專利名稱：一種高致密還原性金屬涂層的制備方法
技術領域：
本發明屬于表面工程領域，涉及冷氣動力噴涂技術和超音速顆粒轟擊微鍛技術， 尤其涉及一種高致密還原性金屬涂層的制備方法。
背景技術：
冷氣動力噴涂技術是一項全新的金屬沉積技術，其原理是利用高壓氣體攜帶金屬 或合金微粒通過特殊噴嘴加至超音速以上，高速飛行的金屬或合金微粒撞擊在基板表面， 通過微粒和基板的雙重強烈塑性變形實現粘接，形成涂層。冷氣動力噴涂的優勢在于金屬 或合金微粒在溫度低于噴涂材料熔點的固態下沉積形成涂層，對粉末顆粒熱影響小，制備 的涂層性質基本上與原料性質相同。目前的研究表明冷氣動力噴涂技術可以實現包括金屬 Al、Cu、Ni、Zn、NiCr等金屬或合金的沉積，其最大的特點是可以噴涂易于氧化的還原性金 屬，例如Cu及其合金，在冶金工具修復領域具有廣闊的應用前景。中國專利，專利公開號CN1781644，專利名稱“薄帶連鑄結晶輥修復方法”，提供了 一種結晶輥表面修復及表面再生技術。采用冷氣動力噴涂的方法，利用壓縮氣體攜帶金屬 顆粒以足夠高的速度撞擊結晶輥的表面，金屬顆粒產生足夠的變形而發生粘結，再生形成 結晶輥特定幾何形狀的外表面。中國專利，專利公開號CN1782128，專利名稱“利用冷噴涂得超合金修補”，提供了 一種用于修補由超合金材料形成的部件的方法，采用冷氣動力噴涂技術將超合金材料沉積 到部件表面上，并由此覆蓋缺陷。中國專利，專利公開號CN1781623，專利名稱“連鑄結晶制造方法”提供了一種連 鑄結晶輥制造方法，首先在結晶輥的輥芯上沿輥芯軸向開進、出水孔，在輥芯壁上開有導水 孔，分別連通進、出水孔及輥芯外表面；在結晶輥的輥芯外表面上安裝金屬管，分別通過輥 芯壁上的導水孔與進、出水孔連通構成多個冷卻回路，形成結晶輥冷卻系統；采用冷氣動力 噴涂，以大于1. OMI^a壓力氣體驅動金屬顆粒以高速撞擊結晶輥輥芯外表面，金屬顆粒發生 足夠的變形而粘結在結晶輥輥芯表面和冷卻回路外表面上，填充孔隙，進而形成足夠的涂 層厚度將冷卻回路完全掩埋，并形成足夠厚度的結晶輥輥套，完成結晶輥的制造。中國專利，專利公開號CN1781643，專利名稱“結晶器銅板修復方法”，提供了一種 結晶器銅板修復方法，采用氣動力噴涂的方法，用高壓壓縮氣體驅動微小金屬顆粒以足夠 高的速度撞擊結晶器需要修復的表面，微小顆粒發生足夠的塑性變形而粘結在結晶器的表 面上形成新的表面，填充裂縫或磨損凹槽等。中國專利，專利公開號CN27M775，專利名稱“薄帶連鑄結晶輥”，提供了一種薄帶 連鑄結晶輥，結晶輥輥套采用冷氣動力噴涂沉積金屬形成。然而，常規冷氣動力噴涂涂層往往存在大量的氣孔和因顆粒變形不充分形成的缺 陷，涂層致密度低，只能達到85% -95%之間，并且金屬涂層中的密閉氣孔或缺陷內會儲存 一定量的高壓氣，在后續熱處理過程中易膨脹長大，形成較大的缺陷，會大大降低涂層的導 電、導熱、耐蝕性能和強度、硬度及耐磨性能。
發明內容
