等離子噴焊制備合金陶瓷復合涂層的方法及等離子噴焊槍與流程

本發明涉及一種復合涂層的制造方法，尤其是一種等離子噴焊制備合金陶瓷復合涂層的方法。此外，本發明還涉及一種等離子噴焊槍。

背景技術：

和常規金屬材料相比，采用陶瓷顆粒增強的金屬-陶瓷復合材料具有更好的硬度以及耐磨性。碳化鎢(WC)由于具備較高的硬度(HV1700)、熔點(2870℃)以及良好的浸潤性，常常被添加到鎳基、鐵基以及鈷基合金基體中，制成金屬-陶瓷復合強化層，大量應用于水電、火電、鋼鐵、礦山、冶金及石油開采裝備上，以提高工作面抵御高溫沖擊、磨粒磨損的能力。常用的制備方法有燒結以及堆焊，和燒結工藝相比，堆焊工藝對WC顆粒尺寸以及基體尺寸限制較少，易于操作，在耐磨場合中得到了更廣泛的應用。常用的堆焊工藝有手工氬弧堆焊、火焰堆焊、埋弧堆焊、等離子噴焊等，其中等離子噴焊工藝由于使用粉末狀填充材料，稀釋率低，更適合制備高WC含量的金屬-WC復合材料強化層。

傳統的等離子噴焊槍只具有一個送粉通道，從送粉器輸送出來的粉末(可以是合金粉末、陶瓷粉末或兩者的混合物)在送粉氣吹動下，通過槍體內的送粉通道流動至噴嘴，在噴嘴壓縮孔道內直接進入電弧(稱為內送粉)，或是流出噴嘴后，在噴嘴外部飛行一段距離后再進入弧柱(稱為外送粉)。采用傳統的單路送粉等離子噴焊槍制備鎳基合金-碳化鎢復合材料耐磨強化層時，WC顆粒先和作為粘接相的鎳基合金粉末按一定比例混合，同時輸送至等離子體電弧弧柱中，由于弧柱溫度很高(高達8000-10000℃)，WC顆粒溫度急劇升高，表面氧化、分解、脫碳現象嚴重，導致WC顆粒燒損，硬度顯著下降，起不到耐磨作用，小顆粒的WC顆粒甚至完全熔化在熔池中，對強化層韌性產生不利影響。為控制WC顆粒溫度，有必要采用單獨輸送WC顆粒的送粉方式，以消除電弧高溫對WC顆粒性能的損傷。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種避免陶瓷顆粒燒損的等離子噴焊制備合金陶瓷復合涂層的方法。

本發明解決其技術問題所采用的等離子噴焊制備合金陶瓷復合涂層的方法，首先預處理基體表面、合金粉末和陶瓷顆粒；然后利用等離子噴焊槍將合金粉末和陶瓷顆粒熔覆在基體表面，如此形成金屬-陶瓷復合材料強化層；在進行等離子噴焊時，將合金粉末直接輸送到等離子轉移弧弧柱中，合金粉末在電弧中快速熔化成液態并下落至基體表面形成熔池；陶瓷顆粒輸送至等離子噴嘴外部，在等離子轉移弧弧柱外部下落至熔池中。

進一步的是，在預處理基體表面時，采用機加工、噴砂、噴丸、打磨的方式去除基體表面的氧化皮、鐵銹、油漆。

進一步的是，在預處理合金粉末和陶瓷顆粒時，將合金粉末及陶瓷顆粒烘干，待其冷卻至室溫后裝入獨立的合金粉末送粉器以及獨立的陶瓷顆粒送粉器。

進一步的是，所述合金粉末為鎳基合金粉末、鐵基合金粉末或鈷基合金粉末。

進一步的是，所述陶瓷顆粒為碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳氮化物陶瓷、硼化物陶瓷或氧化物陶瓷。

進一步的是，所述碳化物陶瓷為WC、SiC、TiC、ZrC、B₄C、TaC或Cr₃C₂；所述氮化物陶瓷為Si₃N₄、TiN、BN、AlN或ZrN；所述碳氮化物陶瓷為TiCN；所述硼化物陶瓷為TiB₂、ZrB₂、WB或ZrB；所述氧化物陶瓷為Al₂O₃、SiO₂、Cr₂O₃、ZrO₂或TiO₂。

