CN113322461A - 一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的设备及方法 - Google Patents

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CN113322461A CN202110597092.6A CN202110597092A CN113322461A CN 113322461 A CN113322461 A CN 113322461A CN 202110597092 A CN202110597092 A CN 202110597092A CN 113322461 A CN113322461 A CN 113322461A
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Abstract

本发明公开了一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的设备及方法，属材料表面改性技术领域；所述设备包括等离子熔覆机构、后送粉机构、工作台、金属基基材，所述方法包括以下步骤：1)采集等离子重熔过程的热像仪图像；2)提取红外热像仪图像温度分布并计算等离子重熔注射工艺的陶瓷颗粒最佳注射位置；3)通过等离子重熔注射法制备陶瓷增强金属基复合涂层，以较低的热量输入融化并重新凝固材料表面，并在熔化过程中精确控制后送粉铜管的位置与角度并注入陶瓷增强颗粒。本发明的有益效果是避免陶瓷颗粒在制备过程的沉底与热分解现象，并有效减小涂层的残余应力与开裂倾向，使陶瓷颗粒对涂层表面性能的提升作用显著增强。

Description

一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的设备及方法
技术领域
本发明属于材料表面改性技术领域，具体涉及一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的设备及方法。
背景技术
传统的耐磨耐腐蚀性能的涂层材料强度与韧性倒置是难以克服的矛盾，与传统单一合金涂层相比，陶瓷增强金属基复合涂层不仅具有较高的韧性、良好的塑性和相对较低的金属材料成本，而且具有较高的硬度和强化相优异的耐磨性和耐腐蚀性。这些优异的性能使陶瓷增强金属基复合涂层在一些使用条件恶劣的机械部件上具有广阔的应用前景。等离子电弧被认为是一种绿色高效的热源，在表面改性、尺寸恢复等领域有着广泛的应用，在制造或再制造大型零部件时，高效率、低消耗的等离子弧热源可以在零件表面制备合金涂层，从而满足行业生产率和能源效率的经济要求。然而现有以等离子弧为热源的几种制备陶瓷增强金属基复合涂层的方法还存在以下技术瓶颈。
目前，主要利用等离子熔覆技术或等离子熔注技术制备陶瓷增强金属基复合涂层，由送粉方式不同可以具体分为两类，第一种是同轴送粉方式，将陶瓷粉末与金属基粉末混合或者单独将陶瓷粉末进行同轴送粉，直接形成陶瓷增强金属基复合涂层。由于混合粉末中陶瓷颗粒在进入熔池之前通过高能量等离子弧直接加热，不可避免地导致了颗粒的燃烧和溶解，减弱表面强化效果，陶瓷颗粒溶解释放的元素与金属基体中的合金元素相结合，形成多类团聚脆性相，增加了复合涂层的开裂倾向和潜在脆性断裂风险。第二种外送粉方式，在等离子熔覆技术制备金属基合金涂层或者等离子熔注技术在金属基体上形成熔池的同时，在熔池尾部注入陶瓷颗粒，该方法在避免了陶瓷与等离子弧的直接接触，因此在一定程度上减小了陶瓷颗粒的分解，但陶瓷颗粒在高温熔池内的分解问题和偏聚现象依然严重。增强颗粒与金属基复合材料的密度往往差异较大，在制备过程中增强颗粒容易在涂层中偏聚，进一步增大了热膨胀系数的差值，加剧了涂层开裂问题。
发明内容
以上问题的存在导致等离子熔覆或等离子熔注技术制备陶瓷颗粒增强金属基复合涂层的工业化应用受到一定限制，为解决上述问题，本发明提供了一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射的制备方法，本发明还同时提供了一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射的制备设备。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的设备，其特征在于：包括等离子熔覆机构、后送粉机构、工作台、金属基基材，所述金属基基材设置于所述工作台上，所述等离子熔覆机构包括等离子枪、等离子发生器，所述等离子枪设置于金属基基材上方，并与等离子发生器相连接，所述等离子发生器用于产生等离子弧，所述等离子弧作用于金属基基材，并在所述金属基基材表面产生熔池；
