CN110592523A - 一种提高热喷涂涂层与金属基材结合强度的方法 - Google Patents

一种提高热喷涂涂层与金属基材结合强度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高热喷涂涂层与金属基材结合强度的方法，属于表面工程技术领域，采用激光喷涂设备在预加热之后的金属基材表面形成一层中间过渡层，采用等离子热喷涂设备在过渡层的表面制备一层热喷涂涂层，采用等离子转移弧重熔技术对热喷涂涂层进行重熔后处理，重熔后处理完成之后将带有热喷涂涂层的金属基材至于空气中缓慢冷却至室温，激光喷涂设备形成的中间过渡层与金属基材之间为冶金结合，过渡层表面形成的热喷涂涂层经重熔后处理后，改变热喷涂涂层与金属基材之间的结合方式，可有效提高热喷涂涂层与金属基材之间的结合强度，克服了热喷涂涂层固有的缺陷，有效解决了如何大幅度提高热喷涂金属合金涂层粒子界面结合的重大问题。

Description

一种提高热喷涂涂层与金属基材结合强度的方法
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，尤其涉及一种提高热喷涂涂层与金属基材结合强度的方法。
背景技术
目前热喷涂技术已在航空、航天、钢铁、石化、能源、汽车等领域的表面处理方面得到广泛的应用；热喷涂技术工艺简捷，涂层和基体材料选择范围广，易形成耐磨、隔热、抗氧化、耐腐蚀、绝缘和导电等复合功能涂层并涂层厚度易控，可在现场实施大面积施工。但热喷涂涂层由高速飞行液滴撞击基材铺展、变形、堆积凝固形成的工艺特性决定了其具有组织成分不均匀、存有气孔、裂纹和板条层间弱结合等结构缺陷，尤其是涂层与基体之间的弱结合(以机械咬合为主)，这在很大程度上限制了涂层的应用范围与服役寿命。
热喷涂涂层由源于熔融或半熔态的粒子变形形成的圆盘状粒子堆积而成，具有层状结构，涂层内的粒子层之间的界面结合状态显著影响着或甚至控制着涂层的各种性能。有研究表明，无论是金属涂层，还是热喷涂陶瓷涂层，涂层的粒子层间结合率非常有限，最大仅为32％，而涂层的各种力学性能(如弹性模量、断裂韧性、冲蚀磨损率)、电导率、热导率等都受到涂层内粒子层之间的界面的有限结合的控制，从而表现涂层的上述性能均为相应块体性能的10％～30％。另一方面，未结合界面与其它类型的孔隙相互连通构成从涂层表面贯通至涂层/基体界面的贯通孔隙，使得涂层不能完全阻挡隔离腐蚀介质与基体合金的接触，从而使耐磨损性能优越的材料制备的热喷涂涂层的耐腐蚀效果并不理想。
针对涂层的这一问题，通常采用两种方法对涂层进行后处理：(1)采用适当的重熔处理，可改善涂层与基体间的结合强度和涂层的内在质量，从而提高涂层的耐磨、耐蚀性；但重熔技术亦存有两点不足：1)由于激光光斑面积小，工作效率较低，难以满足工件表面大面积喷涂层激光重熔的需要；2)就目前而言，激光表面处理技术成本较高。(2)采用有机或无机溶剂类液态封孔剂封孔处理，可以改善涂层的耐腐蚀性能，但受封孔剂的物理化学性能的影响，封孔深度受到限制，不能显著改善涂层的其他性能，而随涂层磨损等的发生，因封孔层消失而使封孔效果失效；与此同时，封孔剂的使用温度也因主要封孔材料为有机封孔剂而受到限制。因此，对于控制涂层性能的热喷涂涂层粒子界面有限结合这一问题，迄今尚没有找到一种直接在喷涂过程中形成粒子间完全结合的有效的方法，能够显著提高热喷涂涂层与金属基材结合强度。
发明内容
本发明提供一种提高热喷涂涂层与金属基材结合强度的方法，采用激光熔覆技术实现热喷涂涂层与金属基材之间的冶金结合，可有效提高热喷涂涂层与金属基材之间的结合强度，通过改变热喷涂涂层与金属基材之间的结合方式，克服了热喷涂涂层固有的缺陷，有效解决了如何大幅度提高热喷涂金属合金涂层粒子界面结合的重大问题。
本发明提供的具体技术方案如下：
本发明提供的一种提高热喷涂涂层与金属基材结合强度的方法，所述方法包括：
步骤一：对金属基材的表面进行热喷涂前的预处理，预处理包括酒精清洗去污、毛刷清扫去浮尘、喷砂抛丸除锈和磷酸化处理；
步骤二：对金属基材的表面预处理完成之后，对金属基材进行预加热处理，预加热温度为140℃～180℃；
