一種用于銅質螺旋槳表面損傷修復的冷噴涂裝置及方法與流程

本發明涉及冷噴技術領域，具體為一種用于銅質螺旋槳表面損傷修復的冷噴涂裝置及方法。

背景技術：

鎳鋁青銅合金因強度高，塑性、沖擊韌性好，抗腐蝕性、剝蝕性能強，以及良好澆注工藝性成為制作艦船等螺旋槳的首選。但螺旋槳作為艦船等大型海洋裝備的推進設備，工作環境惡劣，在航行中需承受巨大力矩及海水的沖擊、腐蝕，且因長年在海水中工作，受海生物等介質影響，常常產生腐蝕。發現螺旋槳有磨損、腐蝕或氣蝕等表面損傷后應及時修復，否則，不僅會使艦船水動力性能下降，更嚴重的是它將加速螺旋槳的氣蝕速度，一旦有了氣蝕洞穴，該處將更容易產生和附著氣泡，與光滑葉面和比，洞穴中的氣泡將更加難于脫離葉面。對于銅質螺旋槳的損傷修復，一般使用與該螺旋槳材質相同的焊條或焊絲，通過氣焊或氬弧焊方法進行修補。由于銅合金對應力腐蝕很敏感，焊前需預熱，而焊后又必須進行消除應力的熱處理，工藝難度大、條件艱苦。冷噴涂是近年來發展起來的一種新興的表面工程技術，以壓縮氣體(N₂、He、混合氣體或空氣等)驅動金屬粒子在完全固態下以極高的速度碰撞基板，使粒子發生強烈的塑性變形而沉積形成涂層的一種全新噴涂技術，它可以降低甚至完全消除傳統熱噴涂中氧化、相變、偏析、殘余拉應力和晶粒長大等不利影響，適于制備Cu、Ti等氧化敏感材料涂層，涂層與基體結合強度好，且效率高。

目前，堆焊是銅質螺旋槳損傷修復常用的方法，使用堆焊技術修復的銅質螺旋槳有一些不可忽視的缺點。第一，在焊接的高溫下，銅很容易氧化，造成塑性降低產生熱裂紋。第二，焊接時合金元素容易蒸發，促使熱裂紋、氣孔、夾渣的產生。第三，銅在高溫環境下過飽和氫的析出容易導致氣孔的產生。第四，銅合金焊接后，在使用的過程中有應力腐蝕裂紋的趨向，產生“自裂”。另外，由于銅合金對應力腐蝕很敏感，焊前需預熱，而焊后又必須進行消除應力的熱處理，工藝難度大、條件艱苦。例如氣焊時為防止熱量流失過快，影響施焊，需要同時另加幾把氣焊槍進行整體預熱，即使如此，堆焊修復也常因局部熱輸入量較大，發生過熱，引起螺旋槳葉面的變形。非熔化極氬弧焊修復螺旋槳葉面，雖然不用氣焊預熱和保溫即可施焊，但效率太低；熔化極氬弧焊雖然效率較高，但由于熱輸入較大，可能會導致變形，影響艦船螺旋槳尺寸和后續再加工。由于其表面腐蝕面積較大，需要整體進行修復，堆焊等傳統方法修復難度較大。

技術實現要素：

針對艦船銅質螺旋槳表面腐蝕損傷嚴重，缺少有效修復方法難題，采用冷噴涂技術對其進行修復，解決常規修復方法中尺寸恢復效率低、熱變形大、結合強度低等難題，實現船艇銅質螺旋槳表面腐蝕損傷的低應力、小變形、高性能修復，為提高銅質螺旋槳安全性能，延長其使用壽命；本發明提供一種用于銅質螺旋槳表面損傷修復的冷噴涂裝置及方法，它能有效的解決背景技術中存在的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種用于銅質螺旋槳表面損傷修復的冷噴涂裝置，包括送粉器、送粉閥、超音噴射裝置、高壓氣體供給機構、氣閥和高壓氣體加熱裝置；所述送粉器通過管路與超音噴射裝置連接；所述高壓氣體供給機構、高壓氣體加熱裝置和超音噴射裝置依次通過管路連接；所述送粉器和超音噴射裝置的管路上設有送粉閥；所述高壓氣體供給機構和高壓氣體加熱裝置之間的管路上設有氣閥。

