在零件内表面热喷涂可控成分与结构涂层的致密化制备方法技术

一种在零件内表面热喷涂可控成分与结构涂层的致密化制备方法，属于材料表面工程技术领域。在大气环境下，采用气氛保护热喷涂系统对金属零件孔、槽等几何结构内表面实施斜入射喷涂制备陶瓷-金属复合涂层，对粒度范围5-100μm原料粉末进行金属包覆预处理、形成喷涂用包覆复合粉末，金属包覆层厚度0.1-5μm、连续致密且其成分与原料粉末的金属相相同或接近，喷涂时保护气体输送装置引入氮气或氩气，制备出与喷涂粉末成分及相结构一致性好、孔隙缺陷少、结合强度高的内表面热喷涂涂层。该方法抑制喷涂粉末的氧化及分解，减少氧化及分解反应气相产物和改善喷涂粉末表面熔化状态、促进沉积致密化，满足零件孔、槽等内表面涂层的制造需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在零件内表面热喷涂可控成分与结构涂层的致密化制备方法，获得与喷涂粉末成分与相结构相同或接近的致密涂层，满足金属零部件孔、槽等内表面涂层制备需求，属于材料表面工程
技术背景热喷涂技术主要包括高速火焰喷涂(HVOF、HVAF等)、等离子体喷涂、氧乙炔焰喷涂、电弧喷涂(WireArcSpraying)等，这些技术制备的金属(包括纯金属与合金)、陶瓷以及陶瓷-金属复合涂层，为核电、航空航天、化工等重大装备关键零部件提供了耐磨损、抗腐蚀、抗冲蚀、抗疲劳以和抗氧化等防护性能，是保证零件高可靠高性能长期服役要求的有效表面工程技术手段。此外，与真空镀膜或化学湿法表面技术相比，热喷涂技术具有大气环境下涂层制备且无废液废气污染问题等优势，具有批量生产和现场修复的工程应用优势。然而，热喷涂工艺的大气环境下操作的特点，存在高温喷涂粒子金属相氧化形成氧化物夹杂、陶瓷相氧化分解等问题，且生成气相产物的氧化和分解反应可进一步增加涂层微观孔隙缺陷。氧化物夹杂、化合物分解相以及孔隙不仅减弱涂层内聚力、增加涂层脆性，而且弱化了涂层与基体的结合强度，导致了涂层使用性能的降低。此外，热喷涂“视线”(line-of-sight)加工特点使沉积工艺具有几何局限性，对零件内孔、凹槽等内表面进行喷涂沉积，例如飞机起落架立柱内衬筒、液压作动器外套等，必须通过改变喷枪角度进行斜入射沉积，达到零件内表面的喷涂。然而，在大气条件下喷涂沉积时，大量空气在沉积表面区域附近被卷入喷涂焰流中，是目前公认造成热喷涂涂层氧化的主要机制。当喷涂焰流粉末入射方向与零件待沉积表面的夹角(入射角)减小，沉积表面附近区域喷涂粒子与带入空气互混范围加大且作用时间延长，导致比垂直入射更显著的氧化问题；同时，高温喷涂粒子垂直于零件表面的速度(动能)分量相应降低，粒子垂直冲击力变弱进而降低了涂层致密程度并且影响了粒子堆积沉积效率，对于陶瓷相含量较高复合喷涂粉末的影响则更加严重。上述氧化反应产生气相产物和较弱冲击力粒子沉积现象均可造成斜入射喷涂涂层孔隙率增高。此外，与垂直入射沉积相比，斜入射沉积的低沉积率使得相同厚度涂层须进行更多道次的喷涂沉积，增加了涂层暴露于空气的重复加热时间，进一步加剧沉积涂层的氧化程度，进而增加孔隙率、降低涂层致密度，导致涂层性能劣化。一方面，针对大气条件下热喷涂沉积涂层的氧化问题，1998年，Leylavergne等在JournalofThermalSprayTechnology报道了采用惰性气体保护等离子体喷涂制备TiC-Nb复合涂层的方法“Comparisonofplasma-sprayedcoatingsproducedinargonornitrogenatmosphere”，通过喷涂过程中氮气或氩气保护，降低了涂层中TiC的分解，对比研究发现两种保护气体获得了相近的保护效果，并且指出以氮气替代氩气应用，可降低约30％的成本。