一種制備準晶涂層的溫噴涂裝置及方法

專利名稱：一種制備準晶涂層的溫噴涂裝置及方法
技術領域：
本發明涉及表面涂層的制備領域，具體地說就是一種制備準晶涂層的溫噴涂裝置及方法。
背景技術：
Shechtman等首次發現準晶以來，人們對其進行了廣泛深入的研究。準晶材料是介于周期結構與無序結構之間的一類金屬間化合物，特殊的結構使得準晶材料具有高硬度、 高彈性模量、低膨脹系數、低摩擦系數、良好的耐磨性、低電導率、低導熱率、良好的隔熱性、 不粘性、優異的抗氧化性等良好的綜合性能。但由于準晶材料本身的脆性，又大大限制了其應用。如何把金屬與準晶材料的優異性能結合起來，近年來一直是材料科學與工程研究的方向。目前，準晶材料的應用主要作為表面改性材料或者作為增強相彌散分布于結構材料中。另外，作為熱障涂層在汽車和航空發動機等部件中也得到應用。制備準晶涂層常用的方法包括等離子噴涂、爆炸噴涂、激光熔覆、超音速火焰噴涂和物理氣相沉積(PVD)等，但是， 采用溫噴涂法制備準晶涂層還未見報道。國外準晶涂層最先應用于不粘鍋表面，但由于成本等原因市場化進程緩慢；此外， 準晶材料有導熱性低、耐蝕和耐氧化以及吸波性等優點，國外在航空、航天和軍事工業中有很多的應用實例。準晶作為彌散強化相來增強基體金屬，最早發現這一效果的是英國皇家空軍研究院，他們對經氣相沉積的Al-Cr-Fe涂層材料進行熱軋成型并熱處理后，發現在材料中均勻析出了富狗亞穩相，使材料呈現出優良的綜合性能，室溫拉伸強度達到了擬4 855MPa,楊氏模量達到87 120GPa。后來經研究發現，這種富狗亞穩相就是具有5次對稱的準晶相。目前，制備準晶涂層的方法主要有激光熔覆和熱噴涂兩類，不過這兩種方法都存在涂層氣孔率偏高、合金成分氧化和相變等問題。其中激光熔覆法，是利用掃描激光束垂直照射到基體上，將粉末混合物和基體層一起熔化而形成涂層。這不但需要快速凝固，而且涂層是基于基體材料上形成的。基體材料進入涂層易改變涂層成分和在形成準晶相的同時，產生大量的多種晶體相。實際上成為準晶相與晶體相的復合涂層，較大程度降低準晶涂層的性能。熱噴涂技術作為一種快速凝固技術被認為是一種特別適合于制備準晶涂層的表面工程技術，準晶具有高溫塑性，而熱噴涂過程正是利用粉末高溫下處于熔融或半熔化狀態的粉末液滴與基體碰撞變形而相互堆積形成涂層的，因此許多準晶研究者利用等離子噴涂技術制備準晶涂層。以等離子噴涂Al-Cu-i^e準晶涂層為例因等離子體溫度很高，易氧化的Al被燒損和伴隨I相產生了亞穩相β-AlCu (Fe)及θ相(Al2Cu)，降低了準晶的特性。 另外，還存在微裂紋和氣孔。故等離子噴涂準晶涂層的耐磨、耐蝕和力學性能及作為功能涂層時的電學和磁學性能受到影響。國內在準晶涂層的應用研究方面，采用等離子噴涂和激光熔覆等技術制備準晶涂層進行了很有特色的工作。鑒于熱噴涂(等離子噴涂(APQ及高速燃氣火焰噴涂(HVOF))
3制備準晶涂層存在準晶(I相)伴隨有亞穩態晶體相β相AlCu (Fe)及θ相(Al2Cu)以及較多微裂紋和氣孔的問題。清華大學采用等離子噴涂-激光重熔法制備Al-Cu-Fe準晶涂層，提高了涂層中I相含量；北京航空航天大學采用低壓等離子(LPPQ法在鈦合金上制備 Al-Cu-狗準晶涂層，涂層存在裂縫和孔隙，結合強度低，為此采取后熱處理(800°C/2h)得到了比較純凈的準晶I相；大連海事大學先后用爆炸噴涂及高速火焰噴涂制備Al-Cu-Cr 系準晶，先者涂層除I相外含有α相及θ相和Al2O3，后同樣在涂層中除I相外伴有θ相及α相。綜上研究工作可以認為熱噴涂技術包括等離子噴涂(APS、LPPQ高速燃氣噴涂 (HVOF)及爆炸噴涂(D-gim)制備準晶涂層，存在準晶相伴隨晶體相和涂層氣孔率高和存在微裂紋的問題，而這些問題是熱噴涂技術長期存在未能完全克服的共性問題。

