CN1256175A - 聚合材料的热喷涂 - Google Patents

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Abstract

可以通过HVOF法将PEEK复合物施加到金属基底(32)上。该金属基底(32)是用金属粘合层(34)被电弧喷射到其表面上而制备的。然后将粉碎的PEEK复合料(36)加热并通过高速氧化燃料技术将其喷射到基底(32)和粘合层(34)上,从而均匀地涂覆基底(32)。接下来的HVOF加工,PEEK涂层被热处理而生产出牢固的PEEK涂覆的基底。

Description

聚合材料的热喷涂
本发明涉及用于聚合材料的一般热喷射涂敷技术的应用，具体地涉及利于聚醚醚酮(PEEK)复合材料施加到基底上的方法。
用所需材料或材料组合物涂覆目标材料或基底的热喷涂技术已经得到使用。通常，热喷涂技术指的是基于使用高温热源来熔化材料并使其附着在基底上的一类涂覆技术，因此在基底上形成涂层。粉末、棒材或线材可用作被例如电弧、燃气或二者的组合来熔化的原料。热量熔化了涂层材料，然后通过压缩空气促使其加速附着在将被涂覆的基底上。当涂层材料熔化时，形成附着在基底上的薄层，在那里它们粘附在基底上并且彼此之间粘附。薄层堆积并冷却成形成涂层的层状结构。
这种热喷涂技术叫做高速氧化燃料(HVOF)法。该方法利用氧气和燃料的连续的、持续的内部燃烧而在燃料室中产生高压。所需涂层材料的粉末颗粒暴露于产生的热量中，然后被加速到超音速以便积附在所需的基底上。通常可在市场上买到多种HVOF系统。
该HVOF法和其它的热喷技术也适于聚合材料粉的应用。然而，已经证明在热喷涂技术中，例如HVOF，它使用相当高的热量，使用某种聚合材料是困难的。这对于某种聚合物，例如PEEK尤其是如此，。
例如PEEK，作为涂层材料有许多用途，但使用HVOF法将PEEK材料涂层施加到基底上已被证明是困难的。PEEK在过热或高温火焰中会降解。而如果PEEK粉末没有被充分加热的话，未熔化的颗粒附着在所需的基底上导致粘合力差和出现不期望的高孔隙度。
使用在高温下具有良好热稳定性的聚合材料，例如PEEK，可以通过在所需基底上使PEEK材料成型而实现。而使用通过成型的PEEK涂层，将会受到被涂覆的元件的类型的限制。而且，成型技术将会更昂贵，尤其在使用该元件前，当成型的涂层和/或被涂覆的元件需要额外的加工时。使用例如PEEK材料通过HVOF法将会解决这些问题。
本发明涉及一种将PEEK复合料施加到金属基底上的方法。该方法包括将金属粘合层施加到金属基底上的步骤。该方法还包括通过HVOF法将PEEK复合物材料层附着在金属粘合层上。
根据本发明的另一方面，还提供一种将聚合材料施加到基底上产生高负荷碰撞力支承表面的方法。该方法包括制备一种金属基底，并在金属基底上施加金属粘合层。而且，通过向金属基底喷涂聚合材料的热颗粒而将熔点高于300℃的聚合材料积附在金属粘合层上。
根据本发明的又一方面，还提供一种将PEEK复合材料施加到元件表面的方法。该方法包括制备一个接受PEEK混合物的元件表面。该PEEK复合物混合物通过HVOF法喷涂到该表面上以形成PEEK复合层。然后将该PEEK复合物层进行热处理而形成牢固的涂层。
下面将通过例子、参考附图说明本发明，其中相同的参考号码代表相同的元件，其中：
图1是根据现有技术的已接受成型的PEEK涂层的基底透视图；
图2是沿着图1的2-2处的截面图；
图3是根据本发明的优选实施例，表示通过HVOF施加PEEK的方法的一般步骤的流程图；
图4是根据本发明的优选实施例，具有通过HVOF法施加的PEEK涂层的基底的透视图；和
图5是沿着图4的5-5处的截面图。
