CN1608145A - 施涂涂层的方法 - Google Patents

Abstract

一种在制品表面施涂金属涂层的方法，特别是在复原金属部件的形状和尺寸的过程中，以及在制品的制备和修理过程中，这要求所述制品不可渗透、增加的耐蚀性、耐热性和其它性质。所述方法包括：预先加热压缩空气，将其供入到超音速喷嘴中，在所述喷嘴中形成超音速空气流，将粉末材料供入到所述气流中，以及将所述粉末材料引向被处理制品的表面；首先将粒度为30－300μm的磨蚀粉末材料供入到所述超音速空气流中，然后将粉末材料用于形成涂层。以下事实证实已经获得有益效果：表面准备阶段和适当涂层施涂阶段实际上并不分开进行，从而确保待涂覆表面的高的活化程度和清洁。一个重要的事实是：被处理的制品不会暴露于实质性整体加热过程，而是制品表面的加热主要在必需施涂涂层的区域进行。而且，应用同一个设备导致成本显著降低并在总体上加速所述过程。

Description

施涂涂层的方法

本发明涉及对制品表面施涂涂层的技术，特别是使用无机粉末施涂涂层的气体动力学方法，该方法可在机械工程的不同分支中应用，特别是在复原金属部件的形状和尺寸的过程中，以及在制品的制备和修理过程中，其中所述制品要求不可渗透、增加的耐蚀性、耐热性和其它性质。

施涂金属和金属-陶瓷涂层是赋予部件和制品表面特定性能如耐蚀性、耐热性和其它特性的公知的方法。此外，当对部件的磨损和破坏部位施涂涂层时，可成功复原在操作中损失的制品表面形状或者部件和制品的关键尺寸。通过该方法，也能消除由于制造阶段出现在部件表面的缺陷例如铸造缺陷。

施涂金属和金属-陶瓷涂层的有效方法包括气体动力学方法。在这些方法中，将小颗粒的高速流引向被处理制品的表面，从而形成连续涂层。在这种情况下，为了提高颗粒速度，使用压缩气体，主要为空气，而不使用任何可燃性气体。因此，与气体火焰法相比，气体动力学方法在操作上污染更少并且更安全。

待施涂的涂层质量的最主要特征是它们对基材的粘结性及粉末材料的利用率(包括在涂层中的材料与所使用的材料总量的比)。

为提高涂层对基材的粘结性，通常将施涂涂层的整个工艺分为两个独立的技术过程，即准备制品表面和适当施涂涂层。

对于表面准备，通常应用对基材表面喷砂(A.Khasui TekhnikaNapylenia/喷涂技术(Spraying Technique)/.MashinostroeniePublishing House，Moscow，1975，p.39；RU 2024648；DE 4021467)。在此情况下，通过压缩空气加速磨蚀材料，并将磨蚀材料引向被处理制品的表面。结果，使基材表面清除污染物和氧化物，同时对基材表面赋予一定的粗糙度，并且使基材表面层活化。最终结果取决于所使用的磨蚀材料颗粒的粒度、它们通过压缩空气被加速的速度、颗粒流密度以及处理的时间。该方法的缺点在于以下事实：除了用于喷涂的设备外，这种表面处理还需要使用特殊设备。这使得施涂涂层的整个工艺的成本更复杂和更昂贵。此外，从喷砂以准备表面的时刻到适当施涂涂层的时刻要经过一段时间，这使得在处理表面上形成氧化物、吸收污染物并且同时表面活化会损失。这导致不能充分提高涂层对基材的粘结性。

施涂涂层的另一种现有技术方法包括预先加热制品来准备制品表面而随后施涂涂层(A.Khasui Tekhnika Napylenia/喷涂技术(Spraying Technique)/.Mashinostroenie Publishing House，Moscow.1975，p53；EP 339153)。在此情况下，由于降低了被施涂涂层中的热应力，提高了它对于基材的粘结性。而且，在气体动力学方法的情况下，粉末材料利用率得到提高(A.P.Alkhimov，S.V.Klinkov，V.F.Kosarev.两相流体和加热表面间相互作用的研究(Inyestigationof Interaction Between Two-Phase Flow and Heated Surface)，热物理学和空气动力学(Thermal Physics and Aerodynamics)，1998，No.1，pp.67-73)。实际上，该方法必需增加时间和能量消耗从而加热整个制品。此外，需要特殊设备实现加热。这使得施涂涂层的方法更复杂和更昂贵。此外，在延长的加热制品过程中，其表面又被氧化，导致涂层对于表面的粘结性降低。

在所属领域中已知的方法是：为了提高涂层对基材的粘结性，将金属和陶瓷颗粒流同时引向制品表面。例如，一种制备涂层的方法包括利用预热空气流在超音速喷嘴中加速粉末材料，并且将其施涂在制品表面，所述粉末材料包括陶瓷和金属粉末的机械混合物(RU 2038411)。

