CN114086105B - 一种丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法，包括如下步骤：步骤一、对基材表面进行预处理；步骤二、将喷涂粉末放入等离子喷涂装置的送粉器，将丝材穿入等离子喷涂装置的送丝机构，以及将等离子喷涂装置安装在机械手臂上；采用丝粉同步送料的喷涂方式对预处理后的基材表面喷涂复合涂层；其中，喷涂粉末为陶瓷粉末，丝材为铝丝；喷涂电压为100～200V，电流为120～400A，送粉量为10～80g/min，送丝速度为10～30cm/s；机械手臂沿第一方向或第二方向扫掠，带动等离子喷涂装置移动，使复合涂层均匀覆盖在基材表面上；其中，第一方向和第二方向垂直。本发明采用丝粉同步送料等离子喷涂方式，通过合理设置喷涂工艺参数，能够提升制备得的铝基陶瓷涂层的硬度和耐磨性。
Description
技术领域
本发明属于复合涂层喷涂技术领域，特别涉及一种丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法。
背景技术
铝及其合金因其高强度重量比以及优良的耐腐蚀性能而成为特殊工程背景下的首选结构部件。然而，它们具有较低的耐磨性，这严重限制了它们的使用。在许多工程应用中，耐磨损和表面性能比部件的强度更重要，在钢基体上喷涂耐磨表面涂层成为一个有吸引力的选择。通常将具有高强度，弹性模量和耐磨性的各种类型的陶瓷颗粒(如碳化物，氧化物，硼化物和氮化物)作为增强物加入铝金属涂层中以制备铝基陶瓷复合涂层，但在涂层表面中获得的增强率通常是有限的。这主要归因于陶瓷颗粒与金属之间的熔点差异以及铝和陶瓷颗粒的湿润性差，而湿润性差的原因是铝表面存在氧化物膜。
目前常采用电弧喷涂或粉芯丝材喷涂的方式来喷涂复合涂层，但电弧喷涂实芯丝材的种类少，成分调节困难，应用范围受到限制；而粉芯丝材受到金属外皮的限制，存在拉拔困难，成本高，粉末填充率低等困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法，采用丝粉同步送料等离子喷涂方式，并且通过合理设置喷涂过程中的工艺参数，能够提升制备得的铝基陶瓷涂层的硬度和耐磨性。
本发明提供的技术方案为：
一种丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法，包括如下步骤：
步骤一、对基材表面进行预处理；
步骤二、将喷涂粉末放入等离子喷涂装置的送粉器，将丝材穿入等离子喷涂装置的送丝机构，以及将所述等离子喷涂装置安装在机械手臂上；采用丝粉同步送料的喷涂方式对预处理后的基材表面喷涂复合涂层；
其中，所述喷涂粉末为陶瓷粉末，所述丝材为铝丝；
喷涂电压为100～200V，电流为120～400A，送粉量为10～80g/min，送丝速度为10～30cm/s；
所述机械手臂沿第一方向或第二方向扫掠，带动所述等离子喷涂装置移动，使所述复合涂层均匀覆盖在所述基材表面上；
其中，所述第一方向和所述第二方向垂直。
优选的是，所述陶瓷粉末为钴包碳化钨粉末。
优选的是，喷涂距离为100～150mm。
优选的是，所述丝材位于所述等离子喷涂装置的喷嘴的正前方，并且所述丝材与所述喷嘴之间的距离为5～30mm。
优选的是，所述陶瓷粉末的粒径为15～45μm。
优选的是，所述丝材的直径为1.6mm。
优选的是，所述丝材中铝的含量为99.9％。
优选的是，喷涂主气采用氩气，喷涂辅气采用氮气或氢气；
其中，所述喷涂主气的流量为70～200L/min，所述喷涂辅气的流量为3～15L/min。
优选的是，所述机械手臂沿所述第一方向的扫掠速度为500～600mm/s，所述机械手臂沿所述第二方向的扫掠速度为3mm/s。
