一種超音速火焰噴塗薄板形零件的變形補償方法與流程
2023-05-27 08:45:11
本發明涉及一種熱噴塗薄板形零件的變形補償方法，尤其涉及一種超音速火焰噴塗薄板形零件的變形補償方法。
背景技術：
超音速火焰噴塗(highvelocityoxyfuel，簡稱hvof)是20世紀80年代初在普通火焰噴塗的基礎上發展起來的一種新型熱噴塗技術。它是利用氫、乙炔、丙烯、煤油等做燃料，用氧氣作助燃劑，在燃燒室或特殊的噴嘴中燃燒，產生超音速燃焰，同時將粉末送進火焰中，產生熔化或半熔化的粒子，高速撞擊在基體表面上沉積形成塗層。焰流溫度低和速度快是超音速火焰噴塗的兩個重要特點，在噴塗碳化鎢/鈷金屬陶瓷以及金屬及其合金塗層方面具有顯著優勢，噴塗過程中能夠有效避免碳化鎢失碳以及金屬材料的氧化，有利於得到具有低孔隙率、低氧化物含量和高結合強度的高質量金屬或金屬陶瓷塗層。然而，由於焰流溫度較低和速度較快，當超音速火焰噴塗al2o3、zro2等高熔點材料時，往往難以使粉末材料達到熔融或半熔融狀態而實現在基體材料表面塗層的沉積，因此採用超音速火焰噴塗工藝不適宜製備金屬氧化物陶瓷等高熔點塗層材料。
hvof發展非常迅速。從1982年美國的james.a.browning開發出第一代超音速火焰噴塗裝置jetkotei以來，僅10餘年，hvof工藝及裝置取得了長足的進展，其優異的塗層質量及與自動控制系統的結合使用，使該工藝從問世之初的僅用於飛行發動機零部件耐磨層噴塗，發展到航空、冶金、紡機、汽車、鐵路等領域的大量應用，表現出廣闊的應用前景。
然而，隨著超音速火焰噴塗技術在應用領域和應用部位等方面的不斷拓展，不同形狀零件超音速火焰噴塗塗層時逐漸暴露出一定的問題。例如，薄板形零件在超音速火焰噴塗塗層時，由於火焰對零件的熱量輸入以及噴塗顆粒對零件的衝擊作用等原因，往往造成薄板形零件超音速火焰噴塗後產生一定的變形，從而影響薄板形零件噴塗表面的平面度，這種噴塗產生的變形如果不進行有效的控制及補償，往往會影響零件的後續裝配使用，嚴重時甚至會造成零件的報廢。對於薄板形零件變形補償的傳統方法有鈑金、熱處理、反面噴丸、反面噴塗等方法，但是每種方法都存在各自的缺點。採用鈑金方法通過對薄板形零件進行反向變形，雖然能夠使薄板形零件恢復平面度，但是過大的反向變形極易造成噴塗面塗層產生裂紋等缺陷甚至造成塗層的開裂剝落，對噴塗塗層質量產生不利影響；熱處理方法雖然能夠鬆弛薄板形零件的應力，在一定程度上恢復補償零件的變形，但是其對零件變形補償的程度有限，對零件變形進行等效補償的難度較大，並且對於鈦合金、鋁合金等材料零件，還會受到熱處理溫度的限制；採用反面噴丸的方式能夠實現對薄板形零件的變形補償，但是由於與薄板形零件噴塗過程變形產生方式的不同，反面噴丸方式在實現對薄板形零件變形的等效補償方面也存在一定的困難，尤其是當噴丸覆蓋率達到100％後，其後續變形補償的程度會變得極為有限，同時反面噴丸方式也附加了零件的一道處理工序，提高零件加工的複雜程度；採用相同方式反面噴塗的方法雖然能夠有效補償薄板形零件的噴塗變形，但是會造成薄板形零件的非噴塗面沉積塗層，從而影響薄板形零件的尺寸公差，同樣對零件的後續裝配使用產生不利影響。因此，針對上述方法在對超音速火焰噴塗薄板形零件變形補償上存在的問題，急需發展研究針對超音速火焰噴塗薄板形零件變形補償的新方法，以滿足薄板形零件的塗層製備及裝配使用要求。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種超音速火焰噴塗薄板形零件的變形補償方法，在不影響薄板形零件尺寸公差的前提下，最大限度的模擬薄板形零件噴塗過程熱輸入和顆粒衝擊的變形產生方式，有效實現對超音速火焰噴塗薄板形零件變形的等效補償，保證零件良好的後續使用效果。
