CN114293129A - 镍基涂层的制备方法、工件的制备方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种镍基涂层的制备方法，包括以下步骤：在稳恒磁场作用下，以镍基合金粉末为原料，采用超音速等离子对工件进行喷涂，得到镍基涂层；所述稳恒磁场的方向与超音速等离子喷涂的火焰方向垂直。本发明在采用超音速等离子喷涂镍基合金粉末过程中施加横向外部稳恒磁场，稳恒磁场的搅拌作用将涂层熔滴中的气泡搅拌出去，使其成形结构中的缺陷更少，服役性能更强，而且不会破坏涂层的残余压应力，维持接触疲劳寿命的基础上增加更多的服役性能。实验结果表明，相比无强化处理的制备得到的镍基涂层而言，施加横向磁场得到的涂层孔隙较少，而且具有对称位错结构和纳米晶结构，且具有较高的残余压应力和接触疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其是涉及镍基涂层的制备方法、工件的制备方法及装置。
背景技术
Ni60涂层属于耐磨涂层材料的一种，其主要成分为：C：0.79％、Cr：15.8％、B：3.07％、Si：4.53％、Fe：5％，余下为Ni，粉末成球状，多用于大型机械结构件，如轴承、齿轮、机车车轮、轮轨等上，起到耐磨防腐的作用。超音速等离子喷涂以等离子弧为热源，热源温度高，熔滴飞行速度快，得到的涂层性能良好，涂层与基体结合强度高，被广泛应用于工件表面的改性处理。采用超音速等离子喷涂Ni60得到的镍基涂层具有优良的耐磨、耐疲劳性，能有效提高工件的接触疲劳寿命，得到了广泛的应用。
但是，很多机械零部件，如轴承、齿轮、机车车轮、轮轨等在应用过程中，在长期交变载荷作用下会发生接触疲劳失效，即机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，材料在交变接触应力长期作用下，产生局部永久性累积损伤，接触表面发生麻点、浅层或深层剥落的过程。发生接触疲劳失效后，机械零部件会报废，不仅极大地浪费了资源，同时也造成了事故隐患。
为了提高机械零部件Ni60涂层的接触疲劳寿命，现有技术多从提升Ni60涂层的表面残余压应力以及降低涂层的孔隙率的角度出发，如提升超音速等离子喷涂的FeCrBSi涂层残余应力的方法有热处理法、机械法、爆炸法和超声波冲击法等；降低孔隙率则多以调节超音速等离子喷涂参数为主。这些方法均存在一定的优点和缺陷，残余应力处理的方法中：热处理法是将涂层进行后续的退火处理，降低表面的残余应力，其会对涂层的整体结构带来改变，直接将所有残余应力都消除，不当的热处理方式甚至会直接引起涂层开裂甚至剥落；机械法则是用喷丸和磨削的方法进行残余应力的改善，爆炸法和超声波冲击法与机械法原理一致，都是采用外界干扰的形式引入新的残余应力来改善现有的残余应力结构，但是，机械法和爆炸法则会对涂层表面带来损伤，表面有损伤会大大影响涂层的服役寿命，降低服役性能；超声波冲击法无接触、见效快，但是其对残余应力的改善效果并不明显，很难应用到热喷涂过程中。而调节喷涂工艺来降低孔隙率的方法则有调节的上限，很难满足苛刻的服役环境。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种镍基涂层的制备方法及工件的制备方法，本发明提供的方法制备得到的镍基涂层成形结构中缺陷较少，具有优良的服役性能。
本发明提供了一种镍基涂层的制备方法，包括以下步骤：
在稳恒磁场作用下，以镍基合金粉末为原料，采用超音速等离子对工件进行喷涂，得到镍基涂层；
所述稳恒磁场的方向与超音速等离子喷涂的火焰方向垂直。
本发明在采用超音速等离子喷涂镍基合金粉末过程中施加外部稳恒磁场，使得喷涂液滴在磁场作用下进行搅拌，在喷涂层表面产生集肤效应，从而强化镍基涂层的服役性能。
本发明中，所述稳恒磁场为静磁场，其磁场方向与超音速等离子喷涂的火焰方向垂直。
在一个实施例中，所述稳恒磁场的场强为0.11Tesla。
在一个实施例中，所述稳恒磁场由铷磁铁产生，具体而言，其可以由以下装置产生：
可放置待喷涂工件的夹具；
设置在所述夹具两端的第一铷磁铁和第二铷磁铁；
