噴塗材料與轟擊微粒相結合實現的熱噴塗塗層成形方法與流程

2023-10-08 16:06:59 2

本發明涉及一種噴塗材料與轟擊微粒相結合實現的熱噴塗塗層成形方法，屬於熱噴塗技術領域。

背景技術：

熱噴塗是由大量受熱熔化或熔融的粒子高速飛行並沉積到基體表面形成塗層的一種工藝過程。熱噴塗的應用已涉及航空、汽車、冶金、印刷、化工等眾多工業領域，逐漸成為裝備再製造工程中的關鍵技術並被不斷發掘。

目前研究發現，熱的噴塗粒子扁平化沉積至基體表面後瞬間凝固形成的驟冷應力是塗層主要的殘餘應力源，而且是不可避免的。正是由於塗層中驟冷應力的存在，因而使得大多數材料噴塗層的最終殘餘應力總體上呈現拉應力，這對塗層的結合強度、熱衝擊、磨損以及疲勞等性能都會產生極為不利的影響，在噴塗加工及後續使用過程中易誘發翹曲變形、剝落，甚至開裂等失效行為。因此，針對塗層中殘餘拉應力的不利影響，積極探索行之有效的應對方法，是熱噴塗技術領域的一項重要工作。

熱噴塗層的殘餘應力源除了驟冷應力外，通常還包括熱失配應力，它是在塗層沉積完畢後冷卻至室溫這一過程中，由於塗層與基體材料熱膨脹係數的不匹配而形成的應力，當塗層材料熱膨脹係數大於基體材料時，表現為拉應力，反之為壓應力。另外，少數噴塗材料在沉積過程中會誘發相變壓應力。熱失配壓應力和相變壓應力可以抵消一部分驟冷拉應力，對削弱總體殘餘應力的不利影響有好處，但是，它們受噴塗材料的限制，不具備普遍性。

值得注意的是，高速火焰噴塗(hvof或hvaf)可謂是熱噴塗技術當中的一枝獨秀，從最初的發明到現在也只不過是三十幾年的時間，目前卻已成為熱噴塗當中發展最迅速、應用最廣泛的技術之一。一方面，這得益於高速火焰噴塗技術相當高的粒子飛行速度，其使得製備金屬、陶瓷及複合塗層時優勢相當明顯，另一方面，由於高速火焰噴塗的火焰溫度適中，使得噴塗一些陶瓷粉末或高熔點金屬粉末的塗層時，粉末材料沒有完全熔化，具有一定的彈塑性應變能，粉末高速沉積到待噴塗表面時，會產生相當於噴丸效果的錘擊壓應力，這極大削弱了因驟冷拉應力帶來的許多不利影響，使得塗層的總體質量大幅度提升。

冷噴塗技術正是充分利用了噴塗粒子高速撞擊待噴塗表面而產生的錘擊效應，從而使塗層呈現壓應力，但是由於噴塗粒子的溫度很低，必須要求粒子的飛行速度足夠高且材料易塑性變形，才能完成塗層的可靠沉積。

由此可見，設計出一種在熱噴塗過程中可改善塗層內部的殘餘應力分布，同時不影響噴塗材料的沉積效果，進而產生塗層的性能強化效應，提高塗層性能的技術方案，是目前急需深入挖掘的方向。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種噴塗材料與轟擊微粒相結合實現的熱噴塗塗層成形方法，其通過簡單有效、低成本的方法解決了現有熱噴塗層殘餘拉應力大、塗層質量不高等問題，改善了塗層內部的殘餘應力分布的同時，不影響噴塗材料的沉積效果，進而產生塗層性能強化效應，提高了塗層的本徵性能及使用性能。

為了實現上述目的，本發明採用了以下技術方案：

一種噴塗材料與轟擊微粒相結合實現的熱噴塗塗層成形方法，其特徵在於，它包括步驟：噴塗材料通過噴塗熱源加熱至熔融或完全熔化狀態，並通過氣體射流加速推動，撞擊到基體表面或已沉積的塗層表面發生扁平化沉積並不斷疊加而實現增厚成形，與此同時，具有彈塑性應變能的轟擊微粒在同一氣體射流或單獨氣體射流的作用下轟擊已經扁平化沉積的塗層，與塗層碰撞後部分或全部發生反彈而耗散，其中：轟擊微粒轟擊塗層前的受熱溫度低於其熔點。

