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【发明授权】一种高结合强度的等离子喷涂涂层材料及其制备方法_北京工业大学_201810273523.1 

申请/专利权人:北京工业大学

申请日:2018-03-29

公开(公告)日:2020-10-16

公开(公告)号:CN108411243B

主分类号:C23C4/134(20160101)

分类号:C23C4/134(20160101);C23C4/08(20160101);C23C4/06(20160101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2020.10.16#授权;2018.09.11#实质审查的生效;2018.08.17#公开

摘要:一种高结合强度的等离子喷涂涂层材料及其制备方法属于材料表面工程领域。该方法通过等离子喷涂大尺寸大于200μm的高熔点大于1400℃合金颗粒,保证与颗粒接触的基体微区发生熔化并与之形成冶金结合。本方法可以使用等离子喷粉或者等离子喷丝的方式进行,喷涂粉末时,使用枪内送粉的方式进行。喷涂丝材时,通过调整送丝速率与喷涂功率和等离子气流量,丝材被雾化后形成大量200μm以上的颗粒。采用本发明制备的涂层的结合强度要明显优于传统等离子喷涂涂层。

主权项:1.一种实现高结合强度的等离子喷涂方法,其特征在于,涂层材料原料的形式为粉末或丝材,其成份中包含90-95%质量分数为熔点高于1400℃的单质金属元素以及质量分数为5%~10%的易氧化的元素,易氧化的元素为Al、Si、Zr、Ti之一或几种;熔点高于1400℃的单质金属元素为Ni、Mo、Cr、Fe之一或几种;粉末的平均粒度在200μm以上;采用等离子喷涂粉末的方式,粉末从喷枪内进入,粉末进入方向与射流同轴或者与射流不同轴,保证颗粒能被完全熔化,而且颗粒的温度高于熔点100℃以上,即呈现过热状态;丝材为实心丝材或粉芯丝材,直径1.2-3.2mm之间;采用等离子喷涂丝材的方式,丝材送进的方向与射流同轴或者与射流不同轴,送丝速率在0.5-3mmin之间,得到雾化后的颗粒平均粒径大于200μm,温度高于熔点100℃以上,即呈现过热状态。

