CN114481002A - 一种高速燃气火焰喷涂制备抗氧化包覆涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高速燃气火焰喷涂制备抗氧化包覆涂层的方法，包括以下步骤：(1)对金属基体进行喷砂处理；(2)通过高速燃气火焰喷涂在金属基体上沉积抗氧化包覆涂层；(3)对喷砂包覆涂层的表面进行处理，获得一定表面粗糙度和包覆涂层厚度。与现有技术相比，本发明方法能有效减少包覆涂层在沉积过程中的氧化，避免孔洞和裂纹的产生，达到涂层致密化的作用。这种组织均匀、结构致密的包覆涂层能有效地减少金属离子向界面的扩散速率，同时减少氧气向扩散的通道，从而减缓氧化层生长速率，有效抑制NiO，Cr2O3等混合氧化物在界面形成，有效减少嵌入在基体中的Al2O3颗粒数量，提高界面结合强度。
Description
技术领域
本发明涉及抗氧化包覆涂层，具体涉及一种高速燃气火焰喷涂制备抗氧化包覆涂层的方法。
背景技术
表面涂层处理技术是当今高端装备再制造行业不可或缺的工艺手段，用于制备高性能抗氧化，耐腐蚀等涂层。目前表面涂层处理技术使用最为广泛的领域是航空发动机和地面燃气轮机的热端部件(燃烧室，涡轮叶片)，通过在热端部件表面沉积热障涂层达到隔热、抗氧化目的，从而提高部件使用寿命。热障涂层结构分为两部分，首先是低热导的陶瓷层，主要是材料是6～8wt％Y2O3稳定ZrO2。在陶瓷层和金属基体之间有一层金属粘结层，粘结层目前主要由包覆涂层组成，成分为MCrAlY(其中M＝Ni,Fe,Co)，主要用于减少陶瓷隔热层和金属基体之间的热膨胀系数不匹配，以及在粘结层与陶瓷界面形成连续致密的Al2O3层，为基体提供有效的抗氧化性能。
但热障涂层的剥落现象仍然存在，且主要是由粘结层氧化速率过快所引发的氧化层应力增加所导致。目前所采用的大气等离子喷涂技术制备包覆涂层的过程中，存在火焰温度高，速度慢的缺点。该技术制备的涂层组织结构较为疏松，且会出现一定程度的氧化，导致在高温服役过程中氧化层生长速率加快，造成热障涂层的过早失效。
发明内容
本发明的目的就是为了克服大气等离子喷涂过程中存在的缺陷而提供一种通过高速燃气火焰喷涂技术制备抗氧化包覆涂层的方法，从而获得成本低、效率高、结构致密，成分均匀的包覆涂层，从而降低氧化层生长速率。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种高速燃气火焰喷涂制备抗氧化包覆涂层的方法，采用以下步骤：
(1)对金属基体进行喷砂处理；
(2)通过高速燃气火焰喷涂在金属基体上沉积抗氧化包覆涂层；
(3)通过喷砂包覆涂层的表面进行处理，获得一定的表面粗糙度和包覆涂层厚度；
本发明通过高速燃气火焰喷涂技术，制备出厚度可控，成分均匀、结构致密，氧化程度低的抗氧化包覆涂层，对延长热障涂层寿命有非常大的应用和研究价值。
优选地，步骤(1)中通过高速燃气火焰喷涂进行喷砂处理，喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为60-80目。喷枪与金属基体间距离为180～200mm，喷枪移动速度为500～1000mm/s，送砂转速8～10r/min，丙烷压力为85-90PSI，空气压力为90～95PSI，氢气压力15～20PSI，氮气压力20～30PSI。表面粗糙度Ra为1～10μm
优选地，步骤(1)中金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为30～60°，喷涂间距指喷枪枪口延长线至金属表面的距离，喷涂过程中喷涂间距保持不变，如图1所示。
优选地，步骤(2)中所述的包覆涂层的成分为MCrAlY，其中M为Ni或Co中的一种或两种。
优选地，步骤(2)中通过高速燃气火焰喷涂技术沉积金属粉末，喷涂前先预热1～2次，金属基体的温度控制在100～200℃，喷枪与金属基体间距为180～200mm，喷枪移动速度为500～1000mm/s。送粉转速5-7r/min，丙烷压力为70～80PSI，空气压力为80-90PSI，氢气压力15～20PSI，氮气压力20～30PSI。
优选地，步骤(2)中金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为90°，喷枪沿Z轴方向步进为2～4mm，每走完一遍金属基体表面为1道次，喷涂5-10道次。如图3所示。
