CN1844442A - 铝合金基体表面用等离子喷涂耐磨涂层的方法 - Google Patents

铝合金基体表面用等离子喷涂耐磨涂层的方法 Download PDF

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一种铝合金基体表面用等离子喷涂耐磨涂层的方法，它是：将喷涂工件(1)进行表面预处理，把工件(1)装夹在可运动的工作台(2)上，用半封闭罩(3)将工件(1)罩住；将待喷粉末烘干，装入送粉器(10)；设定等离子喷涂工艺参数，打开惰性气体阀门(7)，向半封闭罩(3)充入惰性气体，将喷枪(8)点火工作，喷涂粘结底层达到规定厚度后，关闭通入惰性气体，关闭喷枪；更换粉末或切换送粉器(10)，将喷枪(8)点火工作，喷涂工作层，喷涂过程中可用压缩空气冷却喷涂工件(1)。本发明采用惰性气体保护后，使涂层与基体的结合强度提高很多，其结合强度≥30MPa，达到了钢铁表面等离子喷涂层与基体的结合强度的水平。

Description

铝合金基体表面用等离子喷涂耐磨涂层的方法
一、技术领域
本发明主要涉及轻合金材料表面涂层领域，具体说是涉及到铝合金表面等离子喷涂耐磨涂层的方法。
二、背景技术
车辆和船舶的能源消耗巨大，同时排出的废气(主要是有毒的氮化物和碳化物)，对人类生存和环境破坏十分严重。高速、节能、安全、舒适、环保是交通运输业的主题，而轻量化是实现这些目标最有效的途径。轻量化除了设计结构和采用新技术外，在材料上选用轻合金则是主要对策。铝合金密度低，是最常用的轻合金之一，然而铝合金的硬度低、耐磨性差。针对铝合金的这一缺点，研究开发铝合金表面强化新技术，提高铝合金的表面硬度和耐磨性。
等离子涂层具有许多优点，在钢铁材料的表面强化方面已得到广泛应用。但是，等离子涂层的质量控制复杂，涂层与基体的结合强度低。为了提高基体与涂层界面的结合强度主要从以下几方面考虑：
(1)研究新粘结层材料，使其性能、组织结构既能与涂层材料，又能与基体材料有较好的相容性，起承接涂层和基体的过渡作用。
(2)基体表面改性处理。
(3)改进涂层结构。在基体和工作层之间形成一个成分呈梯度分布的过渡层，消除明显界面，使组织和性能逐步变化。
考虑到铝合金与钢铁材料的不同之处，改变喷涂环境，减少基体和喷涂材料在加热、熔化过程中环境因素对材料的影响，如在惰性气体环境中对铝合金基体进行喷涂，可减少铝合金表面氧化膜的形成，改善基体与涂层的结合状态，提高结合强度。
三、发明内容
1、发明目的
本发明目的是提供一种铝合金基体表面用等离子喷涂耐磨涂层的方法，提高涂层与基体表面的结合强度。
2、技术方案
应用一种惰性气体，使铝合金基体在惰性气体的保护下进行等离子喷涂耐磨涂层，其最大特征是利用保护气氛，防止或减轻基体合金材料的氧化，起到增大结合强度的目的。
工件(1)材质为铸造铝合金，放置可转动的工作平台(2)上，用半封闭罩(3)罩住。半封闭罩可用钢板或玻璃制作，半封闭罩(3)上设计有观察喷涂火焰的观察窗(4)、等离子喷涂火焰通孔(5)、排烟尘孔(6)以及惰性气体通入孔(7)。观察窗(4)设计在人员操作一侧，用玻璃制作，惰性气体通入孔(7)设计是要保证惰性气体通入时不得干扰等离子喷涂火焰粉末的运动方向。
一种铝合金基体等离子喷涂耐磨涂层的方法，其方法步骤如下：
a.用20-70目的的白刚玉砂对待喷工件(1)进行表面喷砂处理；
b.将待喷涂粉末，包括粘结底层粉末和工作层用氧化物陶瓷粉末在60℃～150℃烘干；然后将烘干的粉末装入送粉器(10)中；
c.把待喷涂工件(1)装夹在可移动工作平台(2)上；
d.用半封闭罩(3)罩住工件(1)，半封闭罩(3)安装在工作平台(2)上，或安装在装夹喷枪(8)的机械手(9)上；
e.打开惰性气体阀门，由通入孔(7)的向半封闭罩(3)内充入惰性气体；
f.设定等离子喷涂工艺参数，等离子喷枪(8)点火开始工作，喷枪(8)分别先后将粘结底层粉末和工作层用陶瓷粉末喷涂至工件(1)表面，粘结底层厚度控制在0.10mm-0.15mm，工作层厚度达0.20-0.60mm，当喷涂工件(1)铝合金表面喷涂粘结底层后或涂层将铝合金基体覆盖后，关闭惰性气体阀门；
g.关闭惰性气体后，在喷涂过程中利用压缩空气冷却喷涂工件(1)。
上述步骤a中所述表面处理是用20-70目的的刚玉砂对工件(1)表面喷砂除去氧化膜，并增加工件(1)表面的粗糙度。
上述步骤b中喷涂氧化物陶瓷或氧化物陶瓷和金属混合粉末为工作层，粉末粒度为5μm～75μm。
上述步骤d中，通入惰性气体，惰性气体通入孔(7)要保证惰性气体通入气流不干扰等离子喷涂火焰和粉末在火焰中的运动方向，通入孔(7)处的流量视半封闭罩(3)的大小和结构而定。
