一種金屬陶瓷涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬陶瓷涂層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超音速火焰噴涂是熟噴涂技術(shù)上的一大突破。為了抗衡美國(guó)聯(lián)合碳化物(Un1nCarbide)公司的爆炸噴涂的技術(shù)壟斷(D — Gun噴槍)，上世紀(jì)60年代初期，美國(guó)人J.Browning發(fā)明了超音速火焰噴涂技術(shù)(High Velocity Oxygen Fuel，HVOF)，稱之為“Jet—Kote”，并于1983年獲得美國(guó)專利。HV0F噴涂槍與普通火焰噴涂槍的不同之處是，它有一個(gè)供氧氣與燃料(可用燃料包括丙烯、乙炔、丙烷、氫氣、煤油等)進(jìn)行燃燒的高溫高壓燃燒室，并且體積迅速膨脹的燃燒產(chǎn)物是經(jīng)由一個(gè)壓縮噴嘴噴射出去。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是為了在噴槍的出口處獲得超音速焰流，以便使通過(guò)載氣送進(jìn)焰流的粉末獲得超音速。由于以超音速飛行的顆粒撞擊到基體表面時(shí)變形更充分，所以HV0F噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度、密度和硬度都非常高。
[0003]HV0F的發(fā)展歷經(jīng)幾代技術(shù)更新，在提高焰流速度、降低焰流溫度和降低生產(chǎn)運(yùn)行成本上做了很多工作。根據(jù)燃燒室形式的不同，HV0F噴槍先后有Jet.K0te、Diam0nd。盡管噴槍結(jié)構(gòu)和功能上有所差異，但其工作原理類似，都是將進(jìn)入燃燒室內(nèi)的燃料和助燃?xì)怏w混合后點(diǎn)燃，發(fā)生劇烈的氣相燃燒反應(yīng)，使得燃燒產(chǎn)物急劇膨脹流經(jīng)噴管，受到噴管約束作用形成超音速高溫火焰流，焰流速度可達(dá)到1500rn/s以上，在焰流中可以看到清晰的“馬赫錐”，焰流的溫度可以達(dá)到3000〃C左右。
[0004]HV0F噴涂技術(shù)的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在:
[0005](1)噴材范圍廣，可噴涂各種金屬及合金、陶瓷、金屬陶瓷、金屬問(wèn)化合物、非金屬礦物、塑料等幾乎所有固體工程材料，因此可以制備多種保護(hù)涂層和功能涂層。
[0006](2)對(duì)基體材料的熟影響小，町制各納米結(jié)構(gòu)涂層，能夠原位沉積納米粒子。保持納米特性，形成納米結(jié)構(gòu)涂層:HV0F噴涂溫度相對(duì)比較低，尤其是冷噴涂技術(shù)，對(duì)基體材料的熱影響小。
[0007](3)火焰及噴涂粒子的速度極高，火焰速度可咀達(dá)到音速的2倍以上，熔粒的速度可達(dá)1000-1200m/s，軟化后的粒子對(duì)基體表面的沖擊能量很大，能夠獲得結(jié)合較好地涂層。涂層致密，結(jié)合強(qiáng)度高，涂層的孔隙率可小于01 %，結(jié)合力大，接近或達(dá)到爆炸噴涂的質(zhì)量。
[0008](4)熔粒與周圍大氣接觸時(shí)間短，火焰溫度不超過(guò)3000〃C，粉末在噴嘴通道中停留的時(shí)間長(zhǎng)，離開(kāi)噴嘴后高速飛行，和周圍大氣接觸時(shí)間短，因而和大氣幾乎不發(fā)生反應(yīng)，涂層材料不受到損害，微觀組織變化小，能保持其特點(diǎn)。特別適合于噴涂碳化物和硼化物等金屬陶瓷材料，避免分解和脫碳。
[0009](5)涂層沉積效率高，制作厚膜涂層。與通常的電鍍、化學(xué)鍍、離子鍍、pVID、CVD等技術(shù)相比，HV0F的沉積率更高，涂層厚度能夠控制，可噴幾十微米到幾毫米.甚至更厚。
[0010](6)工件尺寸和施工場(chǎng)所的限制小。既可咀噴涂大型重型工件，又可以噴涂小件、薄壁件:既可以在工廠內(nèi)實(shí)旌噴涂，也可在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。
[0011](7)其缺點(diǎn)是熱能利用率不高、氣體耗量大(目前噴槍所消耗的氣體遠(yuǎn)大于一般火焰噴滁)、工作環(huán)境噪聲和粉塵較大。對(duì)具有復(fù)雜型面、細(xì)長(zhǎng)內(nèi)孔、凹腔等工件比較難阻制得質(zhì)量合格的涂層。