當所述噴塗材料與所述轟擊微粒使用同一氣體射流時，所述噴塗材料與所述轟擊微粒在相同位置點處進入氣體射流中並發生摻混，或在不同位置點處進入氣體射流中且在氣體射流的下遊發生摻混，摻混後所述噴塗材料與所述轟擊微粒飛行經過相同的熱噴塗環境。

當所述噴塗材料與所述轟擊微粒分別使用不同的氣體射流時，所述轟擊微粒飛行經過的熱噴塗環境與所述噴塗材料飛行經過的熱噴塗環境各自獨立或部分路徑重疊。

所述噴塗熱源為通過電弧、等離子體或燃燒火焰獲得的熱源。

當所述噴塗材料為粉末時，用於塗層成形的熱噴塗設備為粉末等離子噴塗設備或粉末火焰噴塗設備，其中：粉末火焰噴塗設備為普通火焰噴塗設備或高速火焰噴塗設備。

當所述噴塗材料為絲材時，用於塗層成形的熱噴塗設備為電弧噴塗設備、絲材等離子噴塗設備或絲材火焰噴塗設備。

所述轟擊微粒的材質為金屬或非金屬材質。所述轟擊微粒的形狀為外形規則的球形或圓柱形丸粒，或者帶有稜角的砂粒狀顆粒。

本發明的優點是：

1、在熱噴塗過程中，本發明利用轟擊微粒具有的彈塑性應變能特性對已沉積的塗層表面進行同步轟擊，在實現噴塗材料有效沉積和增厚成形的同時，轟擊微粒產生「夯實」效應，改善了塗層內部的殘餘應力分布，即降低殘餘拉應力，在合理範圍內增大殘餘壓應力，從而顯著削弱了塗層沉積誘發驟冷應力(拉應力)的不利影響，塗層的總體質量和性能得到了提升與強化，塗層的本徵及使用性能被大幅提高。

2、本發明與現有高速火焰噴塗(或稱超音速火焰噴塗)，甚至冷噴塗技術相比，現有高速火焰噴塗、冷噴塗技術雖改善了殘餘應力分布，但對噴塗材料、沉積速度等方面的限制較多，適用範圍較窄，而本發明提出的這種噴塗工藝對噴塗材料、轟擊微粒的限制少，可靈活變通設計，操作便捷，通用性強，實施成本低，適應範圍較廣，可針對不同的熱噴塗工藝和噴塗材料合理選擇轟擊微粒及工藝來實施。

附圖說明

圖1是本發明的實施流程圖。

圖2是本發明實施例1的說明圖。

圖3是不同混合比例下的混合粉料噴塗所得的塗層表面殘餘應力曲線圖。

圖4a是未添加轟擊微粒噴塗所得塗層的截面形貌圖。

圖4b是添加30％轟擊微粒噴塗所得塗層的截面形貌圖。

圖5是不同混合比例下的混合粉料噴塗得到的塗層顯微硬度曲線圖。

圖6是本發明實施例2的說明圖。

圖7是未添加轟擊微粒與添加轟擊微粒條件下噴塗所得塗層的表面殘餘應力隨機測試分布圖。

圖8a是未添加轟擊微粒噴塗所得塗層的截面形貌圖。

圖8b是添加了轟擊微粒噴塗所得塗層的截面形貌圖。

圖9是本發明實施例3的說明圖。

圖10是不同載氣壓力下噴塗所得塗層的表面殘餘應力曲線圖。

圖11是本發明實施例4的說明圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明噴塗材料與轟擊微粒相結合實現的熱噴塗塗層成形方法包括下述步驟：

