CN113737169B - 电致塑性辅助冷喷涂装置及涂层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电致塑性辅助冷喷涂装置及涂层制备方法，适用于粉末难沉积的硬质基体和沉积后易产生裂纹的导电粉末，脉冲电源通过正电极和负电极向基体通入脉冲电流，储气罐中的气流经气阀后两股输出，一股气流流入气体加热器加热，另一股气流经送粉器输出口后携带喷涂颗粒，两股气流经Laval喷嘴加速后冲击基体，试样台带动基体按照设置的喷涂轨迹循环移动，在基体上形成涂层；本发明在基体两端放置电极并通入脉冲电流，刺激基体材料软化，利于涂层与基体之间的机械结合，从而提高涂层与基体的结合强度；在底层涂层与基体结合后，脉冲电流通入底层涂层，在后续颗粒冲击时，夯实底层涂层与基体的结合，形成致密且孔隙率低的涂层。
Description
技术领域
本发明涉及冷喷涂技术和电致塑性加工技术领域，特指在脉冲电流条件下优化冷喷涂涂层沉积装置和涂层制备方法，特别适用于粉末难沉积的硬质基体和沉积后易产生裂纹的导电粉末。
背景技术
冷喷涂技术是利用高压气体驱动粉末颗粒，经Laval喷嘴的汇聚和发散后形成超音速双相流，当粉末的速度达到或超过临界速度后，喷涂粉末经过较大的塑性变形沉积于基体表面，逐步形成涂层。冷喷涂涂层可以有效防止高温、氧化以及化学腐蚀，目前在航空航天、汽车、能源、医疗、海洋等领域有着广泛的应用。但冷喷涂涂层制备也面临着诸多问题：当基体材料硬度过大时，会限制沉积颗粒嵌入基体，结合强度难以保证，不利于涂层的生长，导致涂层的厚度较低；某些颗粒沉积需要达到较高的临界速度，对冷喷涂装置的性能参数要求较高；颗粒与颗粒之间的结合无法产生致密的、较小孔隙率的涂层，甚至出现裂纹等。这些问题极大的限制了冷喷涂在实际中的应用。
电致塑性是指材料(包括各种金属材料、粉末冶金制品、超导材料、陶瓷材料等)在运动电子(电场或电流)的作用下各项性能发生改变的现象。在力学方面，因电流或电场作用而产生热量，使材料软化，屈服强度和抗压强度下降，塑性变形能力提高；在微观方面，改善材料组织状态，加快再结晶过程，细化晶粒，并有助于裂纹的止裂和愈合。电致塑性在拔丝、轧制、拉深、渐进成形等塑性成形过程中广泛应用，但在对塑性同样有高要求的冷喷涂领域暂无应用。
发明内容
本发明的目的是将电致塑性应用在冷喷涂领域，将冷喷涂和电致塑性相结合，提供一种适用于硬质基体涂层沉积的电致塑性辅助冷喷涂装置以及涂层制备方法，改善冷喷涂涂层的性能，优化涂层的制备。
为实现上述目的，本发明所述的电致塑性辅助冷喷涂装置采用的技术方案是：包括储气罐和气阀，储气罐的出气口连接气阀的输入口，气阀的第1个输出口连接Laval喷嘴的第1个输入口，气阀的第2个输出口连接气体加热器输入口，送粉器的输出口和气阀第1个输出口并联后连接Laval喷嘴的第1个输入口，气体加热器的输出口连接Laval喷嘴的第2个输入口，Laval喷嘴的输出口水平布置且正对着基体的待喷涂面，基体垂直布置且固定夹在夹具上；基体上表面贴有正电极、下表面贴有负电极，脉冲电源、正电极、基体、负电极、示波器依次串联；基体的待喷涂面前方设有温度检测仪和裂纹检测仪，夹具固定连接于试样台，试样台能带动夹具与基体在空间三维方向移动；中央控制系统分别经控制线连接气阀、气体加热器、送粉器和试样台，示波器、温度检测仪和裂纹检测仪分别经信号线连接中央控制系统。
进一步地，基体与夹具之间以及正电极、负电极与夹具之间都设有绝缘层。
本发明所述的电致塑性辅助冷喷涂装置的涂层制备方法采用的技术方案是包括以下步骤：