优选地，步骤(3)中通过高速燃气火焰喷涂对涂层进行喷砂处理，喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为180-200目。喷枪与涂层表面间距为200～250mm，喷枪移动速度为500-800mm/s，送砂转速8～10r/min，丙烷压力为85-90PSI，空气压力为90～95PSI，氢气压力15～20PSI，氮气压力20～30PSI。
优选地，步骤(3)中金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为90°。
优选地，步骤(3)处理后的金属包覆涂层的厚度为200～400μm，表面粗糙度Ra为1～10μm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
通过高速燃气火焰喷涂技术制备包覆涂层过程中，火焰温度低，能有效地减少包覆涂层在沉积过程中的氧化。其次由于喷涂速度快，熔融粉末可以快速撞击在基体上，因此可以避免孔洞和裂纹的产生，达到涂层致密化的作用。这种组织均匀、结构致密的包覆涂层能有效地减少金属离子向界面的扩散速率，同时减少了氧气向扩散的通道，从而减缓氧化层生长速率，并且有效抑制NiO，Cr2O3等混合氧化物在界面形成。同时，由于对金属基体采用非垂直喷砂方式，可以有效减少嵌入在基体中的Al2O3颗粒数量，因此可以提高界面结合强度。
附图说明
图1为喷砂时喷枪与金属基体俯视图；
图2为包覆涂层制备时喷枪与金属基体俯视图；
图3为包覆涂层制备时喷枪与金属基体正视图，水平向箭头所指为喷枪部分运动路径，每按该路径运动完一次外部矩形视为完成一道次喷涂；
图4为包覆涂层截面示意图，图中：1-金属基体；2-包覆涂层；
图5为不同喷涂方式制备的包覆涂层截面图；
图6为1100℃氧化100小时后实施例1和对比例1表面氧化膜剥落图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)首先用高速燃气火焰喷涂技术对金属基体进行喷砂处理，喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为60-80目。喷枪与金属基体间距为180mm，喷枪移动速度为500mm/s，送砂转速8r/min，丙烷压力为85PSI，空气压力为90PSI，氢气压力20PSI，氮气压力20PSI。金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为30°，如图1所示。
(2)采用高速燃气火焰喷涂时，先对金属预热1次，金属基体的温度控制在200℃以下，喷枪与金属基体距离为200mm，喷枪移动速度为1000mm/s。送粉转速5r/min，丙烷压力为80PSI，空气压力为87PSI，氢气压力18PSI，氮气压力20PSI。金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为90°，如图2所示，喷枪沿Z轴的步进为2mm，喷涂道次为8道次，如图3所示。
(3)为获得表面粗糙度均匀的包覆涂层，通过高速燃气火焰喷涂对涂层进行喷砂处理，喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为180-200目。喷枪与涂层表面间距为200mm，金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为90°，喷枪移动速度为800mm/s，送砂转速10r/min，丙烷压力为87PSI，空气压力为90PSI，氢气压力20PSI，氮气压力22PSI。最终获得的包覆涂层厚度约260μm，表面粗糙度为1-10μm。图4为制备得到的包覆涂层截面示意图，图中1为金属基体，2为包覆涂层。
实施例2
(1)首先用高速燃气火焰喷涂技术对金属基体进行喷砂处理，喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为60-80目。喷枪与金属基体间距离为190mm，喷枪移动速度为700mm/s，送砂转速9r/min，丙烷压力为87PSI，空气压力为93PSI，氢气压力16PSI，氮气压力25PSI。金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为45°。
(2)采用高速燃气火焰喷涂时，先对金属预热1次，金属基体的温度控制在150℃，喷枪与金属基体距离为180mm，喷枪移动速度为600mm/s。送粉转速6r/min，丙烷压力为70PSI，空气压力为90PSI，氢气压力15PSI，氮气压力25PSI。金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为90°，喷枪沿Z轴的步进为3mm，喷涂道次为6道次。
