CN115287575B - 超音速火焰喷涂高结合强度涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的超音速火焰喷涂高结合强度涂层的方法，属于热喷涂加工技术领域，解决现有技术中的装置拔销效率低的技术问题。S101:对镍基合金材料零件基体的涂层部位表面进行清洁粗糙化处理；S102:喷涂前对经清洁粗糙化处理后的镍基合金材料零件基体进行预热；S103:配置镍铬铁粉末，并用超音速火焰喷枪喷涂在镍基合金材料零件基体涂层部位表面进行配图以形成镍铬铁涂层,超音速火焰喷枪在喷涂镍铬铁涂层时，以氧气和氢气为工作气且送粉载气为氩气，形成高速火焰，以将所述镍铬铁粉末加热至半熔融状态，以半固态沉积到基体表面形成涂层。该方法获得厚度范围0.1‑1.5mm，结合强度大于70MPa的修复涂层的喷涂工艺新方法，以解决工业生产中急需解决的问题。
Description
技术领域
本发明属于热喷涂加工技术领域，尤其涉及一种超音速火焰喷涂高结合强度涂层的方法。
背景技术
高温合金零件具有组织结构稳定、抗氧化能力强和工作温度高等优异性能。在航空发动机和燃气轮机等部件中得到广泛应用。但由于在机械加工过程中，因技术水平、人为因素、周转运输等原因，亦会导致出现尺寸超差、碰划伤等基体损伤。同时，此类零件在高温、高压、高腐蚀以及振动磨损等工作环境中长期服役，易导致发生局部磨损、掉快、烧蚀等损伤，严重制约产品的安全和寿命。
采用不同的表面工程技术可以有效恢复损伤零件的尺寸和性能，为高温合金综合服役性能的保持和再生提供了可行的途径。因镍基高温合金粉末属自熔性合金粉末，具有优良的综合性能，其耐腐蚀、抗氧化性、耐热、耐低应力磨粒磨损及良好的冲击韧性。熔点低，固液相温度区间宽，对多种基体有良好的粘接性能。其制备的涂层具备致密、耐高温氧化、耐腐蚀性能等特性。但传统工艺喷涂温度较高，制备的涂层中应力较大，因此可修复的范围，受到性能和尺寸限制。现有工艺可修复的尺寸最高为0.7mm，对应的结合强度最高可达48.2Mpa，现有水平已无法满足生产的需求，如何制备高结合强度修复涂层，是工业生产急需解决的技术难题。
采用一般的喷涂参数对镍基合金材料零件基体喷涂部位进行喷涂，所获得的涂层结合强度一般只有28-48Mpa。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超音速火焰喷涂高结合强度涂层的方法，至少解决现有技术中的修复方式效率较低且涂层结合强度一般只有28-48Mpa的技术问题。本案的技术方案有诸多技术有益效果，见下文介绍：
提供一种超音速火焰喷涂高结合强度涂层的方法，适用于航空发动机中高温合金零件损伤后的修复，所述高温合金零件为镍基合金材料零件，所述包括：
S101:对镍基合金材料零件基体的涂层部位表面进行清洁粗糙化处理；
S102:喷涂前对经清洁粗糙化处理后的镍基合金材料零件基体进行预热；
S103:配置镍铬铁粉末，并用超音速火焰喷枪喷涂在镍基合金材料零件基体涂层部位表面进行配图以形成镍铬铁涂层,超音速火焰喷枪在喷涂镍铬铁涂层时，以氧气和氢气为工作气且送粉载气为氩气，形成高速火焰，以将所述镍铬铁粉末加热至半熔融状态，以半固态沉积到基体表面形成涂层。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案包括以下有益效果：
采用本发明的工艺方法，在工程零件表面超音速火焰喷涂修复涂层，扩大了喷涂修复涂层的适用对象，解决了工业生产提出的技术任务。在镍基合金材料零件基体表面上喷涂修复涂层，可修复尺寸范围可达0.1-1.5mm，并且该涂层结合强度可达70MPa以上，其次，采用本发明的工艺方法，在镍基合金材料零件基体表面上喷涂修复涂层，该涂层微观组织致密，结构优异，最后本发明的制备方法简单、操作方便、实用性强，易于推广，为高温合金零件表面损伤修复提供了新方向。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明主视图的示意图；