所述后送粉机构包括后送粉铜管、后送粉送粉器、可调连接机构，所述后送粉铜管通过方位可调连接机构连接于所述等离子枪上，所述后送粉送粉器与所述后送粉铜管相连接并通过后送粉铜管向熔池中输送陶瓷颗粒。
进一步地，所述的一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的设备，其特征在于：所述方位可调连接机构包括横向可调连接件、纵向可调连接件、角度可调连接件，所述横向可调连接件一侧通过不锈钢喉箍与所述等离子枪连接，所述横向可调连接件另一侧设置有横向滑槽，所述纵向可调连接件设置有纵向滑槽，所述横向可调连接件的横向滑槽与纵向可调连接件的纵向滑槽通过螺栓连接，所述纵向可调连接件一端设置有螺纹孔，所述角度可调连接件通过螺纹钉与纵向可调连接件的螺纹孔连接，所述角度可调连接件通过不锈钢喉箍与所述后送粉铜管连接。
进一步地，所述的一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的设备，其特征在于：所述后送粉机构还包括水冷机构，所述水冷机构包括水冷机，所述后送粉铜管中部设置有进水口与出水口，所述水冷机通过进水口与出水口与所述后送粉铜管连接，用于冷却在等离子重熔注射过程中被加热的后送粉铜管。
一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)预实验：调整等离子枪、红外热像仪位置，设置等离子重熔工艺参数，启动电源，对金属基基材进行等离子重熔操作，并用红外热像仪对重熔过程进行监控；
2)确定陶瓷颗粒最佳注射位置：根据红外热像仪图像与等离子枪参数，得到等离子弧中心坐标与熔池后边缘的坐标，为避开等离子转移弧区域与已经凝固的涂层表面，以等离子弧后边缘与熔池后边缘的中间点为陶瓷颗粒最佳注射位置，通过计算得到图中陶瓷颗粒的最佳注射位置的坐标；
3)调整后送粉机构位置：调整横向可调连接件与纵向可调连接件位置，根据陶瓷颗粒最佳注射位置计算最佳注射角，并通过角度可调连接件调整后送粉铜管以达到最佳注射角；
4)等离子重熔注射制备陶瓷增强金属基复合涂层：设置等离子重熔注射工艺参数，启动等离子发生器、水冷机与后送粉送粉器，进行等离子重熔注射，得到陶瓷增强金属基复合涂层。
进一步地，所述一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的方法，其特征在于：等离子弧中心位置与熔池后边缘的位置由红外热像仪图像与等离子枪参数确定，首先根据金属基基材材料设定红外热像仪的固定发射率并对红外图像进行校准，得到真实长度L1与图像像素长度L2之间的校准因子α(d)，校准结果参照式(1)，再提取熔池中心线与等离子弧线的温度分布信息，以金属基基体材料液相线温度点为熔池后边缘的坐标x1，以等离子弧线温度最高点确定等离子弧中心坐标x2，所述等离子转移弧半径r1由等离子枪决定，为1.5-3mm，在红外图像中最佳注射坐标x3由计算确定，计算公式参照式(2)
L1＝L2×α(d)； (1)
Figure BDA0003091514320000031
进一步地，所述一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的方法，其特征在于：通过调整角度可调连接件精确控制后送粉铜管角度，以达到陶瓷颗粒利用率的最大化，首先调整横向可调连接件与纵向可调连接件精确控制后送粉机构位置，所述后送粉铜管喷嘴中心与金属基基体之间的距离h为8-12mm，所述后送粉铜管喷嘴中心与等离子枪中心之间的距离b1为8-16mm，通过调整角度可调连接件精确调整后送粉铜管角度，最佳注射角θ由计算确定，计算公式参照式(3)
Figure BDA0003091514320000032
进一步地，所述一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的方法，其特征在于：等离子重熔与等离子重熔注射过程采用包括如下的工艺条件：等离子非弧电压为22-25V，转移弧电流为80-120A，钨极直径为3mm，等离子枪前进速度为40-60mm/min，等离子枪摆动速度为0-1800mm/min，等离子枪摆动幅度为0-20mm，所用保护气体为氩气，流量5-20L/min。
进一步地，所述一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的方法，其特征在于：所述后送粉机构输送的陶瓷颗粒为常用陶瓷增强粉末，为WC、TiC、Al2O3中的一种或多种，陶瓷颗粒的粒度范围为50-300μm，后送粉送粉器送粉速度1-40g/min。