本發明的目的是提供一種高致密度還原性金屬涂層的制備方法，工藝簡單，容易 實施，流程短，效率高，適應范圍廣，且微鍛顆粒轟擊鍛造與冷氣動力噴涂涂層可同時在線 進行，不需要額外特殊裝備，制備過程中只需使用不同種類的噴涂顆粒，即能夠在工件整個 表面或局部表面獲得高致密度金屬涂層，涂層的致密度達到99%以上，遠高于傳統冷氣動 力噴涂法沉積的涂層。本發明的目的是這樣實現的一種高致密還原性金屬涂層的制備方法，包含以下 步驟步驟1 清理基體表面，可以采用機械加工方法，如磨光、拋光，也可以采用化學方 法，如酸洗，得到干燥光滑表面；步驟2 對所得的干燥光滑表面進行毛化處理，得到有一定粗糙度的新鮮表面的 工件，粗糙度范圍為RaO. 1 RalO ；步驟3 通過噴涂槍加速驅動氣體和金屬顆粒形成的氣固雙相流撞擊所得的工件 表面，得到低致密度涂層；步驟4 通過轟擊槍加速驅動氣體和微鍛顆粒形成的氣固雙相流轟擊工件表面， 得到高致密涂層。優選地，所述步驟2的最佳粗糙度范圍為Ral. 0 Ra5. 0。在上述步驟中，步驟3中的金屬顆粒可以是鋁及鋁合金、鋅及鋅合金、錫及錫合 金、銅及銅合金、鎳及鎳合金、鉻及鉻合金、鈦及鈦合金、鐵及鐵合金、鈷及鈷合金中的一種 或兩種以上合金的混合微粒。金屬顆粒可以是球形，也可以是近似球形的其它形狀。微粒的粒徑范圍為1 100 μ m，最佳粒徑范圍為5 30 μ m，驅動氣體溫度范圍為 25 800°C，驅動氣體壓力范圍為1 5MPa，單層沉積厚度范圍為10 500 μ m，最佳單層 沉積厚度范圍為80 200 μ m。采用冷氣動力噴涂原理，利用噴涂槍加速高壓氣體與還原性金屬或合金微粒組成 的氣固雙相流，使其速度超過金屬涂層沉積所需的臨界速度，高速金屬或合金微粒撞擊工 件表面，沉積形成涂層，此時涂層內部存在較多空隙，致密度較低。在噴涂過程中，噴涂槍出口與工件間距范圍為10 60mm，最佳間距范圍為25 45mm。步驟4中的微鍛顆粒為金屬顆粒硬度的1. 5倍以上，這里的微鍛顆粒可以是氧化 鋁、氧化鈦、氧化鋯、氧化釔、二氧化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硅、碳化鎢、金剛石，也可以是 硬鉻、鎢合金、高速鋼、高溫合金、鉭合金、非晶態合金中的一種或兩種以上混合微粒。微鍛 顆粒為球形，粒度偏差不超過10%。微粒的粒徑范圍為10 2000 μ m,最佳粒徑范圍為50 500 μ m,驅動氣體溫度范 圍為25 800°C，驅動氣體壓力范圍為0. 5 3MPa，轟擊密度50 50000個/mm2。最佳微 鍛溫度范圍為0. 3-0. 6Tm，Tffl為所制備涂層金屬的熔點；最佳微鍛變形層范圍為1-1. 5HC, Hc 為單道次涂層制備厚度。利用轟擊槍加速高壓氣體和微鍛顆粒組成的氣固雙相流，使微鍛顆粒獲得很高的 動能，正面反復轟擊已沉積涂層，微鍛顆粒對涂層實現高頻微區鍛造，使涂層材料發生強烈塑性變形，變形過程中涂層內部孔洞、氣包等缺陷受微鍛顆粒沖擊而融合、消失，從而得到 高致密涂層；在噴涂過程中，轟擊槍出口與工件間距范圍為10 150mm，最佳間距范圍為40 60mmo優選地，所述噴涂槍和轟擊槍平行且位于同一水平線上，轟擊槍位于噴涂槍之后， 噴涂槍和轟擊槍做線性運動，工件做旋轉運動優選地，噴涂槍和轟擊槍同時進行或間斷進行。在高致密還原性金屬涂層的制備過程的步驟4中高致密涂層可進行去應力退火處理，也可不進行退火處理；退火工藝可在單道次 涂層制備過程中進行，也可以在涂層制備完成后進行。