CN114657499B - 一种脆性基体表面金属基涂层及其制备装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脆性基体表面金属基涂层及其制备装置与方法，属于金属涂层技术领域。该装置包括：等离子射流加热系统、温度检测控制系统以及拉法尔喷管；等离子射流加热系统具有等离子喷枪，等离子喷枪的喷嘴朝向脆性基体设置以用于对脆性基体表面的待沉积区域进行加热；温度检测控制系统用于检测和控制待沉积区域的温度；拉法尔喷管具有喷射出口，喷射出口朝向脆性基体设置并用于向加热后的待沉积区域喷射超音速金属基微米级粉末颗粒。采用上述装置可在脆性基体表面有效制备出具有高界面结合强度的致密金属层。该脆性基体表面金属基涂层界面结合强度以及机械性能均较高。

Description

一种脆性基体表面金属基涂层及其制备装置与方法

技术领域

本发明涉及金属涂层技术领域，具体而言，涉及一种脆性基体表面金属基涂层及其制备装置与方法。

背景技术

金属固态沉积作为一种新兴的表面处理工程新技术，是传统热喷涂技术的重要补充之一。金属固态沉积可以制备低氧化致密金属涂层，可以获得导热、导电、导磁等电磁性能优异的金属层，理论上是陶瓷的脆性基材表面金属化的理想技术选择。

陶瓷金属化越来越受到工业界的重视，利用金属固态沉积技术实现陶瓷表面金属化也引起了众多学者的关注。但目前大多数陶瓷基体表面无法通过金属固态沉积方式有效制备金属层，即使可以获得(如纯铝/氧化铝界面结合强度＜10MPa)，其界面结合强度也极低，机械性能过差，并不能大范围推广应用。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种脆性基体表面金属基涂层的制备装置以解决上述技术问题。

本发明的目的之二在于提供一种采用上述制备装置进行脆性基体表面金属基涂层的方法。

本发明的目的之三在提供一种由上述方法制备得到的脆性基体表面金属基涂层。

本申请可这样实现：

第一方面，本申请提供一种脆性基体表面金属基涂层的制备装置，包括：等离子射流加热系统、温度检测控制系统以及拉法尔喷管；

等离子射流加热系统具有等离子喷枪，等离子喷枪的喷嘴朝向脆性基体设置以用于对脆性基体表面的待沉积区域进行加热；

温度检测控制系统具有检测器和控制器，检测器用于检测经等离子射流加热系统加热后的待沉积区域的温度，控制器同时与检测器以及等离子射流加热系统信号连接，以使检测器检测出的温度结果反馈至控制器并根据预设的待沉积区域温度范围调控等离子射流对待沉积区域的加热情况；