噴塗材料通過噴塗熱源加熱至熔融或完全熔化狀態(即接近或超過噴塗材料的熔點)，通過高動能的氣體射流加速推動，高速撞擊到諸如工件的基體表面或已沉積的塗層表面，與此同時，具有一定彈塑性應變能的轟擊微粒在同一氣體射流(即噴塗材料與轟擊微粒使用同一氣體射流)或單獨氣體射流(即噴塗材料與轟擊微粒分別使用不同的氣體射流)的作用下轟擊已經扁平化沉積的塗層，通過調節與噴塗和微粒轟擊相關的工藝參數，部分(通常為大部分)或全部轟擊微粒與塗層碰撞後發生反彈而耗散，其中：轟擊微粒的熔點高於其在整個熱噴塗過程中所承受的溫度，即受熱溫度，換句話來說，轟擊微粒飛行經過高於常溫的熱噴塗環境時發生受熱，使得轟擊微粒的溫度上升，但是即使到轟擊微粒與塗層材料發生碰撞時，轟擊微粒受熱升溫的值也不能超過轟擊微粒本身的熔點，這樣轟擊微粒在碰撞前必然具備彈塑性應變能，從而達到轟擊的效果。

通常，轟擊微粒受熱的溫升值越小，碰撞速度越高，轟擊效果越明顯，即噴塗材料所遭受的塑性應變和殘餘壓應力也越大。而且，轟擊微粒的溫升值和飛行速度可以通過改變推動轟擊微粒的射流能量以及轟擊微粒的材質、尺寸及形態等參數來調節。

通常地，絕大多數的轟擊微粒在碰撞的作用下都會反彈耗散，只有極少部分的轟擊微粒隨噴塗材料一起沉積，這可通過調節噴塗和轟擊工藝來減小轟擊微粒的沉積量，且並不會影響熱噴塗所得塗層的性能。

在本發明中，噴塗材料在熱噴塗過程中會被加熱至熔融或完全熔化狀態，但轟擊微粒的熔點高於其所飛行經過整個熱噴塗環境的溫升值，進而不會被熔化。進一步來說，轟擊微粒在從進入相應熱噴塗設備到與塗層發生碰撞的整個熱噴塗過程中，溫度上升很有限，因而其仍可具有一定的彈塑性應變能，從而用來實現轟擊碰撞已經扁平化沉積的塗層。

當噴塗材料與轟擊微粒使用同一氣體射流時，噴塗材料與轟擊微粒在相同位置點處進入氣體射流中並發生摻混，或在不同位置點處進入氣體射流中且在氣體射流的下遊發生摻混，摻混後，噴塗材料與轟擊微粒飛行經過相同的熱噴塗環境，此種情況下，轟擊微粒的熔點通常要求較高，以使得其溫度雖然上升較大，但可仍然保持較高的應變能而利於產生轟擊效應。

當噴塗材料與轟擊微粒分別使用不同的氣體射流時，轟擊微粒飛行經過的熱噴塗環境與噴塗材料飛行經過的熱噴塗環境各自獨立或小部分路徑重疊，此種情況下，可以讓轟擊微粒的受熱溫度較小，進而可選擇熔點可高可低的轟擊微粒，不受局限。

在本發明中，噴塗熱源為通過電弧、等離子體或燃燒火焰獲得的熱源，應用範圍較廣。

在實際實施時，當噴塗材料選用粉末時，用於塗層成形的熱噴塗設備可為粉末等離子噴塗設備或粉末火焰噴塗設備，其中：粉末火焰噴塗設備可為普通火焰噴塗設備或高速火焰噴塗設備。

例如，實施粉末熱噴塗時，相對低熔點粉末中可混入高熔點的轟擊微粒，如砂料或陶瓷丸料等微粒，這樣，粉末與混入的轟擊微粒雖然要共同經受加熱，但由於轟擊微粒的熔點高於受熱溫度，因此當它們到達基體表面時，粉末已被加熱到接近或超過其熔點，而轟擊微粒雖有一定的受熱，但其熔點遠高於其受熱溫度，因而可以保持較高的轟擊碰撞能量。

再例如，實施粉末熱噴塗時，粉末被送入噴槍的高溫區(或者說提前進入噴槍加熱)，而轟擊微粒(砂料或丸料)被送入噴槍的低溫區(或者說晚些進入噴槍中加熱)，這樣可以減少轟擊微粒的受熱時間，從而使其受熱溫度遠低於自身熔點，確保在轟擊塗層時具有相對低的溫度而保持較高的轟擊碰撞能量。

