CN114293131A

CN114293131A - 镍基涂层的制备方法、工件的制备方法及装置

Info

Publication number: CN114293131A
Application number: CN202110769039.XA
Authority: CN
Inventors: 单德彬; 王志远; 徐振海; 郉志国; 黄艳婓; 王海斗
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2021-07-07
Publication date: 2022-04-08

Abstract

本发明提供了一种镍基涂层的制备方法，包括：在通电线圈产生的磁场的强化作用下，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；喷涂焰流穿过所述通电线圈对工件进行喷涂。本发明在镍基涂层超音速等离子喷涂过程中施加由线圈产生的磁场，能够对待喷涂工件和被喷涂粉末产生强化作用，从而提升得到的涂层的残余压应力，进而改善其抗疲劳和摩擦磨损性能，提升其服役性能。实验结果表明，本发明提供的方法能够将镍基涂层的残余压应力由78.6MPa提升到96.5MPa。

Description

镍基涂层的制备方法、工件的制备方法及装置

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

喷涂得到的NiCrBSi涂层以其由镍基自熔性合金粉末形成为主优势，具有良好的抗摩擦磨损性能、抗腐蚀性能以及抗氧化性能，被广泛应用于表面工程和再制造领域中的各大易损结构件的防护和修复。常用的制备NiCrBSi涂层的方法有：热喷涂、喷焊、激光覆熔以及等离子喷涂，在这些涂层制备方法中，超音速等离子喷涂喷涂速度较高，喷涂颗粒的动能大大增加，能够有效提升NiCrBSi涂层的结合强度和致密性。但是NiCrBSi涂层在后续的服役过程中，由于需要承受大量的载荷冲击以及耐磨耐腐蚀的环境冲击，超音速等离子喷涂得到的涂层也很难满足其使用工况，需要进一步提升NiCrBSi涂层的结合性能以及其耐疲劳性能，而这两个性能都与NiCrBSi涂层制备后的残余应力相关。

现有技术公开了多种提升NiCrBSi涂层残余压应力的方法，主要以NiCrBSi涂层成形时引入和NiCrBSi涂层成形后外界施加为主。成形时引入包括NiCrBSi涂层喷涂工艺的优化，例如喷涂速度、焰流温度以及界面匹配程度等，该方法通过在涂层成形过程中，提升焰流冲击基体的动能，将大量的残余压应力保存在基体表面以及涂层内部，在后续应用过程中，就会有残余压应力的存在，来减缓涂层的失效。残余压应力的引入可以一步成型，不用经过二次处理，引入过多干扰因素，且在涂层成形过程中，不会出现过大的偏差，造成其他性能也随着残余压应力的加大而改善。相比之下，成型后的外界施加残余压应力则主要以喷丸强化、磨削加工等人工引入的方法，该方法可以根据外界的施加条件有效的增加涂层的残余压应力，不受涂层成形机制的阻碍。

但是，喷涂时引入残余压应力的方法提升的效果不明显，很难控制残余应力的大小，且参数的优化有一个限度，现有的超音速等离子喷涂工艺只能应用于部分服役条件不高的结构件，很难在苛刻环境上的结构件使用。而喷涂后进行残余压应力的引入多以外界应力打入涂层内容为主，由于喷涂后的涂层已经成形，再人工引入残余压应力，很容易破坏现有的结构，最终造成NiCrBSi涂层的其他性能受到破坏而无法满足服役要求。

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，本发明提供的方法在涂层成型过程中提升其残余压应力，同时不会对涂层结构产生破坏。

本发明提供了一种镍基涂层的制备方法，包括：

在通电线圈产生的磁场的强化作用下，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；

喷涂焰流穿过所述通电线圈对工件进行喷涂。

本发明在喷涂过程中施加由线圈产生的磁场，能够对待喷涂工件和被喷涂粉末产生强化作用，从而提升得到的涂层的残余压应力，进而提升其服役性能。

在一个实施例中，所述通电线圈的电压为1652V，所述磁场场强为5Tesla以上，所述强化时间为2～5s。

在一个实施例中，所述通电线圈的电压为1652V，所述磁场场强为5Tesla，所述强化时间为2～5s。

在一个实施例中，在通电线圈产生的磁场的强化作用下，以镍基合金粉末为原料，采用超音速等离子对工件进行多次喷涂，形成涂层。所述多次喷涂可以为5次、10次以及以上。

在一个实施例中，所述镍基合金为NiCrBSi，其成分为：Cr 16.9％、Fe 5.57％、Si2.26％、B 3.68％、Ni为余量；所述镍基合金粉末的平均粒径为60μm。