進一步的是，合金粉末和陶瓷顆粒各自通過獨立的輸送器輸送，通過調整輸送器之間的輸送量比例來調整制備的復合材料強化層中陶瓷顆粒的重量百分比。

本發明另一個所要解決的技術問題是提供一種避免陶瓷顆粒燒損的等離子噴焊槍。

本發明提供的等離子噴焊槍，所述噴嘴與陰極相互配合形成等離子氣體通道，等離子氣體通道在末端形成等離子噴射口，等離子噴射口正對的區域為等離子體轉移弧弧柱區域；還包括合金粉末送粉通道和陶瓷顆粒送粉通道，所述合金粉末送粉通道的合金粉末噴口與等離子體轉移弧弧柱區域或者等離子噴射口連通；所述陶瓷顆粒送粉通道的陶瓷顆粒噴口位于等離子噴射口旁，所述陶瓷顆粒噴口的噴射方向與等離子噴射口的噴射方向平行。

優選的是，所述噴嘴環繞在陰極周圍，所述合金粉末送粉通道和陶瓷顆粒送粉通道環繞噴嘴設置。

優選的是，所述合金粉末送粉通道設置有兩條，所述陶瓷顆粒送粉通道的陶瓷顆粒噴口和兩條合金粉末送粉通道的合金粉末噴口按照圓形分布，陶瓷顆粒噴口與兩條合金粉末送粉通道的噴口的位置夾角為90度，兩條合金粉末送粉通道的噴口的位置夾角為180度。

本發明的有益效果是：本發明采用分別輸送作為基體的合金粉末以及作為外加硬質相的陶瓷顆粒的多路送粉等離子噴焊槍，同時使陶瓷顆粒和弧柱在保持一定距離的狀態下落入熔化的合金粉末形成的熔池中，熔池凝固后即可形成以熔化的合金粉末作為基體，中間彌散分布有陶瓷顆粒的合金-陶瓷復合材料強化層，可以有效避免電弧高溫對陶瓷顆粒造成的氧化、脫碳等有害影響。和傳統的合金粉末與陶瓷粉末混合后直接送入轉移弧弧柱送粉方式相比，本發明提出的多路獨立送粉方式可以最大限度保持陶瓷顆粒的原始性能，大幅度的提升了表層復合材料的整體性能，在噴焊過程可靈活調整熔池中的陶瓷含量，可以不間斷制備陶瓷含量梯度變化的復合材料強化層，本發明對基體材料適用范圍寬，可根據基材所要求的性能靈活調節增強相陶瓷粉末含量及種類，同時具有生產成本低、容易實現產業化等特點。

附圖說明

圖1是本發明的俯視圖；

圖2是圖1的A-B線剖視圖；

圖3是圖1的A-C線剖視圖；

圖中零部件、部位及編號：陶瓷顆粒送粉通道1、離子氣體2、保護氣體3、陶瓷顆粒4、熔池5、金屬-陶瓷復合材料強化層6、基體7、轉移弧8、保護氣簾9、非轉移弧10、噴嘴11、合金粉末12、合金粉末送粉通道13、主電源14、引弧電源15、合金粉末噴口16、陶瓷顆粒噴口17。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明。圖1、圖2和圖3均只是表示了等離子噴焊槍的噴嘴處的區域，這是因為本發明的主要改進在于此區域。

如圖2所示，本發明，首先采用機加工、噴砂、噴丸、打磨等方式去除基體7表面的氧化皮、鐵銹、油漆等污垢；將合金粉末12及陶瓷顆粒4烘干，待其冷卻至室溫后裝入獨立的合金粉末送粉器以及獨立的陶瓷顆粒送粉器。然后利用等離子噴焊將合金粉末12和陶瓷顆粒4熔覆在基體7表面，如此形成金屬-陶瓷復合材料強化層6；在進行等離子噴焊時，將合金粉末12直接輸送到等離子體轉移弧電弧中，合金粉末12在電弧中快速熔化成液態并下落至基體7表面形成熔池5；陶瓷顆粒4通過陶瓷顆粒送粉通道1輸送至噴嘴11外部，不進入等離子體轉移弧8弧柱，在弧柱外部下落至熔池5中。

前述的合金粉末12為鎳基合金粉末、鐵基合金粉末或鈷基合金粉末等。其中以鎳基合金粉末比較具有代表性。前述的陶瓷顆粒4為碳化物陶瓷如WC、SiC、TiC、ZrC、B₄C、TaC、Cr₃C₂等、氮化物陶瓷如Si₃N₄、TiN、BN、AlN、ZrN等、碳氮化物陶瓷如TiCN等、硼化物陶瓷如TiB₂、ZrB₂、WB、ZrB等或其他氧化物陶瓷如Al₂O₃、SiO₂、Cr₂O₃、ZrO₂、TiO₂等。其中以碳化鎢WC比較具有代表性，因此，后續的介紹主要以鎳基合金和碳化鎢作為例子進行介紹。