用于对所述第一铷磁铁和第二铷磁铁进行冷却的循环冷却系统。
在一个实施例中，所述镍基合金为Ni60，其重要成分为C：0.79％、Cr：15.8％、B：3.07％、Si：4.53％、Fe：5％，余下为Ni；所述镍基合金粉末的粒度为400～450目，优选使用粒度均匀，球化程度良好的镍基合金粉末。
一个实施例中，所述喷涂工艺中，喷涂电压为120V，喷涂电流为432A，H2流量为19L/min，Ar2流量为115L/min，送粉流量为2.78g/min，喷涂距离为120～140mm。
本发明还提供了一种镍基涂层的制备装置，包括：
用于对工件进行镍基涂层喷涂的超音速等离子喷涂系统；
设置在待喷涂工件处的稳恒磁场发生装置；
所述稳恒磁场发生装置产生的稳恒磁场的方向与超音速等离子喷涂系统的火焰方向垂直。
本发明采用超音速等离子喷涂系统进行镍基涂层的制备，超音速等离子喷涂系统为市场上购买的装置即可，本发明并无特殊限制。
在一个实施例中，所述稳恒磁场发生装置包括：
可放置待喷涂工件的夹具；
设置在所述夹具两端的第一铷磁铁和第二铷磁铁；
用于对所述第一铷磁铁和第二铷磁铁进行冷却的循环冷却系统。
本发明还提供了一种工件的制备方法，包括：
对待喷涂基体进行预处理，然后在稳恒磁场作用下，以镍基合金粉末为原料，采用超音速等离子对所述基体进行喷涂，得到工件；
所述稳恒磁场的方向与超音速等离子喷涂的火焰方向垂直。
在一个实施例中，所述待喷涂基体可以为45号钢等金属基体。
在一个实施例中，所述预处理包括：对所述待喷涂基体进行喷砂处理。
在一个实施例汇总，所述喷砂处理具体为：
首先将基体进行超声清洗，然后采用棕刚玉砂料进行喷砂预处理，具体工艺参数为：砂料为棕刚玉，粒度为0.5mm-1.5mm，气压0.70MPa，喷砂角度60°，喷砂距离130～160mm，随后再进行一次超声清洗。
本发明提供了一种工件的制备装置，包括：
用于对待喷涂基体进行预处理的预处理装置；
用于对预处理后的基体进行镍基涂层喷涂的超音速等离子喷涂系统；
设置在待喷涂基体处的稳恒磁场发生装置；
所述稳恒磁场发生装置产生的稳恒磁场的方向与超音速等离子喷涂系统的火焰方向垂直。
在一个实施例中，所述预处理装置可以为喷砂处理装置，本发明对其结构并无特殊限制。
本发明提供了一种镍基涂层的制备方法，包括以下步骤：在稳恒磁场作用下，以镍基合金粉末为原料，采用超音速等离子对工件进行喷涂，得到镍基涂层；所述稳恒磁场的方向与超音速等离子喷涂的火焰方向垂直。本发明在采用超音速等离子喷涂镍基合金粉末过程中施加横向外部稳恒磁场，稳恒磁场的搅拌作用将涂层熔滴中的气泡搅拌出去，使其成形结构中的缺陷更少，服役性能更强，而且不会破坏涂层中原有的残余压应力，维持接触疲劳寿命的基础上增加更多的服役性能。实验结果表明，相比不施加外部稳恒磁场的超音速等离子喷涂制备得到的镍基涂层而言，施加横向磁场得到的涂层孔隙较少，而且具有对称位错结构和纳米晶结构，且具有较高的残余压应力和接触疲劳寿命。
附图说明
图1为本发明实施例提供的镍基涂层制备设备结构示意图；
图2为本发明实施例提供的稳恒磁场发生装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的稳恒磁场发生装置产生的磁场方向示意图；
图4为本发明比较例1制备的涂层的磁力显微镜图；
图5为本发明实施例2制备的涂层的磁力显微镜图；
图6为本发明实施例2制备的涂层的位错组织TEM图；
图7为本发明实施例2制备的涂层的高分辨纳米晶TEM图；
图8为本发明实施例2及比较例1制备的涂层的残余应压力柱状图；
图9为本发明实施例采用的接触疲劳试验机中滚珠及式样装配示意图；
图10为本发明实施例2及比较例1制备的涂层的接触疲劳数据统计图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明提供的制备方法进行详细描述。
实施例1
参见图1，图1为本发明实施例提供的镍基涂层制备设备结构示意图，其中，1为超音速等离子喷涂系统，2为稳恒磁场发生装置，21为可放置待喷涂工件的夹具，22为第一铷磁铁，23为第二铷磁铁。
