CN117187803A - 一种在金属材料表面喷涂的耐磨涂层受损后的修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在金属材料表面喷涂的耐磨涂层受损后的修复方法，包括以下步骤：一、对金属材料表面进行喷涂处理，得到涂层金属材料；二、将涂层金属材料进行使用，得到涂层受损的金属材料，通过高低温循环热震处理，得到脱离涂层的金属材料；三、采用激光熔覆处理在脱离涂层的金属材料上制备新涂层，完成涂层修复。本发明在耐磨涂层使用过程中发生受损后，通过高低温循环热震使机械结合的涂层大面积彻底脱离，避免修复后涂层中仍存在疲劳微裂纹等潜在危险，最后采用激光熔覆技术再次制备同成分的冶金结合的新涂层，将报废的零件再次使用，激光修复的新涂层组织均匀致密，新涂层使用效果良好，且修复成本低，可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于喷涂涂层技术领域，具体涉及一种在金属材料表面喷涂的耐磨涂层受损后的修复方法。
背景技术
喷涂是一种固态增材制造工艺，它利用来自加压气流的动能将金属和非金属粉末沉积到基材上。当颗粒与底层材料碰撞时，剧烈的塑性变形会导致颗粒沿边缘喷射，沿着界面的薄氧化层的破坏使清洁表面的金属与金属接触，从而通过冶金和机械机制促进键合。近年来，随着喷涂技术在设备和材料上的不断突破，喷涂工艺的不断改进优化，以及喷涂质量不断提高，使喷涂技术在工程领域的应用更加广泛。
由于现代机械化程度持续上升，表面喷涂处理后的零件在长期使用中由于磨损等会造成失效。失效的零件采用激光修复技术，可以恢复零件的性能，延长使用寿命，降低全寿命周期费用，节约原材料，减少环境污染，而且可以形成新的产业。激光技术在修复平面、轴类零件由于具有成本低、效率高的显著优势被广泛应用。
涂层零件受损后的修复，首先是要进行机械加工，因此，零件表面受损涂层的机加工是修复技术的重要组成部分，也是不可缺少的部分。然而对涂层的机械加工不完全同于对普通整体材料的加工，第一，涂层结合强度有限，尤其在边缘处又是薄弱部位不能承受过大的切削应力，易因机械加工不当造成涂层剥离或单个颗粒脱出；第二，喷涂涂层一般都具有较高的硬度和耐磨性，涂层内的硬质点及孔隙等，会使机加工的切削力呈震动状态，产生较大的切削力和切削热，使切削工具发生非正常磨损，对于切削工具的强度则提出更高的要求；第三，涂层一般较薄，加工余量不大，如加工不慎易造成尺寸超差。
因此，需要开发一种更为便捷的能彻底清除受损涂层的方法以及对其进行修复。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种在金属材料表面喷涂的耐磨涂层受损后的修复方法。该方法采用喷涂表面处理技术，在金属材料表面制备有一定厚度的金属基陶瓷复合耐磨涂层，耐磨涂层使用过程中发生受损后，通过高低温循环热震使机械结合的涂层大面积彻底脱离，避免修复后涂层中仍存在疲劳微裂纹等潜在危险，最后采用激光熔覆技术再次制备同成分的冶金结合的新涂层，激光修复的新涂层组织均匀致密，新涂层使用效果良好，且修复成本低，可靠性高。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种在金属材料表面喷涂的耐磨涂层受损后的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对金属材料表面进行清洗及喷砂粗化处理，然后采用喷涂处理，在金属材料表面沉积形成金属基陶瓷复合耐磨涂层，得到涂层金属材料；