一種用于銅質螺旋槳表面損傷修復的冷噴涂方法，包括以下步驟：

步驟一，將鎳鋁青銅粉末加入至送粉器；

步驟二，調節超音噴射裝置的噴嘴距鎳鋁青銅基體距離至20～40mm，設定送粉速率為30～50g/min，超音噴射裝置的噴嘴水平移動速率為5～15cm/min；

步驟三，利用高壓氣體供給機構將工業用氮送粉氣體增壓至3～4MPa；

步驟四，開啟高壓氣體加熱裝置將送粉氣體預熱至600～800℃；

步驟五，當送粉器加壓、預熱完畢后，打開送粉閥，粉末高速均勻噴出，噴射在鎳鋁青銅基體表面，形成涂層。

進一步，所述鎳鋁青銅粉末粒徑需分布在20～40μm之間。

進一步，所述步驟二中，超音噴射裝置的噴嘴距鎳鋁青銅基體距離最近為30mm。

進一步，所述步驟二中，送粉速率最佳為40g/min。

進一步，所述步驟二中，超音噴射裝置的噴嘴水平移動速率最佳為10cm/min。

進一步，所述步驟三中，加壓送粉氣體壓強為3.5MPa。

進一步，所述步驟四中，送粉氣體加熱后最佳溫度為700℃。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1.熱變形小；金屬材料在高于再結晶溫度下進行的塑性形變過程叫做熱變形；鎳鋁青銅的熱變形溫度為800～950℃，鎳銅合金的變形溫度為1050℃；可見，常用的銅合金材料的熱變形溫度都高于冷噴涂工作環境下的最高溫度；所以在冷噴涂的過程中，銅質螺旋槳發生熱變形的可能性較小；

2.孔隙率低；堆焊技術雖然經過多年的發展，是一項較為成熟的表面損傷修復技術；但鎳鋁青銅堆焊過程中，有很多因素會導致氣孔的產生，氣孔的產生會降低堆焊修復層的致密性和塑性，造成氣孔周圍應力集中，導致修復層裂縫的產生；冷噴涂的粉末粒子小于50μm，使用本方法制備的鎳鋁青銅涂層孔隙率約為2％，孔隙率水平較低；

3.機械性能優良；冷噴涂過程中，采用本發明中冷噴涂裝置及方法制備的鎳鋁青銅涂層平均顯微硬度為290.7 HV0.2，鎳鋁青銅基體的平均顯微硬度為185.4HV0.2，涂層顯微硬度提高了57.2％；同時，冷噴涂鎳鋁青銅涂層的摩擦性能較好；鎳鋁青銅基體在空氣中平均摩擦系數為0.228，在3.5％NaCl溶液中平均摩擦系數為0.226，涂層在空氣中平均摩擦系數為0.155，在3.5％NaCl溶液中平均摩擦系數為0.158；這說明，無論在空氣環境中還是腐蝕環境中，涂層的耐磨性能均優于基體。

4.良好的冷噴涂鎳鋁青銅涂層表面應平整致密，沒有肉眼可見的明顯孔洞和裂痕。

附圖說明

圖1為本發明的整體結構示意圖；

圖2為本發明中涂層與鎳鋁青銅基體摩擦顯微硬度關系圖；

圖3為本發明中涂層與鎳鋁青銅基體磨損率關系圖；

圖4為本發明中涂層與鎳鋁青銅基體摩擦系數關系圖；

附圖標記中：1.送粉器；2.送粉閥；3.超音噴射裝置；4.高壓氣體供給機構；5.氣閥；6.高壓氣體加熱裝置；7.涂層；8.鎳鋁青銅基體。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。