进一步地，所述一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的方法，其特征在于：等离子重熔与等离子重熔注射选用同样金属基基体，所述金属基基体选自不锈钢、熔覆涂层或喷涂涂层中的一种。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、采用本发明的方法能够通过等离子重熔工艺与热像仪数据精准计算出陶瓷颗粒的最佳注射位置，采用本发明的设备能够精准控制后送粉机构的位置及角度，能够最大程度的提高陶瓷颗粒的利用率。
2、本发明的方法操作简单，能够在多类型基体如喷涂层、喷焊层、熔覆层、不锈钢表面形成质量良好的陶瓷增强增强金属基复合涂层,可以根据基体需要调整等离子弧能量输入，以改变陶瓷颗粒的注入深度，形成不同厚度的陶瓷增强增强金属基复合涂层。
3、本发明制备的陶瓷增强增强金属基复合涂层能够有效避免陶瓷颗粒在制备过程的偏聚与热分解现象，并有效减小涂层的残余应力与开裂倾向，使陶瓷颗粒对涂层表面性能的提升作用显著增强。
附图说明
图1是一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的设备示意图；其中，1－工作台，2－基板，3－复合涂层，4－熔池，5－等离子弧，6－等离子枪，7－等离子发生器，8－横向可调连接件，9－纵向可调连接件，10-螺栓，11－螺纹钉，12－角度可调连接件，13－后送粉铜管，14－入水口，15－出水口，16－后送粉送粉器，17－水冷机；
图2是等离子重熔注射装置位置关系示意图；
图3是本发明实施例利用红外热像仪图像计算最佳注射位置示意图，其中：(a)图是红外热像仪图位置关系示意图；(b)图红外热像仪实拍图；
图4是本发明实施例所热像仪校准的示意图；
图5是本发明实施例的热像仪温度分布数据，其中：(a)图是熔池中心线的温度分布图；(b)图等离子弧线的温度分布图；
图6是本发明实施例所制备的复合涂层陶瓷颗粒分布图，其中：(a)图是等离子熔覆同轴送粉制备的复合涂层陶瓷颗粒分布图；(b)图是等离子重熔注射制备的复合涂层陶瓷颗粒分布图；
图7是本发明实施例所制备的复合涂层陶瓷颗粒微观组织图，其中：(a)图是等离子熔覆同轴送粉制备的复合涂层陶瓷颗粒微观图；(b)图是等离子重熔注射制备的复合涂层陶瓷颗粒微观图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的设备，包括等离子熔覆机构、后送粉机构、工作台1、金属基基材2，金属基基材2设置于工作台1上。
等离子熔覆机构包括等离子枪6、等离子发生器7，等离子枪6设置于金属基基材2上方，并与等离子发生器7相连接，等离子发生器7用于产生等离子弧5，等离子弧5作用于金属基基材2，并在金属基基材2表面产生熔池4。
后送粉机构包括后送粉铜管13、后送粉送粉器16、可调连接机构，后送粉铜管13通过方位可调连接机构连接于等离子枪6上，后送粉送粉器16与后送粉铜管13相连接并通过后送粉铜管13向熔池4中输送陶瓷颗粒。
方位可调连接机构包括横向可调连接件8、纵向可调连接件9、角度可调连接件12，横向可调连接件8一侧通过不锈钢喉箍与等离子枪6连接，横向可调连接件8另一侧设置有横向滑槽，纵向可调连接件9设置有纵向滑槽，横向可调连接件8的横向滑槽与纵向可调连接件9的纵向滑槽通过螺栓10连接，纵向可调连接件9一端设置有螺纹孔，角度可调连接件12通过螺纹钉11与纵向可调连接件9的螺纹孔连接，角度可调连接件12通过不锈钢喉箍与后送粉铜管13连接。
后送粉机构还包括水冷机构，水冷机构包括水冷机17，后送粉铜管13中部设置有进水口14与出水口15，水冷机17通过进水口14与出水口15与后送粉铜管13连接，用于冷却在等离子重熔注射过程中被加热的后送粉铜管13。
一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的方法，具体包括以下步骤：
1)选用武汉材料保护研究所的PTA-400E4-ST通用型喷焊设备，调整等离子枪位置，设置于金属基基材(120mm×80mm×5mm，材料为Fe901熔覆层)上方10mm处，调整红外热像仪位置与焦距，使拍摄视野清晰，设置等离子重熔工艺参数为：等离子非弧电压为25V，转移弧电流为80A，钨极直径为3mm，等离子枪前进速度为50mm/min，等离子枪摆动速度为1400mm/min，等离子枪摆动幅度为14mm，所用保护气体为氩气，流量10L/min。对金属基基材2进行等离子重熔操作，并用红外热像仪对等离子重熔过程进行监控；
