基于基体恒温控制的纳米陶瓷涂层加工方法及恒温控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于基体恒温控制的纳米陶瓷涂层加工方法及恒温控制系统，属于材料表面加工技术领域，它通过采用团聚体纳米材料作为涂层材料，利用等离子喷涂和激光重熔法和控制喷涂及重熔过程中的温度获得理想的表面涂层，具有方法新颖，冷却装置简单可靠，成本低等一系列优点。

Nano ceramic coating processing method and constant temperature control system based on constant temperature control of substrate

The invention discloses a method for processing nano ceramic coating substrate temperature control and temperature control system based on, which belongs to the field of material surface processing technology, it is through the use of aggregates of nano materials as coating material, surface coating obtained by plasma spraying and laser remelting and control of spraying and remelting process temperature, with new method the cooling device is simple and reliable, low cost advantages of a series.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种材料表面处理方法及相关的控制系统，尤其是一种材 料表面纳米陶瓷涂层加工方法及其相关的控制系统，具体地说是一种基于 基体恒温控制的纳米陶瓷涂层加工方法及恒温控制系统。
技术介绍
在航空、航天、国防、汽车、船舶、化工、钢铁等工业中，陶瓷涂层 的应用越来越广泛。各种不同成分的陶瓷能够极大的提高基体零部件的耐 磨、耐热、耐腐蚀、耐高温氧化、耐微动磨损等性能。纳米陶瓷因其具有 较普通陶瓷有良好的综合机械性能，近年引起各国广泛关注，成为先进陶 瓷材料研究的主要方向之一。由于等离子热喷涂加工过程中的温度很高，因此在制备陶瓷结构涂层 方面是目前应用最为广泛的方法。近几年，重构纳米陶瓷粉技术得到很快 发展，即通过一定方法将普通的纳米尺度的粉末粒子加工成微米尺度的团 聚颗粒。重构技术主要有喷雾干燥法、熔胶一凝胶法、微乳液法等，经过 处理的纳米陶瓷团聚体颗粒通常具有几十至上百微米的尺寸。由于其较原 始纳米颗粒质量大、表面能小、流动性好及松装密度大，因此能在等离子 高温条件下进行喷涂加工。国外在该方面研究已经比较成熟，大多已经申请专利，如美国inframat公司的专利公开了大规模制备热喷涂用纳米团聚 粉体的方法(纳米团聚粉体制备，US patent 6025034)。具体过程为首 先将普通纳米粒子配成胶状悬浮液，在加入一定的添加剂后，将该胶状悬 浮液进行喷雾干燥。然后将上面得到的小颗粒先后进行25(TC左右的低温烧 结和100(TC左右的高温烧结，获得球状的微米级纳米团聚陶瓷颗粒。国内 也有如武汉材料保护研究所等进行了相关研究，如武汉理工大学的专利技术申 请"热喷涂用纳米团聚体氧化锆粉末的制备方法"(200410061306.4)，公开了制备氧化锆团聚体的方法。一些基于该类材料的应用的专利技术申请如"粉末热喷涂纳米材料涂层的制备方法"(02129592.1)也提出了用传统喷涂设备喷涂纳米团聚体粉末制备纳米陶瓷涂层的方法。因此利用传统喷涂设备喷涂纳米团聚体粉末制备纳米陶瓷涂层己成为一种新型的表面处理方法之一，但由于等离子喷涂和激光重熔时温度很高，会对基体性能及陶瓷晶粒生长产生一定的影响，进而影响最终的涂层质量，致使产品合格率较低，目前尚无很好的解决方法。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是针对现有的陶瓷纳米涂层加工方法存在的基体受 热变形影响最终涂层质量的问题，专利技术一种基于基体恒温控制的纳米陶瓷 涂层加工方法。本专利技术的目的之二是设计一种结构十分简单，使用方便，成本很低的 恒温控制系统以减少喷涂和重熔过程中高温对基体的影响。本专利技术实现目的之一的技术方案是一种基于基体恒温控制的纳米陶瓷涂层加工方法，其特征是 首先对对基体表面进行净化、活化处理；其次利用等离子喷涂装置在基体表面喷涂一层镍基合金粉末材料粘结层；第三，在粘结层冷却后，用等离子喷涂装置在粘结层表面喷涂纳米陶瓷团聚体粉末，同时开启温度控制系统，使基体表示温度维持在60 200'C之间，直到喷涂结束；第四，在纳米陶瓷团聚体粉末喷涂结束后，再使用大功率激光器对等 离子喷涂所得的涂层进行重熔处理，同时开启温度控制系统，使基体温度也维持在60 200。