全文数据:一种高结合强度的等离子喷涂涂层材料及其制备方法技术领域[0001]本发明涉及表面工程领域,特别涉及等离子喷涂金属涂层。背景技术[0002]结合强度是决定涂层使用寿命的一项重要性能,但热喷涂涂层的结合强度一般偏低,限制了它在工业中的广泛应用。提高涂层与基材之间的结合强度对于热喷涂涂层的工程应用具有十分重要的意义。[0003]大多数情况下,热喷涂涂层与基体的结合以机械咬合为主,所以热喷涂前需要对基体进行喷砂粗化处理以增强涂层与基体的结合。只有极少数情况下涂层与基体能形成少量的局部冶金结合点,比如当基材为熔点较低的铝、镁等材料同时选择喷涂高熔点的M〇、NiAl等材料进行喷涂,但是涂层结合强度仍然不甚理想。除了WC-Co等具有很大刚度的硬质涂层以外,一般热喷涂380um厚度以上的金属涂层的结合强度都在20-30MPa之间。[0004]为了提高涂层与基体的结合,本发明通过提高喷涂颗粒尺寸并改进喷涂材料成分的手段,提高了喷涂颗粒所携带的热量,确保了基体能发生熔化并与涂层形成大面积的冶金结合区,这样显著改善了涂层与基体的结合方式,显著提升了涂层的结合强度,在磨抛的基体上喷涂涂层的结合强度远高于喷砂处理时的结合强度。发明内容[0005]一种实现高结合强度的等离子喷涂方法,其特征在于,涂层材料原料的形式为粉末或丝材,其成份中包含90-95%质量分数为熔点高于140TC的单质金属元素以及质量分数为5%〜10%的易氧化的元素,易氧化的元素为八1、3;1、21'、^等之一或几种;[0006]粉末的平均粒度在200um以上;采用等离子喷涂粉末的方式,粉末从喷枪内进入,粉末进入方向与射流同轴或者与射流不同轴,保证颗粒能被完全熔化,而且颗粒的温度高于熔点10TC以上,即呈现过热状态;[0007]丝材为实心丝材或粉芯丝材,直径1•2-3.2ram之间;采用等离子喷涂丝材的方式,丝材送进的方向与射流同轴或者与射流不同轴,送丝速率在〇.5-3mmin之间,得到雾化后的颗粒平均粒径大于2〇〇wn,温度高于熔点10TC以上,即呈现过热状态。[0008]涂层与基体局部形成了冶金结合。[0009]熔点高于1400°C的单质金属元素为附1〇、0、?6等。[0010]本发明通过提高喷涂颗粒尺寸及喷涂材料的成分设计,提出实现冶金结合的方法:[0011]1.喷涂材料主体成分为熔点高于1400°c度以上的单质金属元素,并包含一种或几种质量分数在5%〜10%内的易氧化的元素,包括Al,Si,Zr,Ti。其形式可以是粉末也可以是丝材。[0012]2.喷涂过程中粉末颗粒的尺寸在200wn以上,[0013]3.采用粉末喷涂时,采用枪内送粉的方法,以增加大颗粒的加热时间,使其完全熔化,颗粒温度高于熔点100°c,呈过热状态。[0014]4.采用金属丝材喷涂时,通过协调控制送丝速率及射流温度与速度,以得到雾化颗粒的平均粒径大于200um。附图说明[0015]图1a不同轴枪内送丝粉示意图[0016]图1⑹同轴枪内送丝粉示意图[0017]图265Mn基体冶金结合[0018]图37075铝合金基体冶金结合[0019]图4Q235基体冶金结合[0020]图5304不锈钢基体冶金结合[0021]图62Cr13不锈钢基体冶金结合[0022]以下实施例阐明了本发明的具体内容,但本发明决非局限于以下实施例。[0023]实施例1[0024]使用直径为2.0臟的听415%八1合金丝材在抛光的65111钢表面进行等离子喷涂,喷涂距离为100mm,送丝速率为lmmin,电压为63V,电流为270A,经测量颗粒的温度达到3037°C。[0025]1•涂层的结合强度[0026]采用拉伸法测试涂层结合强度,基体为025厚度为10mm的圆片,将喷涂后的试样粘在偶合棒上,拉伸至涂层与基体结合处断裂。对于所有的式样,最终断裂处都发生于粘胶层,断裂强度为56•68MPa,实际涂层的结合强度要大于此值。[0027]2.涂层的界面观察[0028]采用光学显微镜观察涂层界面,可以看到涂层与基体之间存在一个明显的分界区域,厚度小于20wn,宽度在600M1左右,且该区域组织形态与涂层和基体有一定差异,测试其成分是以Fe为主,说明是由于基体微区产生了熔化并与颗粒形成冶金结合。[0029]实施例2[0030]使用直径为2.0mm的Ni5Al合金丝材在抛光的7075铝合金表面进行等离子喷涂,喷涂距离为100mm,送丝速率为lmmin,电压为63V,电流为270A,雾化得到的颗粒平均粒径达至|J253mi。