2)根据金属基基材材料设定红外热像仪的固定发射率为0.3，对热像仪图像进行校准，校准示意图如图4所示，得到真实长度L1与图像像素长度L2之间的校准因子α(d)，真实长度L1与图像长度L2的校准结果为L1＝L2×0.536，提取熔池中心线与等离子弧线的温度分布信息，如图5所示。以金属基体材料液相线温度1221℃为熔池后边缘的位置，坐标x1为70，以等离子弧线温度最高点确定等离子弧中心位置，坐标x2为105，选用QLA-160型精密等离子枪，该枪等离子转移弧半径r1为1.5mm，最佳注射位置x3坐标为86；
3)调整横向可调连接件与纵向可调连接件位置，使后送粉铜管喷嘴中心与金属基体之间的距离h为10mm，后送粉铜管喷嘴中心与等离子枪中心之间的距离b1为19.38mm，计算最佳注射角θ为47.4°；
4)调整等离子枪位置，设置于金属基基材(120mm×80mm×5mm，材料为Fe901熔覆层)上方10mm处，设置等离子重熔注射工艺参数为：等离子非弧电压为25V，转移弧电流为80A，钨极直径为3mm，等离子枪前进速度为50mm/min，等离子枪摆动速度为1400mm/min，等离子枪摆动幅度为14mm，所用保护气体为氩气，流量10L/min，后送粉输送的陶瓷颗粒选用粒度为50-150μm的球形铸造碳化钨粉末，后送粉送粉器的送粉量为11g/min，对基材进行等离子重熔注射操作，得到碳化钨增强铁基复合涂层3。
以上结果所用计算公式如下：
L1＝L2×α(d)； (1)
Figure BDA0003091514320000061
Figure BDA0003091514320000062
为进行对比，本实施例以等离子熔覆同轴送粉方式制备了碳化钨增强铁基复合涂层，其工艺参数为等离子非弧电压为25V，转移弧电流为130A，钨极直径为3mm，等离子枪前进速度为50mm/min，等离子枪摆动速度为1400mm/min，等离子枪摆动幅度为14mm，所用保护气体为氩气，流量10L/min，同轴送粉粉末选用粒度50-150μm的碳化钨/Fe901混合粉末，其中碳化钨粉末重量占比30％，Fe901粉末重量占比70％，同轴送粉送粉器的送粉量为36g/min。
取实施例1两种方法获得的碳化钨陶瓷增强复合涂层，图6为复合涂层的陶瓷颗粒分布图，其中：(a)图是等离子熔覆同轴送粉制备的复合涂层陶瓷颗粒分布图，(b)图是按本发明等离子重熔注射法制备出的复合涂层陶瓷颗粒分布图，可以看出等离子熔覆同轴送粉制备的复合涂层碳化钨颗粒偏聚在涂层底部，并且涂层出现了明显的网状裂纹，靠近界面的裂纹穿过了多个陶瓷颗粒。等离子重熔注射法制备出的复合涂层没有明显裂纹出现，陶瓷颗粒均匀分布在涂层表面，能够有效保护涂层表面。
图7为复合涂层的陶瓷颗粒微观组织图其中：(a)图是等离子熔覆同轴送粉制备的复合涂层陶瓷颗粒微观图；(b)图是等离子重熔注射制备的复合涂层陶瓷颗粒微观图。可以看出等离子熔覆同轴送粉制备的复合涂层碳化钨陶瓷颗粒发生了明显的溶解，周围有一层较厚的合金层，大量块状相在合金层附近析出，并在基体反应形成了共晶相。相比之下，等离子重熔注射制备的复合涂层碳化钨陶瓷颗粒合金层明显变薄，合金层边缘块状颗粒明显变小，证明等离子重熔注射法能够有效减轻碳化钨陶瓷颗粒的分解，并且碳化钨颗粒周围的涂层结构保持了原有的枝晶与枝晶间结构，凸显了本发明所具备的优势。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的设备，其特征在于：包括等离子熔覆机构、后送粉机构、工作台(1)、金属基基材(2)，所述金属基基材(2)设置于所述工作台(1)上，所述等离子熔覆机构包括等离子枪(6)、等离子发生器(7)，所述等离子枪(6)设置于金属基基材(2)上方，并与等离子发生器(7)相连接，所述等离子发生器(7)用于产生等离子弧(5)，所述等离子弧(5)作用于金属基基材(2)，并在所述金属基基材(2)表面产生熔池(4)；所述后送粉机构包括后送粉铜管(13)、后送粉送粉器(16)、可调连接机构，所述后送粉铜管(13)通过方位可调连接机构连接于所述等离子枪(6)上，所述后送粉送粉器(16)与所述后送粉铜管(13)相连接并通过后送粉铜管(13)向熔池(4)中输送陶瓷颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的设备，其特征在于：所述方位可调连接机构包括横向可调连接件(8)、纵向可调连接件(9)、角度可调连接件(12)，所述横向可调连接件(8)一侧通过不锈钢喉箍与所述等离子枪(6)连接，所述横向可调连接件(8)另一侧设置有横向滑槽，所述纵向可调连接件(9)设置有纵向滑槽，所述横向可调连接件(8)的横向滑槽与纵向可调连接件(9)的纵向滑槽通过螺栓(10)连接，所述纵向可调连接件(9)一端设置有螺纹孔，所述角度可调连接件(12)通过螺纹钉(11)与纵向可调连接件(9)的螺纹孔连接，所述角度可调连接件(12)通过不锈钢喉箍与所述后送粉铜管(13)连接。