步骤三：采用激光喷涂设备在预加热之后的金属基材表面形成一层厚度为0.4～0.6mm的中间过渡层，其中，中间过渡层的材料为NiCr或MCrAlY合金；
步骤四：采用等离子热喷涂设备在过渡层的表面制备一层厚度为0.2～0.8mm的热喷涂涂层，热喷涂涂层的材料为镍基合金；
步骤五：采用等离子转移弧重熔技术对热喷涂涂层进行重熔后处理，重熔后处理完成之后将带有热喷涂涂层的金属基材至于空气中缓慢冷却至室温。
可选的，采用激光喷涂设备在预加热之后的金属基材表面形成一层厚度为0.4～0.6mm的中间过渡层，具体包括：
采用激光喷涂设备在预热之后的金属基材表面制备0.4～0.6mm的中间过渡层，激光喷涂设备的具体参数为：激光功率3-14kW，激光束的光斑为矩形，矩形光斑的尺寸为长边8-40mm、短边4mm，激光头扫描速度3-800mm/s，其中，中间过渡层与金属基材之间为冶金结合。
可选的，采用等离子转移弧重熔技术对热喷涂涂层进行重熔后处理过程中的控制参数为等离子焊枪移动速度80mm/min、重熔电流60A、等离子气流量为6L/min。
可选的，采用等离子转移弧重熔技术对热喷涂涂层进行重熔后处理过程中采用气罩进行保护，并采用大气等离子喷涂技术。
本发明的有益效果如下：
本发明实施例提供一种提高热喷涂涂层与金属基材结合强度的方法，首先对金属基材的表面进行热喷涂前的酒精清洗去污、毛刷清扫去浮尘、喷砂抛丸除锈和磷酸化处理等预处理，预处理完成之后进行预加热，预加热完成之后采用激光喷涂设备在预加热之后的金属基材表面形成一层厚度为0.4～0.6mm的中间过渡层，采用等离子热喷涂设备在过渡层的表面制备一层厚度为0.2～0.8mm的热喷涂涂层，采用等离子转移弧重熔技术对热喷涂涂层进行重熔后处理，重熔后处理完成之后将带有热喷涂涂层的金属基材至于空气中缓慢冷却至室温，激光喷涂设备形成的中间过渡层与金属基材之间为冶金结合，过渡层表面形成的热喷涂涂层经重熔后处理后，改变热喷涂涂层与金属基材之间的结合方式，可有效提高热喷涂涂层与金属基材之间的结合强度，克服了热喷涂涂层固有的缺陷，有效解决了如何大幅度提高热喷涂金属合金涂层粒子界面结合的重大问题。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例一提供的一种提高热喷涂涂层与金属基材结合强度的方法包括：
步骤一：对金属基材的表面进行热喷涂前的预处理，预处理包括酒精清洗去污、毛刷清扫去浮尘、喷砂抛丸除锈和磷酸化处理。
步骤二：对金属基材的表面预处理完成之后，对金属基材进行预加热处理，预加热温度为140℃～180℃。
具体的，可以采用火焰加热的方式对预处理之后的金属基材进行预加热处理，预加热温度为140℃～180℃，其中，优选的，预加热温度为160℃，并在该温度下保温1个小时。
步骤三：采用激光喷涂设备在预加热之后的金属基材表面形成一层厚度为0.4～0.6mm的中间过渡层，其中，中间过渡层的材料为NiCr或MCrAlY合金。
具体的，采用激光喷涂设备在预加热之后的金属基材表面形成一层厚度为0.4～0.6mm的中间过渡层，中间过渡层的材料选用NiCr或MCrAlY合金粉末，激光喷涂设备的具体参数为：激光功率3-14kW，激光束的光斑为矩形，矩形光斑的尺寸为长边8-40mm、短边4mm，激光头扫描速度3-800mm/s，其中，中间过渡层与金属基材之间为冶金结合。
本发明实施例的激光喷涂设备中采用的激光器可以为CO2气体激光器、YAG激光器、半导体直接输出激光器、碟片激光器、半导体光纤耦合激光器、光纤激光器等中的一种。并且，本发明实施例的激光喷涂设备中的送粉方式可以为旁轴(侧向)送粉、同轴送粉、中心送粉或异步送粉。在金属基材的表面采用激光喷涂设备制备NiCr或MCrAlY合金粉末形成的中间过渡层，提高金属基材和热喷涂粉末的光吸收率，从而使中间过渡层与金属基体产生良好的冶金结合，冶金结合的结合强度高。
步骤四：采用等离子热喷涂设备在过渡层的表面制备一层厚度为0.2～0.8mm的热喷涂涂层，热喷涂涂层的材料为镍基合金；