与所要保护的解决方案最相似的是下述方法：加热压缩空气，将其供入到超音速喷嘴中，在所述喷嘴中形成超音速空气流，将粉末材料供入到所述气流中，在所述喷嘴中利用所述超音速流加速粉末材料，并将粉末材料引向被处理制品的表面(RU 2100474)。在此方法中，由于部分表面被粘附在其上的金属颗粒屏蔽，即使使用金属和陶瓷颗粒的机械混合物作为所述粉末材料，这些陶瓷(磨蚀材料)颗粒也不会与整个基材表面相互作用。而且，对形成所述涂层厚度来说最佳的陶瓷(磨蚀材料)颗粒的粒度对于准备基材表面来说并非最佳的粒度。出于这些原因，就不可能提供涂层与基材的最大粘结性。为了提高粘结性，需要另外的设备进行附加的表面预喷砂。这就引起施涂涂层的总成本增加。

本发明的目的是提高通过气体动力学方法产生的涂层的粘结性，同时提高粉末材料的利用率以及提高整个过程的效率。

这一给定目的通过以下事实来实现：在现有技术的施涂涂层方法中，包括加热压缩空气，将其供入到超音速喷嘴中并在所述喷嘴中形成超音速空气流，将粉末材料供入到所述气流中，在所述喷嘴中利用所述超音速流加速所述粉末材料，并将所述粉末材料引向被处理制品的表面；首先将磨蚀粉末材料供入到喷嘴中的述超音速气流中，接着利用所述粉末材料形成涂层，所述磨蚀粉末材料的粒度为30-300μm。

氧化铝、氧化硅或碳化硅均可用作磨蚀材料。

根据被处理部件的尺寸和材料及涂层的目的，最好将压缩空气加热至200-800℃。

为了提供适合环境的方法，最好利用电热器进行加热。

根据所要求的待施涂涂层的性质，最好利用陶瓷和金属粉末的机械混合物作为形成涂层的粉末。

最好利用粒度为1-100μm的粉末作为金属粉末。

最好利用粒度为1-100μm的粉末作为陶瓷粉末。

为了简化设备，最好在喷嘴中形成超音速流，从而使得喷嘴中的静压低于大气压。

本发明的方法与现有技术方法的区别在于：首先，将粒度为30-300μm的磨蚀粉末材料供入到所述超音速空气流中，接着将粉末材料用于形成涂层。

本发明方法的要点在于下文所述。

已知喷砂和加热基材表面能提高施涂涂层的气体流动力学方法中的粘结性和粉末材料的利用率。

在磨蚀粉末材料的供应过程中，当与被处理的基材表面相互作用时，所述材料颗粒清除了表面的氧化物和其它污染物，活化基材表面，并形成表面上的展开的微小起伏。同时，利用来自喷嘴的加热气流直接在喷涂涂层的区域对被处理制品的表面同时加热。此后，将用于形成涂层的粉末材料供入到喷嘴中的超音速空气流中。粉末材料的高速颗粒撞击基材，它们部分变形并粘结在基材表面。同时这些颗粒与粗糙的、展开的、活化的并加热的表面相互作用，导致涂层对基材的粘结性显著提高，并提高粉末材料的利用率。由于表面准备阶段和适当施涂涂层实际上并不分开进行，因此可获得有益效果。这确保了待涂覆表面的高活化程度和清洁以及最佳的表面粗糙度。此外，一个重要事实是待处理的制品不会经受明显的整体加热。在此情况下，制品表面的加热主要在必需施涂涂层的区域进行。而且，对于施涂涂层的两个步骤即表面准备和适当施涂涂层而言，应用了同一设备。这就显著降低设备成本，并加快整个过程的速度。

对施涂涂层的现有气体动力学方法的分析表明并没有现有技术方法包括使用同一技术工艺和同一设备来实现最佳表面准备和适当施涂涂层的步骤。

对于整个工艺来说，应用特定粒度的磨蚀粉末材料很重要。粒度在300μm以上，颗粒就不能被超音速空气流充分加速。此外，它们撞击喷嘴壁的几率增加，导致颗粒减速和严重的喷嘴磨损。这导致了基材表面处理效率降低，并且增加用于处理的时间和粉末材料的用量。在粉末材料粒度低于30μm的情况下，由于它们的质量低，使从基材表面清除致密氧化物和污染物受阻。而且，所得到的较低的基材表面粗糙度不能确保最大程度地提高涂层对基材的粘结性。

使用例如由Obninsk粉末喷涂中心开发和制造的DYMET-型设备可以实施这一方法。在下面的图中将示意性说明所述设备。所述设备包括压缩空气加热器1，所述加热器具有连接到超音速喷嘴2的出口，两个粉末进料器3和4，以及转换元件5，所述转换元件提供粉末进料器出口到喉管下游喷嘴部分6的交替连接。该设备用于所述方法的具体应用的所有实施例中。在所述方法中，在粉末进料点处在喷嘴中所述超音速空气流中维持0.8-0.9巴的静压。

通过下面的具体实施例描述本发明的方法。

实施例1

将厚度为200-400μm的铝-锌施涂涂层在铸铁基材上。在准备表面的步骤中，应用了粒度为150-200μm的氧化铝(刚玉)磨蚀粉末材料。将其供应到喷嘴之后，观察到清除了表面氧化物薄膜并出现表面粗糙度。