(3)为获得表面粗糙度均匀的包覆涂层，通过高速燃气火焰喷涂对涂层进行喷砂处理，喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为180-200目。喷枪与涂层表面间距为230mm，金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为90°，喷枪移动速度为500mm/s，送砂转速8r/min，丙烷压力为86PSI，空气压力为92PSI，氢气压力24PSI，氮气压力25PSI，最终获得的包覆涂层。
实施例3
(1)首先用高速燃气火焰喷涂技术对金属基体进行喷砂处理，喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为60-80目。喷枪与金属基体间距离为200mm，喷枪移动速度为500mm/s，送砂转速8r/min，丙烷压力为90PSI，空气压力为95PSI，氢气压力20PSI，氮气压力30PSI。金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为45°。
(2)采用高速燃气火焰喷涂时，先对金属预热1次，金属基体的温度控制在200℃，喷枪与金属基体距离为200mm，喷枪移动速度为700mm/s。送粉转速7r/min，丙烷压力为80PSI，空气压力为80PSI，氢气压力18PSI，氮气压力30PSI。金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为90°，喷枪沿Z轴的步进为4mm，喷涂道次为5道次。
(3)为获得表面粗糙度均匀的包覆涂层，通过高速燃气火焰喷涂对涂层进行喷砂处理，喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为180-200目。喷枪与涂层表面间距为250mm，金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为90°，喷枪移动速度为600mm/s，送砂转速9r/min，丙烷压力为90PSI，空气压力为90PSI，氢气压力18PSI，氮气压力25PSI，最终获得的包覆涂层。
实施例4
(1)首先用高速燃气火焰喷涂技术对金属基体进行喷砂处理，喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为60-80目。喷枪与金属基体间距离为180mm，喷枪移动速度为600mm/s，送砂转速10r/min，丙烷压力为85PSI，空气压力为95PSI，氢气压力18PSI，氮气压力26PSI。金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为45°。
(2)采用高速燃气火焰喷涂时，先对金属预热1次，金属基体的温度控制在160℃，喷枪与金属基体距离为180mm，喷枪移动速度为900mm/s。送粉转速7r/min，丙烷压力为75PSI，空气压力为85PSI，氢气压力20PSI，氮气压力26PSI。金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为90°，喷枪沿Z轴的步进为2mm，喷涂道次为7道次。
(3)为获得表面粗糙度均匀的包覆涂层，通过高速燃气火焰喷涂对涂层进行喷砂处理，喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为180-200目。喷枪与涂层表面间距为240mm，金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为90°，喷枪移动速度为600mm/s，送砂转速9r/min，丙烷压力为86PSI，空气压力为92PSI，氢气压力24PSI，氮气压力25PSI，最终获得的包覆涂层。
对比例1
与实施例1相比，步骤(2)中采用大气等离子喷涂技术制备包覆涂层，其他步骤不变。具体为：喷涂前对基体进行预热1～2次，基体温度范围控制在200℃以下，喷枪与基体距离范围为180mm，喷枪移动速度为1000mm/s，送粉速率为70g/min，送粉气流为1.2L/min，电压为180V，喷涂电流为220A，Ar气流速为90L/min，H2气流速为25L/min。金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为90°，喷枪沿Z轴的步进为2mm，喷涂道次为5道次。