本發明的技術方案為：通過在薄板形零件噴塗面反側的非噴塗面進行超音速火焰噴塗高熔點金屬氧化物處理的方式實現對薄板形零件的變形補償，具體方法為：
1)在薄板形零件噴塗面超音速火焰噴塗塗層後，將薄板形零件翻轉並按相同方式進行裝夾固定；
2)以熔點大於2000℃的高熔點金屬氧化物為噴塗粉料，控制粉料粒徑在75～125μm，噴塗距離200～230mm，送粉速率15～18g/min，氧氣壓力145～155psi，氮氣壓力130～140psi，丙烷壓力75～85psi，氫氣壓力90～100psi，空氣壓力90～110psi，氧氣流量180～200slpm，丙烷流量55～60slpm，空氣流量380～400slpm，對薄板形零件的非噴塗面進行超音速火焰噴塗高熔點金屬氧化物處理；
3)超音速火焰噴塗高熔點金屬氧化物處理過程噴槍移動速度、步進距離以及每遍間隔時間與噴塗面超音速火焰噴塗塗層時保持一致，處理遍數為噴塗面超音速火焰噴塗塗層遍數的1～1.5倍，使高熔點金屬氧化物在基體材料表面沉積，實現對薄板形零件的變形補償。
所採用的高熔點難沉積氧化物可以為al2o3或zro2或y2o3或hfo2。
在薄板形零件噴塗表面超音速火焰噴塗的塗層材料可以為金屬材料或金屬-陶瓷複合材料。
本發明的有益效果為：
針對薄板形零件超音速火焰噴塗塗層過程中因熱量輸入和顆粒衝擊等原因造成的零件變形，採用超音速火焰噴塗高熔點金屬氧化物處理的方式，實現對薄板形零件的變形補償，改善零件的平面度形位公差，保證零件的後續使用效果。由於超音速火焰噴塗具有焰流溫度較低(約為2000～3000℃)、粒子速度較快的特點，在製備金屬或金屬-陶瓷複合塗層時往往能夠得到氧化物含量和孔隙率低、結合強度較高的塗層，但是當噴塗粉末為大於2000℃的高熔點金屬氧化物時，超音速火焰焰流溫度很難將其加熱到熔化或半熔化狀態，因此很難在零件基體表面實現塗層沉積。本發明利用該特點，針對超音速火焰噴塗薄板形零件的非噴塗表面，以高熔點金屬氧化物為噴塗粉料，並通過進一步精細控制粉料尺寸、工藝過程參數，在不實現高熔點金屬氧化物在基體表面沉積的條件下，最大程度的模擬薄板形零件超音速火焰噴塗塗層時熱量輸入和顆粒衝擊對零件造成的變形過程，實現對噴塗塗層後薄板形零件的變形補償。在高熔點金屬氧化物噴塗粉料尺寸方面，如果噴塗氧化物粉料粒徑過小，會造成某些細小顆粒達到熔融或半熔融狀態而在零件表面實現沉積，從而影響非噴塗面的表面狀態；如果噴塗氧化物粉料粒徑過大，對零件表面衝擊過大，會產生零件表層被衝蝕掉的潛在危險，本發明中選擇合適的氧化物粉料尺寸為75～125μm。同時，通過對氧氣、丙烷等氣體流量的合理調節，使超音速火焰焰流具有相對適中的溫度，使金屬氧化物粉料達不到熔融沉積狀態；通過對噴塗距離和送粉速率的調節，使金屬氧化物顆粒對薄板形零件非噴塗表面具有適中的衝擊力度和衝擊密度。最終，通過對上述參數的良好匹配，實現對薄板形零件變形的良好補償，並通過多次試驗，得出在超音速火焰噴塗高熔點金屬氧化物處理過程噴槍移動速度、步進距離以及每遍間隔時間與噴塗面超音速火焰噴塗塗層時保持一致條件下，非噴塗面超音速火焰噴塗高熔點金屬氧化物處理的遍數為噴塗面超音速火焰噴塗塗層遍數的1～1.5倍。本發明有效解決了採用鈑金、熱處理、噴丸等手段對超音速火焰噴塗薄板形零件的變形抵消補償難的問題，通過進行超音速火焰噴塗高熔點金屬氧化物處理的方式，有效實現了對噴塗後薄板形零件的變形補償，改善了零件的平面度形位公差，保證了薄板形零件的後續使用效果。同時本發明實施簡便，不需要轉換設備，對薄板形零件變形的抵消補償作用明顯，有益效果顯著。
附圖說明