本發明由于采用了以上技術方案，使之與現有技術相比，具有以下優點和積極效 果(1)所得的金屬涂層更加致密，涂層致密度達到99%以上，遠高于傳統冷氣動力 噴涂法沉積的涂層；(2)所得金屬涂層材料晶粒更加細小，涂層自身強度增加10%以上，涂層硬度增 加15%以上；(3)所得金屬涂層導熱、導電性提高5%以上；(4)涂層沉積和微鍛可同時在線完成，不需要特殊設備，效率較高；(5)金屬涂層熱處理條件大大降低，通過適當的熱處理，消除涂層內部應力，調整 涂層內部組織，可進一步提升涂層的致密度和使用性能。
以下結合附圖和具體實施例來對本發明作進一步說明。
圖1為高速顆粒微鍛輔助冷氣動力噴涂原理。圖2常規冷氣動力噴涂CrfrCu合金涂層金相圖。圖3高致密冷氣動力噴涂CrfrCu合金涂層金相圖。圖4常規冷氣動力噴涂Ni合金涂層金相圖。圖5高致密冷氣動力噴涂Ni合金涂層金相圖。圖中1-工件2-噴涂槍3-金屬顆粒4-轟擊槍 5-微鍛顆粒 6-噴涂槍運動方向
具體實施例方式如圖1所示，采用冷氣動力噴涂原理，利用噴涂槍2加速高壓氣體與還原性金屬顆 粒3組成的氣固雙相流，使其速度超過金屬涂層沉積所需的臨界速度，高速金屬顆粒3撞擊 工件1表面，沉積形成涂層，此時涂層內部存在較多缺陷，致密度低；利用轟擊槍4加速高壓氣體和微鍛顆粒5組成的氣固雙相流，使微鍛顆粒獲得很 高的動能，正面反復轟擊已沉積涂層，微鍛顆粒對涂層實現高頻微區鍛造，使涂層材料發生 強烈塑性變形，變形過程中涂層內部孔洞、氣包等缺陷受微鍛顆粒沖擊而融合、消失，從而得到高致密涂層.上述高致密涂層制備過程中，基體與機械手攜帶的噴涂槍2和轟擊槍4做線性運 動，工件1做旋轉運動，噴涂槍2和轟擊槍4平行且位于同一水平線上，沿噴槍移動方向，轟 擊槍4位于噴涂槍2之后。下面為本發明的實施例的具體實施數據實施例1金屬顆粒為CrfrCu合金，球形，平均粒徑22 μ m ；基體為CrfrCu合金，表面粗糙度 Ra2. 6 μ m，表面為新鮮、未氧化表面；驅動氣體為工業氮氣，驅動氣體壓力2. 4MPa，驅動氣 體溫度400°C，噴涂槍與工件表面距離為30mm，單層沉積厚度100 μ m ；微鍛顆粒為α -Al2O3， 球形，平均粒徑80 μ m,驅動氣體為氮氣，驅動氣體壓力1. 6Mpa,驅動氣體溫度400°C，轟擊 槍與涂層表面距離為40mm，微鍛涂層溫度350°C，轟擊密度平均600個/mm2。如圖2和圖4所示，常規工藝制備冷氣動力噴涂涂層，致密度為90%。如圖3和圖5所示，使用本發明的高致密度還原性金屬涂層的制備方法，致密度達 到99. 5%，致密度較常規冷氣動力噴涂涂層大幅提高。實施例2金屬顆粒為Ni合金，球形，平均粒徑15 μ m ；基體為CrfrCu合金，表面粗糙度 Rd.Oym，表面為新鮮、未氧化表面；驅動氣體為工業氮氣，驅動氣體壓力2. 8MPa，驅動氣 體溫度480°C，噴涂槍與工件表面距離為30mm，單層沉積厚度70 μ m ；微鍛顆粒為氧化釔陶 瓷，球形，平均粒徑100 μ m，驅動氣體為氮氣，驅動氣體壓力1. 7Mpa，驅動氣體溫度500°C， 轟擊槍與涂層表面距離為33mm，微鍛涂層溫度420°C，轟擊密度平均500個/mm2。常規工藝制備冷氣動力噴涂涂層，致密度為92% ；使用本發明的高致密度還原性 金屬涂層的制備方法，致密度達到99. 5%。