本發明的工作過程如下所述：

使用帶有多個獨立送粉通道的粉末等離子噴焊槍實施噴焊，該噴焊槍槍體內部有3個送粉通道，包括2個合金粉末送粉通道13以及1個陶瓷顆粒送粉通道1，同時在噴焊槍噴嘴11周圍環繞設置2個合金粉末噴口16及1個陶瓷顆粒噴口17，2個合金粉末噴口16相互之間的位置夾角為180°，合金粉末出粉孔16和陶瓷顆粒噴口17之間的夾角為90°，2個合金送粉通道13和陶瓷顆粒送粉通道1相互之間隔離，在噴焊槍內部以及噴嘴11處，合金粉末12和陶瓷顆粒4相互之間不混合。工作時，首先將基體7固定，使等離子噴焊槍移動到基體7上方，開啟離子氣體2(N₂或Ar氣)、引弧電源15和主電源14，借助高頻火花引燃非轉移弧10，再借助非轉移弧10弧焰在鎢電極和工件之間造成的導電通道引燃轉移弧8，在轉移弧8弧柱高溫作用下(8000～10000°)基體7表面快速形成與束流直徑尺寸相近的熔池5，同時將配制好的合金粉末12和陶瓷顆粒4分別獨立輸送到2個合金粉末送粉通道13及陶瓷顆粒送粉通道1中，合金粉末12從2個合金粉末噴口16處噴出后，在保護氣體3(N₂或Ar氣)形成保護氣簾9內飛行一段距離后交匯在等離子體轉移弧8弧柱內，在弧柱高溫作用下迅速熔化后變成細小的液滴落入熔池5內，陶瓷顆粒4從陶瓷顆粒噴口17中噴出后，處于等離子體轉移弧8弧柱外面，在保護氣簾9內垂直下落，后進入合金熔池5尾部，由于陶瓷顆粒4的比重大于合金粉末12，陶瓷顆粒在熔池5中下沉，呈彌散狀分布在熔池5中，凝固后形成合金-陶瓷復合材料強化層6。通過控制等離子轉移弧電流、焊槍擺動寬度、焊槍移動速度、合金粉末以及陶瓷顆粒的送粉量，即可得到寬度、厚度、陶瓷顆粒重量百分比符合要求的金屬-陶瓷復合材料強化層。

如圖1、2和3所示，本發明的等離子噴焊槍，包括陰極和噴嘴11，所述噴嘴11與陰極相互配合形成等離子氣體通道，等離子氣體通道在末端形成等離子噴射口，等離子噴射口正對的區域為等離子體轉移弧弧柱區域，保護氣簾9包裹住等離子體轉移弧弧柱區域，保護氣簾9通過保護氣通道輸送保護氣體而成；還包括合金粉末送粉通道13和陶瓷顆粒送粉通道1，所述合金粉末送粉通道13的合金粉末噴口16與等離子體轉移弧弧柱區域或者等離子噴射口連通，此處的連通表明將合金粉末輸送到相應的位置，例如將合金粉末噴射到等離子體轉移弧弧柱區域也是所述的連通；所述陶瓷顆粒送粉通道1的陶瓷顆粒噴口17位于等離子噴射口旁，所述陶瓷顆粒噴口17的噴射方向與等離子噴射口的噴射方向平行，在工作時，陶瓷顆粒噴口17位于等離子噴射口之后的，這種結構的優勢是，陶瓷顆粒17的噴射方向與等離子體轉移弧弧柱區域不相交，也就是陶瓷顆粒17不會直接受到高溫的影響，因此不容易被燒損，這使得陶瓷顆粒17能夠完全的發揮功效，最終形成的復合層性能更好。陶瓷顆粒噴口17與等離子噴射口之間的距離可以調節，以滿足不同的工藝需求，具體是通過更換不同規格的噴嘴11來實現。