图2为本发明的俯视图；
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
本发明提供的一种超音速火焰喷涂高结合强度涂层的方法，适用于航空发动机中高温合金零件损伤后的修复，所述高温合金零件为镍基合金材料零件，所述包括：
S101:镍基合金材料零件基体进行预热，具体的，在镍基合金材料零件基体的涂层部位进行喷涂之前，采用喷枪对镍基合金材料零件基体进行预热至60-150℃，便于杂质的清理。
S102:对镍基合金材料零件基体的涂层部位表面进行清洁粗糙化处理，具体的：
镍基合金材料零件基体的涂层部位表面采用用丙酮进行清洗，并采用吹砂对涂层部位表面进行粗糙化处理。优选的，使用50-70目的刚玉砂吹砂将涂层部位表面粗糙化至粗糙度2-3.5μm；
涂层部位表面用刚玉砂粗糙化后，采用压缩空气吹除涂层部位表面上残留的砂粒。
S103:配置镍铬铁粉末，并用超音速火焰喷枪喷涂在镍基合金材料零件基体涂层部位表面进行配图以形成镍铬铁涂层,超音速火焰喷枪在喷涂镍铬铁涂层时，以氧气和氢气为工作气且送粉载气为氩气，形成高速火焰，以将镍铬铁粉末加热至半熔融状态，以半固态沉积到基体表面形成涂层，具体的：
镍铬铁粉末提高修复后材料的硬度，其配置方法，如，
镍铬铁粉末的粒径为15-45μm，且镍、铬、铁、铌和钽混合及钼按重量为(50-55)份：(17-21)份：(15-21)份：(4.75-5.5)份：(2.8-3.3)份进行配置，其中，镍、铬、铁、钼为固溶强化元素，铌和钽起到沉淀强化作用。按照上述配比，采用气体雾化法制备，在700℃环境下具有较高的抗拉强度、疲劳强度、抗蠕变强度和断裂强度以及优异的高温抗氧化和耐腐蚀性能，易加工性，各项特性均适合作为修复涂层使用。进一步的，镍铬铁粉末在使用之前于60-90℃烘干2小时，以除去潮气。镍铬铁粉在烘干之前先搅拌5-6分钟,烘干之后再搅拌13分钟。
热喷涂的方法：
超音速火焰喷涂，例如，使用超音速火焰喷枪作为航空零部件修复的使用为本发明的核心内容，区别于冷喷涂的方式，具体的：
冷喷涂：
冷喷涂法指在常温下或较底的温度下，由超音速气、固两相气流将涂层粉末击射到基板形成质密涂层。因此，冷喷涂技术中不存在高温加热涂层材料粉末颗粒，使粒子不熔化,以固态形式与基体发生塑性碰撞而实现涂层沉积，粒子速度500-700m/s。冷喷涂适用于非晶,纳米晶涂层的制备。主要用于在金属、玻璃、陶瓷的工件表面，喷涂金属陶瓷材料、有机涂层、金属涂层。并且所制备的涂层只能保持原始材料的性能。
超音速火焰喷涂：
超音速火焰喷涂(HVOF)是将涂层材料(粉末或线材)熔化成一定的热源(电弧、燃烧火焰、等离子等)，通过高速气流喷入基材表面形成涂层。HVOF涂层具有优良的耐磨性、耐蚀性、耐高温、隔热性能，能修补过大零件尺寸造成的磨损、腐蚀或加工，利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气与高压氧气在燃烧室内，或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温、高速燃烧焰流，燃烧焰流速度可达五马赫(1500-2000m/s)。粉末轴向送进该火焰，可以将喷涂粒子加热至熔化或半熔化状态，并加速到高达300-650m/s，甚至更高的速度，从而获得结合强度高、致密的高质量的涂层。超声速火焰喷涂WC-Co、WC-Co-Cr、NiCr-Cr3C2等碳化物类金属陶瓷涂层材料能够取的更好的效果。
两者区别：