實施例3金屬顆粒為Ti合金，球形，平均粒徑25 μ m;基體為304不銹鋼，表面粗糙度 Ra3. 2 μ m，表面為新鮮、未氧化表面；驅動氣體為工業氮氣，驅動氣體壓力2. 7MPa，驅動氣 體溫度550°C，噴涂槍與工件表面距離為33mm，單層沉積厚度120 μ m ；微鍛顆粒為碳化鎢顆 粒，球形，平均粒徑200 μ m，驅動氣體為氮氣，驅動氣體壓力2. OMpa,驅動氣體溫度600°C， 轟擊槍與涂層表面距離為38mm，微鍛涂層溫度500°C，轟擊密度平均400個/mm2。使用本發明的高致密度還原性金屬涂層的制備方法，較常規工藝制備冷氣動力噴 涂涂層致密度提高8 %，致密度達到99. 5 %。實施例4金屬顆粒為304不銹鋼(屬于鐵合金的一種)，球形，平均粒徑18 μ m ；基體為普通 碳鋼，表面粗糙度Ra2. 5 μ m,表面為新鮮、未氧化表面；驅動氣體為工業氮氣，驅動氣體壓 力4. OMPa,驅動氣體溫度750°C，噴涂槍與工件表面距離為25mm，單層沉積厚度80 μ m ；微鍛 顆粒為碳化鎢與碳化硅的混合物，球形，平均粒徑300 μ m，驅動氣體為氦氣，驅動氣體壓力 2. 4Mpa,驅動氣體溫度750°C，轟擊槍與涂層表面距離為洲讓，微鍛涂層溫度580°C，轟擊密 度平均360個/mm2。使用本發明的制備方法制備的304不銹鋼涂層致密度達到99%。實施例5
金屬顆粒為鋅鋁合金，球形，平均粒徑35 μ m;基體為6061鋁合金，表面粗糙度 Radym,表面為新鮮、未氧化表面；驅動氣體為工業氮氣，驅動氣體壓力2. OMPa，驅動氣體 溫度350°C，噴涂槍與工件表面距離為40mm，單層沉積厚度80 μ m ；微鍛顆粒為高速鋼，球 形，平均粒徑200 μ m，驅動氣體為壓縮空氣，驅動氣體壓力1. OMpa,驅動氣體溫度200°C，轟 擊槍與涂層表面距離為40mm，微鍛涂層溫度100°C，轟擊密度平均420個/mm2。使用本發明的高致密度還原性金屬涂層的制備方法，制備的鋅鋁合金涂層致密度 達到99. 5%。實施例6金屬顆粒為銅鎳混合物，球形，平均粒徑20 μ m ；基體為CrfrCu合金，表面粗糙 度Ra2. 9 μ m，表面為新鮮、未氧化表面；驅動氣體為工業氮氣，驅動氣體壓力3. OMPa，驅動 氣體溫度420°C，噴涂槍與工件表面距離為36mm，單層沉積厚度110 μ m ；微鍛顆粒為鐵基 非晶合金，球形，平均粒徑400 μ m，驅動氣體為氦氣，驅動氣體壓力2. 5Mpa,驅動氣體溫度 5000C，轟擊槍與涂層表面距離為40mm，微鍛涂層溫度450°C，轟擊密度平均300個/mm2。使用本發明的高致密度還原性金屬涂層的制備方法，制備的銅鎳混合涂層致密度 達到99%。實施例7金屬顆粒為鎳鋁混合物，球形，平均粒徑30 μ m ；基體為6061鋁合金，表面粗糙度 Ra5. 4 μ m，表面為新鮮、未氧化表面；驅動氣體為工業氮氣，驅動氣體壓力2. 7MPa，驅動氣 體溫度400°C，噴涂槍與工件表面距離為40mm，單層沉積厚度160 μ m ；微鍛顆粒為氮化硼， 球形，平均粒徑800 μ m，驅動氣體為高壓壓縮空氣，驅動氣體壓力2. 8Mpa,驅動氣體溫度 480°C，轟擊槍與涂層表面距離為50mm，微鍛涂層溫度350°C，轟擊密度平均200個/mm2。