CN1782127A - 真空冷喷涂工艺 - Google Patents

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Abstract

一种用于将金属材料沉积到基底上的方法包括以下步骤：即将基底安放在真空室中、将喷枪喷嘴插入真空室的孔口内以及在不熔化粉末状金属材料的情况下将粉末状金属材料沉积到基底表面上。所述沉积步骤包括将真空室内的粉末状金属材料微粒加速至一定速度，以使得撞击后微粒进行塑性变形且粘结到基底表面上。

Description

真空冷喷涂工艺
技术领域
本发明涉及一种用于将金属合金沉积到基底上的方法。
背景技术
冷气体动力喷涂或“冷喷涂”最近已被引入作为一种新型金属化喷涂技术。已被引入的冷气体喷涂工艺是一种室外工艺，所述工艺使用气体例如氦气以加速金属微粒。冷喷涂的部分优点在于，即使在室外条件下，在沉积过程中也未吸收氧气，这是因为微粒未被熔化且被包含在氦气体流内。
在多操作循环涂层中存在一些问题，即在初始和随后的操作循环之间可存在剥离区域。一些人相信，一旦初始操作循环被沉积，且喷枪离开该位置，那么沉积材料的外层发生氧化且随后的操作循环未充分喷砂或要不然除去该氧化层且因此导致产生结合较差的界面。
如果冷喷涂要与用于具有低“购买的原料重量与最终成分重量(buy-to-fly)”比的技术或附加技术例如激光工程化净成型技术的其它工艺竞争，那么需要克服剥离问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种利用冷喷涂用于在基底上形成一个或多个沉积层的方法，所述方法避免在沉积过程中最外沉积层产生氧化。
本发明的进一步目的是提供一种如上所述的方法，所述方法避免当沉积多层时产生剥离。
本发明的又一个目的是提供一种用于将金属材料沉积到基底上的改进型系统。
前述目的通过本发明的方法得以实现。
根据本发明，一种用于将金属材料沉积到基底上的方法广泛包括以下步骤：即将基底安放在真空室中、将喷枪喷嘴插入真空室的孔口内以及在不熔化粉末状金属材料的情况下将粉末状金属材料沉积到基底表面上。沉积步骤包括将真空室内的粉末状金属材料微粒加速至一定速度，以使得撞击后微粒进行塑性变形且粘结到基底表面上。
进一步根据本发明，一种用于将金属材料沉积到基底上的系统广泛包括其中放置有基底的真空室和用于在不熔化粉末状金属材料的情况下将粉末状金属材料沉积到基底表面上的装置。沉积装置包括设置在真空室孔口内的喷枪喷嘴。
在下列详细描述和附图中阐述了真空冷喷涂工艺的其它细节及其所附的其它目的和优点，在所述附图中使用相似的参考标记表示相似的元件。
附图说明
图1示出了根据本发明的用于将金属材料沉积到基底上的系统。
具体实施方式
正如上面指出地，在过去数年中，已经开发出一种公知为冷气体动力喷涂(“冷喷涂”)的技术。该技术的优点在于所述技术提供了足够大的能量以将微粒加速至足够高的速度，以使得微粒在碰撞后产生塑性变形并粘结到正进行沉积所述微粒的部件表面上，以便形成相对致密的涂层或结构沉积物。冷喷涂并没有在冶金学意义上转变微粒的固体状态。因此，冷喷涂工艺在多种有必要将金属材料沉积到基底上的工艺中有很大的实用性。
现在参见图1，图中示出了用于在基底上形成金属材料沉积物的系统。该系统包括具有收缩/扩张喷嘴20的喷枪22，修补材料通过所述收缩/扩张喷嘴被喷涂到基底10的表面24上。所述基底10可保持静止或可通过本领域已公知的任何适当装置(未示出)使所述基底10进行旋转。
喷枪喷嘴20被插入真空室52的孔口50内，基底10位于所述真空室中以便密封所述基底防止其发生潜在氧化。即使经由喷嘴20注入室52内的气体克服了初始真空压力，但如果所述气体是惰性气体例如氦气、氮气或其混合物，那么将是无关紧要的。利用本发明的系统，技术人员可在多次操作循环中将材料施加到基底10上，而在沉积操作循环之间不会发生任何氧化。本发明的系统的一个优点在于所用的气体可易于通过真空系统进行回收、压缩和再循环。这对于成本是氮气成本12倍的氦气而言特别有利。
使用真空室52的又一个优点在于微粒速度可增加超过室外系统中可获得的那些微粒速度。如果微粒速度增加，那么涂层质量由于密度和附着力得到改进而增加。
在本发明的方法中，金属原材料可以是粉末状金属材料，例如粉末金属合金。粉末状金属材料可以是与形成基底的合金相同的合金或其可以是与形成基底10的材料相容的合金材料。例如，粉末金属材料可以是粉末状镍基超合金，例如IN 718、IN 625、IN 100、WASPALOY、IN 939和GATORIZED WASPALOY，或者粉末状铜基合金例如GRCop-84。用以在基底10的表面24上形成沉积物的粉末状金属材料微粒优选具有在约5微米至50微米范围内的直径。更小的微粒尺寸，例如前面提到的那些微粒尺寸，使得能够获得更高的微粒速度。在直径小于5微米的情况下，由于表面24上的弓形激波层，使得微粒有被吹扫离开表面24的风险。这是由于质量不足以推进微粒通过弓形激波所造成的。微粒尺寸分布越窄，微粒速度就越好。这是因为如果具有大和小两种微粒(双模态)，那么小的微粒将碰撞更慢更大的微粒且有效地降低二者的速度。