[0012]熱噴涂技術(shù)包括了材料、設(shè)備及工藝三個(gè)主要方面，該技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到了航空航天、冶金、機(jī)械、石油化工、汽車燈國(guó)民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域，在各方面都有了極大的進(jìn)步與完善。在熱噴涂材料的選擇上，從最初的低熔點(diǎn)金屬絲材，到現(xiàn)在功能各異的復(fù)合粉末，其發(fā)展也伴隨著功能訴求、制粉工藝、噴涂方法的不斷提高。
[0013]復(fù)合材料可簡(jiǎn)單地分為高分子基、金屬基、金屬間化合物基和陶瓷基等復(fù)合材料。從強(qiáng)度和比重的角度來(lái)看，高分子基復(fù)合材料在室溫附近具有優(yōu)勢(shì)，而金屬基復(fù)合材料在中溫區(qū)域、金屬間化合物基復(fù)合材料在高溫區(qū)域、陶瓷基復(fù)合材料在更高溫度區(qū)域具有優(yōu)勢(shì)。
[0014]熱噴涂材料是熱噴涂生產(chǎn)的基礎(chǔ)，按照其性能可以分為:耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、熱障、封嚴(yán)、吸波、潤(rùn)滑、絕緣等。我國(guó)研究及應(yīng)用的熱噴涂材料品種達(dá)數(shù)百種，實(shí)際使用的熱噴涂材料約為百種。
[0015]耐磨損是熱噴涂涂層一個(gè)重要的功能。幾乎所有的機(jī)械設(shè)備都會(huì)遇到磨損的問(wèn)題，特別是磨粒磨損與沖蝕磨損最為常見(jiàn)。噴涂材料按照抗磨粒磨損性能由強(qiáng)到弱的順序大致為:碳化物、自熔合金、氧化物陶瓷、難熔金屬、有色金屬。這是因?yàn)橥繉幽湍チＤp的性能與其硬度有直接關(guān)系，例如在常溫下TiC和WC都具有很高的硬度，TiC的硬度隨著溫度的升高會(huì)急劇下降，而WC在1000" (2時(shí)硬度下降較少，因而，wC是當(dāng)今應(yīng)用最廣的耐磨材料。
[0016]碳化物陶瓷單獨(dú)作為噴涂材料作涂層比較困難，一般都要與起黏結(jié)作用的金屬(鈷，鎳)合用，做成金屬陶瓷才能將硬而脆的碳化物顆粒連接起來(lái)，達(dá)到一定強(qiáng)度，改善了塑性，這樣才能進(jìn)行噴涂。以WC為主要功能成分，同時(shí)考慮到涂層材料其他方面的要求，例如韌性、強(qiáng)度、耐蝕性等等，衍生出了幾種市場(chǎng)上常見(jiàn)的材料:WC.12Co、WC — 17Co、WC —20Co、WC-10Co-4Cr、WC 一 6Co 一 8Cr、WC 一 20Cr3C27N1、WC_17N1、WC-35、(NiCrCr3C2)等等。這些粉的制備工藝又各有不同，常見(jiàn)的類型有混合型、團(tuán)聚型、燒結(jié)破碎型及包覆型，從而在性能上也有一定差異。由碳化物組成的多種粉末，他們是HV0F噴涂為數(shù)不多的最佳選用粉末，制得的涂層具有優(yōu)異的耐磨損性能。
[0017]熱噴涂技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在表面工程領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域。在熱噴涂的大家庭中，超音速火焰噴涂因自身的優(yōu)越性受到了更多的關(guān)注，用該方法制得的涂層能獲得與集體良好的結(jié)合，涂層致密，同時(shí)因?yàn)榭捎糜趪娡康牟牧蠋缀鹾w了工程領(lǐng)域內(nèi)的絕大多數(shù)種類，所以應(yīng)用范圍之廣也是其他噴涂所不可及的。
[0018]美國(guó)近年來(lái)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件如飛機(jī)的起落架、壓縮機(jī)葉片、軸承套以及活塞部件等上使用HV0F技術(shù)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，可完全取代以前使用的爆炸噴涂層，旨在降低成本；英國(guó)在汽輪機(jī)第一級(jí)靜