CN112538601A - 一种基于可重复使用的热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可重复使用的热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造方法，属于材料工程技术领域：包括：按照具体工件和工件表面热喷涂区域几何外形特征设计并制造金属遮挡工装；在金属工装表面涂覆易去除的聚合物层，待聚合物固化或干燥后，完成金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造；当表面热喷涂涂层的厚度即将达到影响热喷涂质量控制时，利用聚合物强度较低和可溶于有机溶剂的特性，去除金属遮挡工装表面的聚合物层从而起到去除粘附的热喷涂涂层的目的。本方法在保留了金属遮挡体遮挡效果好、与工件表面不发生粘连、适用所有热喷涂工艺的优点的基础上，显著提高了遮挡工装的使用寿命，降低工装成本的优点。

Description

一种基于可重复使用的热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡 工装的制造方法

技术领域

本发明属于材料工程技术领域，具体涉及一种基于可重复使用的热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造方法。

背景技术

热喷涂技术是一种利用等离子、火焰、电弧、激光等高能束将金属、陶瓷、聚合物或复合材料喷涂原材料丝材、棒材或粉末加热至熔化或半熔化状态，并通过气体雾化后形成熔滴束流，通过熔滴束流喷涂在工件表面实现喷涂原材料在工件表面沉积的涂层制备工艺。通过喷涂材料的设计、热喷涂技术的选择和热喷涂参数的调节等手段可实现耐磨损、减摩、防腐蚀、绝缘、隔热、导电等多种涂层的制备，以满足不同工况对构件的要求并显著提高工件的服役寿命。

热喷涂涂层通常需要制备在工件的特定部位，而其他诸如配合面等部位不允许沉积涂层。但是热喷涂熔滴束流通常面积较大，因此必须通过有效遮挡的手段避免热喷涂涂层目标沉积区域以外的区域沉积。热喷涂过程中，高温高速的高能束会作用于工件表面，因此遮挡层或遮挡工装必须耐一定高温且不发生变形。目前的遮挡手段主要有两类：1)金属遮挡工装；2)耐热胶带遮挡。金属遮挡的原理是以与工件仿形的金属板制作遮挡工装，将工件待喷涂部位的金属遮挡镂空，从而实现有效避免涂层在非目标区域的沉积。金属遮挡工装具有遮挡效果好，在有限周期内可应用于多个工件，遮挡体表面涂层不与工件表面涂层发生黏连，后续机加工性能良好等优点。但是当遮挡工装镂空部位周围区域的热喷涂涂层厚度超过一定值后，必须予以清除，否则将会影响热喷涂过程，造成涂层质量劣化。但是由于热喷涂涂层，特别是金属涂层与金属遮挡工装表面的结合强度极高，通常难以通过喷砂、打磨等方法将表面涂层完全清除，同时在高强度机械清除过程中还会使具有大面积镂空的遮挡工装变形，在后续的使用中会显著降低遮挡效果，降低遮挡精度，造成非目标区域出现涂层或者目标区域无涂层的现象，因此当工装表面的热喷涂涂层到达一定厚度后，通常予以报废处理。由于金属遮挡的制作成本较高、因此会造成较大的经济损失并由于制作工装而影响热喷涂工作效率。耐热胶带遮挡是指将具有耐高温特性的织物胶带粘贴在目标涂层沉积区域与非涂层沉积区域的边界，在沉积过程中实现对热喷涂熔滴束流的可控遮挡，保证涂层在目标区域的精确沉积。耐热胶带遮挡具有使用方便，灵活的特点，但是存在胶带表面涂层容易与工件表面涂层粘连，喷涂完成后胶带清除过程中容易在胶带边界处出现涂层崩裂，导致后续机加工中涂层容易剥落的问题，使最终热喷涂涂层的成品率显著降低。另外，对于超音速火焰喷涂等高速高能喷涂过程中容易出现胶带烧损、脱落等问题，使得防护效果难以保证。同时耐热胶带仅能使用一次，喷涂其他工件时需要重新粘贴耐热胶带。