在一个实施例中，所述喷涂中，喷涂电压为120～125V，喷涂电流为420～425A，H₂流量为18.8L/min，Ar₂流量为100L/min，送粉流量为2.86g/min，喷涂距离为120～140mm。

本发明提供了一种镍基涂层的制备装置，包括：

用于放置工件的夹具；

用于对工件进行镍基涂层喷涂的超音速等离子喷涂系统；

设置在超音速等离子喷涂系统和夹具之间的磁场发生装置，所述磁场发生装置包括通电线圈；

所述超音速等离子喷涂系统的喷涂焰流穿过所述通电线圈。

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，所述磁场发生装置包括：

电源；

两端分别设置有第一线圈保护装置和第二线圈保护装置的空心柱体；

缠绕在所述空心柱体上的通电线圈，所述通电线圈与所述电源相连。

在一个实施例中，所述夹具固定在所述空心柱体上；

所述夹具的中心与所述空心柱体的中心线重合。

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，然后在通电线圈产生的磁场的强化作用下，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；

喷涂焰流穿过所述通电线圈对工件进行喷涂。

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。

在一个实施例中，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45°，喷砂距离130～160mm，随后再进行一次超声清洗。

本发明还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；

用于放置待喷涂基体的夹具；

所述超音速等离子喷涂系统的喷涂焰流穿过所述通电线圈。

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。

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为本发明提供的磁场发生装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的夹具的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的磁场强化电压波形图；

图5为本发明比较例1制备的涂层的SEM图；

图6为本发明实施例2制备的涂层的SEM图；

图7为本发明比较例1制备的涂层的磁力显微镜图；

图8为本发明实施例2制备的涂层的磁力显微镜图

图9为本发明实施例和比较例提供的涂层的表面残余应力检测结果；；

图10为本发明实施例2及比较例1制备的涂层的表面残余应力拟合结果。

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为磁场发生装置，21为通电线圈，3为可放置待喷涂工件的夹具。超音速等离子喷涂系统1的喷涂焰流穿过通电线圈21对夹具3上的待喷涂工件进行喷涂。

本发明以镍基合金粉末为原料，在通电线圈产生的磁场作用下，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。

参见图2，图2为本发明提供的磁场发生装置的结构示意图，其中，21为通电线圈，22为空心柱体，23为第一线圈保护装置，24为第二线圈保护装置。

所述磁场发生装置2包括：

电源(未在图中示出)；

两端分别设置有第一线圈保护装置23和第二线圈保护装置24的空心柱本22；

缠绕在所述空心柱体上的通电线圈21，所述通电线圈21与所述电源相连。

开启电源，通电线圈21即可产生磁场。在本发明中，第一线圈保护装置23和第二线圈保护装置24为固定在空心柱体22两端的圆盘，用于保护线圈，防止超音速喷涂焰流带来的损伤。

在另一个实施例中，第一线圈保护装置23为固定在空心柱体22靠近超音速等离子喷涂系统一端的圆盘，用于保护线圈，防止超音速喷涂焰流带来的损伤；第二线圈保护装置24为固定在空心柱体22远离超音速等离子喷涂系统一端的圆盘，用于固定夹具，防止喷涂过程中试样被超音速焰流冲飞。在该实施例中，夹具固定在所述第二线圈保护装置24上，所述夹具的中心与所述空心柱体的中心线重合。

在另外一个实施例中，所述夹具固定在所述空心柱体22上，所述夹具的中心与所述空心柱体的中心线重合。

具体的，本发明采用的磁场发生装置可以为陆军装甲兵学院与武汉国家强磁场中心联合研制的HMF-30脉冲磁场试验装置，其包括电源部分、控制部分和磁体部分。其中，电源部分选择电容器电源为该试验装置供电。控制部分具有设备控制功能、实时监测功能、联锁保护功能、流程控制功能和图形显示及数据记录功能；磁体部分为大磁体孔径设计的磁场线圈装置，进行试验设置、峰值磁场可达30T，磁场持续时间可达5s，该线圈缠绕在空心柱体上，空心柱体一端固定有圆盘，用于保护线圈免受喷涂焰流的损伤；另一端固定有放置试样的夹具，防止喷涂过程中试样被超音速焰流冲飞。

如图3所示，图3为本发明实施例提供的夹具的结构示意图，其中，31为固定在空心柱体上的圆盘，32为固定在圆盘32上的试样承载结构，试样承载结构固定在空心柱体上，防止喷涂过程中式样被超音速焰流冲飞