对比例2
与实施例1相比，改变步骤(1)喷砂角度，其他步骤不变。具体为金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为90°。
图5为不同喷涂方式制备的包覆涂层截面图。对比实施例1和对比例1，大气等离子喷涂制备的包覆涂层内部有较多的氧化物，且组织结构不均匀，而高速燃气火焰喷涂制备的包覆涂层内氧化较少，组织结构均匀。对比实施例1和对比例2，当硼砂角度为90°时，涂层与基体界面处残留了较多硼砂颗粒。综合以上表明，通过高速燃气喷涂技术，并采用非垂直的硼砂方式，可以获得结构均匀且界面硼砂残留氧化铝较少的包覆涂层。
图6为实施例1和对比例1在1100℃氧化100小时后的表面氧化膜剥落图，大气等离子喷涂制备的包覆涂层氧化膜发生大面积剥落，而高速燃气火焰喷涂制备的包覆涂表面氧化膜结合完整，未剥落，具有更好的抗剥落性能。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高速燃气火焰喷涂制备抗氧化包覆涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对金属基体进行喷砂处理；
(2)通过高速燃气火焰喷涂在金属基体上沉积抗氧化包覆涂层；
(3)对喷砂包覆涂层的表面进行处理，获得一定表面粗糙度和包覆涂层厚度。
2.根据权利要求1所述的一种高速燃气火焰喷涂制备抗氧化包覆涂层的方法，其特征在于，步骤(1)通过高速燃气火焰喷涂对金属基体进行喷砂处理，使表面粗糙度Ra为1～10μm。
3.根据权利要求2所述的一种高速燃气火焰喷涂制备抗氧化包覆涂层的方法，其特征在于，步骤(1)喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为60-80目。
4.根据权利要求2所述的一种高速燃气火焰喷涂制备抗氧化包覆涂层的方法，其特征在于，步骤(1)喷枪与金属基体间距离为180～200mm，喷枪移动速度为500～1000mm/s，送砂转速8～10r/min，丙烷压力为85-90PSI，空气压力为90～95PSI，氢气压力15～20PSI，氮气压力20～30PSI。
5.根据权利要求2所述的一种高速燃气火焰喷涂制备抗氧化包覆涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为30～60°。
6.根据权利要求1所述的一种高速燃气火焰喷涂制备抗氧化包覆涂层的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的包覆涂层的成分为MCrAlY，其中M为Ni或Co中的一种或两种。
7.根据权利要求1所述的一种高速燃气火焰喷涂制备抗氧化包覆涂层的方法，其特征在于，步骤(2)中通过高速燃气火焰喷涂沉积金属粉末，喷涂前先预热，金属基体的温度控制在100～200℃，喷枪与金属粘结层间距离为180～200mm，喷枪移动速度为500～1000mm/s，送粉转速5-7r/min，丙烷压力为70～80PSI，空气压力为80-90PSI，氢气压力15～20PSI，氮气压力20～30PSI。
8.根据权利要求1所述的一种高速燃气火焰喷涂制备抗氧化包覆涂层的方法，其特征在于，步骤(2)中金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为90°，喷枪沿Z轴方向步进为2～4mm，每走完一遍金属基体表面为1道次，喷涂5-10道次。
9.根据权利要求1所述的一种高速燃气火焰喷涂制备抗氧化包覆涂层的方法，其特征在于，步骤(3)中通过高速燃气火焰喷涂进行喷砂处理，喷砂颗粒主要成分为Al2O3，颗粒粒径为180-200目，喷枪与金属基体间距离为200～250mm，喷枪移动速度为500-800mm/s，送砂转速8～10r/min，丙烷压力为85-90PSI，空气压力为90～95PSI，氢气压力15～20PSI，氮气压力20～30PSI。
10.根据权利要求1所述的一种高速燃气火焰喷涂制备抗氧化包覆涂层的方法，其特征在于，步骤(3)中金属基体所在平面与喷枪枪口延长线夹角为90°，步骤(3)处理后的金属包覆涂层的厚度为200～400μm，表面粗糙度Ra为1～10μm。
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