用于形成涂层的粉末材料包括粒度为1-50μm的铝粉末、粒度为1-100μm的锌粉末和粒度为1-63μm的碳化硅粉末。在供入到超音速喷嘴之前将压缩空气加热到高达300℃的温度。涂层与基材的粘结性等于4.5MPa，而为了对比目的，在针对表面进行的预先标准喷砂处理的粘结性等于3.5MPa。

实施例2

将厚度为50-100μm的铝施涂涂层在不锈钢基材上。为了准备表面，应用粒度为150-200μm的碳化硅磨蚀粉末材料。为了施涂涂层，应用粒度为1-20μm的铝粉末和粒度为1-40μm的碳化硅粉末的混合物。在供入到超音速喷嘴之前将压缩空气加热到高达500℃的温度。粉末材料利用率达到25％，而在没有表面准备步骤即没有预先加热所述基材的施涂涂层的过程中，粉末材料利用率达18％。

实施例3

使用本发明的方法，将厚度为100-200μm的铝-锌施涂涂层到不锈钢基材上。在供入到所述超音速喷嘴之前将压缩空气加热到高达400℃的温度。为了施涂涂层，使用具有如下粒度的粉末的机械混合物：1-50μm的铝、1-45μm的锌和1-40μm的刚玉。为了表面准备，应用氧化铝磨蚀粉末材料。对基材的粘结性结果如下：利用粒度为30-63μm的粉末材料的粘结性达到4MPa，利用粒度为150-200μm的粉末材料的粘结性达到5MPa，利用粒度为200-300μm的粉末材料的粘结性达到4.5MPa。可见粒度为30-300μm的磨蚀粉末材料可得到最好的结果。

上述具体实施例已表明本发明的方法能制备具有提高的基材粘结性和粉末材料利用率的涂层。

最好将硬的氧化物或碳化物例如氧化铝、氧化硅或碳化硅用作磨蚀粉末材料。

根据被处理部件的尺寸和材料以及涂层的组成和用途，最好将压缩空气加热到200-800℃。在低于200℃的温度下，用于形成涂层的粉末材料的利用率大大降低，同时整个过程的效率也降低。在高于200℃的温度下，粉末材料撞击喷嘴内壁的几率显著增加。对于基材的热作用也明显增加。此外，将压缩气流电加热到更高的温度在技术上是复杂的。

为确保所述涂层工艺的生态纯度，最好利用电热器对压缩空气进行加热。

根据待施涂涂层的所需特征，最好将陶瓷和金属粉末的机械混合物用作形成涂层的粉末材料。具体地，在粉末材料中与金属颗粒一起存在陶瓷颗粒减小了涂层的孔隙率，并提高了涂层的断裂强度。

在用于形成涂层的粉末材料组合物中，最好将粒度为1-100μm的粉末用作陶瓷颗粒。粒度在100μm以上的颗粒提供了明显的磨蚀效果并减小了粉末材料的利用率，同时剥离了一些粘结的金属颗粒。在基材前面的减速空气层中粒度小于1μm的颗粒容易减速，且它们不与基材或涂层相互作用。

在用于形成涂层的粉末材料组合物中，最好将粒度为1-100μm的粉末用作金属颗粒。粒度在100μm以上的颗粒在喷嘴中不会加速至高速，而在基材前面的减速空气层中粒度小于1μm的颗粒容易减速。在这两种情况下，粉末利用率均明显降低。

为简化设备以及使用于将粉末材料供入到喷嘴中的超音速流中的设备是可透过的，最好在喷嘴中形成超音速流从而使供应粉末材料区域的静压低于大气压。

Claims (8)

1.一种施涂涂层的方法，该方法包括：

加热压缩空气，将其供入到超音速喷嘴中，在所述喷嘴中形成超音速空气流，将磨蚀粉末材料供入到所述气流中，在所述喷嘴中利用所述超音速流加速所述粉末材料，以及将所述粉末材料引向被处理制品的表面，接着将用于形成涂层的粉末材料供入到喷嘴中的超音速空气流中，在喷嘴中利用所述超音速流加速该粉末材料，并将所述粉末材料引向被处理制品的表面；所述磨蚀粉末材料的粒度为30-300μm。

2.权利要求1的方法，其中所述磨蚀粉末材料是氧化铝和/或氧化硅和/或碳化硅。

3.权利要求1的方法，其中将所述压缩空气加热至200-800℃。

4.权利要求1的方法，其中利用电热器加热所述压缩空气。

5.权利要求1的方法，其中用于形成涂层的粉末是陶瓷和金属粉末的机械混合物。

6.权利要求5的方法，其中所述金属粉末是粒度为1-100μm的粉末。

7.权利要求5的方法，其中所述陶瓷粉末是粒度为1-100μm的粉末。

8.权利要求1的方法，其中在所述喷嘴中形成静压低于大气压的超音速空气流。