CN113416912A - 一种消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法 - Google Patents

一种消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及热喷涂技术领域，具体涉及一种消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法。该方法首先通过向待喷涂金属粉末中混入高熔点陶瓷颗粒，然后将混合粉末热喷涂至基材表面，在喷涂过程中未熔化的高速飞行陶瓷颗粒对枪管内壁粘结的金属粉末具有冲刷清洗的作用，未熔化的陶瓷颗粒对已喷涂的涂层具有撞击夯实作用，提高涂层的致密度并提高其耐腐蚀性能。陶瓷颗粒与金属粉体按照2:1～1:1体积比均匀混合，陶瓷颗粒选取两种：‑220目的氧化铝、碳化硅等。本发明金属粉末中混入陶瓷颗粒防止或降低金属枪管内壁的粘结问题发生，有效提高喷涂效率及涂层的质量稳定性，适用于热喷涂方法制备金属涂层中提高金属涂层的质量及喷涂效率。

Description

一种消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的 方法
技术领域
本发明涉及热喷涂技术领域，具体涉及一种消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法。
背景技术
腐蚀与磨损是各种阀类、旋转部件(如：叶轮、涡轮、泵等)面临的共性问题，亦是亟待解决的难题。针对装备零部件自身的表面防护，磨损及腐蚀等带来的超差，通过制备耐蚀耐磨涂层保护或修复零部件备受关注。非晶合金及不锈钢作为表面防护及修复涂层不但可充分发挥其优异的耐磨耐蚀性能，而且具有良好的韧性和抗冲击性。目前已经在电力、海洋、石化以及核工业等领域成功应用或展现出广阔的应用前景。
目前，非晶合金涂层及不锈钢涂层的制备主要采用热喷涂方法。其中，超音速火焰喷涂具有低火焰温度和高焰流速度，可以较大程度提高涂层冷却速率并降低涂层的孔隙率，被公认为是制备该类涂层的理想方法。然而，该类金属涂层的热喷涂过程中，被加热至熔化或半熔化的粉末粒子加速喷出时，不可避免地会有少量粒子偏离焰流主方向而导致粘结至枪管内壁。粘结的粉末累积后将改变枪管几何尺寸，进而影响焰流的形态及粒子流的温度与速度，最终不仅导致涂层质量降低。此外，枪管内壁粘结累积着急一定程度后，为防止粘结的沉积物喷出至涂层，必须进行枪管的清理，也将严重影响涂层质量的稳定性并大大降低喷涂效率。因此，开发设计出一种可消除或降低热喷涂制备金属涂层时金属枪管粘结并提高涂层性能的方法具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，该方法用于解决热喷涂制备金属涂层时枪管内壁粘结的问题，从而可挺高涂层的质量稳定性及大幅提高喷涂效率。
本发明的技术方案是：
一种消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，首先向金属粉末中混入高熔点惰性陶瓷颗粒，然后将混合粉末热喷涂至基材表面；
其中，热喷涂制备金属涂层是采用超音速火焰喷涂技术，在基材上制备非晶合金涂层或不锈钢涂层；惰性陶瓷颗粒是氧化铝颗粒或碳化硅颗粒，惰性陶瓷颗粒的熔点远高于金属涂层的熔点。
所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，在向金属粉末中混入高熔点惰性陶瓷颗粒过程中，陶瓷颗粒与金属粉体按照体积比2:1～1:1均匀混合。
所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，陶瓷颗粒选取：-220目氧化铝或-220目碳化硅。
所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，在热喷涂制备金属涂层过程中，枪管的材质为不锈钢或耐热钢。
所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，在热喷涂非晶合金涂层或不锈钢涂层的过程中，超音速火焰喷涂工艺参数为：空气压力88～93psi；燃气压力78～83psi；丙烷流量：130～140SLPM；氢气流量：30～35SLPM；氮气流量：25～30SLPM；送粉速率：3～5rpm；喷涂距离：180～260mm。
