变直径零件表面爆炸喷涂涂层的方法。
背景技术
热喷涂技术是一种重要的材料表面改性技术，它是利用某种热源将材料加热至熔融或半熔融状态，然后再通过高速气流或焰流将其雾化，加速喷射到材料表面，从而赋予材料基体耐磨、耐热、耐蚀、耐氧化等特殊的性能，有效的保护工件表面，延长其使用寿命。因此，热喷涂技术被广泛的应用于航空航天，交通运输、石油化工、电工电子等各个领域，具有广阔的发展前景。
目前，热喷涂工艺方法主要有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和爆炸喷涂等。除爆炸喷涂外，其他热喷涂工艺方法均是连续喷涂方式，即形成的高速气流或焰流为连续焰流；而爆炸喷涂为脉冲式焰流。爆炸喷涂是按照一定比例组成的燃气和氧气分别经由各自的阀门进气系统送入气体混合室；经充分混合后的气体与经雾化后的喷涂粉末同时送入枪体中，由火花塞点火引发混合气体产生爆炸式燃烧，燃烧产生的热能将粉末加热到一定的状态，而由气体在细长型枪管中剧烈燃烧所产生的爆轰波则将喷涂粉末粒子高速喷向工件形成涂层。每次爆轰结束后，由供给系统向喷枪中送入氮气对喷枪进行清洗，为下次喷涂做准备，如此反复。每次喷涂能形成一个圆形涂层斑，圆形涂层斑经交错重叠形成整个涂层。采用爆炸喷涂制备的涂层具有其他工艺方法无法媲美的优点，如高的结合强度、高的耐磨性、高的致密度等，因此爆炸喷涂从诞生之初就被运用于工作环境恶劣的航空航天中，并由此促进了其他喷涂技术在该领域的运用。
随着热喷涂技术在应用领域和应用部位等方面的不断拓展，热喷涂技术在不同零件上的喷涂适用性逐渐暴露出一定的局限性。为了保证热喷涂工艺的一致性和稳定性，在热喷涂过程中往往需要保持恒定的喷涂距离、喷涂角度和喷枪与零件表面相对移动速度。对于喷涂平面类零件，喷枪与零件表面相对移动速度往往通过控制恒定的喷枪移动速度来实现；对于圆周旋转类零件，喷枪与零件表面相对移动速度往往通过控制恒定的零件表面线速度来控制。
然而，对于变直径零件喷涂表面，无论是采用圆周旋转喷涂方式还是平面喷涂方式均难以保证热喷涂过程的一致性和稳定性。如采用圆周旋转喷涂方式，通过轨迹控制虽能够实现恒定的喷涂距离和喷涂角度，但由于零件直径的变化导致喷涂表面线速度在不断变化中，将喷枪与零件表面相对移动速度实现恒定匹配的难度相当大；如采用平面喷涂方式，通过轨迹控制虽能够实现恒定的喷涂角度和喷枪与零件表面相对移动速度，但由于零件纵向尺寸的变化，往往难以控制恒定的喷涂距离。无论是喷枪与零件表面相对移动速度的不恒定还是喷涂距离的不恒定均会导致变直径零件表面涂层厚度的不均匀性和涂层性能的差异性，最终影响制备涂层的整体质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变直径零件表面爆炸喷涂涂层的方法，可以在变直径喷涂表面制备具有良好厚度均匀性和质量一致性的涂层，从而有效满足变直径零件喷涂区域的使用特性和要求。
本发明的技术方案为：1、一种变直径零件表面爆炸喷涂涂层的方法，其特征在于：对零件变直径喷涂区域采用分段交叠方式进行涂层喷涂，具体方法为：
1)将变直径零件的非喷涂区域进行有效遮挡和防护；