优选的是，所述复合涂层的厚度为0.3～0.5mm。
本发明所述的有益效果是：
(1)本发明采用同时单独送丝以及单独喷粉的方式，相比于实芯丝材和粉芯丝材，本发明中的粉末材料成分可随意调节，还可以避免粉芯丝材的填充率低，成本高等缺点。
(2)本发明采用主气氩气加辅气氮气作为保护性气体，其所制备的金属基陶瓷复合涂层质量要优于电弧喷涂涂层。
(3)本发明制备的复合涂层中的平均硬度要高于纯铝涂层的二倍以上，且涂层中的WC的平均硬度为2240Hv，涂层的耐磨性能得到提升，其摩擦磨损失重要低于纯铝涂层。
(4)本发明相比现有技术具有成本低廉，喷涂效率高，沉积效率好，沉积质量高和电弧稳定性好等特点。
(5)本发明制备的铝基陶瓷复合涂层具有广泛的应用前景，其可用在耐腐蚀耐磨的海上设备中。
附图说明
图1为本发明所述的丝粉同步送料等离子喷涂工艺原理示意图。
图2为实施例1制备的铝基陶瓷涂层的XRD分析图谱。
图3为实施例1制备的铝基陶瓷涂层的截面形貌图。
图4为实施例1制备的铝基陶瓷涂层和纯铝涂层的摩擦系数对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供了一种丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法，具体喷涂过程如下：
一、对基材表面进行预处理
以表面平整的钢板作为基材，对基材的表面进行喷砂处理后，利用压缩空气将喷砂后的基材吹净。
二、采用丝粉同步送料的喷涂方式对预处理后的基材表面喷涂复合涂层
如图1所示，丝粉同步送料等离子喷涂系统的喷枪由两个电源装置组成，大电源和小电源共用一个阴极钨，其中，小电源阳极接喷嘴，主气与辅气在小电源的作用下被阴极与阳极之间的电弧电离成等离子体，而喷涂粉末就是被等离子体加热直至融化。大电源的阳极接入丝材，当丝材在送丝机的推动下经过喷嘴的正前方正对喷嘴中心处的位置时，被阴极与阳极之间的等离子弧(也叫转移弧)击中并融化，而此时能保证该等离子弧稳定输出的就是小电源的维弧特性。也就是小电源装置不仅电离主气与辅气还为大电源装置的等离子弧提供持续支撑。最后，熔融粉末与熔融丝材在等离子体的推动下一同沉积在基材上，形成复合涂层。
在喷涂前，将喷涂粉末放入等离子喷涂装置的送粉器，将丝材穿入等离子喷涂装置的送丝机构，以及将所述等离子喷涂装置安装在机械手臂上；通过机械手臂的移动来实现对基材表面的均匀喷涂。其中，所述喷涂粉末为陶瓷粉末，所述丝材为铝丝。
喷涂工艺参数设置如下：
喷涂电压为100～200V，电流(工作电流(大电流)与维弧电流(小电流)之和)为120～400A，喷涂距离为100～150mm；送粉量为10～80g/min，送丝速度为10～30cm/s；
其中，维弧电流(小电流)为50A，喷涂主气采用氩气，喷涂辅气采用氮气或氢气；所述喷涂主气的流量为70～200L/min，所述喷涂辅气的流量为3-15L/min。
所述丝材位于所述等离子喷涂装置的喷嘴的正前方，并且所述丝材与所述喷嘴之间的距离为5～30mm。
设置所述机械手臂沿第一方向或第二方向扫掠，带动所述等离子喷涂装置移动，使所述复合涂层均匀覆盖在所述基材表面上。
在一种实施例中，所述第一方向设置为水平方向，所述第二方向设置为竖直方向。
在另一种实施例中，所述陶瓷粉末采用钴包碳化钨粉末。WC是一种用于铝及其合金的含有吸引力的加强材料，由于其高熔点(2870℃)，极端硬度(2242Hv)和高弹性模量550GPa以及良好的湿润性和少量的塑性变形能力。WC-Co(钴包碳化钨)具有极高的硬度，与金属湿润性较好。
作为优选，所述陶瓷粉末的粒径为15-45μm；所述丝材的直径为1.6mm。
作为进一步的优选，所述丝材中铝的含量为99.9％。