C之间，直到重熔结束。所述的纳米陶瓷团聚体粉末颗粒范围为15 120um，其初级颗粒平均 尺寸为40纳米，形貌表征为球形。本专利技术实现目的之二的技术方案是-一种纳米陶瓷涂层加工中使用的基体恒温控制系统，其特征是它主要由气源l、密封罐2、液氮3、冷却腔4组成，液氮3罐装在密封罐2中， 气源1连接有进气管5，进气管5 —端的进气口与气源1的出气口相连，另 一端的出气口插入密封罐2中的液氮3中；冷却腔4连接有出气管6，出气 管6 —端的进气口插入密封罐2中的液氮3的上部，其另一端的出气口与 冷却腔4的进气口相连，冷却腔4直接或间接与基体7相接触。 其中所述的气源1可为鼓风机。所述的气源1连接有温度控制装置，该温度控制装置主要由温度传感 器8、智能温度控制器9和固态继电器IO组成，温度传感器8或直接安装 在基体7上或安装在基体7附近，温度传感器8的输出与智能温度控制器9 的输入相连,智能温度控制器9的一个输出与固态继电器10的控制端相连， 固态继电器10的输出与气源1的控制开关相连。本专利技术的有益效果本专利技术与现有技术相比具有以下特点1、 本专利技术选用纳米陶瓷团聚体作为喷涂材料进行喷涂加工，同时在喷 涂和重熔过程中引入冷却工艺限制纳米陶瓷晶粒长大，减少了对基体性能 的影响，因此所得的涂层的一致性好，性能稳定。2、 本专利技术的冷却装置具有结构简单，使用、制造方便，成本低的优点。 附图说明图1是本专利技术的恒温控制系统的结构示意图。 图2是本专利技术的温度控制系统的电原理示意图。 具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。一种基于基体恒温控制的纳米陶瓷涂层加工方法，其步骤为 首先对对基体表面进行净化、活化处理；其次利用等离子喷涂装置在基体表面喷涂一层镍基合金粉末材料粘结层；第三，在粘结层冷却后，用等离子喷涂装置在粘结层表面喷涂颗粒范 围为15 120um，初级颗粒平均尺寸为40纳米，形貌表征为球形的纳米陶瓷团聚体粉末，同时开启温度控制系统，使基体温度维持在60 20(TC之间， 直到喷涂结束；第四，在纳米陶瓷团聚体粉末喷涂结束后，再使用大功率激光器对等 所得的涂层进行重熔处理，同时开启温度控制系统，使基体温度也维持在 60 200'C之间，直到重熔结束。本实施的如图1、 2所示。本专利技术实现目的之二的技术方案是一种纳米陶瓷涂层加工中使用的基体恒温控制系统，它主要由气源1 (可采用鼓风机)、密封罐2、液氮3、冷却腔4组成，如图1所示，液氮3 罐装在密封罐2中，气源1连接有进气管5，进气管5—端的进气口与气源 l的出气口相连，另一端的出气口插入密封罐2中的液氮3中，密封罐2上 安装有减压阀ll，以防止鼓风机压力过大制造安全隐患；冷却腔4连接有 出气管6，出气管6—端的进气口插入密封罐2中的液氮3的上部，其另一 端的出气口与冷却腔4的进气口相连，冷却腔4直接或间接与基体7相接 触。气源l由温度控制装置加以控制，如图2所示，该温度控制装置主要 由温度传感器8 (可采用K型标准热电偶加以实现)、智能温度控制器9 (可 采用XMT628型智能自整定PID工业调节仪实现)和固态继电器IO (可采 用常规市售产品加以实现)组成，温度传感器8或直接安装在基体7上或 安装在基体7附近，温度传感器8的输出与智能温度控制器9的输入相连， 智能温度控制器9的一个输出与固态继电器10的控制端相连，固态继电器 10的输出与气源1的控制开关相连。图1中12表示等离子喷涂或激光重熔 时的高温发生装置，13表示鼓风机，14表示控制用计算机。 下面结合一个具体的例子作进一步的说明。在4ram厚钢质(即基体)表面上采用等离子喷涂纳米陶瓷团聚体 AlA+13Ti02粉末。其操作步骤如下1. 对钢基体表面进行除油，喷沙处理。采用亚音速喷沙枪以lMPa的压力， 3kg/min的流量进行粗化，增加粘结层和基体的接触面积。2. 使用美国普莱克斯公司生产的3710型等离子喷涂系统进行喷涂加工， 首先在基体上喷涂140 u m厚度的NiCoCrAlYA粘结层。喷涂参数如表1所表1粘结层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于基体恒温控制的纳米陶瓷涂层加工方法，其特征是：首先对基体表面进行净化、活化处理；其次利用等离子喷涂装置在基体表面喷涂一层镍基合金粉末材料粘结层；第三，在粘结层冷却后，用等离子喷涂装置在粘结层表面喷涂纳米陶瓷团 聚体粉末，同时开启温度控制系统，使基体表示温度维持在６０～２００℃之间，直到喷涂结束；第四，在纳米陶瓷团聚体粉末喷涂结束后，再使用大功率激光器对等所得的涂层进行重熔处理，同时开启温度控制系统，使基体温度也维持在６０～２００℃之间，直 到重熔结束。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄因慧，田宗军，沈理达，王东生，刘志东，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]