2)在爆炸喷涂设备的喷枪上安装激光定位装置，采用爆炸喷涂机械手设备在零件变直径喷涂表面P上设置等间距喷涂点A1～A6，并针对每一等间距喷涂点测算其对应零件中心轴线的水平半径R1～R6，其中喷涂点间距d与爆炸喷涂斑点直径D的关系为
3)喷涂点设置完成后，将爆炸喷涂喷枪对准A1喷涂点，设置喷枪轴线与变直径喷涂表面P之间的夹角为90°±5°，将半径参数R1输入爆炸喷涂系统对A1喷涂点对应的圆周区域进行涂层喷涂；
4)对A1喷涂点对应圆周区域喷涂结束后，将喷枪自动移动到A2喷涂点，保持喷涂角度和喷涂参数不变，将半径参数R2输入爆炸喷涂系统对A2喷涂点对应的圆周区域进行涂层喷涂；
5)采用相同的方式依次对A3～A6喷涂点对应圆周区域进行涂层喷涂，直至整个喷涂表面均喷涂沉积上涂层；
6)重复步骤3)～步骤5)，直至喷涂涂层达到要求的厚度。
所述喷涂的涂层材料为金属材料或陶瓷材料或金属-陶瓷复合材料。
所述喷涂涂层时喷枪喷涂频率为1次/s～5次/s。
所述喷涂涂层时喷枪与待喷涂表面之间的喷涂距离为200mm～250mm。
所述爆炸喷涂时氧燃比为1.0～1.5，氧气和燃气的充枪比例为40％～60％。
所述喷涂涂层前，对零件待喷涂表面进行喷砂粗化处理，喷砂压力0.3MPa～0.5MPa，喷砂距离150mm～200mm。
所述变直径零件的材料为钢、钛合金、铝合金、镍基高温合金中的一种。
所述喷涂涂层的厚度均匀性为±0.03mm以内。
本发明利用爆炸喷涂技术可以在多种变直径零件表面制备具有优异厚度均匀性和质量一致性的涂层。具体分析，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一、采用分段交叠爆炸喷涂方式，通过控制交叠间距和各喷涂圆周半径参数，可制备获得具有良好厚度均匀性的涂层。通过试验验证，在变直径零件喷涂表面同样喷涂厚度为0.3mm的涂层，采用本发明喷涂涂层的厚度均匀性为±0.03mm以内，而采用等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂等其他方式喷涂涂层的厚度均匀性均在±0.08mm以上，可见采用本发明制备涂层具有更为优异的厚度均匀性。
二、针对变直径零件表面采用爆炸喷涂工艺能够保证喷涂过程各参数的一致性控制，与等离子喷涂、超音速火焰喷涂等连续焰流喷涂方式难以保证喷涂过程喷涂距离或喷枪与零件表面相对移动速度相比，本发明具有更为优异的喷涂参数稳定性和涂层质量一致性。
三、本发明采用的爆炸喷涂方式可实现绝大多数金属、陶瓷或金属陶瓷的喷涂；同时粒子冲击工件速度高，可制备具有高致密性和高结合强度的涂层；此外由于采用脉冲式喷涂方式，对工件的热损伤小，可控制喷涂过程温升在100℃以下。
附图说明
图1为变直径零件示意图。
图2为变直径零件截面喷涂点示意图。
图3为变直径零件表面分段叠加示意图。
图4为实施例1喷涂变直径零件及喷涂点示意图。
图5为实施例2喷涂变直径零件及喷涂点示意图。
附图标记说明：P–待喷涂表面、A1～A6–喷涂点、R1～R6–喷涂点对应零件中心轴线的水平半径、d–喷涂点间距、D–喷涂斑点直径。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
对变直径零件表面喷涂区域P(见图1)采用分段交叠方式进行涂层喷涂，具体实施过程如下：