可利用压缩气体，例如氮气、氮气、其它惰性气体及其混合物将要进行沉积的材料的细微粒加速至超音速。氦气由于其低分子量且因为其产生了在最高气体成本下的最高速度因此是优选的气体。
本发明的方法所采用的用于将粉末状材料转变成沉积物的粘结机制是严格的固态，这意味着微粒进行塑性变形。微粒上形成的任何氧化层发生破裂且在非常高的压力下形成新鲜金属-金属接触。
可利用本领域中已公知的任何适当装置，例如改进的热喷涂进料装置将用以形成沉积物的粉末状金属材料供给至喷枪22。可使用的一种常规设计的进料装置由俄亥俄州克利夫兰市的Powder FeedDynamics制造。该进料装置具有螺旋型进料机构。还可使用流化床进料装置和具有有角狭缝的筒形辊进料装置。
在本发明的工艺中，可利用从包括氦气、氮气、其它惰性气体及其混合物的组群中选择出来的气体对进料装置进行加压。进料装置压力通常高于主气体压力或头压(head pressure)，所述主气体压力或头压通常在250磅/平方英寸至500磅/平方英寸的范围内，这取决于粉末状材料的组成。主气体优选被加热以使得气体温度在600华氏度至1200华氏度的范围内。如果需要，主气体可被加热至高达约1250华氏度，这取决于被沉积的材料。气体可被加热以防止其一旦膨胀通过喷嘴20的喉部则产生快速冷却和冻结。净效应是被修补的部分上的表面温度在沉积过程中为约115华氏度。本领域中已公知的任何适当装置可被用以加热气体。
为了沉积金属材料，喷嘴20可不止一次地在被修补的零件10的表面24上通过。所需的通过次数是要被施加到表面24上的金属材料厚度的函数。本发明的方法能够形成具有任何所需厚度的沉积物。如果技术人员希望形成厚层，那么喷枪22可被保持静止且被用以在表面24上形成数英寸高的沉积物。当建立起金属材料的沉积层时，所希望的是限制每次操作循环的厚度，以避免残余应力的快速累积和沉积层之间所不希望的剥离。
用以将金属材料微粒沉积到表面24上的主气体可经由入口30和/或入口32以0.001标准立方英尺/分钟(SCFM)至50标准立方英尺/分钟范围内，优选在15标准立方英尺/分钟至35标准立方英尺/分钟范围内的流速通过喷嘴20。如果使用氦气作为主气体，那么前述压力是优选的。如果氮气被单独使用或与氦气组合用作主气体，那么氮气可以0.001标准立方英尺/分钟至30标准立方英尺/分钟，优选4标准立方英尺/分钟至30标准立方英尺/分钟范围内的流速下通过喷嘴20。
主气体温度可在600华氏度至1200华氏度，优选700华氏度至800华氏度，且最优选725华氏度至775华氏度的范围内。
喷枪22的压力可在200磅/平方英寸至350磅/平方英寸，优选200磅/平方英寸至250磅/平方英寸的范围内。优选通过管线34以在10克/分钟至100克/分钟，优选15克/分钟至50克/分钟范围内的速度将粉末状金属材料从料斗供应至喷枪22，所述料斗处于在200磅/平方英寸至300磅/平方英寸，优选225磅/平方英寸至275磅/平方英寸范围内的压力下。
优选使用载气将粉末状金属材料供给至喷枪22。可经由入口30和/或入口32以在0.001标准立方英尺/分钟至50标准立方英尺/分钟，优选8标准立方英尺/分钟至15标准立方英尺/分钟范围内的流速下引入载气。如果氦气被用作载气，那么前述流速是有用的。如果氮气单独或与氦气混合被用作载气，那么可使用在0.001标准立方英尺/分钟至30标准立方英尺/分钟，优选4标准立方英尺/分钟至10标准立方英尺/分钟范围内的流速。
喷涂喷嘴20优选与表面24保持一定距离。该距离已公知为喷涂距离。喷涂距离优选在10毫米至50毫米的范围内。
离开喷涂喷嘴20的粉末状金属材料微粒的速度可在825米/秒至1400米/秒，优选850米/秒至1200米/秒的范围内。
每个操作循环的沉积厚度可在0.001英寸至0.030英寸的范围内。
冷喷涂提供了超过其它金属化工艺的许多优点。由于用于金属材料的金属粉末未被加热至高温，因此原材料没有发生氧化、分解或其它降解。在沉积过程中的粉末氧化还受到控制，这是因为微粒被包含在加速气体流内。冷喷涂还保持住原料的微观结构。进一步地，因为原料没有发生熔化，因此对于由于在冷却后或在随后的热处理过程中脆性金属间化合物的形成或开裂倾向而因此不能进行常规喷涂的材料来说，冷喷涂提供了沉积所述材料的能力。
由于冷喷涂是一种固态工艺，因此冷喷涂不会使基底显著变热。结果是，任何所致扭曲变形被最小化。由于冷喷涂引起压缩表面残余应力，因此消除了应变时效开裂的驱动力。