步骤二、将步骤一中得到涂层金属材料进行使用，得到涂层受损的金属材料，然后通过高低温循环热震处理使金属材料表面机械结合的涂层大面积彻底脱离，得到脱离涂层的金属材料；
步骤三、采用激光熔覆处理在步骤二中得到的脱离涂层的金属材料上制备与步骤一中所述耐磨涂层同成分的冶金结合的新涂层，完成涂层修复。
本发明对金属材料基材表面进行清洗及喷砂粗化处理，保证金属基陶瓷复合耐磨涂层与金属材料连接稳定，通过喷涂处理使喷涂粒子束碰撞金属材料表面，发生碰撞-变形-冷凝收缩-填充连续进行的过程，一层一层颗粒之间相互交错叠加地粘结在一起，最终在金属材料表面沉积形成具有一定厚度的金属基陶瓷复合耐磨涂层；本发明得到涂层金属材料在其适用的领域进行使用，涂层在使用过程中不可避免的会发生受损，本发明通过高低温循环热震处理使金属材料表面机械结合的涂层大面积彻底脱离，避免修复后涂层中仍存在疲劳微裂纹等潜在危险，然后采用激光熔覆再次制备同成分的冶金结合的新涂层，激光修复的新涂层组织均匀致密，新涂层使用效果良好，且修复成本低，可靠性高。
上述的一种在金属材料表面喷涂的耐磨涂层受损后的修复方法，其特征在于，步骤一中所述喷涂处理采用的喷涂材料为：体积比为1：4～10的高熔点超硬陶瓷粉末与金属粉末的混合物，所述高熔点超硬陶瓷粉末为碳化钨粉末、金刚石粉末或立方氮化硼粉末，所述金属粉末为Fe、Ni或Co，所述喷涂处理为热喷涂或冷喷涂。本发明中金属基陶瓷复合耐磨涂层是用金属作粘结相，用陶瓷颗粒作强化硬质相，金属陶瓷涂层既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性，又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性，具有实际应用潜力。
上述的一种在金属材料表面喷涂的耐磨涂层受损后的修复方法，其特征在于，步骤二中所述高低温循环热震处理的过程包括以下步骤：
步骤101、将涂层受损的金属材料置放于90℃～100℃的水中，并停置30s～180s，得到高温处理材料；
步骤102、将步骤101中得到的高温处理材料立即放置到液氮中，并停置30s～180s，得到低温处理材料；
步骤103、多次重复步骤101和步骤102，直至涂层整体大面积脱落。常规的零件涂层受损后的切削加工方法中，主要是车削与磨削，而本发明中针对喷涂涂层的界面主要为机械结合的特点，以及表面金属陶瓷复合涂层与金属粘结层间的热膨胀系数差异，巧妙的采用热震实验的冷热交替的过程，导致涂层内部产生热应力后脱落，原理为在表面金属陶瓷复合涂层与金属粘结层的界面间，升温阶段涂层体积膨胀较小，受到拉应力，金属部分体积膨胀较多，受到压应力；到了降温阶段，涂层部分受压应力，金属部分受拉应力，通过反复地升温和降温过程，涂层内部的循环热应力不断积累，导致界面处原有微裂纹、孔洞等缺陷的不断延伸和扩展，最终使喷涂涂层发生大面积整体脱落。
上述的一种在金属材料表面喷涂的耐磨涂层受损后的修复方法，其特征在于，步骤三中所述激光熔覆处理的过程包括以下步骤：
步骤201、采用激光重熔处理对脱离涂层的金属材料表面进行处理，得到激光重熔金属材料；
步骤202、将步骤201中得到的激光重熔金属材料采用同步送粉的方式进行激光熔覆，所述激光熔覆的参数满足：激光功率为4000W～10000W，正离焦为10mm～20mm，送粉率为20g/min～40g/min，扫描速度为450mm/min～1000mm/min，搭接率不小于70％。本发明采用激光重熔处理改善界面结合方式为冶金结合，激光重熔熔层薄，对表面有整平作用，同时金属材料表面组织得到细化，然后采用激光熔覆，低热输入且可实现任何厚度，形成致密的涂层，具有完全的冶金结合。