本发明涉及将在高温下具有良好热稳定性的聚合物材料施加到基底上的热喷涂技术的应用。特别是，根据本发明的优选实施例公开了的方法在将聚醚醚酮(PEEK)通过高速氧化燃料(HVOF)法施加到金属基底上的应用中是特别有用的。该方法还提供一种具有低孔隙度，通常小于1％孔隙度的牢固的PEEK复合涂层。这种类型的涂层适用作轴承元件的元件上。
例如，如下将描述该方法在通过施加PEEK复合物涂层到在碰撞力支承中应用的垫上形成支承表面的典型用途。这种碰撞力支承用于各种用途中，包括应用于潜没泵送系统统中的各种潜没元件铸造。潜水泵送系统元件在巨大载荷下相对恶劣的钻井环境中，将产品流体泵送到地表。然而，该发明的方法不局限于这种特别适合的用途。
使用HVOF方法将PEEK复合物施加到所需基底中能够在涂覆不同元件中产生极大的适应性、效能和节约成本的能力。传统的，高负荷碰撞力支承垫是通过已知的成型方法用PEEK复合物涂覆。在典型的现有技术中的涂覆有成型的PEEK复合物层的碰撞力支承垫如图1和2所示。常规的成型方法是比该施用PEEK复合物到基底上的HVOF法效率低下而且昂贵的多步方法。
在现有技术中，涂覆的碰撞力支承垫10包括金属基底12。金属基底12一般由钢板制造。例如含有铜的第一粘合层14被电镀到金属基底12上。例如含有青铜的第二粘合层16通过烧结被施加到第一粘合层14和金属基底12上。该方法产生了相对疏松的具有熔化的PEEK材料可以流入的孔隙的青铜层。因此，在使用第一粘合层14和第二粘合层16之后，PEEK复合材料层18可以通过熔化和压制PEEK复合材料而积附在青铜第二粘合层16上。接下来施加PEEK复合物涂层18，涂覆的钢板被加工成涂覆的碰撞力支承垫10。
本发明提供一种更高效率的、低成本的用耐久的聚合物材料例如PEEK复合料涂覆基底的好方法。参考图3的方框图，可以很容易地理解本方法。
如图所示，必须制备用于通过热喷涂法来接受聚合物层的起始基底层。在优选实施例中，该基底是金属材料，优选不锈钢，但可以根据专门用途来选择其它的相适应的金属材料。在该方法中的第一步是制备如图3的方框20所示的基底材料。在该步中，最好是通过除掉将被涂覆的表面上的脏物、水分、油和其它杂质而来清洁该基底。为了增强其附着力，最好是使被涂覆的表面变相糙。如果基底是不锈钢的话，优选表面被具有砂粒筛目尺寸28的氧化铝进行喷砂处理基底而使表面变粗糙。
在本发明方法的另一步骤中，制备用于涂覆基底的聚合材料，如图3的方框22所示。为了实施本方法，优选聚合材料具有高熔点，即高于300℃。在最优选的实施例中，PEEK材料被用于制备粉末形式的复合料。虽然多种材料可以与PEEK材料混合，但已经确定，优选的复合物包括PEEK与聚四氟乙烯(FTFE)和碳的混合物。这些材料增强了PEEK的低摩擦系数和突出的耐用性。
材料的典型比例是大约70％的PEEK与大约20％PTFE和大约10％的碳混合。而且，适当的颗粒尺寸的选择可以是HVOF方法的临界。已经确定，PEEK复合物中各种组分的最佳颗粒尺寸为PEEK大约70微米；PTFE大约53微米；碳颗粒6微米。既然已经有了特殊混合物的百分比和颗粒尺寸，那么本发明方法的其它混合物比例、颗粒尺寸和混合物成分可以控制了。
在将基底材料清洁和喷砂处理之后，可以将粘合层施加到基底上，如图3的方框24所示。该粘合层优选是具有足够的表面粗糙度以利于机械粘合PEEK复合物层到基底上的金属材料。优选施加金属材料例如镍铝合金的单层。这种材料在高温下具有所需的特性并对不锈钢基底具有优异的粘合性。其它的粘合层材料可以与除不锈钢之外的材料形成的基底粘合得更好。
在优选实施例中，镍铝合金被电弧喷射到基底上。本领域普通技术人员已知的电弧喷射是使用将两个电子励磁线彼此接触而产生的高能量电弧。该电弧能量将金属丝熔化，压缩空气使熔化的材料雾化并将其推至基底上，而形成粘合层。优选，该粘合层具有良好的导热性而帮助从PEEK层散发热量，特别是当PEEK材料被用作支承表面时。已经确定，粘合涂层的最佳厚度在大约0.014-0.018英寸的范围内。