Claims (19)

1、一种用于将金属材料沉积到基底上的方法，包括以下步骤：
将所述基底安放在真空室中；
将喷枪喷嘴插入所述真空室的孔口内；以及
在不熔化所述粉末状金属材料的情况下将粉末状金属材料沉积到所述基底表面上。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述沉积步骤包括将所述真空室内的所述粉末状金属材料微粒加速至一定速度，以使得撞击后微粒进行塑性变形且粘结到所述基底表面上。
3、根据权利要求1所述的方法，其中所述沉积步骤包括以微粒形式提供所述粉末状金属材料，所述微粒具有在5微米至50微米范围内的微粒大小，且进一步包括利用从包括氦气、氮气及其混合物的组群中选择出来的载气，在200磅/平方英寸至300磅/平方英寸范围内的压力下，以10克/分钟至100克/分钟范围内的进料速度将所述金属材料粉末供应至所述喷枪喷嘴。
4、根据权利要求3所述的方法，其中所述进料步骤包括以15克/分钟至50克/分钟范围内的进料速度将所述金属粉末供给至所述喷枪喷嘴。
5、根据权利要求3所述的方法，其中所述载气包括氦气且所述进料步骤包括以0.001标准立方英尺/分钟至50标准立方英尺/分钟范围内的流速将所述氦气供给至所述喷枪喷嘴。
6、根据权利要求5所述的方法，其中所述进料步骤包括以8至15标准立方英尺/分钟范围内的流速将所述氦气供给至所述喷枪喷嘴。
7、根据权利要求3所述的方法，其中所述载气包括氮气且所述进料步骤包括以0.001标准立方英尺/分钟至30标准立方英尺/分钟范围内的流速将所述氮气供给至所述喷枪喷嘴。
8、根据权利要求7所述的方法，其中所述进料步骤包括以4至10标准立方英尺/分钟范围内的流速将所述氮气供给至所述喷枪喷嘴。
9、根据权利要求3所述的方法，其中所述沉积步骤进一步包括利用从包括氦气、氮气及其混合物的组群中选择出来的主气体使所述金属材料粉末微粒通过所述喷枪喷嘴，所述主气体处于600华氏度至1200华氏度范围内的主气体温度下且处于从200磅/平方英寸至350磅/平方英寸范围内的喷涂压力下。
10、根据权利要求9所述的方法，其中所述通过步骤包括在700华氏度至800华氏度范围内的主气体温度下且在250磅/平方英寸至350磅/平方英寸范围内的喷涂压力下使所述金属粉末微粒通过所述喷枪喷嘴。
11、根据权利要求9所述的方法，其中所述主气体温度在725华氏度至775华氏度的范围内。
12、根据权利要求9所述的方法，其中所述主气体包括氦气且所述通过步骤包括以0.001标准立方英尺/分钟至50标准立方英尺/分钟范围内的速度将所述氦气供给至所述喷枪喷嘴。
13、根据权利要求12所述的方法，其中所述氦气供给步骤包括以从15至35标准立方英尺/分钟范围内的速度供给所述氦气。
14、根据权利要求9所述的方法，其中所述主气体包括氮气且所述通过步骤包括以0.001标准立方英尺/分钟至30标准立方英尺/分钟范围内的速度将所述氮气供给至所述喷枪喷嘴。
15、根据权利要求14所述的方法，其中所述氮气供给步骤包括以4至8标准立方英尺/分钟范围内的速度将所述氮气供给至所述喷枪喷嘴。
16、根据权利要求3所述的方法，进一步包括使所述喷枪喷嘴与所述基底保持10毫米至50毫米的距离。
17、一种用于将金属材料沉积到基底上的系统，包括：
真空室，其中放置有所述基底；
用于在不熔化粉末状金属材料的情况下将所述粉末状金属材料沉积到所述基底的表面上的装置；和
包括设置在所述真空室的孔口内的喷枪喷嘴的所述沉积装置。
18、根据权利要求17所述的系统，其中所述沉积装置进一步包括将所述粉末状金属材料微粒加速至一定速度，以使得撞击后微粒进行塑性变形且粘结到所述基底的所述表面上的装置。
19、根据权利要求18所述的系统，进一步包括用于将从包括氮气、氦气及其混合物的组群中选择出来的气体供应至所述喷枪喷嘴以对所述金属材料的微粒进行加速的装置。
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