因此，亟待开发新型的遮挡精度高、可重复使用、长寿命的热喷涂遮挡技术以提高热喷涂涂层的性能和工作效率，并显著降低辅助工装的成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于可重复使用的热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造方法，能够有效解决当前耐热胶带遮挡效果较差、金属遮挡工装遮挡效果好但难以长期反复使用的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种基于可重复使用的热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造方法，包括以下步骤：

1)按照待加工的工件和工件表面热喷涂区域几何外形特征设计并制造金属遮挡工装；

2)在金属遮挡工装表面涂覆易去除的聚合物层，待聚合物固化或干燥后，完成金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造；

3)待观察表面热喷涂涂层的厚度影响热喷涂质量控制时，去除金属/聚合物复合结构遮挡工装表面的聚合物层；

4)重复步骤2)和3)，直至满足喷涂要求。

优选地，步骤1)中，工件表面待喷涂区域的金属遮挡工装做镂空处理，金属遮挡工装与工件表面的垂直距离在2-15mm之间。

优选地，涂覆的聚合物的耐温不低于80℃。

进一步优选地，聚合物采用室温固化或加热固化的热固性有机物，或者采用易挥发为溶剂的胶泥。

优选地，步骤2)中，涂覆的聚合物层的厚度在0.5-3mm之间。

优选地，步骤3)中，去除金属/聚合物复合结构遮挡工装采用机械去除法、有机溶剂溶解去除或加热去除法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的基于可重复使用的热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造方法，首先按照具体工件和工件表面热喷涂区域几何外形特征设计并制造金属遮挡工装，然后在金属工装表面涂覆易去除的聚合物层，待聚合物固化或干燥后，完成金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造，当复合结构遮挡工装使用一段时间后表面热喷涂涂层的厚度即将达到影响热喷涂质量控制时，利用聚合物强度较低和可溶于有机溶剂的特性，采用机械或化学方法去除金属遮挡工装表面的聚合物层从而起到去除粘附的热喷涂涂层的目的，重新涂覆聚合物后即可实现金属/聚合物高分子层的长寿命重复使用。该方法可在保证金属遮挡工装遮挡效果好的基础上，通过复合结构设计实现了遮挡工装的长期反复使用，可显著降低热喷涂辅助工装的成本，提高热喷涂作业效率。因此该方法在保留了金属遮挡体遮挡效果好、与工件表面不发生粘连、适用所有热喷涂工艺的优点的基础上，显著提高了遮挡工装的使用寿命，降低工装成本的优点，不仅适用于回转体工件表面涂层制备，也适用于平面或者复杂曲面工件表面涂层制备。不用反复粘贴耐热胶带和清除金属遮挡工装表面涂层的特点，可显著提高热喷涂涂层制备效率。

附图说明

图1为本实施例使用的可重复使用的高寿命热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的一种典型结构及其使用过程。

图中，1-待热喷涂工件；2-金属/聚合物复合结构遮挡工装；3-热喷涂喷枪；4-待热喷涂工件固定与选装装置；1-1为工件表面喷涂区域、1-2为工件表面的热喷涂涂层；2-1为金属遮挡工装；2-2为金属遮挡表面的聚合物层；2-3为金属/聚合物复合结构遮挡工装的固定装置；2-4为金属/聚合物复合结构遮挡工装表面沉积的热喷涂涂层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明公开的可重复使用的高寿命热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造方法，按照带热喷涂工件1的外形及具体要求的工件表面喷涂区域1-1制作满足要求的金属遮挡工装2-1；然后在金属遮挡工装2-1表面涂覆厚度约为0.5-3mm厚度的金属遮挡表面的聚合物层2-2(也可以是胶泥层)，待聚合物固化或胶泥中的挥发性溶剂干燥后，通过金属/聚合物复合结构遮挡工装的固定装置2-3将金属/聚合物复合结构遮挡工装2固定在特定部位，保证遮挡工装下表面与工件表面间距为2-15mm之间，防止热喷涂过程中涂层引起的工装与基材发生粘连。如果工件为回转体，开启待热喷涂工件固定与选装装置4。然后开启热喷涂喷枪3按照要求在工件表面制备涂层，待达到目标厚度后停止。