步骤1)：在送粉器中放入喷涂颗粒，中央控制系统控制脉冲电源通过正电极和负电极向基体通入脉冲电流，开启气阀、气体加热器、送粉器和试样台；
步骤2)：储气罐中的气流经气阀后两股输出，一股气流流入气体加热器加热，另一股气流经送粉器输出口后携带喷涂颗粒，两股气流经Laval喷嘴加速后冲击基体；
步骤3)：试样台带动基体按照设置的喷涂轨迹循环移动，在基体上形成10～50层涂层；
步骤4)：中央控制系统控制气阀、气体加热器、送粉器和试样台关闭，停止喷涂，调整脉冲电源，使有效电流密度保持在4～8A/mm2；
步骤5)：停止喷涂至设定的时间后，中央控制系统控制气阀、气体加热器、送粉器和试样再开启，继续喷涂，最终在基体表面形成总厚度为0.6～3mm的涂层。
进一步地，步骤5)完成后，中央控制系统关闭气阀、气体加热器和送粉器，控制试样台停止移动，裂纹检测仪检测基体的表面裂纹，根据表面裂纹情况选择控制脉冲电源向基体继续通入脉冲电流或者关闭脉冲电源。
进一步地，步骤3)中，所述的喷涂轨迹是在基体待喷涂表面先由上至下地沿矩形来回移动形成一层涂层，再由下至上地沿矩形来回移动形成一层涂层，完成一个循环，一个循环形成两层涂层，循环次数为10～100次。
本发明具有如下技术优势：
1.本发明在基体两端放置电极并通入脉冲电流，基体材料产生电致塑性效应和焦耳热效应，温度升高，刺激基体材料软化，材料内部的流动应力降低，使基体更易产生塑性变形，塑性变形能力提高，利于涂层与基体之间的机械结合，促进冶金结合的产生，从而提高涂层与基体的结合强度。对于硬度较高的基体，通过脉冲电流对基体的软化作用，克服了粉末颗粒与基体间产生的非协调变形，利于颗粒在硬质基体上的沉积，能够在硬质基体上产生结合高强度、高厚度的涂层。
2.本发明在底层涂层与基体结合后，脉冲电流通入底层涂层，使底层涂层也产生电致塑性效应和焦耳热效应。由于脉冲电流产生的电致塑性，使后续颗粒成形力减小、促进位错的运动、改善微观组织状态，促进冶金结合，在后续颗粒冲击时，不仅利于微锻效应的产生从而夯实底层涂层与基体的结合，而且利于后续涂层与底层涂层的结合，形成致密且孔隙率低的涂层。
3.通过电致塑性作用，可降低成本，提高涂层沉积效率。对于有些颗粒与基体，形成有效沉积需要较高的临界速度，通过电致塑性作用，可降低所需要的临界速度，降低对设备的参数要求，从而降低成本；对于钛等在喷涂后易形成孔隙、裂纹和碎裂等缺陷的涂层，脉冲电流所产生止裂效应，能够抑制缺陷的扩展，在一定条件下缺陷能够实现焊合，通过电致塑性产生的原位热处理免去了后续热处理的需要，从而降低成本。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明所述的电致塑性辅助冷喷涂装置的结构示意图；
图2为由上至下的喷涂轨迹图；
图3为由下至上的喷涂轨迹图；
附图标记说明如下：
1-储气罐，2-气阀，3-气体管路，4-气体加热器，5-送粉器，6-Laval喷嘴，7-喷涂颗粒，8-涂层，9-夹具，10-正电极，11-基体，12-试样台，13-绝缘层，14-负电极，15-温度检测仪，16-裂纹检测仪，17-示波器，18-脉冲电源，19-中央控制系统，20-喷涂轨迹。
具体实施方式
参见图1所示，本发明所述的电致塑性辅助冷喷涂装置包括储气罐1、气阀2、气体加热器4、送粉器5、Laval喷嘴6、试样台12以及若干个气体管路3。其中，气阀2具有1个输入口和2个输出口，Laval喷嘴6具有2个输入口和1个输出口。储气罐1的出气口通过气体管路3连接气阀2的1个输入口，气阀2的第1个输出口通过气体管路3连接Laval喷嘴6的第1个输入口，气阀2的第2个输出口通过气体管路3连接气体加热器4输入口，气体加热器4的输出口通过气体管路3连接Laval喷嘴6的第2个输入口。Laval喷嘴6的输出口水平布置，正对着基体11的受喷涂面，即正对着基体11的正面，Laval喷嘴6的输出口与基体11相垂直。基体11垂直布置，固定夹在夹具9上。