發明內容
本發明的目的在于提供一種制備準晶涂層的溫噴涂裝置及方法，解決現有技術中存在的準晶相伴隨晶體相和涂層氣孔率高和存在微裂紋的問題。為實現上述目的，本發明的技術方案是一種制備準晶涂層的溫噴涂裝置，該裝置包括燃料入口、火花塞、氧氣入口、準晶粉末進口、噴管、超音速噴嘴、混合室、中間混合室、冷卻氣體進口，具體結構如下混合室的一側設置燃料入口、火花塞、氧氣入口，混合室的另一側與中間混合室相通，中間混合室上設有冷卻氣體進口，中間混合室通過超音速噴嘴與噴管連通，超音速噴嘴的出口和噴管的進口處與準晶粉末進口相通。所述的制備準晶涂層的溫噴涂裝置，噴管的出口對應設置工件，經火焰攜帶、自超音速噴嘴噴出的準晶粉末，以噴涂粒子在工件的表面形成準晶涂層。所述的制備準晶涂層的溫噴涂裝置，在噴管、超音速噴嘴、中間混合室、混合室形成的管路上設置冷卻水循環結構，混合室的管壁與冷卻水進口相通，噴管的管壁與冷卻水出口相通。所述的制備準晶涂層的溫噴涂裝置，冷卻氣體進口連有氣體流量控制器，中間混合室中設置溫度傳感器，溫度傳感器與溫度控裝置相連。所述的制備準晶涂層的溫噴涂裝置，冷卻氣體為氮氣。一種利用所述裝置制備準晶涂層的溫噴涂的方法，中間混合室中引入冷卻氣體， 隨引入氣體的流量調整，降低并控制火焰的溫度，降低活潑金屬的氧化性，使噴涂粉末顆粒保持在熔點以下，使粉末和氣體形成氣-固雙相流，氣-固雙相流中的固體顆粒噴射到工件表面，發生嚴重的塑性變形沉積于工件表面，后繼的高動能顆粒重復這一過程，從而通過溫噴涂形成準晶涂層。所述的制備準晶涂層的溫噴涂的方法，溫噴涂制備準晶涂層的工藝參數范圍如下噴涂距離為50 300mm，氧氣壓強為0. 25 0. 75MPa,氧氣流量200 600L/min， 氮氣壓強為0. 15 0. 55MPa，氮氣流量50 300L/min，燃氣C3H8壓強為0. 25 0. 65MPa， 燃氣流量20 lOOmL/min，噴涂溫度為500 1650°C，顆粒速度在900 1600m/s，準晶粉末的粒度為10 200 μ m,送粉速率1 50g/min，涂層厚度為10 5000微米，涂層與基體的抗拉強度30 80MPa，剪切強度20 50MPa。
所述的制備準晶涂層的溫噴涂的方法，準晶粉末的粒度優選為30 80微米，送粉速率優選為10 30g/min，涂層厚度優選為100 5000微米。所述的制備準晶涂層的溫噴涂的方法，準晶粉末為穩定的準晶粉末Al-Cu-Fe、 Al-Cu-Cr, Al-Cu-Fe-Cr, ΑΙ-Μη、A1-Mn-Si, AI-Mn-Fe, Al-Mn-Sn-Fe, Al-Fe, Al-Cr, Al_Co、 Al-V、Al-W 或 Al-Mo。所述的制備準晶涂層的溫噴涂的方法，工件基體材料為各種金屬材料。本發明的原理是本發明采用溫噴技術制備準晶涂層，溫噴技術是在HVOF噴槍的燃燒室末端增加中間混合室，并向中間混合室中弓丨入冷卻用的氣體(氮氣)，隨著引入氣體的流量可以降低并控制火焰的溫度與氧化性，使噴涂粉末顆粒保持在熔點以下以固體狀態沉積于工件基體之上形成涂層的技術。因為欲噴涂的準晶粉末在噴涂過程處于固態，因而可避免晶體結構的變化和活潑金屬易氧化等問題。由于溫噴工藝中粉末顆粒被加熱而發生一定程度的軟化，有利于顆粒在碰撞基體時塑性變形，提高涂層致密性和與基體結合強度。溫噴工藝和冷噴涂工藝很近似，兩者都是在固態顆粒高速碰撞基體形成涂層的， 因此與熱噴涂相比較有許多優點，噴涂過程中粉末不氧化，不發生相變，可保持粉末化學成分和相組成不變，這對制備準晶涂層非常有利。因為準晶涂層對成分和相組成必須嚴格控制，溫噴工藝優于冷噴涂之處是顆粒溫度可嚴格控制。與現有技術相比較，本發明具有以下優點1、本發明能夠實現準晶粉末在固態下進行沉積，可避免晶體結構的變化和合金粉末中活潑金屬易氧化等問題。2、本發明能夠在多種材料表面直接制備準晶涂層，例如制備鈦合金抗高溫磨損與抗高溫氧化準晶涂層以及不粘涂層等。3、本發明所述方法制備的準晶涂層具有組成相分布均勻，準晶純度高等優點。