再例如，實施粉末熱噴塗時，粉末通過噴槍的高溫高速氣體射流加熱和加速，而轟擊微粒通過另外的噴槍設備以低溫氣體射流加速噴向沉積斑點，從而在保證粉末噴塗射流與轟擊微粒射流二者間相互匹配、同步運行的基礎上，確保轟擊微粒保持極低的溫度來對熱的沉積塗層進行轟擊。

在實際實施時，當噴塗材料選用絲材時，用於塗層成形的熱噴塗設備可為電弧噴塗設備、絲材等離子噴塗設備或絲材火焰噴塗設備。

例如，實施絲材噴塗時，轟擊微粒可通過粉末的形式注入噴塗材料的熱噴塗射流中或以單獨低溫氣體射流噴向沉積斑點，從而確保轟擊微粒保持較低的溫度來對熱的沉積塗層進行轟擊。

少數情況下可以採取粉芯絲材的形式來進行噴塗成形，即轟擊微粒作為填充用粉末的全部或一部分，並用金屬外皮包覆這種填充粉末而製成粉芯絲材。當使用這種粉芯絲材實施噴塗時，在轟擊微粒的材料設計、熱噴塗設備的選擇等因素上，需要滿足轟擊微粒不會過度受熱，而絲材中其它成分能夠充分加熱並可靠的沉積。

如圖1所示，在實施熱噴塗前，較佳地，還應先對基體表面進行充分的預處理(淨化、粗化和活化處理)，即對待噴塗的基體表面進行除油、除鏽、噴砂(或電拉毛)等預處理，以保證噴塗材料與基體表面之間能夠可靠結合。

在熱噴塗時，通過調節相應氣體射流的壓力、溫度來調節噴塗材料和轟擊微粒的受熱溫度、飛行速度以及流量等參數，同時通過選擇設計轟擊微粒的材質、形狀、粒度等參量，來滿足不同熱噴塗技術、不同噴塗材料條件下對轟擊微粒的要求，進而既能保證轟擊微粒撞擊已沉積的塗層表面後能夠可靠地脫附，又可利於後續噴塗材料在已轟擊塗層表面上的可靠沉積，並避免沉積塗層因遭受過度轟擊而剝離的可能，來達到高質量轟擊效果。

實施例1：

如圖2所示，採用高速火焰噴塗混有粉末和高熔點轟擊微粒的複合粉料。具體來說，噴塗材料50選用febsinb非晶粉末50g，轟擊微粒60選用白剛玉砂，噴塗材料50與轟擊微粒60按質量比9∶1或8∶2或7∶3或6∶4或5∶5等比例混合均勻，其中：非晶粉末的粒度為-325～200目，熔點為1220℃；白剛玉砂的粒度為-150～100目，其主要成分為al2o3，al2o3的含量在95％～97％，al2o3的熔點為2054℃。熱噴塗設備選用火焰噴塗槍30，其噴塗熱源為圖2所示的點火器31引燃燃料32和助燃氣33的混合物產生的燃燒火焰。待噴塗的基體10選用70mm×30mm×8mm的45#鋼。

噴塗前先對45#鋼進行除油、除鏽、噴砂預處理。然後將配比好的混合粉料通過噴塗槍30進行火焰噴塗，噴塗參數為：c2h2流量1.3m3/h，o2流量0.7m3/h，送粉速率35g/min，噴塗距離180mm，冷卻空氣壓力0.4mpa。圖2示意性地示出了沉積的塗層20。

圖3為不同混合比例下的混合粉料噴塗得到的塗層表面殘餘應力曲線。從圖3可以看到，添加轟擊微粒後噴塗所得的塗層表面殘餘拉應力都有所降低。當噴塗材料50與轟擊微粒60按質量比8∶2的比例混合時，殘餘拉應力降低幅度最大，可達43.8％。

圖4a、圖4b分別為未添加轟擊微粒噴塗所得塗層的截面形貌、添加了30％轟擊微粒(噴塗材料50與轟擊微粒60按質量比7∶3的比例混合均勻)噴塗所得塗層的截面形貌。圖4a和圖4b所顯示的形貌大體分為上下三層，最底層為基體，中間層為噴塗所得塗層，最頂層為製備金相試樣時所用的鑲樣材料。從圖4a和圖4b可以看到，未添加轟擊微粒噴塗所得塗層的孔隙率較大，約為1.2％，而添加了轟擊微粒噴塗所得的塗層非常緻密均勻，孔隙率較小，僅為0.5％左右，下降了58.3％。