1)采用喷涂工装或其他遮挡防护方式对变直径零件除待喷涂表面P以外的其他非喷涂区域进行有效遮挡和防护，防止非喷涂表面沉积涂层；
2)在爆炸喷涂设备的喷枪上安装激光定位装置，所采用的激光定位装置为水平-垂直交叉定位装置，并通过定位工装固定在超音速火焰喷涂喷枪上，具体结构参照实用新型专利CN201420643006.6(一种热喷涂喷枪用激光定位装置)，采用爆炸喷涂机械手设备在零件变直径喷涂表面P上设置等间距喷涂点A1～A6，并针对每一等间距喷涂点测算其对应零件中心轴线的水平半径R1～R6(见图2)，其中喷涂点间距d与爆炸喷涂斑点直径D的关系为
(见图3)；
3)喷涂点设置完成后，将爆炸喷涂喷枪对准A1喷涂点，设置喷枪轴线与变直径喷涂表面P之间的夹角为90°±5°，将半径参数R1输入爆炸喷涂系统，同时根据喷涂粉末设置喷涂频率、喷涂距离、氧燃比、充枪比等喷涂参数，对A1喷涂点对应的圆周区域进行涂层喷涂；
4)对A1喷涂点对应圆周区域喷涂结束后，将喷枪自动移动到A2喷涂点，保持喷涂角度和喷涂参数不变，将半径参数R2输入爆炸喷涂系统对A2喷涂点对应的圆周区域进行涂层喷涂；
5)采用相同的方式依次对A3～A6喷涂点对应圆周区域进行涂层喷涂，直至整个喷涂表面均喷涂沉积上涂层，从而实现对变直径零件喷涂区域P的分段交叠喷涂；
6)重复步骤3)～步骤5)，直至喷涂涂层达到要求的厚度范围，在零件变直径喷涂表面得到所需涂层。
实施例1：
对图4所示变直径铝合金零件P表面爆炸喷涂铝硅涂层，爆炸喷涂斑点直径D为20mm。对零件P面以外非喷涂区域采用耐喷涂胶带进行防护并将防护好的零件装夹固定在喷涂工装上；在爆炸喷涂设备的喷枪上安装激光定位装置，采用ABB(中国)有限公司IRB4600机械手在零件变直径喷涂表面P上设置等间距喷涂点A1～A4，并针对每一等间距喷涂点测算其对应零件中心轴线的水平半径R1～R4，其中喷涂点间距
(见图4)；喷涂点设置完成后，将爆炸喷涂喷枪对准A1喷涂点，设置喷枪轴线与变直径喷涂表面P之间的夹角为90°±5°，将半径参数R1＝100mm输入爆炸喷涂系统，设置喷涂频率4次/s、喷涂距离230mm、氧燃比1.1、充枪比42％，对A1喷涂点对应的圆周区域进行涂层喷涂；对A1喷涂点对应圆周区域喷涂结束后，将喷枪自动移动到A2喷涂点，保持喷涂角度和喷涂参数不变，将半径参数R2＝109输入爆炸喷涂系统对A2喷涂点对应的圆周区域进行涂层喷涂；采用相同的方式依次对A3、A4喷涂点对应圆周区域进行涂层喷涂，直至整个喷涂表面均喷涂沉积上涂层，从而实现对变直径零件喷涂区域P的分段交叠喷涂；重复进行A1～A4分段交叠喷涂10遍，在零件变直径P表面爆炸喷涂得到厚度为0.5mm的铝硅涂层，涂层厚度均匀性为±0.025mm。
实施例2：
对图5所示变直径钢零件P表面爆炸喷涂碳化铬/镍铬涂层，爆炸喷涂斑点直径D为24mm。对零件P面以外非喷涂区域采用耐喷涂胶带进行防护并将防护好的零件装夹固定在喷涂工装上；对零件待喷涂表面P进行喷砂粗化处理，喷砂压力0.4MPa，喷砂距离180mm；在爆炸喷涂设备的喷枪上安装激光定位装置，采用ABB(中国)有限公司IRB4600机械手在零件变直径喷涂表面P上设置等间距喷涂点A1～A6，并针对每一等间距喷涂点测算其对应零件中心轴线的水平半径R1～R6，其中喷涂点间距