在另一种实施例中，所述机械手臂沿所述第一方向的扫掠速度为500～600mm/s，所述机械手臂沿所述第二方向的扫掠速度为3mm/s。
在另一种实施例中，所述复合涂层的厚度为0.3～0.5mm。
实施例1
以表面平整的长方体钢材作为基体，然后对其表面进行喷砂处理，接着利用压缩空气将喷砂后的基体吹净。采用同步送粉的等离子实芯丝材喷涂工艺，以直径为1.6mm的纯铝丝(铝含量为99.9％)和粉末粒度为15-45μm的WC-Co陶瓷粉作为喷涂原料，在上述预处理表面的基体表面上喷涂铝基陶瓷复合涂层。喷涂工艺参数具体为：电压130V，电流150A(大小电流之和150A，小电流50A)，氩气120L/min，氮气为3L/min，丝材与喷嘴的距离10mm，且丝材必须从喷嘴的正前方中心位置经过，喷涂距离100mm，送丝速度17cm/s，送粉量30g/min。
具体操作过程是：先将超音速等离子喷涂设备的功率按照喷涂工艺参数调好，再依次启动送粉器将粉末送至喷嘴进粉口，最后启动送丝装置，将丝材送至喷嘴正前方的中心位置。通过机械手臂移动所述丝粉同步送料的等离子喷涂装置，喷涂复合涂层，其中，机械手臂沿水平方向的扫掠速度为500mm/s，沿竖直方向的扫掠速度为3mm/s；制备得到厚度为0.3mm的铝基陶瓷复合涂层。
实施例2
以表面平整的长方体钢材作为基体，然后对其表面进行喷砂处理，接着利用压缩空气将喷砂后的基体吹净。采用同步送粉的等离子实芯丝材喷涂工艺，以直径为1.6mm的纯铝丝(铝含量为99.9％)和粉末粒度为15-45μm的WC-Co陶瓷粉作为喷涂原料，在上述预处理表面的基体表面上喷涂铝基陶瓷复合涂层，所述喷涂工艺参数具体为：电压150V，电流180A(大小电流之和180A，小电流50A)，氩气120L/min,氮气为8L/min，丝材与喷嘴的距离13mm，且丝材必须从喷嘴的正前方中心位置经过,喷涂距离110mm，送丝速度10cm/s，送粉量30g/min。
具体操作过程是：先将超音速等离子喷涂设备的功率按照喷涂工艺参数调好，再依次启动送粉器将粉末送至喷嘴进粉口，最后启动送丝装置，将丝材送至喷嘴正前方的中心位置。通过机械手臂移动所述丝粉同步送料的等离子喷涂装置，喷涂复合涂层，其中，机械手臂沿水平方向的扫掠速度为600mm/s，沿竖直方向的扫掠速度为3mm/s；制备得到厚度为0.3mm的铝基陶瓷复合涂层。
实施例3
以表面平整的长方体钢材作为基体，然后对其表面进行喷砂处理，接着利用压缩空气将喷砂后的基体吹净。采用同步送粉的等离子实芯丝材喷涂工艺，以直径为1.6mm的纯铝丝(铝含量为99.9％)和粉末粒度为15-45μm的WC-Co陶瓷粉作为喷涂原料，在上述预处理表面的基体表面上喷涂铝基陶瓷复合涂层，所述喷涂工艺参数具体为：电压180V，电流230A(大小电流之和230A，小电流50A)，氩气140L/min，氮气为12L/min，丝材与喷嘴的距离13mm，且丝材必须从喷嘴的正前方中心位置经过,喷涂距离110mm，送丝速度17cm/s，送粉量25g/min。
具体操作过程是：先将超音速等离子喷涂设备的功率按照喷涂工艺参数调好，再依次启动送粉器将粉末送至喷嘴进粉口，最后启动送丝装置，将丝材送至喷嘴正前方的中心位置。通过机械手臂移动所述丝粉同步送料的等离子喷涂装置，喷涂复合涂层，其中，机械手臂沿水平方向的扫掠速度为600mm/s，沿竖直方向的扫掠速度为3mm/s；制备得到厚度为0.3mm的铝基陶瓷复合涂层。
实施例4