步骤五：采用等离子转移弧重熔技术对热喷涂涂层进行重熔后处理，重熔后处理完成之后将带有热喷涂涂层的金属基材至于空气中缓慢冷却至室温。
具体的，采用等离子转移弧重熔技术对热喷涂涂层进行重熔后处理过程中的控制参数为等离子焊枪移动速度80mm/min、重熔电流60A、等离子气流量为6L/min。采用等离子转移弧重熔技术对热喷涂涂层进行重熔后处理过程中采用气罩进行保护，并采用大气等离子喷涂技术。示例的，等离子转移弧重熔过程中采用美国Praxair/TAFA公司的JP-5000超音速火焰喷涂设备进行。
经过试验分析发现，经过等离子转移弧重熔后，热喷涂涂层和中间过渡层的表面之间同样形成一定后的冶金结合层，中间过渡层和热喷涂涂层经过等离子转移弧重熔后，其材料元素相互渗透扩散形成可靠的冶金结合，可以显著提高热喷涂涂层和金属基材之间的表面结合强度。该方法可以在金属基材表面获得结构致密、与金属基材达到冶金结合的热喷涂涂层，其形成的热喷涂涂层结构致密性极高，并且其与金属基材之间的冶金结合强度高，具有广泛的应用前景。
本发明实施例提供一种提高热喷涂涂层与金属基材结合强度的方法，首先对金属基材的表面进行热喷涂前的酒精清洗去污、毛刷清扫去浮尘、喷砂抛丸除锈和磷酸化处理等预处理，预处理完成之后进行预加热，预加热完成之后采用激光喷涂设备在预加热之后的金属基材表面形成一层厚度为0.4～0.6mm的中间过渡层，采用等离子热喷涂设备在过渡层的表面制备一层厚度为0.2～0.8mm的热喷涂涂层，采用等离子转移弧重熔技术对热喷涂涂层进行重熔后处理，重熔后处理完成之后将带有热喷涂涂层的金属基材至于空气中缓慢冷却至室温，激光喷涂设备形成的中间过渡层与金属基材之间为冶金结合，过渡层表面形成的热喷涂涂层经重熔后处理后，改变热喷涂涂层与金属基材之间的结合方式，可有效提高热喷涂涂层与金属基材之间的结合强度，克服了热喷涂涂层固有的缺陷，有效解决了如何大幅度提高热喷涂金属合金涂层粒子界面结合的重大问题。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种提高热喷涂涂层与金属基材结合强度的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：对金属基材的表面进行热喷涂前的预处理，预处理包括酒精清洗去污、毛刷清扫去浮尘、喷砂抛丸除锈和磷酸化处理；
步骤二：对金属基材的表面预处理完成之后，对金属基材进行预加热处理，预加热温度为140℃～180℃；
步骤三：采用激光喷涂设备在预加热之后的金属基材表面形成一层厚度为0.4～0.6mm的中间过渡层，其中，中间过渡层的材料为NiCr或MCrAlY合金；
步骤四：采用等离子热喷涂设备在过渡层的表面制备一层厚度为0.2～0.8mm的热喷涂涂层，热喷涂涂层的材料为镍基合金；
步骤五：采用等离子转移弧重熔技术对热喷涂涂层进行重熔后处理，重熔后处理完成之后将带有热喷涂涂层的金属基材至于空气中缓慢冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的提高热喷涂涂层与金属基材结合强度的方法，其特征在于，采用激光喷涂设备在预加热之后的金属基材表面形成一层厚度为0.4～0.6mm的中间过渡层，具体包括：
采用激光喷涂设备在预热之后的金属基材表面制备0.4～0.6mm的中间过渡层，激光喷涂设备的具体参数为：激光功率3-14kW，激光束的光斑为矩形，矩形光斑的尺寸为长边8-40mm、短边4mm，激光头扫描速度3-800mm/s，其中，中间过渡层与金属基材之间为冶金结合。
3.根据权利要求1所述的提高热喷涂涂层与金属基材结合强度的方法，其特征在于，采用等离子转移弧重熔技术对热喷涂涂层进行重熔后处理过程中的控制参数为等离子焊枪移动速度80mm/min、重熔电流60A、等离子气流量为6L/min。
4.根据权利要求3所述的提高热喷涂涂层与金属基材结合强度的方法，其特征在于，采用等离子转移弧重熔技术对热喷涂涂层进行重熔后处理过程中采用气罩进行保护，并采用大气等离子喷涂技术。
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