接下来制备基底、施加粘合层以及制备PEEK复合物料，如图3的方框26所示，通过热喷涂将PEEK复合料施加到基底的粘合层上。在优选实施例中，使用HVOF法将PEEK混合物施加到基底和粘合层上。喷射参数的最佳时机已经确立，从而确保低孔隙度和高粘合强度能够允许PEEK复合物层用于负载的支承环境中。
优选地，HVOF法在热喷枪的帮助下完成，例如米勒(Miller)热喷枪，HV200型，可从Miller Thermal，inc.买到。该米勒热喷枪配备有轴向粉末喂料结构，并由Miller Thermal Computerized Console，4600型控制。该米勒热喷枪配备有12mm的燃料室，并且燃气优选氢气与氧气的比例是3.33。而且，载体气体，优选氮气，以30scfh的流动速率流经热喷枪而将粉末喂入燃料室中。
粉碎的PEEK复合混合物被喂入热喷枪中，经过如本领域普通技术人员所熟知的电子控制的增压料斗单元，。然后该PEEK复合材料经过HVOF热喷枪的火焰被注入并被加热到至少PEEK复合材料的熔点，即大约340度。该PEEK复合物的粉末颗粒部分或全部地熔化并对着基底和粘合层被推进。这产生了半熔化或熔化的颗粒料流或击中基底而形成一般具有层状结构的连续涂层的薄板。机械的联锁加工在颗粒和粗糙的基底/粘合层之间进行，从而牢固地将连续的涂层粘合到基底上。
在优选实施例中，PEEK复合物粉末以11克每分钟的速度被喂料，并且热喷枪在距离7英寸处以754毫米每秒的速度横向移动。(距离指的是基底和热喷枪出口喷嘴之间的距离)。PEEK复合物涂层由多道次组合而成，其厚度在大约0.019英寸和0.021英寸之间。通常，有一个预热周期30道次，其后，通过自然的慢冷却来冷却涂层。
在将PEEK复合混合物形成PEEK复合物层之后，采取如图3的方框28所示的积附后的热处理方法可能是有利的。积附后的热处理法产生了更加牢固的涂层。它利于除去热历史和残余应力。它还提高了PEEK复合物涂层的结晶度。
优选的积附后热处理方法包括将PEEK复合物层加热到接近400℃并使其在该温度下停留大约30分钟。然后PEEK复合物层与基底和粘合层一起，进行控制冷却到大约270℃，在该温度下放置大约10分钟。然后，PEEK复合物层、基底和粘合层经受控制冷却到低于60℃的温度。
上述的方法提供了一种容易使用的并具有低孔隙度的PEEK复合物涂层，一般为约小于1％的孔隙度。PEEK复合物层特别适于用作支承面，因为应用该方法可达到低摩擦系数、良好的耐用性和低孔隙度。
结果，该发明方法容易实施的典型产品包括用作推力轴承的推力垫，如根据图1和2上述的那些。根据本发明的方法生产的推力垫30如图4和5所示。在本发明方法的特殊应用中，推力垫30包括由PH17-4不锈钢的熔模铸造法形成的基底32。开始时基底32是根据图3的方框20用上述方法制备的。
包括镍铝合金的单粘合层34，通过电弧喷射被施加到基底32上，根据图3的方框24如上述。如图3的方框22和26所述，制备PEEK复合物材料并对着基底32和粘合层34喷射。最终，多层熔化或部分熔化的薄层36粘合到基底32、粘合层34上和彼此之间而形成PEEK复合物层38。
在形成PEEK复合层38之后，包括PEEK复合物层38的推力垫30优选根据图3的方框28进行上述的积附后热处理。推力垫30的成型相对于现有技术的成型方法是有效和廉价的。它还提供一种牢固的易用于例如处于井下或钻井环境中的那些恶劣环境中的PEEK复合支承面。