上述步骤f中所述的喷涂工艺参数为先喷涂粘结底层时，电流为500A～700A，主气(氩气)流量为45L/min～65L/min，辅气(氮气)流量为12L/min～20L/min，载气(氩气)流量为5L/min～8L/min，喷涂距离均为60mm～120mm，喷枪(8)与工件(1)的相对移动速度为100mm/s～200mm/s，送粉速度为25g/min～60g/min；然后喷涂氧化物陶瓷时，电流为550A～900A，主气(氩气)流量为35L/min～60L/min，辅气(氮气)流量为15L/min～30L/min，载气(氩气)流量为5L/min～8L/min，喷涂距离均为60mm～120mm，喷枪(8)与工件(1)的相对移动速度为100mm/s～200mm/s，送粉速度为20g/min～50g/min。
在上述步骤f的喷涂过程中工作台(2)和装夹等离子喷枪(8)的机械手(9)作三维空间运动。
3、有益效果
采用惰性气体保护后，涂层与基体的结合强度提高很多。表1是在3710型等离子喷涂系统上，采用氩气保护前后，等离子喷涂的Al2O3-45TiO2陶瓷涂层的性能以及与基体的结合强度。
表1  等离子喷涂Al2O3-45TiO2陶瓷涂层性能
  喷涂类型   结合强度/MPa
  大气环境喷涂保护气氛喷涂   ≤25.0≥30.0
由表1数据可知，在大气环境下，铝合金表面喷涂陶瓷涂层时，涂层与铝基体的结合强度一般都低于25MPa，采用氩气保护后，涂层与基体的结合强度可≥30MPa，达到了钢铁表面等离子喷涂涂层与基体的结合强度的水平，能满足一般工件的工作要求。
四、附图说明：
图1：铝合金基体等离子喷涂耐磨涂层示意图：附图标记：1-工件、2-工作平台、3-半封闭罩、4-观察窗、5-等离子喷涂火焰通孔、6-排烟尘孔、7-惰性气体通入孔、8-等离子喷枪、9-机械手、10-送粉器。
五、具体实施方式
铝合金基体等离子喷涂耐磨涂层的方法，其方法步骤如下：
1、将待喷涂工件(1)进行表面喷砂除氧化膜和增加表面粗糙度处理，工件(1)为25.4mm×30mm的圆柱体，材质为ZL104，喷砂处理用砂为30～50目的白刚玉砂；
2、将待喷涂粘结底层粉末NiCrAlCo-Y2O3和工作层粉末Al2O3-45TiO2经70℃烘3小时，以确保粉末干燥，NiCrAlCo-Y2O3为粘结底层，粒度为-140～+320；Al2O3-45TiO2为工作层，粒度为-45μm～+5μm；将干燥后的NiCrAlCo-Y2O3粉和Al2O3-45TiO2粉分别装入送粉器(10)；
3、将待喷涂工件(1)放置于工作平台(2)上；
4、用半封闭罩(3)罩住工件(1)，半封闭罩(3)安装在工件平台(2)上，或安装在装夹喷枪(8)的机械手(9)上；
5、开通氩气阀，经惰性气体通入孔(7)进入半封闭罩(3)，以0.5～1.0L/min的流量，压力为0.05～0.10MPa向保护罩内通氩气，流量不宜过大，方向要避开喷枪焰流；
6、按表2设定喷涂工艺参数，其中主气和载气均采用氩气，辅气为氦气。喷枪运动，步距为3.2mm；喷枪(8)点火工作，先用NiCrAlCo-Y2O3粉末喷涂粘结底层，达到0.12mm厚度后，关闭通入惰性气体，关闭喷枪；然后更换Al2O3-45TiO2粉末或切换送粉器，将喷枪(8)点火工作，喷涂工作层至0.35mm厚度；
7、关闭氩气后，在喷涂过程中可用压缩空气冷却喷涂工件(1)。
                                        表2  工艺参数
  涂层   电流/A   主气流量/L·min-1   辅气流量/L·min-1   载气流量/L·min-1   距离/mm   喷枪移动速度/mm·s-1   送粉速度/g·min-1
  XY   550650   56.6449.56   15.1027.14   6.146.14   75100   150150   40.0629.10
注：X-粘结底层NiCrAlCo-Y2O3，Y-工作层Al2O3-45TiO2
用拉伸法测定涂层与铝合金基体的结合强度、用金相显微镜和显微硬度计测定涂层的孔隙率和显微硬度，结果见表3。表3等离子喷涂Al2O3-45TiO2陶瓷涂层性能
  喷涂类型   结合强度/Mpa   显微硬度/Hv   孔隙率/％
  大气环境喷涂   22.0   642   3.2
  21.5   645   2.3
  25.5   650   3.1
保护气氛喷涂   31.532.033.0   653660658   2.32.22.5