上述的一种在金属材料表面喷涂的耐磨涂层受损后的修复方法，其特征在于，步骤三中在所述脱离涂层的金属材料上制备同成分的冶金结合的新涂层后，对新涂层进行机械加工。本发明在制备新图层后对新涂层进行机械加工，使新涂层恢复原始尺寸，在原领域继续使用。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用喷涂处理，在塑性的基体上均匀地分布着颗粒形状、尺寸大小适当的陶瓷相，成功地实现金属和陶瓷的优势结合，制备既有金属强度和韧性，又有陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优点的金属基陶瓷复合新涂层，大大拓宽了金属材料和陶瓷材料各自的应用范围。
2、本发明对受损喷涂涂层修复前需要进行表面清理，去除疲劳层，但因其表面不平整，硬度高，机加难度大，导致加工效率低且成本高，本发明中采用的高低温震荡实验去除受损涂层，方法简单，实用性较强。
3、本发明中是否彻底去除零件表面磨损疲劳层，对后续修复的可靠性有重要影响，如果去除余量较小时，会导致表面仍存在微观裂纹，后期修复完成的使用过程中，可能会因隐性疲劳微观裂纹扩大，导致涂层失效，本发明通过高低温震荡实验，能有效的自然筛选出隐性疲劳微观裂纹，并使其扩展成宏观裂纹，导致受损涂层自然脱落，能彻底去除零件表面磨损疲劳层，有效降低新涂层裂纹形成的趋势。
4、本发明采用激光重熔结合激光熔覆得到完全致密的冶金结合涂层，激光修复层组织均匀致密，平整光滑，与基体结合力强，耐磨性能好，增加金属材料再次利用的可靠性，使用本发明修复的耐磨涂层使用效果良好，且修复成本低，可靠性高。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明高低温循环热震处理采用的装置的示意图。
图2为本发明实施例1中步骤一中制备的涂层金属材料的截面示意图。
图3为本发明实施例4中步骤三制备的新涂层的截面示意图。
具体实施方式
图1为本发明高低温循环热震处理采用的装置的示意图，从图1中可以看出，本发明在高低温循环热震处理时，采用机械手臂将涂层受损的金属材料在沸水和液氮中高低温循环热震。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对45#钢表面进行清洗及喷砂粗化处理，选用体积比为1：10的高熔点超硬WC陶瓷粉末与Ni金属粉末的混合物为喷涂材料，采用冷喷涂表面处理工艺，工作气体使用压缩N2，气体预热温度为500℃，载气压力为3.5MP，送粉量为70g/min，走枪速度为500mm/s，喷涂距离为25mm，在45#钢表面沉积形成金属基陶瓷复合耐磨涂层，得到涂层金属材料；
步骤二、将步骤一中得到涂层金属材料进行使用，得到涂层受损的金属材料，然后将涂层受损的金属材料采用机械手臂置放于90℃～100℃的水中，停置30s，完成后立即采用机械手臂取出放置到液氮环境中，停置30s，并重复上述步骤42次，使45#钢表面机械结合的涂层大面积彻底脱离，得到脱离涂层的金属材料；
步骤三、对步骤二中得到的脱离涂层的金属材料进行激光重熔处理，得到激光重熔金属材料，然后将激光重熔金属材料采用同步送粉的方式进行激光熔覆，制备与步骤一中所述耐磨涂层同成分的冶金结合的新涂层，对新涂层进行机械加工，完成涂层修复；所述激光熔覆的参数满足：激光功率为4000W，正离焦为20mm，送粉率为20g/min，扫描速度为500mm/min，搭接率为70％。
经检测，本实施例中步骤三在脱离涂层的金属材料表面形成与金属材料表面呈冶金结合的新涂层，不仅可以恢复其外形尺寸，并使其使用性能达到甚至超过原涂层。