冷喷涂与热喷涂最大的区别是颗粒加热程度不同导致其撞击工件表面之前的状态不同，冷喷涂过程中为了达到气流的速度和对颗粒的加速效果，有时也对加速气体进行预热处理，但这种预热温度较低，一般在0-600℃，粉末颗粒仍保持固体状态，而热喷涂过程中颗粒被加热到了熔融状态。由于颗粒加热程度与状态的不同，其在基板上的沉积行为和涂层形成机理也存在本质区别：热喷涂颗粒的沉积主要伴随熔滴的撞击、焊合、冷却、凝固、相变等冶金过程；冷喷涂则主要是固态颗粒在极高应力、应变和应变速率条件下通过“绝热剪切失稳”引起的塑性流变、塑性变形等机械过程。宏观上，冷喷涂高速飞行颗粒撞击基体后，是形成涂层还是对基体产生喷丸或冲蚀作用，或是对基体产生穿孔效应即有效沉积，取决于颗粒撞击基体前的速度。对于一定材料，存在一个“临界速度”，只有当颗粒速度大于该速度时，颗粒碰撞后才能沉积于基体表面形成涂层。
冷喷涂技术的特点表现为它与热喷涂技术对颗粒加热方式、加热程度不同，使颗粒撞击工件表面之前的状态不同，进而引起颗粒沉积行为和涂层形成机制的改变，最终导致冷喷涂层独特的组织和性能。这也正体现了材料科学与工程中“制备工艺-组织-性能”三者的内在联系。
热喷涂参数具体的：氧气流量为280-290标准升分钟，氢气流量为555-580标准升分钟，氩气流量为27-28标准升分钟喷枪，喷口距喷涂面的距离为200-220mm，喷枪移动速度2-4mm/s，送粉轮转速2.5-3R.P.M。
作为本案所提供的具体实施方式，在当测量到已沉积涂层表面温度达到200℃时停止喷涂，待温度自然冷却降至60℃以下时继续喷涂。
当高温合金零件的喷涂面为回转面，喷涂过程将零件的回转线速度控制为1000-1200mm/秒，超音速喷枪沿回转喷涂面母线方向移动的速度控制为2.0-4.0mm/秒。
发明人在本发明的研究完成过程中，采用一般的喷涂参数对镍基合金材料零件基体喷涂部位进行喷涂，所获得的涂层结合强度一般只有28-48Mpa；发明人通过大量的工艺试验，并配合热喷涂在线监控系统研究发现，在使用超音速喷枪喷涂修复涂层时，使用发明人设定的喷涂工艺参数，涂层材料在喷枪中的熔化状态最适合达到更高的结合强度。基于发明人的上述发现，提出了本发明的技术方案。采用本发明的工艺方法在镍基合金材料零件基体表面喷涂修复涂层，可修复涂层厚度范围可达0.1-1.5mm，涂层结合强度可达70MPa以上。
上述的方法中，提供两种实施方式，见下文：
实施例1
本实施例的喷涂系统如附图1、2所示，工程零件为镍基合金材料的回转零件，喷涂区域直径350mm，喷涂工作为在工程零件表面采取超音速火焰喷涂方法喷涂修复涂层。喷涂工艺方法的构成为：
(1)采用镍铬铁作为喷涂粉末材料，粒径为15-45μm，主要化学成分如下：镍：50-55％、铬:17-21％、铁：15-21％、铌+钽：4.75-5.5％、钼：2.8-3.3％。
(2)将待喷涂的工程零件2用丙酮擦洗干净，去除表面油污。
(3)采用60目的刚玉砂，压缩空气压力为0.25-0.35Mpa，吹砂角度为80-90°，吹砂距离为100-150mm，吹砂至粗糙度为2-3.5μm，并用压缩空气吹干净残留沙粒。
(4)将工程零件2固定到旋转工作台1上，使之随旋转工作台旋转运动，旋转速度为60转/分，即零件的回转线速度为1100mm/秒。
(5)启动JK3000超音速枪4，使喷枪沿工程零件2轴线方向往复运动2个循环，使工程零件温度达到约80℃。
(6)将粉末搅拌约5mi n，然后在约70℃下烘干1h左右，再继续搅拌约3mi n的镍铬铁粉末装入送粉机构，并设定送粉转速为2.5R.P.M。
(7)保持JK3000超音速枪4喷口距喷涂区域3的距离为200-220mm，并设定喷枪沿工程零件2轴线方向移动速度为2.5mm/s，再设定氧气流量为280-290标准升分钟，氢气流量为555-580标准升分钟，氩气流量为27-28标准升分钟，喷枪沿工程零件2轴线方向移动速度为2.5mm/s，送粉轮转速2.5RPM；