使用本發明的高致密度還原性金屬涂層的制備方法，制備的鎳鋁涂層致密度達到 99%。實施例8金屬顆粒為鎳鉻合金，球形，平均粒徑Mym;基體為普通碳鋼，表面粗糙度 Ra3. 5 μ m，表面為新鮮、未氧化表面；驅動氣體為工業氦氣，驅動氣體壓力3. 8. OMPa，驅動 氣體溫度650°C，噴涂槍與工件表面距離為30mm，單層沉積厚度120 μ m ；微鍛顆粒為碳化鎢 與碳化硅的混合物，球形，平均粒徑500 μ m,驅動氣體為氮氣，驅動氣體壓力2. 4Mpa,驅動氣體溫度750°C，轟擊槍與涂層表面距離為35mm，微鍛涂層溫度650°C，轟擊密度平均180個/ 2 /mm 。實施例9金屬顆粒為錫合金，橢圓形，平均粒徑95 μ m;基體為鋁板，表面粗糙度Ra 9，表面 為新鮮、未氧化表面；驅動氣體為工業氦氣，驅動氣體壓力2MPa，驅動氣體溫度50°C，噴涂 槍與工件表面距離為55mm，單層沉積厚度300 μ m ；微鍛顆粒為碳化鎢與碳化硅的混合物， 球形，平均粒徑1500 μ m,驅動氣體為氮氣，驅動氣體壓力IMPa，驅動氣體溫度為25°C，轟擊 槍與涂層表面距離為120mm，微鍛涂層溫度30°C，轟擊密度平均80個/mm2。實施例10金屬顆粒為鎳合金與鉻合金混合物，球形，平均粒徑7 μ m ；基體為純銅，表面粗糙 度Ra 1.0，表面為新鮮、未氧化表面；驅動氣體為工業氦氣，驅動氣體壓力3. 5MPa，驅動氣體溫度650°C，噴涂槍與工件表面距離為15mm，單層沉積厚度15 μ m ；微鍛顆粒為碳化硅，球 形，平均粒徑20 μ m,驅動氣體為氮氣，驅動氣體壓力3. OMPa,驅動氣體溫度750°C，轟擊槍 與涂層表面距離為15mm，微鍛涂層溫度700°C，轟擊密度平均45000個/mm2。使用本發明的高致密度還原性金屬涂層的制備方法，制備的鎳鉻合金涂層致密度 達到99%。綜上所述，本發明工藝簡單，容易實施，流程短，效率高，適應范圍廣，不需要額外 特殊裝備，制備過程中只需使用不同種類的噴漆顆粒，就能夠在工件整個表面或局部表面 獲得高致密度金屬涂層，因而具備良好的推廣及應用前景。要注意的是，以上列舉的僅為本發明的幾個具體實施例，顯然本發明不限于以上 實施例，隨之有著許多的類似變化。本領域的技術人員如果從本發明公開的內容直接導出 或聯想到的所有變形，均應屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種高致密還原性金屬涂層的制備方法，其特征在于包含以下步驟步驟1 清理基體表面，得到干燥光滑表面；步驟2 對所得的干燥光滑表面進行毛化處理，得到有一定粗糙度的新鮮表面的工件， 粗糙度范圍為RaO. 1 RalO ；步驟3 通過噴涂槍加速驅動氣體和金屬顆粒形成的氣固雙相流撞擊所得的工件表 面，得到致密度較低的涂層；金屬顆粒為球狀或近似球狀的其他形狀，微粒的粒徑范圍為 1 100 μ m，驅動氣體溫度范圍為25 800°C，驅動氣體壓力范圍為1 5MPa，單層沉積厚 度范圍為10 500 μ m，噴涂槍出口與工件間距范圍為10 60mm;步驟4:通過轟擊槍加速驅動氣體和微鍛顆粒形成的氣固雙相流轟擊工件表面，得到 高致密涂層；微鍛顆粒為球狀，粒度偏差不超過10%，硬度為金屬顆粒硬度的1. 5倍以上； 微鍛顆粒的粒徑范圍為10 2000 μ m，驅動氣體溫度范圍為25 800°C，驅動氣體壓力范 圍為0. 5 3MPa，轟擊密度50 50000個/mm2，轟擊槍出口與工件間距范圍為10 150mm ； 微鍛溫度范圍為0. 3-0. 6Tm，Tm為所制備涂層金屬的熔點；微鍛變形層范圍為1-1. 5HC,HC為 單道次涂層制備厚度。