以表面平整的长方体钢材作为基体，然后对其表面进行喷砂处理，接着利用压缩空气将喷砂后的基体吹净。采用同步送粉的等离子实芯丝材喷涂工艺，以直径为1.6mm的纯铝丝(铝含量为99.9％)和粉末粒度为15-45μm的WC-Co陶瓷粉作为喷涂原料，在上述预处理表面的基体表面上喷涂铝基陶瓷复合涂层，所述喷涂工艺参数具体为：电压200V，电流270A(大小电流之和270A，小电流50A)，氩气160L/min，氮气为12L/min，丝材与喷嘴的距离15mm，且丝材必须从喷嘴的正前方中心位置经过，喷涂距离130mm，送丝速度20cm/s，送粉量50g/min。
具体操作过程是：先将超音速等离子喷涂设备的功率按照喷涂工艺参数调好，再依次启动送粉器将粉末送至喷嘴进粉口，最后启动送丝装置，将丝材送至喷嘴正前方的中心位置。通过机械手臂移动所述丝粉同步送料的等离子喷涂装置，喷涂复合涂层，其中，机械手臂沿水平方向的扫掠速度为500mm/s，沿竖直方向的扫掠速度为3mm/s；制备得到厚度为0.3mm的铝基陶瓷复合涂层。
实施例5
以表面平整的长方体钢材作为基体，然后对其表面进行喷砂处理，接着利用压缩空气将喷砂后的基体吹净。采用同步送粉的等离子实芯丝材喷涂工艺，以直径为1.6mm的纯铝丝(铝含量为99.9％)和粉末粒度为15-45μm的WC-Co陶瓷粉作为喷涂原料，在上述预处理表面的基体表面上喷涂铝基陶瓷复合涂层，所述喷涂工艺参数具体为：电压200V，电流270A(大小电流之和270A，小电流50A)，氩气160L/min,氮气为12L/min，丝材与喷嘴的距离13mm且丝材必须从喷嘴的正前方中心位置经过，喷涂距离120mm，送丝速度24cm/s，送粉量65g/min。
具体操作过程是：先将超音速等离子喷涂设备的功率按照喷涂工艺参数调好，再依次启动送粉器将粉末送至喷嘴进粉口，最后启动送丝装置，将丝材送至喷嘴正前方的中心位置。通过机械手臂移动所述丝粉同步送料的等离子喷涂装置，喷涂复合涂层，其中，机械手臂沿水平方向的扫掠速度为600mm/s，沿竖直方向的扫掠速度为3mm/s；制备得到厚度为0.3mm的铝基陶瓷复合涂层。
实施例6
以表面平整的长方体钢材作为基体，然后对其表面进行喷砂处理，接着利用压缩空气将喷砂后的基体吹净。采用同步送粉的等离子实芯丝材喷涂工艺，以直径为1.6mm的纯铝丝和粉末粒度为15-45μm的WC-Co陶瓷粉作为喷涂原料，在上述预处理表面的基体表面上喷涂铝基陶瓷复合涂层，所述喷涂工艺参数具体为：电压200V，电流300A(大小电流之和300A，小电流50A)，氩气180L/min,氮气为12L/min,丝材与喷嘴的距离13mm，且丝材必须从喷嘴的正前方中心位置经过,喷涂距离120mm,送丝速度24cm/s，送粉量80g/min。
具体操作过程是：先将超音速等离子喷涂设备的功率按照喷涂工艺参数调好，再依次启动送粉器将粉末送至喷嘴进粉口，最后启动送丝装置，将丝材送至喷嘴正前方的中心位置。通过机械手臂移动所述丝粉同步送料的等离子喷涂装置，喷涂复合涂层，其中，机械手臂沿水平方向的扫掠速度为600mm/s，沿竖直方向的扫掠速度为3mm/s；制备得到厚度为0.3mm的铝基陶瓷复合涂层。
实施例7
以表面平整的长方体钢材作为基体，然后对其表面进行喷砂处理，接着利用压缩空气将喷砂后的基体吹净。采用同步送粉的等离子实芯丝材喷涂工艺，以直径为1.6mm的纯铝丝和粉末粒度为15-45μm的WC-Co陶瓷粉作为喷涂原料，在上述预处理表面的基体表面上喷涂铝基陶瓷复合涂层，所述喷涂工艺参数具体为：电压200V，电流300A(大小电流之和300A，小电流50A)，氩气200L/min，氮气为12L/min，丝材与喷嘴的距离10mm，且丝材必须从喷嘴的正前方中心位置经过。喷涂距离120mm，送丝速度17cm/s，送粉量35g/min。
具体操作过程是：先将超音速等离子喷涂设备的功率按照喷涂工艺参数调好，再依次启动送粉器将粉末送至喷嘴进粉口，最后启动送丝装置，将丝材送至喷嘴正前方的中心位置。通过机械手臂移动所述丝粉同步送料的等离子喷涂装置，喷涂复合涂层，其中，机械手臂沿水平方向的扫掠速度为600mm/s，沿竖直方向的扫掠速度为3mm/s；制备得到厚度为0.3mm的铝基陶瓷复合涂层。