圖5為不同混合比例下的混合粉料噴塗得到的塗層顯微硬度曲線。從圖5可以看到，經過轟擊微粒轟擊後，塗層的硬度明顯改善，硬度最高可達794.7hv，比未添加轟擊微粒噴塗所得塗層的硬度672.4hv提高了18.1％。

實施例2：

如圖6所示，採用高速火焰噴塗，但粉末送入射流高溫區，轟擊微粒送入射流低溫區。具體來說，噴塗材料50選用fecrbsinb非晶粉末，粒度為-325～200目，熔點為1350℃。轟擊微粒60選用白剛玉砂，粒度為-150～80目。熱噴塗設備選用煤油燃料高速火焰噴塗槍40，其噴塗熱源為圖6所示的點火器41引燃燃料42和助燃氣43的混合物產生燃燒形成的高溫高速火焰射流。待噴塗的基體10選用70mm×30mm×8mm的45#鋼。

噴塗前先對45#鋼進行除油、除鏽、噴砂預處理。煤油燃料高速火焰噴塗槍40的噴塗參數為：o2流量45.0nm3/h，煤油流量21.0l/h，燃燒室壓力6.5bar，噴塗距離250mm，噴槍移動速度800mm/s，噴塗材料50的送粉速率35g/min，轟擊微粒60的送粉速率15g/min。圖6示意性地示出了沉積的塗層20。

圖7為未添加轟擊微粒與添加轟擊微粒條件下噴塗所得塗層的表面殘餘應力隨機測試分布圖，圖中橫坐標為測試序號，表示第1、2、3、……、6次測試。從圖7可以看出，通過對添加轟擊微粒後噴塗得到的塗層表面殘餘應力進行6次隨機測試，6次測試得到的殘餘應力均值為-114.5mpa。通過對未添加轟擊微粒噴塗得到的塗層表面進行6次隨機測試，6次測試得到的殘餘應力均值為-57mpa。因此可以看出，添加轟擊微粒條件下與未添加轟擊微粒條件下相比，殘餘壓應力提高了約1倍，且殘餘應力的波動起伏範圍變小，變得更加平穩。

圖8a、圖8b分別為未添加轟擊微粒噴塗所得塗層的截面形貌、添加了轟擊微粒噴塗所得塗層的截面形貌。從圖8a、圖8b可以看到，未添加轟擊微粒噴塗所得塗層中的沉積粒子相互搭接界面較明顯，而添加轟擊微粒後噴塗得到的塗層更加緻密均勻。由此可見，轟擊微粒的撞擊可以有效增加沉積粒子的塑性變形，增大殘餘應力，改善塗層質量。

實施例3：

如圖9所示，噴塗材料50通過火焰噴塗槍70的射流受熱、加速，在基體10表面上沉積形成塗層20，其噴塗熱源為圖9所示的點火器71引燃燃料72、助燃氣73的混合物形成的燃燒火焰射流。轟擊微粒60通過另一噴塗設備——噴丸槍80的低溫氣體射流加速噴向沉積斑點。

具體來說，噴塗材料50選用fecrbsinb非晶粉末，粒度為-325～200目，熔點為1350℃。轟擊微粒60選用不鏽鋼切丸，粒度為1.2mm～2mm。基體10選用70mm×30mm×8mm的45#鋼。

噴塗前先對45#鋼進行除油、除鏽、噴砂預處理。火焰噴塗槍70的噴塗參數為：c2h2流量1.3m3/h，o2流量0.7m3/h，送粉速率35g/min，噴塗距離180mm，冷卻空氣壓力0.4mpa。轟擊微粒60通過壓送式噴丸槍80與火焰噴塗槍70協同作業，通過調節氣體壓力控制噴丸強度，噴丸槍80的氣體壓力設定為0.2mpa～0.4mpa。圖9示意性地示出了沉積的塗層20。