圖1為實施例一薄板形零件1形狀示意圖。
圖2為實施例一薄板形零件1變形補償過程。
圖3為實施例二薄板形零件2形狀示意圖。
圖4為實施例二薄板形零件2變形補償過程。
附圖標記說明：1–薄板形零件1、2–薄板形零件2、a、b–超音速火焰噴塗塗層材料、ⅰ–超音速火焰噴塗塗層後、ⅱ–變形補償後。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
通過在薄板形零件噴塗面反側的非噴塗面進行超音速火焰噴塗高熔點金屬氧化物處理的方式實現對薄板形零件的變形補償，具體方法為：
1)在薄板形零件噴塗面超音速火焰噴塗塗層後，將薄板形零件翻轉並按相同方式進行裝夾固定；
2)以熔點大於2000℃的高熔點金屬氧化物為噴塗粉料，控制粉料粒徑在75～125μm，噴塗距離200～230mm，送粉速率15～18g/min，氧氣壓力145～155psi，氮氣壓力130～140psi，丙烷壓力75～85psi，氫氣壓力90～100psi，空氣壓力90～110psi，氧氣流量180～200slpm，丙烷流量55～60slpm，空氣流量380～400slpm，對薄板形零件的非噴塗面進行超音速火焰噴塗高熔點金屬氧化物處理；
3)超音速火焰噴塗高熔點金屬氧化物處理過程噴槍移動速度、步進距離以及每遍間隔時間與噴塗面超音速火焰噴塗塗層時保持一致，處理遍數為噴塗面超音速火焰噴塗塗層遍數的1～1.5倍，從而在不實現高熔點金屬氧化物在基體材料表面沉積的條件下通過高速火焰熱量輸入和顆粒衝擊實現對薄板形零件的變形補償。
實施例1
針對如圖1所示的薄板形零件1，首先以碳化鎢/鈷為噴塗材料，採用超音速火焰噴塗工藝，噴槍移動速度800mm/s，步進距離3mm，每遍噴塗間隔時間25s，對薄板形零件噴塗面噴塗16遍製備得到厚度約130μm的碳化鎢/鈷金屬陶瓷塗層a。超音速火焰噴塗碳化鎢/鈷塗層過程ⅰ結束後，將薄板形零件翻轉並按相同方式進行裝夾固定，以粒徑在75～125μm的al2o3為噴塗粉料，控制噴塗距離200mm，送粉速率15g/min，氧氣壓力145psi，氮氣壓力130psi，丙烷壓力75psi，氫氣壓力90psi，空氣壓力100psi，氧氣流量180slpm，丙烷流量55slpm，空氣流量400slpm，對薄板形零件的非噴塗面進行超音速火焰噴塗al2o3處理，處理過程噴槍移動速度、步進距離以及每遍間隔時間與噴塗面超音速火焰噴塗碳化鎢/鈷塗層時保持一致，非噴塗面超音速火焰噴塗al2o3處理20遍。超音速火焰噴塗al2o3處理變形補償過程ⅱ結束後，得到平面度小於0.1mm的薄板形塗層零件。
實施例2
針對如圖3所示的薄板形零件2，首先以鎳鉻鋁釔(nicraly)為噴塗材料，採用超音速火焰噴塗工藝，噴槍移動速度1000mm/s，步進距離4mm，每遍噴塗間隔時間20s，對薄板形零件噴塗面噴塗10遍製備得到厚度約220μm的nicraly金屬塗層b。超音速火焰噴塗碳化鎢/鈷塗層過程ⅰ結束後，將薄板形零件翻轉並按相同方式進行裝夾固定，以粒徑在80～100μm的zro2為噴塗粉料，控制噴塗距離210mm，送粉速率17g/min，氧氣壓力150psi，氮氣壓力140psi，丙烷壓力80psi，氫氣壓力90psi，空氣壓力100psi，氧氣流量200slpm，丙烷流量60slpm，空氣流量400slpm，對薄板形零件的非噴塗面進行超音速火焰噴塗zro2處理，處理過程噴槍移動速度、步進距離以及每遍間隔時間與噴塗面超音速火焰噴塗nicraly塗層時保持一致，非噴塗面超音速火焰噴塗zro2處理15遍。超音速火焰噴塗zro2處理變形補償過程ⅱ結束後，得到平面度小於0.08mm的薄板形塗層零件。