在气阀2的第1个输出口和Laval喷嘴6的第1个输入口之间设有送粉器5，送粉器5的下端是输出口，送粉器5的输出口与气阀2的第1个输出口和Laval喷嘴6的第1个输入口之间的气体管路3相连接，使送粉器5的输出口和气阀2第1个输出口并联后连接Laval喷嘴6的第1个输入口。
气阀2的2个输出口相互垂直。Laval喷嘴6本身水平布置，Laval喷嘴6的2个输入口相互垂直，Laval喷嘴6的输出口和其第1个输入口的中心轴共线，并且均水平布置，第2个输入口垂直布置。送粉器5的输出口与Laval喷嘴6的第1个输入口之间的气体管路3水平布置，送粉器5输出口垂直于气阀2与Laval喷嘴6的第1个输入口之间的水平气体管路3，气阀2与Laval喷嘴6的第1个输入口之间的水平气体管路3与Laval喷嘴6的第1个输入口的中心轴共线。
夹具9固定着夹紧基体11，夹具9在基体11的结合处涂有绝缘层13，以防止电流流入夹具9。夹具9装配在试样台12上，固定连接于试样台12，试样台12能带动夹具9与基体11做X、Y、Z空间三维方向的运动。本发明设定X运动方向是与Laval喷嘴6出口相平行的方向；Z运动方向是与Laval喷嘴6出口相垂直的方向，Y运动方向是与X、Z运动方向相垂直的方向。
在基体11上、下两个表面上分别贴有正电极10与负电极14，正电极10、负电极14与夹具9之间均间隔着所述的绝缘层13，形成正电极10、基体11、负电极14的三明治结构，并通过夹具9将三明治结构固定加紧。
中央控制系统19分别经控制线连接气阀2、气体加热器4、送粉器5和试样台12，中央控制系统19能控制气阀2的启停以及输出气压的大小，控制气体加热器4启停和加热温度，中央控制系统19能控制送粉器5的启停以及送粉速率，中央控制系统19能控制试样台12在空间三维方向移动，即沿X、Y、Z方向运动。
脉冲电源18、正电极10、基体11、负电极14、示波器17依次串联，形成一个电流回路，脉冲电源18正极连接正电极10，负极经示波器17连接负电极14。示波器17经信号经连接中央控制系统19，中央控制系统19经控制线连接脉冲电源18，中央控制系统19能控制脉冲电源18的通断和电参数大小。示波器17用以监控基体11的电参数并将电参数信息传递给中央控制系统19，从而能通过中央控制系统19实时调节脉冲电源18输出的电流及电压，使有效电流密度保持在一个额定范围。
在基体11待喷涂面正面前方设置温度检测仪15和裂纹检测仪16，温度检测仪15和裂纹检测仪16分别通过信号线连接中央控制系统19。温度检测仪15用以监控基体11的表面温度并将温度信息传递给中央控制系统19，从而能通过中央控制系统19实时调节脉冲电源18输出的电流及电压，使基体11表面温度保持在一个额定范围。裂纹检测仪16用以在喷涂结束后，对涂层8表面裂纹进行检测，通过表面裂纹情况选择继续通入脉冲电流或者关闭脉冲电源18。
气体储气罐1出气口释放出高压气流，高压气流进入气阀2中后分为两股输出，一股气流流经送粉器5的输出口，携带由送粉器5输出口释放出的喷涂颗粒7；另一股气流流入气体加热器4进行预热；然后，两股气流通过Laval喷嘴6的两个输入口进入Laval喷嘴6中，在Laval喷嘴6中先混合，再经过先收敛后发散几何形状的Laval喷嘴进行加速，从而产生超音速气流并携带喷涂颗粒7从输出口喷出，水平冲击着正对面的基体11。