3.根据权利要求2所述的一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的设备，其特征在于：所述后送粉机构还包括水冷机构，所述水冷机构包括水冷机(17)，所述后送粉铜管(13)中部设置有进水口(14)与出水口(15)，所述水冷机(17)通过进水口(14)与出水口(15)与所述后送粉铜管(13)连接，用于冷却在等离子重熔注射过程中被加热的后送粉铜管(13)。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述的一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的设备的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)预实验：调整等离子枪(6)、红外热像仪位置，设置等离子重熔工艺参数，启动电源，对金属基基材(2)进行等离子重熔操作，并用红外热像仪对重熔过程进行监控；
2)确定陶瓷颗粒最佳注射位置：根据红外热像仪图像与等离子枪(6)参数，得到等离子弧(5)中心坐标与熔池(4)后边缘的坐标，为避开等离子转移弧区域与已经凝固的涂层表面，以等离子弧(5)后边缘与熔池(4)后边缘的中间点为陶瓷颗粒最佳注射位置，通过计算得到图中陶瓷颗粒的最佳注射位置的坐标；
3)调整后送粉机构位置：调整横向可调连接件(8)与纵向可调连接件(9)位置，根据陶瓷颗粒最佳注射位置计算最佳注射角，并通过角度可调连接件(12)调整后送粉铜管(13)以达到最佳注射角；
4)等离子重熔注射制备陶瓷增强金属基复合涂层：设置等离子重熔注射工艺参数，启动等离子发生器(7)、水冷机(17)与后送粉送粉器(16)，进行等离子重熔注射，得到陶瓷增强金属基复合涂层(3)。
5.根据权利要求4所述一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的方法，其特征在于：等离子弧中心位置与熔池后边缘的位置由红外热像仪图像与等离子枪参数确定，首先根据金属基基材材料设定红外热像仪的固定发射率并对红外图像进行校准，得到真实长度L1与图像像素长度L2之间的校准因子α(d)，校准结果参照式(1)，再提取熔池中心线与等离子弧线的温度分布信息，以金属基基体材料液相线温度点为熔池后边缘的坐标x1，以等离子弧线温度最高点确定等离子弧中心坐标x2，所述等离子转移弧半径r1由等离子枪决定，为1.5-3mm，在红外图像中最佳注射坐标x3由计算确定，计算公式参照式(2)
L1＝L2×α(d)； (1)
Figure FDA0003091514310000021
6.根据权利要求5所述一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的方法，其特征在于：通过调整角度可调连接件精确控制后送粉铜管角度，以达到陶瓷颗粒利用率的最大化，首先调整横向可调连接件与纵向可调连接件精确控制后送粉机构位置，所述后送粉铜管喷嘴中心与金属基基体之间的距离h为8-12mm，所述后送粉铜管喷嘴中心与等离子枪中心之间的距离b1为8-16mm，通过调整角度可调连接件精确调整后送粉铜管角度，最佳注射角θ由计算确定，计算公式参照式(3)
Figure FDA0003091514310000022
7.根据权利要求4所述一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的方法，其特征在于：等离子重熔与等离子重熔注射过程采用包括如下的工艺条件：等离子非弧电压为22-25V，转移弧电流为80-120A，钨极直径为3mm，等离子枪前进速度为40-60mm/min，等离子枪摆动速度为0-1800mm/min，等离子枪摆动幅度为0-20mm，所用保护气体为氩气，流量5-20L/min。
8.根据权利要求4所述一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的方法，其特征在于：所述后送粉机构输送的陶瓷颗粒为常用陶瓷增强粉末，为WC、TiC、Al2O3中的一种或多种，陶瓷颗粒的粒度范围为50-300μm，后送粉送粉器送粉速度1-40g/min。
9.根据权利要求4所述一种陶瓷增强复合涂层等离子重熔注射制备的方法，其特征在于：等离子重熔与等离子重熔注射选用同样金属基基体，所述金属基基体选自不锈钢、熔覆涂层或喷涂涂层中的一种。
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