本发明的优势体现在：

1)在保留金属遮挡体遮挡效果好、与工件表面不发生粘连、适用所有热喷涂工艺优点的基础上，具有显著提高遮挡工装寿命，降低工装成本的优点。

2)即可用于回转体工件表面涂层制备时的遮挡，也适用于平面或者复杂曲面工件表面涂层制备时的遮挡。

3)不用反复粘贴耐热胶带和清除金属遮挡工装表面涂层的特点，可显著提高热喷涂涂层制备效率。

实施例1

机车车轴轮对装配位置采用丝材火焰喷涂Mo涂层，机车车轴与轮对为过盈配合，当车辆行程达到一定的里数以后，轮对会发生磨损。因此，需要将轮对拆卸后进行机加工修整。拆卸过程中，轮对会对车轴表面造成局部拉伤，导致30％以上的车轴在拆卸过程中发生失效，造成巨大经济损失。利用Mo较高硬度和自润滑的特性，在车轴轮对装配位置通过热喷涂制备Mo涂层可保证轮对在拆卸过程中不会对车轴本体造成损伤，显著降低车轴的失效概率，避免造成重大经济损失。

首先，按照机车车轴轮对装配位置的尺寸，以厚度为2mm的低碳钢板制作金属遮挡工装，正对工件表面喷涂区域的遮挡工装区域做镂空处理。在金属遮挡工装表面涂覆厚度为1mm的聚氨酯。待聚氨酯在室温固化后，获得金属/聚合物复合结构遮挡工装。采用台式车床装夹喷砂处理后的机车车轴，并按照喷涂区域固定好金属/聚合物复合结构遮挡工装，保证工装与车轴喷涂区域的表面间距为5mm。将丝材火焰喷枪固定于车床刀架，调整好喷涂参数后，开启喷枪，待喷枪熔滴束流稳定后，按照设定参数使喷枪做一定速度的往复移动。当涂层厚度达到目标要求后，停止喷涂。依照上述工序进行下一个工件的喷涂。当金属/聚合物复合结构遮挡工装表面沉积的涂层厚度达到影响喷涂工艺的程度时，利用聚氨酯强度较低的特点，采用喷砂的方法在较低的能量水平下去除表面沉积层，待沉积层去除完成后，重新在金属遮挡工装表面涂覆聚氨酯并使其在室温固化，即可实现遮挡工装的反复使用。

实施例2

石油探井探头壳体超音速火焰喷涂WC10Co4Cr耐磨损涂层。石油探井探头是在探井钻成后，利用探井探头内部的放射源测量石油丰度和储量的一种装置。探头下井和上进过程中会与岩石井壁发生严重摩擦，造成探头外表的磨损，由于单个井深达到3000米以上，磨损决定了探头外壳的使用寿命，因此对探头外壳表面进行耐磨涂层制备可显著提高其使用寿命。超音速火焰喷涂WC基金属陶瓷具有优异的耐磨损性能，但超音速焰流具有能量密度高、温度高、冲击速度高等特点，会造成耐热胶带的严重的烧损。石油探井探头壳体为不锈钢材质，为长条形的非回转体，外表呈曲面外形。

首先，按照石油探井探头壳体，以厚度为3mm的低碳钢板制作金属遮挡工装，正对工件表面喷涂区域的遮挡工装区域做镂空处理。在金属遮挡工装表面涂覆厚度为1.5mm的Antibond商用胶泥。待胶泥中的挥发性溶剂在室温蒸发完成后，获得金属/聚合物复合结构遮挡工装。按照喷涂区域在石油探井探头表面固定好金属/聚合物复合结构遮挡工装，保证工装与车轴喷涂区域的表面间距为2mm。采用工业机械手夹持超音速火焰喷枪，调整好喷涂参数后，开启喷枪，待喷枪熔滴束流稳定后，按照设定参数使喷枪做一定速度的平面移动。当涂层厚度达到目标要求后，停止喷涂。依照上述工序进行下一个工件的喷涂。当金属/聚合物复合结构遮挡工装表面沉积的涂层厚度达到影响喷涂工艺时，由于胶泥强度较低，因此采用喷砂或者人工铲除的方法去除表面沉积层，待沉积层去除完成后，重新在金属遮挡工装表面涂覆胶泥并使其干燥，即可实现遮挡工装的反复使用。