储气罐1释放出的气体气压为1.5～3.0MPa，中央控制系统19控制气阀2输出气压的大小为1.5～3.0MPa，在送粉器5中加入的喷涂颗粒7的粒径为15～50μm，送粉器5的送粉速率控制为50～250g/min，气体加热器4中对高压气流的加热温度为300～800℃，喷涂颗粒7经Laval喷嘴6加速后的速度为300～1500m/s。
脉冲电源18通过正电极10和负电极14向基体11通入脉冲电流，中央控制系统19控制脉冲电源18电参数大小，脉冲电源18的电参数包括输出工作频率、电压、脉冲最大峰值以及脉宽。输出工作频率为100～800Hz，输出电压为10～120V，脉冲最大峰值大于或等于4000A，脉宽为10～80μs。若脉冲电源18选择的是矩形脉电流，则基体11有效值电流密度若脉冲电源18选择的是正弦单向脉冲电流，则基体11有效值电流密度/>其中，J(A/mm2)为基体11有效值电流密度；I为基体11电流的有效值；S为基体11的截面积；I m为脉冲电流最大峰值；T为脉冲电源18输出r工作频率；ti为脉冲电源18的脉冲宽度。
本发明所述的电致塑性辅助冷喷涂装置工作时，按以下步骤来制备涂层：
步骤一：松开夹具9，将负电极14、基体11和正电极10从下到上依次放在夹具9中由夹具9固定，确保基体11上下侧面紧贴正电极10和负电极14，构成负电极14、基体11、正电极10的三明治结构，之后固定螺母，保证基体11固定不晃动，基体11与夹具9之间以及正电极10、负电极14与夹具9之间都通过绝缘层13分隔，防止夹具9中通入脉冲电流。
步骤二：喷涂前，在送粉器5中放入平均粒径为15～50μm的喷涂颗粒7，根据需要，中央控制系统19调节参数：由中央控制系统19调节气阀2送气压力为1.5～3.0Mpa，调节气体加热器4的加热温度为300～800℃，调节送粉器5的送粉速率为50～250g/min，使气体和粉末混合气流通过Laval喷嘴6后的速度为300～1500m/s。由中央控制系统19调节试样台12的X轴的移动来控制喷涂距离，喷涂距离指的是Laval喷嘴6与基体11待喷涂表面之间的水平距离，为10～50mm。由中央控制系统19设置试样台12在喷涂时的Y和Z轴的移动轨迹，使Laval喷嘴6沿着图2和图3中箭头方向所示的喷涂轨迹20进行喷涂，即在基体11待喷涂表面先由上至下地沿矩形来回移动(图2)，形成一层涂层8，再由下至上地沿矩形来回移动(图3)，形成一层涂层8。如图2，在基体11待喷涂表面，首先使受喷涂点(-y，z)沿喷涂轨迹20移动至点(y，-z)，如图3，再沿喷涂轨迹20由点(y，-z)移动至(-y，z)，如此完成一个循环，一个循环形成两层涂层8。中央控制系统19设置试样台12在喷涂时的Y和Z轴的移动速度和循环次数，使基体11沿Y轴和Z轴的移动速度均为20～250mm/s，循环次数为10～100次，涂层8总厚度为0.6～3mm。
中央控制系统19控制试样台12沿Y、Z方向移动，从而调整基体11位置，使Laval喷嘴6对准基体11喷涂起始点(-y，z)。中央控制系统19控制脉冲电源18通过正电极10和负电极14向基体11通入脉冲电流，使基体11产生材料产生电致塑性效应和焦耳热效应，温度升高，材料软化，材料内部的流动应力降低，使基体11更易产生塑性变形。利于涂层与基体11之间的机械结合，并促进冶金结合的产生，从而提高涂层与基体11的结合强度。