2.如權利要求1所述的高致密還原性金屬涂層的制備方法，其特征在于所述步驟2 的粗糙度范圍為Ral. 0 Ra5. 0。
3.如權利要求1所述的高致密還原性金屬涂層的制備方法，其特征在于所述步驟3 中的金屬顆粒為鋁及鋁合金、鋅及鋅合金、錫及錫合金、銅及銅合金、鎳及鎳合金、鉻及鉻合 金、鈦及鈦合金、鐵及鐵合金、鈷及鈷合金中的一種或兩種以上合金的混合微粒。
4.如權利要求1或3所述的高致密還原性金屬涂層的制備方法，其特征在于所述步 驟3的粒徑范圍為5 30 μ m，單層沉積厚度范圍為80 200 μ m,噴涂槍出口與工件的間 距范圍為25 45mm。
5.如權利要求1所述的高致密還原性金屬涂層的制備方法，其特征在于所述步驟4 中的微鍛顆粒為氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯、氧化釔、二氧化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硅、碳化 鎢、金剛石，也可以是硬鉻、鎢合金、高速鋼、高溫合金、鉭合金、非晶態合金中的一種或兩種 以上混合微粒。
6.如權利要求1或5所述的高致密還原性金屬涂層的制備方法，其特征在于所述步 驟4的粒徑范圍為50 500 μ m，轟擊槍出口和工件的間距范圍為40 60mm
7.如權利要求1所述的高致密還原性金屬涂層的制備方法，其特征在于所述噴涂槍 和轟擊槍平行且位于同一水平線上，轟擊槍位于噴涂槍之后，噴涂槍和轟擊槍做線性運動， 工件做旋轉運動。
8.如權利要求1或7所述的高致密還原性金屬涂層的制備方法，其特征在于噴涂槍 和轟擊槍同時進行或間斷進行。
全文摘要
本發明提供一種高致密還原性金屬涂層的制備方法，包含以下步驟1)清理基體表面，得到干燥光滑表面；2)對所得的干燥光滑表面進行毛化處理，得到有一定粗糙度的新鮮表面的工件，粗糙度范圍為Ra0.1～Ra10；3)通過噴涂槍加速驅動氣體和金屬顆粒形成的氣固雙相流撞擊所得的工件表面，得到致密度較低的涂層；4)通過轟擊槍加速驅動氣體和微鍛顆粒形成的氣固雙相流轟擊工件表面，得到高致密涂層。通過本發明使金屬涂層更加致密，涂層致密度達到99％以上，涂層自身強度增加10％以上，涂層硬度增加15％以上。本發明工藝簡單、實施容易、流程短、效率高、適用范圍廣，因而具備良好的推廣及應用前景。
文檔編號C23C24/04GK102041500SQ20091019765
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月26日 優先權日2009年10月26日
發明者史弼, 張俊寶, 張宇軍, 梁永立 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司