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3上，同时开启超音速等离子喷涂装置和磁场发生装置进行镍基合金粉末的喷涂，使喷涂焰流穿过通电线圈在磁场的强化作用下进行涂层的制备。

实施例2

采用实施例1公开的装置进行镍基合金的喷涂，步骤如下：

(1)准备NiCrBSi粉末，其成分为：Cr 16.9％、Fe 5.57％、Si 2.26％、B 3.68％、Ni为余量，粉末平均粒径为60微米；

(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45°，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420A，H₂流量18.8L/min，Ar₂流量100L/min，送粉流量：2.86g/min，喷涂距离130mm；

磁场发生装置选择陆军装甲兵学院与武汉国家强磁场中心联合研制的HMF-30脉冲磁场试验装置，包含电源部分、控制部分以及磁体部分，电源部分为电容器电源；控制部分具有设备控制功能、实时监测功能、联锁保护功能、流程控制功能和图形显示及数据记录功能；磁体部分采用大磁体孔径设计的磁场线圈装置，峰值磁场可达30T，磁场持续时间可达5s；其包括空心柱体和缠绕在空心柱体上的线圈，空心柱体靠近喷涂设备的一端固定有圆盘，保护线圈；另一端固定有圆盘，圆盘上固定有试样承载装置，防止喷涂过程中式样被超音速焰流冲飞。磁场发生装置的工作参数为：充电电压为1652V，磁场强度为5Tesla，强化时间4s，其波形图如图4所示，图4为本发明实施例提供的磁场强化电压波形图。

(4)将预处理后的基体放置在夹具中，启动喷涂设备的同时启动磁场发生装置，使喷涂和磁场强化同步进行。喷涂12次，每次时间约3s，得到平均厚度约400μm的NiCrBSi涂层。

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金相显微结构分析，结果参见图5和图6，图5为本发明比较例1制备的涂层的SEM图，图6为本发明实施例2制备的涂层的SEM图。由图5和图6可知，实施例2制备的涂层孔隙更小，结合强度更好。

对实施例2及比较例1制备得到的涂层进行磁畴分布结果分析，经过磁力显微镜进行有效地磁畴分布区域的采集，结果参见图7和图8，图7为本发明比较例1制备的涂层的磁力显微镜图，图8为本发明实施例2制备的涂层的磁力显微镜图。由图7和图8可知，本发明提供的方法制备的涂层磁畴条状明显，且磁畴分布均匀。

采用美国进口设备TEC4000表面残余应力检测仪对实施例及比较例得到的涂层进行表面残余应力测试，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，结果参见图9，图9为本发明实施例和比较例提供的涂层的表面残余压应力检测结果；将图9中的数据进行拟合，参见图10，图10为本发明实施例2及比较例1制备的涂层的表面残余压应力拟合结果。由图9和图10可知，本发明提供的方法得到的涂层具有优良的服役性能，经过通电线圈产生的磁场强化后，涂层的残余压应力得到了明显的提升，其均值由无处理的78.6MPa提升到了96.5MPa。

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

1.一种镍基涂层的制备方法，包括：

喷涂焰流穿过所述通电线圈对工件进行喷涂。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述通电线圈的电压为1652V，所述磁场场强为5Tesla以上，所述强化时间为2～5s。

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NiCrBSi，包括：Cr16.9％、Fe 5.57％、Si 2.26％、B 3.68％、Ni为余量；所述镍基合金粉末的平均粒径为60μm。

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120～125V，喷涂电流为420～425A，H₂流量为18.8L/min，Ar₂流量为100L/min，送粉流量为2.86g/min，喷涂距离为120～140mm。

5.一种镍基涂层的制备装置，包括：

用于放置工件的夹具；

用于对工件进行镍基涂层喷涂的超音速等离子喷涂系统；

所述超音速等离子喷涂系统的喷涂焰流穿过所述通电线圈。

6.根据权利要求5所述的制备装置，其特征在于，所述磁场发生装置包括：

电源；

7.根据权利要求6所述的制备装置，其特征在于，所述夹具固定在所述空心柱体上；

所述夹具的中心与所述空心柱体的中心线重合。

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，然后在通电线圈产生的磁场的强化作用下，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；喷涂焰流穿过所述通电线圈对工件进行喷涂。

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；

用于放置待喷涂基体的夹具；

所述超音速等离子喷涂系统的喷涂焰流穿过所述通电线圈。