2014年，Matthews在Surface&CoatingsTechnology报道了具有改进气体保护罩的等离子体喷涂方法进行金属涂层沉积的实验结果“ShroudedplasmasprayofNi-20Crcoatingsutilizinginternalshroudfilmcooling”，也验证了氮气和氩气具有相似的保护功能，可显著减少金属粒子氧化、降低了涂层的孔隙率，获得相近性能的金属涂层。2014年，中国专利“大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂易氧化涂层的方法”(CN104213066A)公开了一种硼化物、碳化物、硅化物等易氧化陶瓷涂层的喷涂方法，在等离子体喷枪上安装气体保护罩，喷涂沉积过程中，惰性气体从气体保护罩气体流道喷出，保护限制高温焰流中喷涂粒子的氧化，实现大气条件下易氧化涂层的保护制备。除了等离子体喷涂工艺之外，其它热喷涂工艺的氧化问题也得到了对比研究。2006年，Deshpande在Surface&CoatingsTechnology报道了在无保护气氛条件下，对比了不同热喷涂方法制备Ni-Al金属涂层的氧化行为“Mechanismsofoxidationanditsroleinmicrostructuralevolutionofmetallicthermalspraycoatings—CasestudyforNi-Al”，与大气等离子体喷涂(APS)和电弧喷涂工艺相比较，高速火焰喷涂粒子速度高、焰流加热时间短，获得的Ni-Al涂层具有最低的氧化率和孔隙率。此外，2013年，Jafari等在MaterialsScience&EngineeringA报道了采用表面微米级电镀Ni包覆层的WC-Co喷涂粉，在无保护气氛条件下垂直入射沉积工艺，降低了涂层的氧化程度，减少了三元W-Co-C缺碳相的形成，增加了涂层致密度。另一方面，对于斜入射热喷涂沉积问题，2008年，Tillmann等在JournalofThermalSprayTechnology报道了采用等离子体喷涂方法斜入射喷涂WC和Cr3C2碳化物基硬质复合涂层的研究结果“Influenceofthesprayangleonthecharacteristicsofatmosphericplasmasprayedhardmaterialbasedcoatings”，当喷涂沉积入射角小于50度角时涂层孔隙率显著增加，WC-12Co和Cr3C2-10(Ni20Cr)两类涂层在入射角处于50-90度角范围内的孔隙率分别约为6％和2.5％，小于50度角时，孔隙率随角度的减小呈线性快速增加，在20度角时分别达到约17％和8％，达到了垂直入射的3倍。随后，Tillmann等2013年又在JournalofThermalSprayTechnology报道了采用不同热喷涂技术斜入射喷涂的研究结果，“InfluenceofthesprayangleonthepropertiesofHVOFsprayedWC-Cocoatingsusing(-10+2μm)finepowders，研究发现，不同喷涂工艺斜入射沉积WC-12Co涂层的沉积率、内聚力及结合力均随着入射角降低而逐渐劣化，但是存在不同的显著劣化的临界值：电弧喷涂约为<60度角，等离子体喷涂约为<50度角，HVOF喷涂约为≤30度角。