实施例3

钛合金法兰面大气等离子喷涂制备NiCrAl抗氧化打底层。陶瓷涂层具有热导率低、硬度高、熔点高等特点，因此在隔热、耐磨、抗高温领域具有重要应用。但由于金属工件基底与陶瓷涂层材料热物理性能差异较大，通常首先在金属工件表面制备一层金属材质的抗氧化打底层，然后在金属打底层表面制备陶瓷涂层，以增强陶瓷层与金属工件的结合强度，并利用打底层抗氧化的特性提高涂层的服役寿命。以海洋环境用钛合金法兰为基材，在法兰面制备NiCrAl打底层与AT13陶瓷层。

首先，按照石油探井探头壳体，以厚度为2mm的低碳钢板制作金属遮挡工装，正对工件表面喷涂区域的遮挡工装区域做镂空处理。在金属遮挡工装表面涂覆厚度为1mm的环氧树脂。待环氧树脂在60℃的温度条件下完全固化后，获得金属/聚合物复合结构遮挡工装。按照喷涂区域在碳合金法兰面固定好金属/聚合物复合结构遮挡工装，保证工装与车轴喷涂区域的表面间距为4mm。采用工业机械手夹持大气等离子喷枪，调整好喷涂参数后，开启喷枪，开启NiCrAl粉末送粉，待喷枪熔滴束流稳定后，按照设定参数使喷枪做一定速度的平面移动。当涂层厚度达到目标要求后，停止喷涂。依照上述工序进行下一个工件的喷涂。当金属/聚合物复合结构遮挡工装表面沉积的涂层厚度达到影响喷涂工艺时，由于环氧树脂强度较低且可溶于有机溶剂的特点，采用喷砂或者丙酮浸泡的方法去除表面沉积层，待沉积层去除完成后，重新在金属遮挡工装表面涂覆环氧树脂并使其固化，即可实现遮挡工装的反复使用。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于可重复使用的热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)按照待加工的工件和工件表面热喷涂区域几何外形特征设计并制造金属遮挡工装；

2)在金属遮挡工装表面涂覆易去除的聚合物层，待聚合物固化或干燥后，完成金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造。

2.根据权利要求1所述的基于可重复使用的热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造方法，其特征在于，步骤1)中，工件表面待喷涂区域的金属遮挡工装做镂空处理，金属遮挡工装与工件表面的垂直距离在2-15mm之间。

3.根据权利要求1所述的基于可重复使用的热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造方法，其特征在于，涂覆的聚合物的耐温不低于80℃。

4.根据权利要求3所述的基于可重复使用的热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造方法，其特征在于，聚合物采用室温固化或加热固化的热固性有机物，或者采用易挥发为溶剂的胶泥。

5.根据权利要求1所述的基于可重复使用的热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造方法，其特征在于，步骤2)中，涂覆的聚合物层的厚度在0.5-3mm之间。

6.根据权利要求1所述的基于可重复使用的热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造方法，其特征在于，还包括操作：待观察表面热喷涂涂层的厚度影响热喷涂质量控制时，去除金属/聚合物复合结构遮挡工装表面的聚合物层，然后重复步骤2)的操作，使热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装能够再次使用，满足喷涂要求。

7.根据权利要求6所述的基于可重复使用的热喷涂用金属/聚合物复合结构遮挡工装的制造方法，其特征在于，去除金属/聚合物复合结构遮挡工装采用机械去除法、有机溶剂溶解去除或加热去除法。

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