圖10為在轟擊微粒的不同載氣壓力下製備出的塗層表面殘餘應力曲線。從圖10可以看出，未經過轟擊微粒撞擊噴塗(即圖中載氣壓力為0mpa對應的工藝)所得塗層的表面殘餘應力為拉應力，殘餘應力值為256mpa，轟擊微粒60在0.2mpa氣壓下撞擊噴塗得到的塗層表面殘餘應力仍然為拉應力，殘餘應力平均值為31mpa，而轟擊微粒60在0.4mpa氣壓下撞擊噴塗得到的塗層表面殘餘應力已變為壓應力，殘餘應力平均值為-115mpa。由此可見，經過轟擊微粒的轟擊後，塗層的殘餘應力從拉應力不斷減小，甚至變為了壓應力，得到了較大的改善。

實施例4：

如圖11所示，噴塗材料為絲材，通過電弧熔化並經高速霧化氣流(主氣流)加速霧化，另一股氣體射流(二次氣流)對注入的轟擊微粒進行加速，形成轟擊粒子流，噴射到電弧區域。轟擊微粒受電弧加熱的影響很小，最終形成絲材熔滴和轟擊微粒的混合流，完成熔滴噴塗沉積與轟擊微粒撞擊一體化成形塗層。

具體來說，噴塗材料50選用febsinb非晶粉芯絲材，轟擊微粒選用棕剛玉噴塗砂，粒度為-120～80目。熱噴塗設備選用高速電弧噴槍90。基體10選用70mm×30mm×8mm的45#鋼。

噴塗前先對45#鋼進行除油、除鏽、噴砂預處理。電弧噴槍90的噴塗參數為：電壓36v，電流200a，噴塗距離180mm，噴塗材料的輸送氣壓0.75mpa，轟擊微粒的輸送氣壓0.75mpa。圖11示意性地示出了沉積的塗層20以及電弧噴槍90形成的電弧100。

從試驗結果可以看出，經過轟擊微粒撞擊後得到的塗層內部殘餘應力都表現為壓應力，塗層與基體的結合強度有較大的提升，且塗層變得更加密實，總之，在轟擊微粒作用下，塗層的各種性能都得到了明顯的改善與提高。

本發明的這種熱噴塗工藝並不局限於某一特定的熱噴塗技術，除了本發明實施例所述的熱噴塗技術外，還可用於其它熱噴塗技術。熱噴塗材料也不限於實施例所述的非晶粉末或絲材。

轟擊微粒的材質選擇也不局限於某一特定的材料，其可為金屬或非金屬材質，除實施例提及的材料之外，wc、zro2等具有較高熔點的材料也可用做轟擊微粒，另外，轟擊微粒的形狀、粒度也不受局限，通常來講粒度在10μm～2mm範圍內都可適用，形狀可以是球形、圓柱形等外形規則的丸粒，也可以是帶有尖銳稜邊的砂粒狀不規則顆粒。

轟擊微粒選用硬質或非硬質材質都行。轟擊微粒的硬度不一定要高於塗層材料的硬度，因為噴塗材料在沉積凝固時還保持較高的溫度，從而具備較好的塑性變形能力，只要轟擊微粒的硬度便於轟擊微粒撞擊塗層時不會因自身過度塑性變形粘黏在塗層上而不便脫離。

本發明的優點是：

在熱噴塗過程中，本發明利用轟擊微粒具有的彈塑性應變能特性對已沉積的塗層表面進行同步轟擊，在實現噴塗材料有效沉積和增厚成形的同時，轟擊微粒產生「夯實」效應，改善了塗層內部的殘餘應力分布，即降低殘餘拉應力，在合理範圍內增大殘餘壓應力，從而顯著削弱了塗層沉積誘發驟冷應力(拉應力)的不利影響，塗層的總體質量和性能得到了提升與強化，塗層的本徵及使用性能被大幅提高。並且，本發明提出的這種噴塗工藝對噴塗材料、轟擊微粒的限制少，可靈活變通設計，操作便捷，通用性強，實施成本低，適應範圍較廣，可針對不同的熱噴塗工藝和噴塗材料合理選擇轟擊微粒來實施。

以上所述是本發明較佳實施例及其所運用的技術原理，對於本領域的技術人員來說，在不背離本發明的精神和範圍的情況下，任何基於本發明技術方案基礎上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬於本發明保護範圍之內。