综上所述，相对于其它热喷涂工艺而言，包括HVOF、HVAF在内的高速火焰喷涂工艺，由于喷涂粒子动能大、飞行速度快，使之加热时间短、温度适中，显著改善了粒子在喷枪内和焰流初本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在零件内表面热喷涂可控成分与结构涂层的致密化制备方法，其特征是：所述方法采用以下步骤：1)采用配备高速火焰喷涂设备的气氛保护热喷涂系统，根据零件孔、槽等几何结构内表面形状及尺寸设定喷涂入射角，喷涂入射角为喷枪火焰喷射方向与零件待沉积表面之间的夹角，调节范围为20‑90度角，采用保护气体输送装置对喷涂涂层沉积过程进行气氛保护；2)喷涂沉积前，对零件内表面去除油污和杂质，并进行喷砂或磨粒打磨处理获得洁净、粗糙化的表面；3)向高速火焰喷涂设备装载用于喷涂的烘干处理的包覆复合粉末，原料粉末初始粒径范围为5‑100μm，包覆层厚度范围0.1‑5μm；4)打开保护气体输送装置的控制阀门输送保护气体，所用保护气体为惰性的氮气或氩气，将保护气体喷射到喷涂粒子飞行及沉积作用区域，气体压强为1.0‑5.0个大气压，气体流量为1‑100L/min，零件预热和喷涂沉积过程维持保护气体输送，喷涂后涂层表面温度低于预热温度时，停止保护气体供给；5)第一遍喷涂沉积前，首先利用喷枪火焰预热零件表面至120‑200摄氏度，再输送喷涂粉末进行喷涂沉积，需要重复进行多遍喷涂沉积时，控制每遍之间涂层冷却至80‑150摄氏度范围内再进行下一遍的喷涂，直至达到零件要求的涂层厚度；6)喷涂沉积过程中，依据零件孔、槽几何结构内表面特点进行零件运动形式控制，其中，非对称内表面结构的零件保持不动，喷枪移动扫描沉积，具有对称内表面结构零件则以对称中心为中心轴自转，配合喷枪的移动扫描进行沉积，喷枪移动扫描速度为10‑500mm/s，零件自转速度为10‑1000rpm。...

【技术特征摘要】
1.一种在零件内表面热喷涂可控成分与结构涂层的致密化制备方法，其特征
是：所述方法采用以下步骤：
1)采用配备高速火焰喷涂设备的气氛保护热喷涂系统，根据零件孔、槽
等几何结构内表面形状及尺寸设定喷涂入射角，喷涂入射角为喷枪火焰喷射方
向与零件待沉积表面之间的夹角，调节范围为20-90度角，采用保护气体输送
装置对喷涂涂层沉积过程进行气氛保护；
2)喷涂沉积前，对零件内表面去除油污和杂质，并进行喷砂或磨粒打磨
处理获得洁净、粗糙化的表面；
3)向高速火焰喷涂设备装载用于喷涂的烘干处理的包覆复合粉末，原料
粉末初始粒径范围为5-100μm，包覆层厚度范围0.1-5μm；
4)打开保护气体输送装置的控制阀门输送保护气体，所用保护气体为惰
性的氮气或氩气，将保护气体喷射到喷涂粒子飞行及沉积作用区域，气体压强
为1.0-5.0个大气压，气体流量为1-100L/min，零件预热和喷涂沉积过程维
持保护气体输送，喷涂后涂层表面温度低于预热温度时，停止保护气体供给；
5)第一遍喷涂沉积前，首先利用喷枪火焰预热零件表面至120-200摄氏
度，再输送喷涂粉末进行喷涂沉积，需要重复进行多遍喷涂沉积时，控制每遍
之间涂层冷却至80-150摄氏度范围内再进行下一遍的喷涂，直至达到零件要
求的涂层厚度；
6)喷涂沉积过程中，依据零件孔、槽几何结构内表面特点进行零件运动
形式控制，其中，非对称内表面结构的零件保持不动，喷枪移动扫描沉积，具
有对称内表面结构零件则以对称中心为中心轴自转，配合喷枪的移动扫描进行
沉积，喷枪移动扫描速度为10-500mm/s，零件自转速度为10-1000rpm。
2.根据权利要求1所述的在零件内表面热喷涂可控成分与结构涂层的致密化
制备方法，其特征在于：所述的保护气体输送装置包括与喷枪连接的主气体喷

\t嘴、气体管路，或者包括与喷枪连接的主气体喷嘴、气体管路...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱小鹏，王桂芹，杜鹏程，潘学民，雷明凯，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21