根据喷涂颗粒7与基体11性质(硬度、塑性等)调整脉冲电源18输出工作频率为100～800Hz、输出电压为10～120V、脉冲最大峰值≥4000A和脉宽10～80μs，并根据示波器17和温度检测仪15的读数进行电参数的修正，将计算得出的有效电流密度保持在8～15A/mm2，温度检测仪15检测基体11表面温度，基体11表面温度保持在80～120℃。
步骤三：中央控制系统19控制脉冲电源18通过正电极10和负电极14向基体11通入脉冲电流，控制气阀2、气体加热器4、送粉器5、试样台12开启，储气罐1气流输入气阀2后由气阀2分为两股输出，一股气流流入气体加热器4进行加热，另一股气流流经送粉器5输出口，携带由送粉器5输出口释放出的喷涂颗粒7。两股气流通过Laval喷嘴6的两个输入口进入Laval喷嘴6腔体混合后，经过收敛、发散几何形状的Laval喷嘴6进行加速，从而产生超音速气流并携带喷涂颗粒7由水平方向冲击基体11。在产生高速喷涂颗粒7的同时，中央控制系统19控制试样台12按照步骤二中设置的喷涂轨迹20做Y轴和Z轴移动，开始喷涂第一层涂层8，如图2所示受喷涂点由喷涂起始点(-y，z)沿喷涂轨迹20向下移动至点(y，-z)，从而形成第一层涂层8，如图3所示，试样台12按照喷涂轨迹20做Y轴和Z轴移动，受喷涂点由喷涂起始点(y，-z)沿喷涂轨迹20向上移动至点(-y，z)，开始喷涂第二层涂层8，以上过程为一个循环，一个循环形成两层涂层8。如此，通过试样台12的往复运动从而在基体11上形成10～50层涂层8。
在基体11上沉积涂层后，底层涂层与基体11结合后，脉冲电流通入底层涂层8，使底层涂层8也产生电致塑性效应。在后续颗粒冲击时，不仅利于微锻效应的产生从而夯实底层涂层8与基体11的结合，而且利于后续涂层8与底层涂层8的结合，形成致密且孔隙率低的涂层8。
步骤四：在形成前10～50层涂层8后，中央控制系统19控制气阀2、气体加热器4、送粉器5、试样台12关闭，暂时停止喷涂。然后调整脉冲电源18电参数，使有效电流密度保持在4～8A/mm2，从而使涂层8和涂层8之间产生相对于涂层8和基体11间较弱的电致塑性效应，防止因前10～50层涂层8的塑性降低和软化，使后续喷涂颗粒7对涂层8造成冲蚀而降低涂层8结合强度并增加涂层8孔隙率。
步骤五：停止喷涂至设定的时间之后，中央控制系统19控制气阀2、气体加热器4、送粉器5、、试样台12再开启，继续喷涂，重复步骤三和步骤四，完成剩余的喷涂循环次数，最终在基体11表面形成总厚度为0.6～3mm的涂层8。
步骤六：在达到涂层8的总厚度后，中央控制系统19关闭气阀2、气体加热器4、送粉器5，控制试样台12停止移动。裂纹检测仪16检测基体11的表面裂纹，根据涂层的表面裂纹情况，可选择控制脉冲电源18向基体11继续通入脉冲电流，利用脉冲电流的止裂效应抑制缺陷的扩展，实现缺陷的焊合或直接关闭脉冲电源18。
步骤七：喷涂完成后，松开夹具9的螺母，拿出正电极10、基体11和负电极14。
以上仅是对本发明的优选工作方法进行了简单描述，并不能将本发明的技术方案仅限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。
Claims (6)