拉法尔喷管具有喷射出口，喷射出口朝向脆性基体设置并用于向加热后的待沉积区域喷射超音速金属基微米级粉末颗粒。

在可选的实施方式中，制备装置还包括送粉器；

拉法尔喷管还具有喷射入口，送粉器与喷射入口连接以将待喷涂的金属基微米级粉末颗粒输送至拉法尔喷管内部。

在可选的实施方式中，制备装置还包括高压气源，高压气源与喷射入口连接以使高压气体对述拉法尔喷管内部的金属基微米级粉末颗粒进行加速。

第二方面，本申请提供一种脆性基体表面金属基涂层的制备方法，采用前述实施方式任一项的制备装置于脆性基体的表面喷涂金属基涂层。

在可选的实施方式中，脆性基体为陶瓷基体。

在可选的实施方式中，包括以下步骤：

用等离子射流加热系统对脆性基体表面的待沉积区域进行加热；

用温度检测控制系统检测和调控等离子射流对待沉积区域的加热情况以使加热后的待沉积区域的温度维持在预设的温度范围内；

用拉法尔喷管向加热后的待沉积区域喷射超音速金属基微米级粉末颗粒以在脆性基体表面形成高强界面结合的底层沉积层。

在可选的实施方式中，还包括在底层沉积层的表面继续以常规金属固态增材方法沉积新的金属基沉积层。

在可选的实施方式中，待沉积区域的温度维持于900-4000℃且低于基体材料的熔点。

在可选的实施方式中，等离子射流加热系统的工作条件包括：功率为10-300KW，离子气为氮气和惰性气体中的至少一种。

在可选的实施方式中，等离子射流加热系统工作过程中不使用辅助气体。

在可选的实施方式中，制备底层沉积层时，从拉法尔喷管喷射出的金属基微米级粉末颗粒的速度为200-600m/s且温度＜100℃。

在可选的实施方式中，从拉法尔喷管喷射出的金属基微米级粉末颗粒的速度为300-500m/s。

在可选的实施方式中，从拉法尔喷管喷射出的金属基微米级粉末颗粒的温度为-100至25℃。

第三方面，本申请提供一种脆性基体表面的金属基涂层，经前述实施方式任一项的制备方法制备而得。

在可选的实施方式中，金属基涂层中，基体表面嵌入有金属基微米级粉末颗粒。

在可选的实施方式中，金属基涂层中，基材表面材料与粉末颗粒相互交织并形成元素扩散。

本申请的有益效果包括：

本申请提供的装置和方法，首先是采用等离子射流加热系统，以超高温等离子射流为热源对基体待沉积区域进行快速加热软化，同时利用温度检测控制系统使基体表面温度达到目标温度并维持，从而使得基体表面材料的屈服强度大幅下降，塑性变形能力显著提升；然后利用拉法尔喷嘴向经过加热处理后的区域持续不断的高速喷射低温金属基微米级粉末颗粒；当这些超音速金属基颗粒，高速碰撞到屈服强度小于自身的基材表面，随着基材表面的剧烈变形，便会嵌入到基体表面；随着大量金属颗粒不断撞击沉积到基体表面，便会在陶瓷基体表面形成具有高强界面结合的一层金属沉积层，完成陶瓷表面的金属化。

也即，通过本申请提供的装置和方法可在脆性基体表面有效制备出具有高界面结合强度以及高机械性能的致密金属层。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请提供的脆性基体表面金属基涂层的制备装置的结构示意图；

图2为本申请提供的脆性基体表面金属基涂层的制备方法的原理图。

图标：1-等离子喷枪；2-高温等离子射流；3-温度检测控制系统；4-拉法尔喷管；5-金属基微米级粉末颗粒；6-脆性基体；7-软化的脆性基体表面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本申请提供的脆性基体表面金属基涂层及其制备装置与方法进行具体说明。

发明人提出：导致现有技术中大多数陶瓷基体表面无法通过金属固态沉积方式有效制备金属层的原因之一在于，陶瓷的塑性变形能力极差。基于此，发明人创造性地提出通过等离子射流极高的焰流温度，有效提升高熔点材料特别是陶瓷材料的加热软化和塑性变形能力。将等离子射流加热和传统的金属固态沉积技术结合，可解决陶瓷等脆性材料由于极差的塑性变形能力导致金属颗粒在其表面高速碰撞后其表面不发生变形，造成微米级金属颗粒无法在脆性基体6(尤其是陶瓷基体)表面沉积的问题，实现了脆性基体6特别是陶瓷基体表面的金属化，有力拓展了金属固态沉积技术的应用领域。

如图1所示，本申请提出的脆性基体表面金属基涂层的制备装置，包括：等离子射流加热系统、温度检测控制系统3以及拉法尔喷管4。

其中，等离子射流加热系统具有等离子喷枪1，等离子喷枪1的喷嘴朝向脆性基体6设置以用于对脆性基体6表面的待沉积区域进行加热。

温度检测控制系统具有检测器和控制器，检测器用于检测经等离子射流加热系统加热后的待沉积区域的温度，控制器同时与检测器以及等离子射流加热系统信号连接，以使检测器检测出的温度结果反馈至控制器并根据预设的待沉积区域温度范围调控等离子射流对待沉积区域的加热情况。

拉法尔喷管4具有喷射出口，喷射出口朝向脆性基体6设置并用于向加热后的待沉积区域喷射超音速金属基微米级粉末颗粒5。

进一步地，上述制备装置还包括送粉器，送粉器与喷射入口连接以将待喷涂的金属基微米级粉末颗粒5输送至拉法尔喷管4内部。

进一步地，上述制备装置还包括高压气源，高压气体示例性地可包括氮气、空气或相应的混合气体。

拉法尔喷管4还具有喷射入口，高压气源与喷射入口连接以使高压气体对述拉法尔喷管4内部的金属基微米级粉末颗粒5进行加速。

承上，上述等离子射流加热系统提供的等离子射流是加热到极高温度并被高度电离的气体，通过电弧放电的热力把气体加热成高温等离子后，利用喷嘴喷出，其射流温度可达上万摄氏度，可使脆性材料特别是高熔点的陶瓷材料加热软化，得到软化的脆性基体表面7。基于基体陶瓷材料被加热软化，拉法尔喷管4中高压气体携带金属基微米级粉末颗粒5进入高速气流，通过缩放管产生超音速气固两相流，粉末颗粒经超音速喷管加速后在固态状态下高速碰撞基板，通过基材产生强烈的塑性变形而嵌入基体形成涂层。