Claims (6)

1.一种铝合金基体表面用等离子喷涂耐磨涂层的方法，其方法步骤如下：
a、用20-70目的的白刚玉砂对待喷工件(1)进行表面喷砂处理；
b、将待喷涂粉末，包括粘结底层粉末和工作层用氧化物陶瓷粉末在60℃～150℃烘干；然后将烘干的粉末装入送粉器(10)中；
c、把待喷涂工件(1)装夹在可移动工作平台(2)上；
d、用半封闭罩(3)罩住工件(1)，半封闭罩(3)安装在工作平台(2)上，或安装在装夹喷枪(8)的机械手(9)上；
e、打开惰性气体阀门，由通入孔(7)的向半封闭罩(3)内充入惰性气体；
f、设定等离子喷涂工艺参数，等离子喷枪(8)点火开始工作，喷枪(8)分别先后将粘结底层粉末和工作层用陶瓷粉末喷涂至工件(1)表面，粘结底层厚度控制在0.10mm-0.15mm，工作层厚度达0.20-0.60mm，当喷涂工件(1)铝合金表面喷涂粘结底层后或涂层将铝合金基体覆盖后，关闭惰性气体阀门；
g、关闭惰性气体后，在喷涂过程中利用压缩空气冷却喷涂工件(1)。
2.根据权利要求1所述的喷涂耐磨涂层的方法，其特征在于在步骤a中所述表面处理是用20-70目的的刚玉砂对工件(1)表面喷砂除去氧化膜，并增加工件(1)表面的粗糙度。
3.根据权利要求1所述的喷涂耐磨涂层的方法，其特征在于在步骤b中喷涂氧化物陶瓷或氧化物陶瓷和金属混合粉末为工作层，粉末粒度为5μm～75μm。
4.根据权利要求1所述的喷涂耐磨涂层的方法，其特征在于在步骤d中，通入惰性气体，惰性气体通入孔(7)要保证惰性气体通入气流不干扰等离子喷涂火焰和粉末在火焰中的运动方向，通入孔(7)处的流量视半封闭罩(3)的大小和结构而定。
5.根据权利要求1所述的喷涂耐磨涂层的方法，其特征在于在步骤f中所述的喷涂工艺参数为喷涂粘结底层时，电流为500A～700A，主气(氩气)流量为45L/min～65L/min，辅气(氮气)流量为12L/min～20L/min，载气(氩气)流量为5L/min～8L/min，喷涂距离均为60mm～120mm，喷枪(8)与工件(1)的相对移动速度为100mm/s～200mm/s，送粉速度为25g/min～60g/min；喷涂氧化物陶瓷时，电流为550A～900A，主气(氩气)流量为35L/min～60L/min，辅气(氮气)流量为15L/min～30L/min，载气(氩气)流量为5L/min～8L/min，喷涂距离均为60mm～120mm，喷枪(8)与工件(1)的相对移动速度为100mm/s～200mm/s，送粉速度为20g/min～50g/min。
6.根据权利要求1所述的喷涂耐磨涂层的方法，其特征在于在喷涂过程中工作平台(2)和装夹等离子喷枪(8)的机械手(9)作三维空间运动。
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