所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，枪管的抗粘结性能采用连续喷涂10小时后枪管内壁的形貌照片表征。
所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，涂层性能采用涂层截面的孔隙率及动电位极化曲线表征。
所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，基材为碳钢、不锈钢或特殊环境用钢(如：耐蚀钢、耐热钢或硼钢等)。
本发明的设计思想是：
首先，针对热喷涂过程金属粉末与金属枪管粘结问题，采用一种在喷涂温度不熔化的坚硬的颗粒物冲刷枪管内壁的粘结物，已达到清理枪管的作用；其次，添加颗粒物的高速飞行最好对涂层有撞击并致密化的作用；此外，添加的颗粒物自身应是化学惰性的，即使混入金属涂层亦不会使其腐蚀性能恶化严重。
与现有的提高热喷涂金属涂层质量稳定性及提高喷涂效率相比，本发明有益效果如下：
(1)在喷涂过程中金属粉末混合高熔点未熔化的陶瓷颗粒，其高速飞行过程对枪管内壁粘结的粉末具有明显的冲刷作用，可有效清理枪管，稳定涂层质量并提高喷涂效率。
(2)在喷涂过程中，陶瓷颗粒对已形成的涂层具有锤击夯实作用，可增加涂层的致密度并提高涂层的耐蚀性能。
附图说明
图1为待喷涂粉末的扫描电镜照片：(a)铁基非晶合金粉末；(b)铁基非晶合金与氧化铝陶瓷颗粒混合粉末。
图2为超音速火焰喷涂枪管使用前后对比照片：(a)使用前照片；(b)连续喷涂纯非晶合金粉末10小时后照片；(c)连续喷涂非晶合金与氧化铝陶瓷颗粒混合粉末10小时后照片。
图3为超音速火焰喷涂使用不同粉末获得的涂层表面照片：(a)喷涂纯非晶合金粉末；(b)喷涂非晶合金与氧化铝陶瓷颗粒混合粉末。
图4为超音速火焰喷涂使用不同粉末获得的涂层截面照片：(a)喷涂纯非晶合金粉末；(b)喷涂非晶合金与氧化铝陶瓷颗粒混合粉末。
图5为超音速火焰喷涂使用不同粉末获得的涂层的动电位极化曲线：横坐标Potential代表电位(VSCE)，纵坐标Current density代表电流密度(A·cm-2)。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明是针对消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，主要包括两个步骤，第一步是将陶瓷颗粒与金属粉体按照体积比2:1～1:1均匀混合，陶瓷颗粒选取两种：-220目氧化铝和-220目碳化硅。第二步是将混合粉末通过热喷涂方法喷涂至基材表面。
本发明所针对的热喷涂金属涂层是采用HVAF超音速火焰喷涂的方法制备得到的铁基非晶合金涂层或不锈钢涂层，该热喷涂方法中金属枪管材质为不锈钢或耐热钢。该涂层喷涂在碳钢、不锈钢或特殊环境用钢(如：耐蚀钢、耐热钢、硼钢等)基体上，喷涂基体的尺寸350mm×150mm×5mm，涂层厚度0.5mm。在颗粒的目数中，“+”表示筛上物粉末，“-”表示筛下物粉末。
以下，结合附图及实施例详述本发明。
实施例中，所用铁基非晶合金涂层及不锈钢涂层是采用超音速火焰喷涂(HighVelocity Air Fuel,HVAF)的方法获得。该方法中，使用丙烷作为燃料气体，压缩空气作为助燃剂，使用氢气和氮气提高工艺的灵活性。所述HVAF超音速火焰喷涂使用的铁基非晶合金粉末及不锈钢粉末为球形或类球形，采用气体雾化方法获得。所述HVAF超音速火焰喷涂具体工艺参数为：空气压力88～93psi；燃气压力78～83psi；丙烷流量：130～140SLPM；氢气流量：30～35SLPM；氮气流量：25～30SLPM；送粉速率：3～5rpm；喷涂距离：180～260mm。
实施例1
取+500目～-270目铁基非晶合金(合金牌号为：SAM2X5铁基非晶合金)粉末与-220目氧化铝粉末按照体积比1:1混合，混合后的粉末SEM照片如图1(b)所示；采用HVAF超音速火焰喷涂方法，将混合后的粉末喷涂至尺寸为350mm×150mm×5mm的碳钢基体表面，在碳钢表面制备得到掺杂氧化铝颗粒的铁基非晶合金涂层。另外，取纯铁基非晶合金粉末，其SEM照片如图1(a)所示，采用HVAF超音速火焰喷涂的方法制备得到铁基非晶合金涂层，为后续性能评价做参照。