通过将等离子射流加热和金属固态沉积技术结合，可有效降低脆性基体6特别是陶瓷基体表面材料的屈服强度，使其塑性变形能力显著提升，进而可利用金属颗粒的高速碰撞沉积，完成基材表面的金属化。

值得说明的是，本申请中等离子射流加热系统、拉法尔喷喷管、高压气源以及送粉器的其它结构和使用方法可参照现有技术，在此不做过多赘述。

相应地，本申请提供了一种脆性基体表面金属基涂层的制备方法，采用上述制备装置于脆性基体6的表面喷涂金属基涂层。该方法可理解为等离子金属固态沉积，其原理如图2所示。

其中，脆性基体6示例性地可以为陶瓷、灰口铸铁、钨或钼等基体。

在优选的实施方式中，脆性基体6为陶瓷基体。

可参考地，具体的制备方法可包括以下步骤：

用等离子射流加热系统对脆性基体6表面的待沉积区域进行加热；

用温度检测控制系统检测和调控等离子射流对待沉积区域的加热情况以使加热后的待沉积区域的温度维持在预设的温度范围内；

用拉法尔喷管4向加热后的待沉积区域喷射超音速金属基微米级粉末颗粒5以在脆性基体6表面形成高强界面结合的底层沉积层。

具体的，上述待沉积区域的温度维持于900-4000℃，如900℃、1000℃、1500℃、2000℃、2500℃、3000℃、3500℃或4000℃等，也可以为900-4000℃范围内的其它任意值。

需说明的是，上述待沉积区域的温度需低于该基体材料的熔点。

可参考地，等离子射流加热系统的工作条件可包括：电压为380V的交流电压，功率为10-300KW，离子气为氮气和惰性气体中的至少一种。

其中，功率示例性地可以为10KW、20KW、50KW、80KW、100KW、120KW、150KW、180KW、200KW、220KW、250KW、280KW或300KW等，也可以为10-300KW范围内的其它任意值。

离子气可以仅为氮气，也可仅为惰性气体，还可以为氮气与惰性气体的混合气。其中，惰性气体优选为氩气。

需说明的是，上述等离子射流加热系统的功率主要影响能量输入密度，及加热效率，若功率过高，容易导致材料熔化甚至气化；功率过低，容易导致材料加热效率低，无法达到所需温度。

本申请中，等离子射流加热系统工作过程中不使用辅助气体，工作气体进入等离子射流加热系统后直接形成等离子气体，直接对材料起到加热作用。

需说明的是，辅助气体存在，将使等离子气体高速直喷基体表面，热量传输速度过快，导致温度难以控制，容易使基体材料熔化甚至气化。

温度检测控制系统的作用原理包括：基材表面温度的监控由检测器(也可理解为常规的温度检测控制系统3)监测并反馈回控制器，控制器根据检测器反馈的温度并结合基体表面所需预热温度值通过调控等离子射流加热系统的功率进而调节基体表面的沉积温度。

本申请中，制备底层沉积层时，从喷射出口喷射出的金属基微米级粉末颗粒5的速度为200-600m/s且温度＜100℃。

其中，金属基微米级粉末颗粒5的喷出速度示例性地可以为200m/s、300ms、400m/s、500m/s或600m/s等，也可以为200-600m/s范围内的其它任意值，优选为300-500m/s。

若金属基微米级粉末颗粒5的喷出速度过高，容易导致颗粒对基体形成冲蚀，无法嵌入；速度过低，嵌入深度过浅，甚至无法嵌入。

金属基微米级粉末颗粒5的喷出温度示例性地可以为25℃、20℃、0℃、-10℃，-50℃或-100℃等，也可以为-100至25℃范围内的其它任意值，优选为-50至25℃。