(8)喷涂过程中采用红外测温仪实时测量涂层温度，当测量到已沉积涂层表面温度达到200℃时停止喷涂，待温度自然冷却降至60℃以下时继续喷涂。
(9)喷涂70个循环后，获得总厚度达到1.21mm的修复涂层。
实施例2-8
实施例2-8与实施例1基本相同，通过改变喷涂参数进而改变喷涂焰流的温度和速度。具体参数变化见表1。
下面对各实施例制备的涂层进行结合强度检测，检测结果见表2：
结合表1、表2可以看出，随着氢气流量增加，燃烧更加充分，氧化物含量更低，孔隙率也更低，进而导致结合强度较差。随着氧气流量增加，氧化物含量增加，结合强度增加，但孔隙率也在同步增加。所以，只有在氢气和氧气的流量达到平衡的情况下，综合配比，使涂层的达到最佳性能。试验结果表明，实施例1的涂层金相组织良好，孔隙率小于0.2％，涂层结合强度平均值均达到了70Mpa以上。
以上对本发明所提供的产品进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明创造原理的前提下，还可以对发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入发明权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种超音速火焰喷涂高结合强度涂层的方法，适用于航空发动机中高温合金零件损伤后的修复，所述高温合金零件为镍基合金材料零件，其特征在于，所述方法包括：
S101:对镍基合金材料零件基体的涂层部位表面进行清洁粗糙化处理，包括，所述镍基合金材料零件基体的涂层部位表面采用丙酮进行清洗，并采用吹砂对涂层部位表面进行粗糙化处理，其中，使用50 -70目的刚玉砂吹砂将涂层部位表面粗糙化至粗糙度2-3.5µm，涂层部位表面用刚玉砂粗糙化后，采用压缩空气吹除涂层部位表面上残留的砂粒；
S102:喷涂前对经清洁粗糙化处理后的镍基合金材料零件基体进行预热；
S103: 在所述镍基合金材料零件基体的涂层部位进行喷涂之前，采用喷枪对镍基合金材料零件基体进行预热至60-150℃；
配置镍铬铁粉末，并用超音速火焰喷枪喷涂在镍基合金材料零件基体涂层部位表面进行配图以形成镍铬铁涂层, 超音速火焰喷枪在喷涂镍铬铁涂层时，以氧气和氢气为工作气且送粉载气为氩气，形成高速火焰，以将所述镍铬铁粉末加热至半熔融状态，以半固态沉积到基体表面形成涂层，包括：镍铬铁粉末的粒径为15-45μm，且镍、铬、铁、铌和钽混合及钼按重量为（50-55）份：（17-21）份：（15-21）份：（4.75-5.5）份：（2.8-3.3）份进行配置；
所述超音速火焰喷枪参数调整的方法包括：氧气流量为280-290标准升分钟，氢气流量为555 -580标准升分钟，氩气流量为27 -28标准升分钟喷枪，喷口距喷涂面的距离为200-220mm，喷枪移动速度2-4mm/s，送粉轮转速2.5-3 R.P.M；
在当测量到已沉积涂层表面温度达到200℃时停止喷涂，待温度自然冷却降至60℃以下时继续喷涂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镍铬铁粉末在使用之前于60-90℃烘干2小时，以除去潮气。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述镍铬铁粉在烘干之前先搅拌5-6分钟,烘干之后再搅拌13分钟。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述高温合金零件的喷涂面为回转面，喷涂过程将零件的回转线速度控制为1000-1200mm/秒，超音速喷枪沿回转喷涂面母线方向移动的速度控制为2.0-4.0mm/秒。
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