請參閱圖1，本發明提供一種技術方案：一種用于銅質螺旋槳表面損傷修復的冷噴涂裝置，包括送粉器1、送粉閥2、超音噴射裝置3、高壓氣體供給機構4、氣閥5和高壓氣體加熱裝置6；所述送粉器1通過管路與超音噴射裝置3連接；所述高壓氣體供給機構4、高壓氣體加熱裝置6和超音噴射裝置3依次通過管路連接；所述送粉器1和超音噴射裝置3的管路上設有送粉閥2；所述高壓氣體供給機構4和高壓氣體加熱裝置6之間的管路上設有氣閥5。

一種用于銅質螺旋槳表面損傷修復的冷噴涂方法，包括以下步驟：

步驟一，將鎳鋁青銅粉末加入至送粉器；

步驟二，調節超音噴射裝置的噴嘴距鎳鋁青銅基體距離至20～40mm，設定送粉速率為30～50g/min，超音噴射裝置的噴嘴水平移動速率為5～15cm/min；

步驟三，利用高壓氣體供給機構將工業用氮送粉氣體增壓至3～4MPa；

步驟四，開啟高壓氣體加熱裝置將送粉氣體預熱至600～800℃；

步驟五，當送粉器加壓、預熱完畢后，打開送粉閥，粉末高速均勻噴出，噴射在鎳鋁青銅基體表面，形成涂層。

進一步，所述鎳鋁青銅粉末粒徑需分布在20～40μm之間。

進一步，所述步驟二中，超音噴射裝置的噴嘴距鎳鋁青銅基體距離最近為30mm。

進一步，所述步驟二中，送粉速率最佳為40g/min。

進一步，所述步驟二中，超音噴射裝置的噴嘴水平移動速率最佳為10cm/min。

進一步，所述步驟三中，加壓送粉氣體最佳為3.5MPa。

進一步，所述步驟四中，送粉氣體加熱后最佳溫度為700℃。

相較于傳統的堆焊修復技術，本發明的用于銅質螺旋槳表面損傷修復的冷噴涂方法具有以下優點：

1.熱變形小；金屬材料在高于再結晶溫度下進行的塑性形變過程叫做熱變形；鎳鋁青銅的熱變形溫度為800～950℃，鎳銅合金的變形溫度為1050℃；可見，常用的銅合金材料的熱變形溫度都高于冷噴涂工作環境下的最高溫度；所以在冷噴涂的過程中，銅質螺旋槳發生熱變形的可能性較小；

2.孔隙率低；堆焊技術雖然經過幾十年的發展，是一項較為成熟的金屬修復技術；但是堆焊過程中，有很多因素會導致氣孔的產生，氣孔的產生會降低焊接接頭的嚴密性和塑性，造成氣孔周圍應力集中，導致焊接裂縫的產生；冷噴涂的粉末粒子小于50μm，使用本方法制備的鎳鋁青銅涂層孔隙率約為2％，孔隙率水平較低；

3.機械性能優良；冷噴涂過程中，本方法制備的鎳鋁青銅涂層平均顯微硬度為290.7 HV0.2，鎳鋁青銅基體的平均顯微硬度為185.4HV0.2，涂層顯微硬度提高了57.2％；同時，冷噴涂鎳鋁青銅涂層的摩擦性能較好；鎳鋁青銅基體在空氣中平均摩擦系數為0.228，在3.5％NaCl溶液中平均摩擦系數為0.226，涂層在空氣中平均摩擦系數為0.155，在3.5％NaCl溶液中平均摩擦系數為0.158；這說明，無論在空氣環境中還是腐蝕環境中，涂層的耐磨性能均優于基體。

4.良好的冷噴涂鎳鋁青銅涂層表面應平整致密，沒有肉眼可見的明顯孔洞和裂痕。

盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。