1.一种电致塑性辅助冷喷涂涂层制备方法，采用电致塑性辅助冷喷涂装置，该电致塑性辅助冷喷涂装置包括储气罐(1)和气阀(2)，储气罐(1)的出气口连接气阀(2)的输入口，气阀(2)的第1个输出口连接Laval喷嘴(6)的第1个输入口，气阀(2)的第2个输出口连接气体加热器(4)输入口，送粉器(5)的输出口和气阀(2)第1个输出口并联后连接Laval喷嘴(6)的第1个输入口，气体加热器(4)的输出口连接Laval喷嘴(6)的第2个输入口，Laval喷嘴(6)的输出口水平布置且正对着基体(11)的待喷涂面，基体(11)垂直布置且固定夹在夹具(9)上；基体(11)上表面贴有正电极(10)、下表面贴有负电极(14)，脉冲电源(18)、正电极(10)、基体(11)、负电极(14)和示波器(17)依次串联；基体(11)的待喷涂面前方设有温度检测仪(15)和裂纹检测仪(16)，夹具(9)固定连接于试样台(12)，试样台(12)能带动夹具(9)与基体(11)在空间三维方向移动；中央控制系统(19)分别经控制线连接气阀(2)、气体加热器(4)、送粉器(5)和试样台(12)，示波器(17)、温度检测仪(15)和裂纹检测仪(16)分别经信号线连接中央控制系统(19)，其特征是包括以下步骤：
步骤1)：在送粉器(5)中放入喷涂颗粒(7)，中央控制系统(19)控制脉冲电源(18)通过正电极(10)和负电极(14)向基体(11)通入脉冲电流，开启气阀(2)、气体加热器(4)、送粉器(5)和试样台(12)；
步骤2)：储气罐(1)中的气流经气阀(2)后两股输出，一股气流流入气体加热器(4)加热，另一股气流经送粉器(5)输出口后携带喷涂颗粒(7)，两股气流经Laval喷嘴(6)加速后冲击基体(11)；
步骤3)：试样台(12)带动基体(11)按照设置的喷涂轨迹循环移动，在基体(11)上形成10～50层涂层；所述的喷涂轨迹是在基体(11)待喷涂表面先由上至下地沿矩形来回移动形成一层涂层，再由下至上地沿矩形来回移动形成一层涂层，完成一个循环，一个循环形成两层涂层，循环次数为10～100次；
步骤4)：中央控制系统(19)控制气阀(2)、气体加热器(4)、送粉器(5)和试样台(12)关闭，停止喷涂，调整脉冲电源(18)，使有效电流密度保持在4～8A/mm2；
步骤5)：停止喷涂至设定的时间后，中央控制系统(19)控制气阀(2)、气体加热器(4)、送粉器(5)和试样台(12)再开启，继续喷涂，最终在基体(11)表面形成总厚度为0.6～3mm的涂层。
2.根据权利要求1所述的涂层制备方法，其特征是：步骤5)完成后，中央控制系统(19)关闭气阀(2)、气体加热器(4)和送粉器(5)，控制试样台(12)停止移动，裂纹检测仪(16)检测基体(11)的表面裂纹，根据表面裂纹情况选择控制脉冲电源(18)向基体(11)继续通入脉冲电流或者关闭脉冲电源(18)。
3.根据权利要求1所述的涂层制备方法，其特征是：中央控制系统(19)控制脉冲电源(18)输出工作频率为100～800Hz、输出电压为10～120V、脉冲最大峰值大于或等于4000A，脉宽为10～80μs。
4.根据权利要求1所述的涂层制备方法，其特征是：中央控制系统(19)根据示波器(17)和温度检测仪(15)的参数控制脉冲电源(18)，使基体(11)表面温度保持在80～120℃。
5.根据权利要求1所述的涂层制备方法，其特征是：中央控制系统(19)控制气阀(2)输出气压大小为1.5～3.0MPa，喷涂颗粒(7)的粒径为15～50μm，送粉器(5)的送粉速率为50～250g/min，气体加热器(4)的加热温度为300～800℃，喷涂颗粒(7)经Laval喷嘴(6)加速后的速度为300～1500m/s。
6.根据权利要求1所述的涂层制备方法，其特征是：中央控制系统(19)调节试样台(12)的移动以控制Laval喷嘴(6)与基体(11)待喷涂表面之间的水平喷涂距离为10～50mm。
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