圖1為普通的高速燃氣噴涂(HVOF)裝置示意圖。圖中，1燃料入口 ；2火花塞；3氧氣入口 ；4冷卻水進口 ；5噴嘴喉部；6粉末進口 ； 7冷卻水出口 ；8噴涂粒子；9涂層；10工件；11噴管；12超音速噴嘴；13混合室；16火焰。圖2為本發明帶中間混合室的高速燃氣溫噴涂(HVOF)裝置示意圖。圖中，1燃料入口 ；2火花塞；3氧氣入口 ；4冷卻水進口 ；5噴嘴喉部；6粉末進口 ； 7冷卻水出口 ；8噴涂粒子；9涂層；10工件；11噴管；12超音速噴嘴；13混合室；14中間混合室；15冷卻氣體(氮氣)進口 ； 16火焰；17溫度傳感器。
具體實施例方式如圖1所示，普通的高速燃氣噴涂裝置主要包括燃料入口 1、火花塞2、氧氣入口 3、冷卻水進口 4、粉末進口 6、冷卻水出口 7、噴涂粒子8、涂層9、工件10、噴管11、超音速噴嘴12、混合室13和火焰16等，具體結構如下混合室13的一側設置燃料入口 1、火花塞2、氧氣入口 3，混合室13的另一側通過超音速噴嘴12與噴管11連通，超音速噴嘴12的出口和噴管11的進口處與粉末進口 6相通，噴管11的出口對應設置工件10，粉末經火焰16攜帶，自超音速噴嘴12噴出后，以噴涂粒子8在工件10的表面形成涂層9。在噴管11、超音速噴嘴12、混合室13形成的管路上設置冷卻水循環結構，混合室13的管壁與冷卻水進口 4相通，噴管11的管壁與冷卻水出口 7 相通。如圖2所示，本發明高速燃氣溫噴涂裝置主要包括燃料入口 1、火花塞2、氧氣入口 3、冷卻水進口 4、準晶粉末進口 6、冷卻水出口 7、噴涂粒子8、涂層9、工件10、噴管11、超音速噴嘴12、混合室13、中間混合室14、冷卻氣體進口 15和火焰16等，具體結構如下混合室13的一側設置燃料入口 1、火花塞2、氧氣入口 3，混合室13的另一側與中間混合室14相通，中間混合室14上設有冷卻氣體進口 15，中間混合室14通過超音速噴嘴 12與噴管11連通，超音速噴嘴12的出口和噴管11的進口處與準晶粉末進口 6相通，噴管 11的出口對應設置工件10，準晶粉末經火焰16攜帶，自超音速噴嘴12噴出后，以噴涂粒子 8在工件10的表面形成準晶涂層9。在噴管11、超音速噴嘴12、中間混合室14、混合室13 形成的管路上設置冷卻水循環結構，混合室13的管壁與冷卻水進口 4相通，噴管11的管壁與冷卻水出口 7相通。本發明中，冷卻氣體進口 15連有氣體流量控制器，中間混合室14中設置溫度傳感器17，溫度傳感器17與溫度控裝置相連。超音速噴嘴12參見中國發明專利(專利號ZL01128130.8)，其內腔為收縮段、喉部 5、擴張段三部分形成，收縮段為亞音速段，為維托辛基曲線形光滑連續收縮結構，與喉部5 過渡連接，擴散段為超音速段軸對稱位流式結構，與喉部5過渡連接，它包括初始膨脹段和消波段，初始膨脹段為光滑連續過渡結構，其間為泉流區，消波段為平行于軸線的軸對稱結構，其間為均勻區，所述收縮段與混合室13相連通。超音速噴嘴12進氣口的截面積與喉部和出氣口的截面積符合要求的比例，以保證氣流在出口處獲得超音速。噴涂粒子8在超音速噴嘴12的收縮段加速到音速，經噴嘴喉部5后，在超音速噴嘴12的擴張段繼續膨脹加速達到超音速，噴涂粒子8噴射到工件的表面，噴涂粒子8與工件表面碰撞發生嚴重的塑性變形粘接于工件表面，后繼的高動能顆粒重復這一過程，而形成準晶涂層。