图2为本实施例中步骤一中制备的涂层金属材料的截面示意图，从图2中可以看出，在45#钢表面存在具有一定厚度的喷涂涂层，涂层存在大量孔洞。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对GH3030合金表面进行清洗及喷砂粗化处理，选用体积比为1：4的高熔点超硬BN陶瓷粉末与Ni金属粉末的混合物为喷涂材料，采用等离子喷涂表面处理工艺，电流为800A，喷枪距离为100mm，主气流量为104SCFH，辅气流量为2SCFH，送粉量为40g/min，喷枪移动距离为600mm/s，步距为3mm，在GH3030合金表面沉积形成金属基陶瓷复合耐磨涂层，得到涂层金属材料；
步骤二、将步骤一中得到涂层金属材料进行使用，得到涂层受损的金属材料，然后将涂层受损的金属材料采用机械手臂置放于90℃～100℃的水中，停置60s，完成后立即采用机械手臂取出放置到液氮环境中，停置60s，并重复上述步骤28次，使GH3030合金表面机械结合的涂层大面积彻底脱离，得到脱离涂层的金属材料；
步骤三、对步骤二中得到的脱离涂层的金属材料进行激光重熔处理，得到激光重熔金属材料，然后将激光重熔金属材料采用同步送粉的方式进行激光熔覆，制备与步骤一中所述耐磨涂层同成分的冶金结合的新涂层，对新涂层进行机械加工，完成涂层修复；所述激光熔覆的参数满足：激光功率为6000W，正离焦为10mm，送粉率为25g/min，扫描速度为500mm/min，搭接率为80％。
经检测，本实施例中步骤三在脱离涂层的金属材料表面形成与金属材料表面呈冶金结合的新涂层，不仅可以恢复其外形尺寸，并使其使用性能达到甚至超过原涂层。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对45#钢表面进行清洗及喷砂粗化处理，选用体积比为1：6的高熔点超硬金刚石粉末与Co金属粉末的混合物为喷涂材料，采用超音速火焰喷涂表面处理工艺，喷涂距离为190mm，燃气压力为0.4MPa，送粉量为45g/min，在45#钢表面沉积形成金属基陶瓷复合耐磨涂层，得到涂层金属材料；
步骤二、将步骤一中得到涂层金属材料进行使用，得到涂层受损的金属材料，然后将涂层受损的金属材料采用机械手臂置放于90℃～100℃的水中，停置180s，完成后立即采用机械手臂取出放置到液氮环境中，停置180s，并重复上述步骤33次，使45#钢表面机械结合的涂层大面积彻底脱离，得到脱离涂层的金属材料；
步骤三、对步骤二中得到的脱离涂层的金属材料进行激光重熔处理，得到激光重熔金属材料，然后将激光重熔金属材料采用同步送粉的方式进行激光熔覆，制备与步骤一中所述耐磨涂层同成分的冶金结合的新涂层，对新涂层进行机械加工，完成涂层修复；所述激光熔覆的参数满足：激光功率为8000W，正离焦为15mm，送粉率为30g/min，扫描速度为750mm/min，搭接率为75％。
经检测，本实施例中步骤三在脱离涂层的金属材料表面形成与金属材料表面呈冶金结合的新涂层，不仅可以恢复其外形尺寸，并使其使用性能达到甚至超过原涂层。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
步骤一、对45#钢表面进行清洗及喷砂粗化处理，选用体积比为1：8的高熔点超硬WC陶瓷粉末与Ni金属粉末的混合物为喷涂材料，采用等离子喷涂表面处理工艺，电流为700A，喷枪距离为120mm，主气流量为91SCFH，辅气流量为1SCFH，送粉量为20g/min、喷枪移动距离为1000mm/s、步距为3mm，在45#钢表面沉积形成金属基陶瓷复合耐磨涂层，得到涂层金属材料；