实施例1-7中制备的涂层无明显缺陷，涂层的平均硬度为纯铝涂层的2倍以上，涂层中的WC的平均硬度为2240Hv；涂层的耐磨性能得到提升，其摩擦磨损失重要低于纯铝涂层；相比现有技术具有成本低廉，喷涂效率高，沉积效率好，沉积质量高和电弧稳定性好等特点。
对实施例1中制备得到的复合涂层进行XRD测试的结果如图2所示，对铝基陶瓷涂层进行xrd物相成分分析发现WC与金属铝都存在该涂层中，这说明丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法是可行的。实施例1中涂层的截面形貌如图3所示，说明该方法制备的铝基陶瓷涂层可靠。如图4所示，通过摩擦磨损实验，发现加入WC-Co粉末之后该铝基复合涂层比纯铝涂层具有更低的摩擦系数，即该铝基复合涂层比纯铝涂层更加耐磨。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对基材表面进行预处理；
步骤二、将喷涂粉末放入等离子喷涂装置的送粉器，将丝材穿入等离子喷涂装置的送丝机构，以及将所述等离子喷涂装置安装在机械手臂上；采用丝粉同步送料的喷涂方式对预处理后的基材表面喷涂复合涂层；
其中，所述喷涂粉末为陶瓷粉末，所述丝材为铝丝；
喷涂电压为100～200V，电流为120～400A，送粉量为10～80g/min，送丝速度为10～30cm/s；
所述机械手臂沿第一方向或第二方向扫掠，带动所述等离子喷涂装置移动，使所述复合涂层均匀覆盖在所述基材表面上；
其中，所述第一方向和所述第二方向垂直；
所述陶瓷粉末为钴包碳化钨粉末。
2.根据权利要求1所述的丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法，其特征在于，喷涂距离为100～150mm。
3.根据权利要求2所述的丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述丝材位于所述等离子喷涂装置的喷嘴的正前方，并且所述丝材与所述喷嘴之间的距离为5～30mm。
4.根据权利要求2或3所述的丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述陶瓷粉末的粒径为15～45μm。
5.根据权利要求4所述的丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述丝材的直径为1.6mm。
6.根据权利要求5所述的丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述丝材中铝的含量为99.9％。
7.根据权利要求6所述的丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法，其特征在于，喷涂主气采用氩气，喷涂辅气采用氮气或氢气；
其中，所述喷涂主气的流量为70～200L/min，所述喷涂辅气的流量为3～15L/min。
8.根据权利要求7所述的丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述机械手臂沿所述第一方向的扫掠速度为500～600mm/s，所述机械手臂沿所述第二方向的扫掠速度为3mm/s。
9.根据权利要求8所述的丝粉同步送料等离子喷涂铝基陶瓷涂层的方法，其特征在于，所述复合涂层的厚度为0.3～0.5mm。
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