可以理解，上述是本发明的优选实施例，但本发明不局限于所示的特殊形式。例如，该方法可以应用于多种元件；为了所需的用途或效果可以调整在PEEK复合物料中组分的精确混合；HVOF参数可以根据PEEK复合物混合物、特殊尺寸、使用的HVOF热喷枪的型号和方法的实施环境而进行调整；及可以根据多种其它的参数来调整粘合层材料，包括用于形成基底的材料。在不脱离所附权利要求所述的本发明的范围的情况下，可以进行这些及其它变型元件的设计和配置。

Claims (20)

1.一种将聚醚醚酮(PEEK)复合物材料施加到金属基底(32)上的方法，该方法包括：
将金属粘合层(34)施加到金属基底(32)上；和
通过高速氧化燃料法(HVOF法)将PEEK复合物材料层(38)积附在金属粘合层(34)上。
2.一种如权利要求1所述的方法，其中施加步骤包括将金属材料电弧喷射到金属基底(32)上。
3.一种如权利要求2所述的方法，其中电弧喷射步骤包括将镍铝合金电弧喷射到金属基底(32)上。
4.一种如权利要求1-3中任一项权利要求所述的方法，其中积附步骤包括施加含有PEEK、聚四氟乙烯(PTFE)和碳混合物的PEEK复合物材料。
5.一种如权利要求1-4中任一项权利要求所述的方法，该方法还包括在施加金属粘合层(34)之前，在金属基底(32)上制备粗糙的表面。
6.一种如权利要求1-5中任一项权利要求所述的方法，该方法还包括在金属粘合层(34)上积附之后，将PEEK复合物材料层(38)进行热处理。
7.一种如权利要求6所述的方法，其中热处理步骤包括将PEEK复合物材料层(38)加热到大约400℃，持续30分钟，再将层(38)冷却到大约270℃，持续10分钟，然后将层(38)冷却到低于60℃。
8.一种将聚合材料施加到基底上形成支承面的方法，该方法包括：
制备金属基底(32)；
将金属粘合层(34)施加到金属基底(32)上；和
通过向金属粘合层(34)上喷射熔点高于300℃的聚合材料(36)的热颗粒，而将聚合材料(36)积附在金属粘合层(34)上。
9.一种如权利要求8所述的方法，其中的积附步骤是通过HVOF方法来完成的。
10.一种如权利要求8或9所述的方法，其中的施加步骤包括将金属粘合层(34)电弧喷射到金属基底(32)上。
11.一种如权利要求10所述的方法，其中的电弧喷射步骤包括在金属基底(32)上电弧喷射镍铝合金材料。
12.一种如权利要求8-11任一项权利要求所述的方法，其中的积附步骤包括积附PEEK复合物材料(36)。
13.一种如权利要求12所述的方法，其中的积附PEEK复合物材料(36)的步骤包括积附PEEK、PTFE和碳的混合物。
14.一种如权利要求8-13任一项权利要求所述的方法，该方法还包括：在金属粘合层(34)上积附之后，将聚合材料热处理。
15.一种如权利要求8-14任一项权利要求所述的方法，该方法还包括：在施加金属粘合层(34)之前，在金属基底(32)上制备粗糙表面。
16.一种将PEEK复合材料(36)施加到元件表面的方法，该方法包括：
制备元件的表面来接受PEEK复合物混合物(36)；
通过HVOF法将PEEK复合物混合物(36)喷射到表面上形成PEEK复合物层(38)；和
将PEEK复合物层(38)热处理而产生牢固的PEEK复合物涂层。
17.一种如权利要求16所述的方法，其中制备步骤包括制备不锈钢元件(32)的表面。
18.一种如权利要求16或17所述的方法，其中喷射步骤包括喷射其平均PEEK颗粒尺寸约为70微米的PEEK复合物粉末(36)。
19.一种如权利要求16-18权利要求任一项权利要求所述的方法，其中喷射步骤包括获得其孔隙度小于1％的PEEK复合物层(38)。
20.一种如权利要求16-19权利要求任一项权利要求所述的方法，其中喷射步骤包括喷射含有约70％PEEK、约20％PTFE和约10％碳的PEEK复合物粉末。
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