本发明以镍基合金粉末为原料，在稳恒磁场作用下，采用超音速等离子对工件进行喷涂，得到镍基涂层。
超音速等离子喷涂系统1可以为本领域常规的喷涂系统，如由陆军装甲兵学院装备再制造国防科技重点实验室研制的HEPJet-II，其主要由喷枪、电源、总控制柜、转接柜、热交换机以及送粉器等六部分组成，本领域技术人员可以根据实际情况选择其电压、电流、流量、喷涂距离等参数，本发明对此并无特殊限制。
稳恒磁场发生装置2包括可放置待喷涂工件的夹具21；
设置在所述夹具两端的第一铷磁铁22和第二铷磁铁23；
用于对所述第一铷磁铁和第二铷磁铁进行冷却的循环冷却系统(图中未示出)。
参见图2，图2为本发明实施例提供的稳恒磁场发生装置的结构示意图，其中，21为可放置待喷涂工件的夹具，22为第一铷磁铁，23为第二铷磁铁。
夹具21用于放置待喷涂工件，第一铷磁铁22和第二铷磁铁23分别设置在夹具21的两端，为放置在夹具上的工件提供外加静磁场，使得喷涂粒子在基体表面形成的镍基涂层成形结构中缺陷较少，具有优良的服役性能。
参见图3，图3为本发明实施例提供的稳恒磁场发生装置产生的磁场方向示意图，其中，22为第一铷磁铁，23为第二铷磁铁，31为待喷涂工件，32位磁场方向，该磁场方向与工件待喷涂面平行，与焰流方向垂直。
同时，循环冷却系统用于对第一铷磁铁22和第二铷磁铁23进行冷却处理，保护第一铷磁铁22和第二铷磁铁23不受热，从而保证磁场强度恒定不变。在一个实施例中，所述循环冷却系统为循环空冷系统。在另外一个实施例中，所述循环冷却系统为循环水冷系统。
本发明提供的镍基涂层制备设备按照以下方法使用：
将待喷涂工件固定在夹具21上，开启超音速等离子喷涂装置进行Ni基合金粉末的喷涂；喷涂过程中，开启循环冷却系统，对第一铷磁铁22和第二铷磁铁23进行冷却处理，保证磁场强度恒定。
实施例2
采用实施例1公开的装置进行Ni基合金的喷涂，步骤如下：
(1)准备Ni60粉末，Ni60粉末粒度为400目，粒度均匀，球化程度良好，粉末平均粒径为55μm；
(2)以45号钢工件作为基体，喷涂前将基体进行超声清洗，然后采用棕刚玉砂料进行喷砂预处理，具体工艺参数为：砂料为棕刚玉，粒度为0.5mm～1.5mm，气压0.70MPa，喷砂角度60°，喷砂距离130～160mm，随后再进行一次超声清洗；
(3)喷涂设备选用超音速等离子喷涂系统(HEPJet-II)进行相关喷涂试验，该系统由陆军装甲兵学院装备再制造国防科技重点实验室研制主要由喷枪、电源、总控制柜、转接柜、热交换机以及送粉器等六部分组成。喷涂工艺的参数为喷涂电压120V，喷涂电流432A，H2流量19L/min，Ar2流量115L/min，送粉流量：2.78g/min，喷涂距离120～140mm。
(4)将预处理后的基体放置在夹具21中，第一铷磁铁22和第二铷磁铁23平均每块可产生0.06Tesla场强，两块磁铁在基体上产生的场强为0.11Tesla。磁场方向与基体待喷涂面平行，与超音速等离子喷涂焰流垂直，开启超音速等离子喷涂系统进行喷涂，喷涂过程中对第一铷磁铁22和第二铷磁铁23进行水冷，以保证磁场强度恒定不变，喷涂12次，每次时间约3s，得到平均厚度约400μm的涂层，喷涂过程中，喷涂一次后休息5-10min进行下一次喷涂，避免对稳恒磁场带来干扰。
比较例1
采用与实施例2相同的原料和工艺进行喷涂形成涂层，区别在于，不施加外加磁场。
分别对得到的涂层进行磁力显微镜分析，结果参见图4和图5，图4为本发明比较例1制备的涂层的磁力显微镜图，图5为本发明实施例2制备的涂层的磁力显微镜图。由图4和图5可知，比较例1制备的涂层中形成的孔隙较多，并且涂层质量不高，容易出现很长的气孔夹杂带，这在服役过程中会直接造成涂层的剥落甚至开裂；而实施例2制备的涂层孔隙较少，且无气孔夹杂带。
对实施例2制备得到的涂层进行TEM组织分析，结果参见图6和图7，图6为本发明实施例2制备的涂层的位错组织TEM图，图7为本发明实施例2制备的涂层的高分辨纳米晶TEM图。由图6和图7可知，本发明提供的方法制备的涂层出现了对称位错结果，这种结果可以类比孪晶结构，进一步提升了涂层的服役性能，而在透射结果中，也能发现纳米晶的出现，进一步证明了经过稳恒磁场处理后的涂层的服役性能更好，其疲劳性能也会得到相应的改善。