本实施例中，HVAF超音速火焰喷涂具体工艺参数为：空气压力90psi；燃气压力80psi；丙烷流量：132SLPM；氢气流量：34SLPM；氮气流量：26SLPM；送粉速率：4rpm；喷涂距离：200mm。
为验证添加氧化铝陶瓷颗粒对粘结枪管的影响，图2展示了喷涂前的不锈钢枪管及连续喷涂10小时后的枪管内表面照片。如图2(a)所示，可以看出使用前的枪管内壁十分光滑；而连续喷涂10小时纯非晶合金粉末后，枪管内壁有大量堆积物，在枪管内表面呈波纹状，如图2(b)所示。这些沉积物将改变枪管内径的尺寸从而改变喷涂过程焰流及粒子流的流场及温度场，进而影响涂层质量。此外，枪管内壁的堆积物积累到一定程度后，这些沉积物及其碳化物会从枪管喷出沉积至涂层表面，导致涂层内部混杂着这些沉积物及碳化物，如图3(a)所示。然而，连续喷涂10小时非晶合金与氧化铝陶瓷颗粒混合粉末后，枪管内壁仍然比较光滑，如图2(c)所示；而此时获得的涂层表面无枪管喷出的沉积物及碳化物，涂层表面质量很好，如图3(b)所示。
本实施例中，添加氧化铝颗粒的铁基非晶合金涂层的微观结构采用扫描电子显微镜(SEM)来评价，图4展示了超音速火焰喷涂使用不同粉末获得的涂层截面照片。从图中可以看出涂层与基体间有少量喷砂处理时残留的氧化铝颗粒，但是界面无明显缝隙，结合较好。但是采用纯非晶合金粉末喷涂制备的涂层致密度较差，孔隙率较高，如图4(a)所示。而采用非晶合金与氧化铝陶瓷颗粒混合粉末制备的涂层，尽管涂层内部有少量氧化铝陶瓷颗粒镶嵌，但涂层致密而孔隙率较低，如图4(b)所示。
本实施例中制备的铁基非晶合金涂层腐蚀性能采用电化学极化测试：利用美国EG&G公司的Potentionstat/Galvanostat Model 2273型恒电位仪来表征涂层的动电位极化行为，评价添加氧化铝陶瓷颗粒前后铁基非晶合金涂层的耐腐蚀性能。对纯非晶合金粉末制备的涂层和添加氧化铝颗粒的铁基非晶合金混合粉末制备的铁基非晶合金涂层在3.5wt.％氯化钠溶液中进行动电位极化测试。极化测试测试前进行1小时的开路电位测试，动电位极化起始电位选取为开路电位以下400mV，向阳极方向扫描，扫描速率为20mV/min，扫描至1.5VSCE停止。
如图5所示，两种涂层的动电位极化测试结果，可以看出纯铁基非晶合金粉末制备的涂层的自腐蚀电位较低，自腐蚀电流较大，钝化电流密度较大且不稳定，且当电位达到1.15VSCE左右不是开始快速过钝化溶解，表明其较低的耐腐蚀性能。混入氧化铝颗粒的铁基非晶合金粉末制备的铁基非晶合金涂层，自腐蚀电位较高、自腐蚀电流较低，钝化区较稳定且钝化电流密度较小，表明其具有优异的耐腐蚀性能。
实施例2
取+500目～-270目不锈钢(合金牌号为：超级不锈钢3.50；SS3650-02)粉末与-220目碳化硅粉末按照体积比1:1混合，利用HVAF超音速火焰喷涂方法，将混合后的粉末喷涂至尺寸为350mm×150mm×5mm的碳钢基体表面，在碳钢表面制备得到掺杂碳化硅颗粒的不锈钢涂层。同时，取纯不锈钢粉末，利用HVAF超音速火焰喷涂的方法制备获得不锈钢涂层，为后续性能评价做参照。
本实施例中，HVAF超音速火焰喷涂具体工艺参数为：空气压力92psi；燃气压力79psi；丙烷流量：136SLPM；氢气流量：32SLPM；氮气流量：28SLPM；送粉速率：5rpm；喷涂距离：240mm。
为验证添加碳化硅陶瓷颗粒对粘结枪管的影响，对比了连续喷涂纯不锈钢粉末及不锈钢与碳化硅混合粉末10小时后枪管内壁的粘结情况。发现连续喷涂10小时纯不锈钢粉末后的耐热钢枪管内壁粘结严重，致使枪管尺寸变化，影响涂层的致密度。此外，枪管内壁的堆积物时常从枪管喷出沉积至涂层表面，导致涂层内部混杂着这些氧化严重的沉积物及碳化物。而采用不锈钢粉末中添加碳化硅陶瓷颗粒的混合粉末后，连续喷涂10小时后枪管内壁光滑，获得的涂层表面无喷出的沉积物及碳化物，涂层表面质量很好。