若金属基微米级粉末颗粒5的温度过低，常规喷涂极难达到-100℃以下；过高，容易导致粉末颗粒材料硬度下降，产生变形，减小嵌入基体的深度，甚至无法嵌入。

超音速金属基微米级粉末颗粒5的粒径示例性地可以为10-100μm，如10μm、30μm、50μm、80μm、100μm等，也可以为10-100μm范围内的其它任意值。

超音速金属基微米级粉末颗粒5的粒径若大于100μm，容易导致粉末速度过低，颗粒无法有效嵌入，界面结合强度下降。

进一步地，还包括在底层沉积层的表面继续沉积新的金属基沉积层。

沉积新的金属基沉积层可直接采用常规的金属固态沉积工艺，例如，金属颗粒与待沉积表面的碰撞速度为350-2000m/s，温度为100-1000℃。

新沉积的金属基沉积层的厚度可根据实际所需进行相应调整。

值得说明的是，本申请中常规的金属固态沉积工艺所具体涉及的过程可参照现有技术，在此不做过多赘述。

承上，本申请提供的脆性基体表面金属基涂层的制备方法的原理包括：

首先采用等离子射流加热系统，以超高温等离子射流2为热源对基体待沉积区域进行快速加热软化，根据待沉积需求，使陶瓷基材表面温度快速升高，同时利用温度检测控制系统使基体表面温度达到目标温度并维持，使基体表面材料的屈服强度大幅下降，塑性变形能力显著提升；然后利用跟进的拉法尔喷嘴向经过加热处理后的区域持续不断的高速喷射低温金属基微米级粉末颗粒5；当这些超音速金属基颗粒，高速碰撞到屈服强度小于自身的基材表面，随着基材表面的剧烈变形，便会嵌入到基体表面；随着大量金属颗粒不断撞击沉积到基体表面，便会在陶瓷基体表面形成具有高强界面结合的一层金属沉积层，完成陶瓷表面的金属化；然后采用常规金属固态沉积工艺，根据目标厚度继续沉积多层金属，完成陶瓷表面的沉积体制备；在高速撞击下，粉末颗粒和基材表面材料同时经历强塑性充分变形，材料互相交织如何，同时伴随大面积元素扩散形成强力结合。

此外，本申请还提供了一种脆性基体表面的金属基涂层，经上述制备方法制备而得。

在所得的金属基涂层中，基体表面嵌入有金属基微米级粉末颗粒5。

较优的，在上述金属基涂层中，基材表面材料与粉末颗粒相互交织并形成元素扩散，得到界面结合强度和机械性能均较高的金属基涂层。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种脆性基体6表面的金属基涂层，其制备装置包括等离子射流加热系统、温度检测控制系统3、拉法尔喷管4、高压气源和送粉器。

等离子射流加热系统具有等离子喷枪1，等离子喷枪1的喷嘴朝向脆性基体6设置。温度检测控制系统具有检测器和控制器，控制器同时与检测器以及等离子射流加热系统信号连接。

拉法尔喷管4具有喷射入口和喷射出口，送粉器以及高压气源均与喷射入口连接。

相应的制备方法如下：

先采用等离子射流加热系统(离子射流加热系统工作电源电压交流380V，功率为100KW；离子气使用氩气)，以高温等离子射流2为热源对基体待沉积区域进行加热，根据待沉积需求，使氧化铝基材表面温度快速升高。

氧化铝基材表面温度的监控由温度检测控制系统中的检测器监测并反馈回控制器，控制器根据检测器反馈的温度并结合基体表面所需预热温度值(1900℃)通过调控等离子射流加热系统的功率进而调节基体表面的沉积温度，使氧化铝表面材料的屈服强度大幅下降，塑性变形能力显著提升。

然后利用跟进的拉法尔喷嘴向经过加热处理后的区域持续不断的喷射直径30微米的纯铜粉末(金属颗粒的碰撞速度500m/s，温度-10℃)。

当这些超音速纯铜粉末，高速碰撞经过加热软化的氧化铝表面，随着基材表面的剧烈变形，便会嵌入到氧化铝表面；随着大量纯铜粉末颗粒不断撞击沉积到基体表面，便会在陶瓷基体表面形成具有高强界面结合的一层纯铜沉积层，完成氧化铝陶瓷表面纯铜涂层(对于底层沉积层)的制备及金属化。

