一種金屬陶瓷涂層的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種金屬陶瓷涂層的制備方法。
【背景技術】
[0002]超音速火焰噴涂是熟噴涂技術上的一大突破。為了抗衡美國聯合碳化物(Un1nCarbide)公司的爆炸噴涂的技術壟斷(D — Gun噴槍)，上世紀60年代初期，美國人J.Browning發明了超音速火焰噴涂技術(High Velocity Oxygen Fuel，HVOF)，稱之為“Jet—Kote”，并于1983年獲得美國專利。HV0F噴涂槍與普通火焰噴涂槍的不同之處是，它有一個供氧氣與燃料(可用燃料包括丙烯、乙炔、丙烷、氫氣、煤油等)進行燃燒的高溫高壓燃燒室，并且體積迅速膨脹的燃燒產物是經由一個壓縮噴嘴噴射出去。這種結構設計的目的是為了在噴槍的出口處獲得超音速焰流，以便使通過載氣送進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變形更充分，所以HV0F噴涂涂層的結合強度、密度和硬度都非常高。
[0003]HV0F的發展歷經幾代技術更新，在提高焰流速度、降低焰流溫度和降低生產運行成本上做了很多工作。根據燃燒室形式的不同，HV0F噴槍先后有Jet.K0te、Diam0nd。盡管噴槍結構和功能上有所差異，但其工作原理類似，都是將進入燃燒室內的燃料和助燃氣體混合后點燃，發生劇烈的氣相燃燒反應，使得燃燒產物急劇膨脹流經噴管，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”，焰流的溫度可以達到3000〃C左右。
[0004]HV0F噴涂技術的主要特點體現在:
[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涂層和功能涂層。
[0006](2)對基體材料的熟影響小，町制各納米結構涂層，能夠原位沉積納米粒子。保持納米特性，形成納米結構涂層:HV0F噴涂溫度相對比較低，尤其是冷噴涂技術，對基體材料的熱影響小。
[0007](3)火焰及噴涂粒子的速度極高，火焰速度可咀達到音速的2倍以上，熔粒的速度可達1000-1200m/s，軟化后的粒子對基體表面的沖擊能量很大，能夠獲得結合較好地涂層。涂層致密，結合強度高，涂層的孔隙率可小于01 %，結合力大，接近或達到爆炸噴涂的質量。
[0008](4)熔粒與周圍大氣接觸時間短，火焰溫度不超過3000〃C，粉末在噴嘴通道中停留的時間長，離開噴嘴后高速飛行，和周圍大氣接觸時間短，因而和大氣幾乎不發生反應，涂層材料不受到損害，微觀組織變化小，能保持其特點。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、化學鍍、離子鍍、pVID、CVD等技術相比，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:既可以在工廠內實旌噴涂，也可在現場作業。
[0011](7)其缺點是熱能利用率不高、氣體耗量大(目前噴槍所消耗的氣體遠大于一般火焰噴滁)、工作環境噪聲和粉塵較大。對具有復雜型面、細長內孔、凹腔等工件比較難阻制得質量合格的涂層。
[0012]熱噴涂技術包括了材料、設備及工藝三個主要方面，該技術經過幾十年的發展，其應用已經滲透到了航空航天、冶金、機械、石油化工、汽車燈國民經濟的諸多領域，在各方面都有了極大的進步與完善。在熱噴涂材料的選擇上，從最初的低熔點金屬絲材，到現在功能各異的復合粉末，其發展也伴隨著功能訴求、制粉工藝、噴涂方法的不斷提高。
[0013]復合材料可簡單地分為高分子基、金屬基、金屬間化合物基和陶瓷基等復合材料。從強度和比重的角度來看，高分子基復合材料在室溫附近具有優勢，而金屬基復合材料在中溫區域、金屬間化合物基復合材料在高溫區域、陶瓷基復合材料在更高溫度區域具有優勢。
[0014]熱噴涂材料是熱噴涂生產的基礎，按照其性能可以分為:耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、熱障、封嚴、吸波、潤滑、絕緣等。我國研究及應用的熱噴涂材料品種達數百種，實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重要的功能。幾乎所有的機械設備都會遇到磨損的問題，特別是磨粒磨損與沖蝕磨損最為常見。噴涂材料按照抗磨粒磨損性能由強到弱的順序大致為:碳化物、自熔合金、氧化物陶瓷、難熔金屬、有色金屬。這是因為涂層耐磨粒磨損的性能與其硬度有直接關系，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急劇下降，而WC在1000" (2時硬度下降較少，因而，wC是當今應用最廣的耐磨材料。
[0016]碳化物陶瓷單獨作為噴涂材料作涂層比較困難，一般都要與起黏結作用的金屬(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，達到一定強度，改善了塑性，這樣才能進行噴涂。以WC為主要功能成分，同時考慮到涂層材料其他方面的要求，例如韌性、強度、耐蝕性等等，衍生出了幾種市場上常見的材料: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，常見的類型有混合型、團聚型、燒結破碎型及包覆型，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噴涂為數不多的最佳選用粉末，制得的涂層具有優異的耐磨損性能。
[0017]熱噴涂技術經過多年的發展，在表面工程領域得到了越來越廣泛的應用，應用于國民生產的諸多領域。在熱噴涂的大家庭中，超音速火焰噴涂因自身的優越性受到了更多的關注，用該方法制得的涂層能獲得與集體良好的結合，涂層致密，同時因為可用于噴涂的材料幾乎涵蓋了工程領域內的絕大多數種類，所以應用范圍之廣也是其他噴涂所不可及的。
[0018]美國近年來在航空發動機部件如飛機的起落架、壓縮機葉片、軸承套以及活塞部件等上使用HV0F技術已經基本實現了標準化，可完全取代以前使用的爆炸噴涂層，旨在降低成本；英國在汽輪機第一級靜