[0031]1.涂层的结合强度[0032]采用拉伸法测试涂层结合强度,基体为¢25厚度为l〇mm的圆片,将喷涂后的试样粘在对拉帮上进行拉伸,所测试的5个式样均呈现为混合断裂的模式,断裂强度为39.89MPa,实际涂层的结合强度要大于此值。[0033]2.涂层的界面观察[0034]用光学显微镜对涂层界面进行观察观察,可看出涂层与基体之间的界面不再平直,局部有起伏,并存在一个明显的分界区域,该区域的显微硬度仅为HV76.3,远低于母材的HV145以及涂层的HV178,说明该区域的母材发生熔化,原有的形变强化效应消失,说明涂层与基体在此处发生了冶金结合[0035]实施例3[0036]使用粒径为250-300M1的Mo-Ti10%Ti粉末在抛光的Q235表面进行等离子喷涂,采用枪内送粉的方式,喷涂距离为100隨,送粉率为5〇gmin,电压为65V,电流为300A。[0037]1.涂层的结合强度[0038]采用拉伸法测试涂层的结合强度,基体为①25厚度为10mm的圆片,将喷涂后的试样粘在对拉棒,拉断后得到结合强度。所有式样均断裂处在粘胶位置,也就是说涂层的结合强度要大于所得的值,即结合强度大于5〇.83MPa。[0039]2.涂层的界面观察[0040]对涂层界面进行观察,发现涂层与基体之间存在分界线,且该分界线并不平直,表明基体产生了微区的熔化,并与涂层形成局部冶金结合。[0041]实施例4[0042]使用直径为2.0mm的NiAl5%A1合金丝材在抛光的304不锈钢表面进行等离子喷涂,喷涂距离为100mm,送丝速率为lmmin,电压为63V,电流为270A。[0043]1.涂层的结合强度[0044]采用拉伸法测试涂层的结合强度,基体为¢25厚度为10mm的圆片,将喷涂后的试样粘在对拉试棒上,拉断后得到结合强度值,所有式样的最终断裂处都在粘胶位置,也就是说涂层的结合强度要大于所得值,即结合强度大于49.981MPaD[0045]2.涂层的界面观察[0046]将磨抛后的试样用王水试剂进行腐蚀,之后再光学显微镜下观察涂层界面,在500倍下观察,发现涂层与基体之间界面存在一个明显局部分界区,组织形态与母材及涂层均有所不同,腐蚀也看不出分界线特征,说明由于母材微区熔化形成了冶金结合。[0047]实施例5[0048]使用粒径为250-300um的NiAl5%A1粉末在抛光的2Crl3不锈钢表面进行等离子喷涂,采用枪内中心送粉的方式,喷涂距离为1〇〇圓,送粉率为50gmin,电压为65V,电流为300A。[0049]1.涂层的结合强度[0050]采用拉伸法测试结合强度,基体为¢25厚度为10mm的圆片,将喷涂后的试样粘在对拉试棒上,拉断后得到结合强度。所有式样最终断裂均处在粘胶位置,也就是说涂层的结合强度要大于所得的值,即结合强度大于54.251MPa。[0051]2.涂层的界面观察[0052]涂层式样磨抛后用王水试剂进行腐蚀,采用光学显微镜观察界面,发现涂层与基体之间界面存在几个微米厚的白亮区域,这说明由于基体界面发生了微区熔化,形成了冶金结合层。

权利要求:1.一种实现高结合强度的等离子喷涂方法,其特征在于,涂层材料原料的形式为粉末或丝材,其成份中包含90-95%质量分数为熔点高于1400r的单质金属元素以及质量分数为5%〜10%的易氧化的元素,易氧化的元素为△151、21'、1'1之一或几种;粉末的平均粒度在200m以上;采用等离子喷涂粉末的方式,粉末从喷枪内进入,粉末进入方向与射流同轴或者与射流不同轴,保证颗粒能被完全熔化,而且颗粒的温度高于熔点10TC以上,即呈现过热状态;丝材为实心丝材或粉芯丝材,直径1.2-3.2mm之间;采用等离子喷涂丝材的方式,丝材送进的方向与射流同轴或者与射流不同轴,送丝速率在〇.5-3mmin之间,得到雾化后的颗粒平均粒径大于200wn,温度高于熔点10TC以上,即呈现过热状态。2.根据权利要求1所述方法,其特征在于:涂层与基体局部形成了冶金结合。3.根据权利要求1所述方法,其特征在于:熔点高于1400°C的单质金属元素为Ni、Mo、Cr、Fe之一或几种。

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