(见图5)；喷涂点设置完成后，将爆炸喷涂喷枪对准A1喷涂点，设置喷枪轴线与变直径喷涂表面P之间的夹角为90°±5°，将半径参数R1＝150mm输入爆炸喷涂系统，设置喷涂频率2次/s、喷涂距离250mm、氧燃比1.3、充枪比58％，对A1喷涂点对应的圆周区域进行涂层喷涂；对A1喷涂点对应圆周区域喷涂结束后，将喷枪自动移动到A2喷涂点，保持喷涂角度和喷涂参数不变，将半径参数R2＝162输入爆炸喷涂系统对A2喷涂点对应的圆周区域进行涂层喷涂；采用相同的方式依次对A3～A6喷涂点对应圆周区域进行涂层喷涂，直至整个喷涂表面均喷涂沉积上涂层，从而实现对变直径零件喷涂区域P的分段交叠喷涂；重复进行A1～A6分段交叠喷涂15遍，在零件变直径P表面爆炸喷涂得到厚度为0.3mm的碳化铬/镍铬涂层，涂层厚度均匀性为±0.02mm。
Claims (8)
1.一种变直径零件表面爆炸喷涂涂层的方法，其特征在于：对零件变直径喷涂区域采用分段交叠方式进行涂层喷涂，具体方法为：
1)将变直径零件的非喷涂区域进行有效遮挡和防护；
2)在爆炸喷涂设备的喷枪上安装激光定位装置，采用爆炸喷涂机械手设备在零件变直径喷涂表面P上设置等间距喷涂点A1～A6，并针对每一等间距喷涂点测算其对应零件中心轴线的水平半径R1～R6，其中喷涂点间距d与爆炸喷涂斑点直径D的关系为
3)喷涂点设置完成后，将爆炸喷涂喷枪对准A1喷涂点，设置喷枪轴线与变直径喷涂表面P之间的夹角为90°±5°，将半径参数R1输入爆炸喷涂系统对A1喷涂点对应的圆周区域进行涂层喷涂；
4)对A1喷涂点对应圆周区域喷涂结束后，将喷枪自动移动到A2喷涂点，保持喷涂角度和喷涂参数不变，将半径参数R2输入爆炸喷涂系统对A2喷涂点对应的圆周区域进行涂层喷涂；
5)采用相同的方式依次对A3～A6喷涂点对应圆周区域进行涂层喷涂，直至整个喷涂表面均喷涂沉积上涂层；
6)重复步骤3)～步骤5)，直至喷涂涂层达到要求的厚度。
2.如权利要求1所述的一种变直径零件表面爆炸喷涂涂层的方法，其特征在于：所喷涂的涂层材料为金属材料或陶瓷材料或金属-陶瓷复合材料。
3.如权利要求1所述的一种变直径零件表面爆炸喷涂涂层的方法，其特征在于：所述喷涂涂层时喷枪喷涂频率为1次/s～5次/s。
4.如权利要求1所述的一种变直径零件表面爆炸喷涂涂层的方法，其特征在于：所述喷涂涂层时喷枪与待喷涂表面之间的喷涂距离为200mm～250mm。
5.如权利要求1所述的一种变直径零件表面爆炸喷涂涂层的方法，其特征在于：所述爆炸喷涂时氧燃比为1.0～1.5，氧气和燃气的充枪比例为40％～60％。
6.如权利要求1所述的一种变直径零件表面爆炸喷涂涂层的方法，其特征在于：所述喷涂涂层前，对零件待喷涂表面进行喷砂粗化处理，喷砂压力0.3MPa～0.5MPa，喷砂距离150mm～200mm。
7.如权利要求1所述的一种变直径零件表面爆炸喷涂涂层的方法，其特征在于：所述变直径零件的材料为钢、钛合金、铝合金、镍基高温合金中的一种。
8.如权利要求1所述的一种变直径零件表面爆炸喷涂涂层的方法，其特征在于：所述喷涂涂层的厚度均匀性为±0.03mm以内。
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