随后采用常规金属固态沉积工艺使用铬锆铜粉末(铬锆铜金属颗粒的碰撞速度为800m/s，温度为600℃)，根据目标厚度(150微米)继续沉积多层铬锆铜层，完成氧化铝陶瓷表面纯铜和铬锆铜复合层的制备。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：离子射流加热系统工作电压为交流380V，功率为10KW；离子气使用氮气。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：离子射流加热系统工作电压为交流380V，功率为300KW；离子气使用氮气和氩气的混合气。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：从喷射出口喷射出的金属基微米级粉末颗粒5的速度为200m/s，温度为25℃。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于：离子射流加热系统的功率为500KW。

对比例2

本对比例与实施例1的区别在于：待沉积区域的温度较基体材料的熔点高10℃。

对比例3

本对比例与实施例1的区别在于：从喷射出口喷射出的金属基微米级粉末颗粒5的速度为50m/s。

对比例4

本对比例与实施例1的区别在于：从喷射出口喷射出的金属基微米级粉末颗粒5的温度为200℃。

试验例

对实施例1-4以及对比例1-4制备得到的脆性基体表面金属基涂层进行界面结合强度、致密度以及机械性能方法的测试，其结果表1所示。

表1测试结果

综上所述，本申请提供的方法能够在脆性基体6表面有效制备出具有高界面结合强度、高电导率及高延伸率的致密金属层。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种脆性基体表面金属基涂层的制备方法，其特征在于，采用制备装置于脆性基体的表面喷涂金属基涂层；

所述脆性基体为陶瓷基体；

所述制备装置包括：等离子射流加热系统、温度检测控制系统以及拉法尔喷管；

所述等离子射流加热系统具有等离子喷枪，所述等离子喷枪的喷嘴朝向脆性基体设置以用于对脆性基体表面的待沉积区域进行加热；

所述温度检测控制系统具有检测器和控制器，所述检测器用于检测经所述等离子射流加热系统加热后的待沉积区域的温度，所述控制器同时与所述检测器以及所述等离子射流加热系统信号连接，以使所述检测器检测出的温度结果反馈至所述控制器并根据预设的待沉积区域温度范围调控所述等离子射流对所述待沉积区域的加热情况；

所述拉法尔喷管具有喷射出口，所述喷射出口朝向所述脆性基体设置并用于向加热后的所述待沉积区域喷射超音速金属基微米级粉末颗粒；

所述制备装置还包括高压气源，所述高压气源与喷射入口连接以使高压气体对述拉法尔喷管内部的所述金属基微米级粉末颗粒进行加速；

所述待沉积区域的温度维持于900-4000℃且低于基体材料的熔点；

所述等离子射流加热系统的工作条件包括：功率为10-300KW，离子气为氮气和惰性气体中的至少一种；所述等离子射流加热系统工作过程中不使用辅助气体；

从所述拉法尔喷管喷射出的金属基微米级粉末颗粒的速度为200-600m/s且温度＜100℃。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备装置还包括送粉器；

所述拉法尔喷管还具有喷射入口，所述送粉器与所述喷射入口连接以将待喷涂的金属基微米级粉末颗粒输送至所述拉法尔喷管内部。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

用所述等离子射流加热系统对脆性基体表面的待沉积区域进行加热；

用所述温度检测控制系统检测和调控所述等离子射流对所述待沉积区域的加热情况以使加热后的待沉积区域的温度维持在预设的温度范围内；

用所述拉法尔喷管向加热后的所述待沉积区域喷射超音速金属基微米级粉末颗粒以在所述脆性基体表面形成高强界面结合的底层沉积层。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，从所述拉法尔喷管喷射出的金属基微米级粉末颗粒的速度为300-500m/s。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，从所述拉法尔喷管喷射出的金属基微米级粉末颗粒的温度为-100至25℃。

6.一种脆性基体表面金属基涂层，其特征在于，经权利要求1-5任一项所述的制备方法制备而得。

7.根据权利要求6所述的脆性基体表面金属基涂层，其特征在于，所述金属基涂层中，基体表面嵌入有金属基微米级粉末颗粒。

8.根据权利要求6所述的脆性基体表面金属基涂层，其特征在于，所述金属基涂层中，基材表面材料与粉末颗粒相互交织并形成元素扩散。