步骤二、将步骤一中得到涂层金属材料进行使用，得到涂层受损的金属材料，然后将涂层受损的金属材料采用机械手臂置放于90℃～100℃的水中，停置60s，完成后立即采用机械手臂取出放置到液氮环境中，停置60s，并重复上述步骤25次，使45#钢表面机械结合的涂层大面积彻底脱离，得到脱离涂层的金属材料；
步骤三、对步骤二中得到的脱离涂层的金属材料进行激光重熔处理，得到激光重熔金属材料，然后将激光重熔金属材料采用同步送粉的方式进行激光熔覆，制备与步骤一中所述耐磨涂层同成分的冶金结合的新涂层，对新涂层进行机械加工，完成涂层修复；所述激光熔覆的参数满足：激光功率为10000W，正离焦为15mm，送粉率为40g/min，扫描速度为1000mm/min，搭接率85％。
经检测，本实施例中步骤三在脱离涂层的金属材料表面形成与金属材料表面呈冶金结合的新涂层，不仅可以恢复其外形尺寸，并使其使用性能达到甚至超过原涂层。
图3为本实施例中步骤三制备的新涂层的截面示意图，从图3中可以看出，新涂层的组织形态致密，与45#钢材形成良好的冶金结合，组织致密、无明显缺陷，箭头指向处为新涂层的放大图可以看出，新涂层的组织呈树枝晶和等轴晶混合态。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种在金属材料表面喷涂的耐磨涂层受损后的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对金属材料表面进行清洗及喷砂粗化处理，然后采用喷涂处理，在金属材料表面沉积形成金属基陶瓷复合耐磨涂层，得到涂层金属材料；
步骤二、将步骤一中得到涂层金属材料进行使用，得到涂层受损的金属材料，然后通过高低温循环热震处理使金属材料表面机械结合的涂层大面积彻底脱离，得到脱离涂层的金属材料；
步骤三、采用激光熔覆处理在步骤二中得到的脱离涂层的金属材料上制备与步骤一中所述耐磨涂层同成分的冶金结合的新涂层，完成涂层修复。
2.根据权利要求1所述的一种在金属材料表面喷涂的耐磨涂层受损后的修复方法，其特征在于，步骤一中所述喷涂处理采用的喷涂材料为：体积比为1：4～10的高熔点超硬陶瓷粉末与金属粉末的混合物，所述高熔点超硬陶瓷粉末为碳化钨粉末、金刚石粉末或立方氮化硼粉末，所述金属粉末为Fe、Ni或Co，所述喷涂处理为热喷涂或冷喷涂。
3.根据权利要求1所述的一种在金属材料表面喷涂的耐磨涂层受损后的修复方法，其特征在于，步骤二中所述高低温循环热震处理的过程包括以下步骤：
步骤101、将涂层受损的金属材料置放于90℃～100℃的水中，并停置30s～180s，得到高温处理材料；
步骤102、将步骤101中得到的高温处理材料立即放置到液氮中，并停置30s～180s，得到低温处理材料；
步骤103、多次重复步骤101和步骤102，直至涂层整体大面积脱落。
4.根据权利要求1所述的一种在金属材料表面喷涂的耐磨涂层受损后的修复方法，其特征在于，步骤三中所述激光熔覆处理的过程包括以下步骤：
步骤201、采用激光重熔处理对脱离涂层的金属材料表面进行处理，得到激光重熔金属材料；
步骤202、将步骤201中得到的激光重熔金属材料采用同步送粉的方式进行激光熔覆，所述激光熔覆的参数满足：激光功率为4000W～10000W，正离焦为10mm～20mm，送粉率为20g/min～40g/min，扫描速度为450mm/min～1000mm/min，搭接率不小于70％。
5.根据权利要求1所述的一种在金属材料表面喷涂的耐磨涂层受损后的修复方法，其特征在于，步骤三中在所述脱离涂层的金属材料上制备同成分的冶金结合的新涂层后，对新涂层进行机械加工。
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