本实施例中添加碳化硅颗粒的不锈钢涂层的微观结构采用扫描电子显微镜(SEM)来评价，通过对比涂层截面照片可以看出，采用纯不锈钢粉末喷涂制备的涂层致密度低且孔隙率较高，而采用不锈钢与碳化硅陶瓷颗粒混合粉末制备的涂层，涂层内部有少量碳化硅颗粒镶嵌，涂层致密且孔隙率较低。
本实施例中制备的不锈钢涂层腐蚀性能利用美国EG&G公司的Potentionstat/Galvanostat Model 2273型恒电位仪测试涂层动电位极化行为来评价，对于纯不锈钢粉末制备的涂层和添加碳化硅颗粒的不锈钢混合粉末制备的非不锈钢涂层，在3.5wt.％氯化钠溶液中进行动电位极化测试。极化测试测试前进行3600s的开路电位测试，动电位极化起始电位选取开路电位以下400mV，向阳极方向扫描，扫描速率为20mV/min，扫描至1.5VSCE停止。对比两种涂层的动电位极化测试结果可以看出，纯不锈钢粉末制备的涂层的钝化电流密度，且钝化区不稳定，有很多电流暂态峰，表明其较低的耐腐蚀性能。而混入碳化硅颗粒的不锈钢粉末制备的不锈钢涂层，其钝化区较稳定且钝化电流密度较低，表明其具有优异的耐腐蚀性能。
实施例结果表明，本发明首先通过向待喷涂金属粉末中混入高熔点陶瓷颗粒，然后将混合粉末热喷涂至基材表面，在喷涂过程中未熔化的高速飞行陶瓷颗粒对枪管内壁粘结的金属粉末具有冲刷清洗的作用，可以有效稳定喷涂工艺，保证涂层质量稳定，并大幅提高喷涂效率。此外，未熔化的陶瓷颗粒对已喷涂的涂层具有撞击夯实作用，提高涂层的致密度并提高其耐腐蚀性能。本发明金属粉末中混入陶瓷颗粒防止或降低金属枪管内壁的粘结问题发生，有效提高喷涂效率及涂层的质量稳定性，且可使涂层致密度增加、耐腐蚀性能提高，适用于热喷涂方法制备金属涂层中提高金属涂层的质量及喷涂效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，其特征在于，首先向金属粉末中混入高熔点惰性陶瓷颗粒，然后将混合粉末热喷涂至基材表面；
其中，热喷涂制备金属涂层是采用超音速火焰喷涂技术，在基材上制备非晶合金涂层或不锈钢涂层；惰性陶瓷颗粒是氧化铝颗粒或碳化硅颗粒，惰性陶瓷颗粒的熔点远高于金属涂层的熔点。
2.根据权利要求1所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，其特征在于，在向金属粉末中混入高熔点惰性陶瓷颗粒过程中，陶瓷颗粒与金属粉体按照体积比2:1～1:1均匀混合。
3.根据权利要求1所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，其特征在于，陶瓷颗粒选取：-220目氧化铝或-220目碳化硅。
4.根据权利要求1所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，其特征在于，在热喷涂制备金属涂层过程中，枪管的材质为不锈钢或耐热钢。
5.根据权利要求1所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，其特征在于，在热喷涂非晶合金涂层或不锈钢涂层的过程中，超音速火焰喷涂工艺参数为：空气压力88～93psi；燃气压力78～83psi；丙烷流量：130～140SLPM；氢气流量：30～35SLPM；氮气流量：25～30SLPM；送粉速率：3～5rpm；喷涂距离：180～260mm。
6.根据权利要求1所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，其特征在于，枪管的抗粘结性能采用连续喷涂10小时后枪管内壁的形貌照片表征。
7.根据权利要求1所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，其特征在于，涂层性能采用涂层截面的孔隙率及动电位极化曲线表征。
8.根据权利要求1所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，其特征在于，基材为碳钢、不锈钢或特殊环境用钢。
9.根据权利要求8所述的消除热喷涂制备金属涂层枪管粘结及提高涂层性能的方法，其特征在于，特殊环境用钢为耐蚀钢、耐热钢或硼钢。
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