对实施例2和比较例1制备的涂层进行孔隙率以及残余压应力的测量。残余应力测试采用的是备TEC4000表面残余应力检测仪完成。表面残余应力检测仪的电压设定为20V，电流为0.54A，分别从0°和90°两个方向对一个标记点进行检测，每个式样分别测量10个点，进行数据对比，结果如图8所示，图8为本发明实施例及比较例制备的涂层的残余应压力柱状图。由图8可知，实施例2制备的涂层的残余压应力比比较例1制备的涂层的残余压应力有明显增强。
采用YS-1型球盘式接触疲劳试验机对实施例2及比较例1制备的涂层的抗接触疲劳性能进行测试，该试验机利用伺服液压系统，将试验机装有速度传感器，振动传感器，载荷传感器，扭转传感器。试验机采用11滚珠的GCr15球轴承作为配对摩擦副，如图9所示，图9为本发明实施例采用的接触疲劳试验机中滚珠及式样装配示意图。在充分油润滑的条件下监测试样表面的点接触疲劳损伤过程。加载方式为杠杆加载，通过赫兹公式计算本次实验的最大赫兹接触应力为1.9GPa。转速受驱动电机控制，采用速度传感器监测，实验转速为2500r/min。随后每组分别选取10个试样进行试验，采集试验数据点如图10和表1所示，图10为本发明实施例2及比较例1制备的涂层的接触疲劳数据统计图，表1为本发明实施例2及比较例1制备的涂层的接触疲劳数据统计表。
表1本发明实施例及比较例制备的涂层的接触疲劳数据统计表
由图10和表1可以明显发现经过静磁场处理后的Ni60涂层可以承受更多的疲劳载荷，其疲劳寿命更长。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种镍基涂层的制备方法，包括以下步骤：
在稳恒磁场作用下，以镍基合金粉末为原料，采用超音速等离子对工件进行喷涂，得到镍基涂层；
所述稳恒磁场的方向与超音速等离子喷涂的火焰方向垂直。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述稳恒磁场的场强为0.11Tesla。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述镍基合金为Ni60；所述镍基合金粉末的粒度为400～450目。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述喷涂中，喷涂电压为120V，喷涂电流为432A，H2流量为19L/min，Ar2流量为115L/min，送粉流量为2.78g/min，喷涂距离为120～140mm。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述稳恒磁场由铷磁铁产生。
6.一种镍基涂层的制备装置，包括：
用于对工件进行镍基涂层喷涂的超音速等离子喷涂系统；
设置在待喷涂工件处的稳恒磁场发生装置；
所述稳恒磁场发生装置产生的稳恒磁场的方向与超音速等离子喷涂系统的火焰方向垂直。
7.根据权利要求6所述的制备装置，其特征在于，所述稳恒磁场发生装置包括：
可放置待喷涂工件的夹具；
设置在所述夹具两端的第一铷磁铁和第二铷磁铁；
用于对所述第一铷磁铁和第二铷磁铁进行冷却的循环冷却系统。
8.一种工件的制备方法，其特征在于，包括：
对待喷涂基体进行预处理，然后在稳恒磁场作用下，以镍基合金粉末为原料，采用超音速等离子对所述基体进行喷涂，得到工件；
所述稳恒磁场的方向与超音速等离子喷涂的火焰方向垂直。
9.根据权利要求8的制备方法，其特征在于，所述预处理包括：对所述待喷涂基体进行喷砂处理。
10.一种工件的制备装置，其特征在于，包括：
用于对待喷涂基体进行预处理的预处理装置；
用于对预处理后的基体进行镍基涂层喷涂的超音速等离子喷涂系统；
设置在待喷涂基体处的稳恒磁场发生装置；
所述稳恒磁场发生装置产生的稳恒磁场的方向与超音速等离子喷涂系统的火焰方向垂直。
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