具體的，如圖1所示，所述噴嘴11環繞在陰極周圍，所述合金粉末送粉通道13設置有兩條，所述陶瓷顆粒送粉通道1的陶瓷顆粒噴口17和兩條合金粉末送粉通道的合金粉末噴口16按照圓形分布，陶瓷顆粒噴口17與兩條合金粉末送粉通道的噴口的位置夾角為90度，如圖2的箭頭所示方向是等離子噴焊槍的工作方向；兩條合金粉末送粉通道的噴口的位置夾角為180度。在實際工作時，合金粉末從兩個合金粉末送粉通道13的噴口噴出后，在保護氣簾內飛行一段距離后交匯在等離子轉移弧弧柱內，兩個合金粉末送粉通道13的噴口對噴，可以使兩個方向的合金粉末的速度抵消，從而避免合金粉末泄漏。通過合金粉末送粉通道13和陶瓷顆粒送粉通道1的輸送比例，可以調節陶瓷顆粒3在金屬-陶瓷復合材料強化層5中的含量，從而獲得硬質相含量梯度變化涂層。

實施例1：

對于成品鼓風機葉片等離子噴焊鎳基合金-WC復合材料耐磨層，步驟如下：

1)鎳基合金成分為：C0.4-0.5％，B0.8～1.4％，Si0.17-0.37％，Cr5.0-6.0％，Fe10.0～15.0，余量Ni；WC成分為C4-6％，余量W；

2)將鎳基合金粉末以及WC置于烘箱中，在120℃下烘干30min，取出后在空氣中冷卻至室溫后加入相應的粉末送粉器以及WC送粉器；

3)對鼓風機葉片表面噴砂，去除表面的氧化層；

4)采用自動風機葉片等離子噴焊設備，在葉片表面制備鎳基合金-WC復合材料耐磨噴焊層。等離子噴焊工藝參數為：工作電流100～120A，工作電壓18～20V，離子氣流量200l/min，鎳基合金送粉氣150l/min，WC送粉氣150l/min，保護氣流量200l/min，鎳基合金送粉量25g/min，WC送粉量10g/min，行走速度100mm/min，擺動寬度20mm，堆焊層厚度3～5mm。離子氣、送粉氣、保護氣均為99.99％的工業氬氣；

5)測定焊層鎳基合金基體硬度：HV350-400，WC顆粒硬度：HV1800-2200，通過能譜分析(EDS)，測得鎳基合金基體內部鎢的原子分數含量為15-20at％。

實施例2：

對于成品礦山用耐磨襯板等離子噴焊鎳基合金-WC復合材料耐磨層，步驟如下：

1)使用的鎳基合金成分為：Cr10-12％，B1.5-2％，Si3-3.5％，Fe2.5-3％，余量Ni；WC成分為C4-6％，余量W；

2)將鎳基合金粉末以及WC置于烘箱中，在120℃下烘干30min，取出后在空氣中冷卻至室溫后加入相應的粉末送粉器以及WC送粉器；

3)將襯板表面打磨至露出金屬光澤；

4)采用自動平板等離子噴焊設備，在襯板表面制備鎳基合金-WC復合材料耐磨噴焊層。等離子噴焊工藝參數為：工作電流180-185A，工作電壓28-30V，離子氣流量300l/min，鎳基合金送粉氣200l/min，保護氣流量300l/min，WC送粉氣200l/min，鎳基合金送粉量30g/min，WC送粉量40g/min，焊槍移動線速度60mm/min，堆焊層厚度3.5～4mm。離子氣、送粉氣、保護氣均為99.99％的工業氬氣；

5)測定焊層鎳基合金基體硬度：HV400-450，WC顆粒硬度：HV1800-2200，通過能譜分析(EDS)，測得鎳基合金基體內部鎢的原子分數含量為17-20at％。

實施例3：

對于成品地鐵盾構切削刀具等離子噴焊鎳基合金-WC復合材料耐磨層，步驟如下：

1)鎳基合金成分為：C0.8-1％，Cr18-20％，B3-4％，Si4-5％，Fe5-8％，余量Ni；WC成分為C4-6％，余量W；

:2)將鎳基合金粉末以及WC置于烘箱中，在120℃下烘干30min，取出后在空氣中冷卻至室溫后加入相應的金屬粉末送粉器以及WC送粉器；

3)對刀具表面噴砂，去除表面的鐵銹；

4)采用自動刀具等離子噴焊設備，在刀具表面制備鎳基合金-WC復合材料耐磨噴焊層。等離子噴焊工藝參數為：工作電流110-115A，工作電壓24-26V，離子氣流量200l/min，保護氣流量200l/min，鎳基合金送粉氣150l/min，WC送粉氣120l/min，鎳基合金送粉量20g/min，WC送粉量20g/min，工件回轉線速度80mm/min，堆焊層厚度1.5～2mm。離子氣、送粉氣、保護氣均為99.99％的工業氬氣；

5)測定焊層鎳基合金基體硬度：HV520-600，WC顆粒硬度：HV1800-2200。