本發明的工作過程是本發明采用改進的HOVF技術，該技術的裝置在HVOF噴槍的燃燒末端增加中間混合室14，中間混合室14連有氣體流量控制器和溫度控裝置，引入冷卻氣體(氮氣)，隨引入氣體的流量可以降低并控制火焰的溫度，降低活潑金屬的氧化性，使噴涂粉末顆粒保持在熔點以下，使粉末和氣體形成氣-固雙相流，氣-固雙相流中的固體顆粒噴射到工件表面， 發生嚴重的塑性變形沉積于工件表面，后繼的高動能顆粒重復這一過程而，以固體狀態沉積于工件基體之上形成純度高(純度> 95wt% )的準晶涂層。上述溫噴涂制備準晶涂層的工藝參數范圍如下噴涂距離為50 300mm，氧氣壓強為0. 25 0. 75MPa,氧氣流量200 600L/min， 氮氣壓強為0. 15 0. 55MPa，氮氣流量50 300L/mm，燃氣C3H8壓強為0. 25 0. 65MPa， 燃氣流量20 lOOmL/min，噴涂溫度為500 1650°C，顆粒速度在900 1600m/s，準晶粉末的粒度為10 200 μ m,送粉速率1 50g/min，涂層厚度為10 5000微米，涂層與基體的抗拉強度30 80MPa，剪切強度20 50MPa。其中，準晶粉末的粒度優選為30 80微米，送粉速率優選為10 30g/min，涂層厚度優選為100 5000微米。本發明中，準晶粉末為穩定的準晶粉末，如A1-Cu-Fe、Al-Cu-Cr, Al-Cu-Fe-Cr, Al-Mn, Al-Mn-Si、Al-Mn-Fe、Al-Mn-Sn-Fe、Al-Fe、Al-Cr, ΑΙ-Co, Al-V, Al-ff 或 Al-Mo 等合金粉末。本發明中，工件基體材料可以為各種金屬材料(如鈦合金、鋁合金、鎂合金、碳鋼或不銹鋼等)。實施例1本實施例中，在鋁合金基體表面沉積準晶Al-Cu-Fe粉末涂層，工藝參數如下噴涂距離為100mm，氧氣壓強為0. 5MPa，氧氣流量200L/mm，氮氣壓強為0. 4MPa，氮氣流量200L/mm，燃氣C3H8壓強為0. 5MPa,燃氣流量50ml/min，噴涂溫度為1000°C，顆粒速度在900 1600m/s，準晶粉末的粒度為30 50 μ m,送粉速率20g/min，涂層厚度為500微米。本實施例中，準晶涂層分布均勻，結構致密，涂層與基體的抗拉強度60MPa，剪切強度35MPa，準晶相純度98wt%。實施例2本實施例中，在鈦合金基體表面沉積準晶Al-Cu-Cr粉末涂層，工藝參數如下噴涂距離為50mm，氧氣壓強為0. 25MPa，氧氣流量400L/min，氮氣壓強為0. 15MPa， 氮氣流量50L/min，燃氣C3H8壓強為0. 25MPa，燃氣流量20ml/min，噴涂溫度為500°C，顆粒速度在900 1600m/s，準晶粉末的粒度為10 30 μ m,送粉速率lOg/min，涂層厚度為1000 微米。本實施例中，準晶涂層分布均勻，結構致密，涂層與基體的抗拉強度80MPa，剪切強度50MPa，準晶相純度96wt%。實施例3本實施例中，在不銹鋼基體表面沉積Al-Cu-Fe-Cr準晶涂層，工藝參數如下噴涂距離為300mm，氧氣壓強為0. 75MPa，氧氣流量600L/min，氮氣壓強為 0. 55MPa，氮氣流量300L/mm，燃氣C3H8壓強為0. 65MPa，燃氣流量100ml/min，噴涂溫度為 15000C，顆粒速度在900 1600m/s，準晶粉末的粒度為50 80 μ m,送粉速率30g/min，涂層厚度為1500微米。本實施例中，準晶涂層分布均勻，結構致密，涂層與基體的抗拉強度70MPa，剪切強度40MPa，準晶相純度97wt %。實施例結果表明，本發明裝置簡單，操作方便，成本低、效率高，可以制備不同系列的準晶涂層，在多種材質基材上直接制備準晶合金涂層，可以制備多種系列的準晶涂層。
權利要求
1.一種制備準晶涂層的溫噴涂裝置，其特征在于，該裝置包括燃料入口、火花塞、氧氣入口、準晶粉末進口、噴管、超音速噴嘴、混合室、中間混合室、冷卻氣體進口，具體結構如下混合室的一側設置燃料入口、火花塞、氧氣入口，混合室的另一側與中間混合室相通， 中間混合室上設有冷卻氣體進口，中間混合室通過超音速噴嘴與噴管連通，超音速噴嘴的出口和噴管的進口處與準晶粉末進口相通。
2.按照權利要求1所述的制備準晶涂層的溫噴涂裝置，其特征在于，噴管的出口對應設置工件，經火焰攜帶、自超音速噴嘴噴出的準晶粉末，以噴涂粒子在工件的表面形成準晶涂層。
3.按照權利要求1所述的制備準晶涂層的溫噴涂裝置，其特征在于，在噴管、超音速噴嘴、中間混合室、混合室形成的管路上設置冷卻水循環結構，混合室的管壁與冷卻水進口相通，噴管的管壁與冷卻水出口相通。
4.按照權利要求1所述的制備準晶涂層的溫噴涂裝置，其特征在于，冷卻氣體進口連有氣體流量控制器，中間混合室中設置溫度傳感器，溫度傳感器與溫度控裝置相連。
5.按照權利要求1所述的制備準晶涂層的溫噴涂裝置，其特征在于，冷卻氣體為氮氣。
6.一種利用權利要求1所述裝置制備準晶涂層的溫噴涂的方法，其特征在于，中間混合室中引入冷卻氣體，隨引入氣體的流量調整，降低并控制火焰的溫度，降低活潑金屬的氧化性，使噴涂粉末顆粒保持在熔點以下，使粉末和氣體形成氣-固雙相流，氣-固雙相流中的固體顆粒噴射到工件表面，發生嚴重的塑性變形沉積于工件表面，后繼的高動能顆粒重復這一過程，從而通過溫噴涂形成準晶涂層。
7.按照權利要求6所述的制備準晶涂層的溫噴涂的方法，其特征在于，溫噴涂制備準晶涂層的工藝參數范圍如下噴涂距離為50 300mm，氧氣壓強為0. 25 0. 75MPa，氧氣流量200 600L/min，氮氣壓強為0. 15 0. 55MPa，氮氣流量50 300L/min,燃氣C3H8壓強為0. 25 0. 65MPa，燃氣流量20 100mL/min，噴涂溫度為500 1650°C，顆粒速度在900 1600m/s，準晶粉末的粒度為10 200 μ m,送粉速率1 50g/min，涂層厚度為10 5000微米，涂層與基體的抗拉強度30 80MPa，剪切強度20 50MPa。
8.按照權利要求6所述的制備準晶涂層的溫噴涂的方法，其特征在于，準晶粉末的粒度優選為30 80微米，送粉速率優選為10 30g/min，涂層厚度優選為100 5000微米。
9.按照權利要求6所述的制備準晶涂層的溫噴涂的方法，其特征在于，準晶粉末為穩定的準晶粉末A1-Cu-Fe、Al-Cu-Cr, Al-Cu-Fe-Cr, Al-Mn、Al-Mn-Si, Al-Mn-Fe, Al-Mn-Sn-Fe、Al-Fe、Al-Cr, ΑΙ-Co, Al-V, Al-W 或 Α1_Μο。
10.按照權利要求6所述的制備準晶涂層的溫噴涂的方法，其特征在于，工件基體材料為各種金屬材料。
全文摘要
本發明涉及表面涂層的制備領域，具體地說就是一種制備準晶涂層的溫噴涂裝置及方法。該裝置混合室的一側設置燃料入口、火花塞、氧氣入口，混合室的另一側與中間混合室相通，中間混合室上設有冷卻氣體進口，中間混合室通過超音速噴嘴與噴管連通，超音速噴嘴的出口和噴管的進口處與準晶粉末進口相通。本發明增加了冷卻氣體的中間混合室降低火焰溫度，使粉末和氣體形成氣-固雙相流。氣-固雙相流中的固體顆粒噴射到工件表面，發生嚴重的塑性變形沉積于工件表面，后繼的高動能顆粒重復這一過程而形成準晶合金涂層。本發明解決現有技術中存在的準晶相伴隨晶體相和涂層氣孔率高和存在微裂紋的問題，可以制備多種系列的準晶涂層。
文檔編號C23C4/12GK102560326SQ20121004321
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月24日 優先權日2012年2月24日
發明者吳杰, 崔新宇, 李鐵藩, 熊天英, 金花子 申請人:中國科學院金屬研究所