喷涂材料与轰击微粒相结合实现的热喷涂涂层成形方法与流程

本发明涉及一种喷涂材料与轰击微粒相结合实现的热喷涂涂层成形方法，属于热喷涂技术领域。

背景技术：

热喷涂是由大量受热熔化或熔融的粒子高速飞行并沉积到基体表面形成涂层的一种工艺过程。热喷涂的应用已涉及航空、汽车、冶金、印刷、化工等众多工业领域，逐渐成为装备再制造工程中的关键技术并被不断发掘。

目前研究发现，热的喷涂粒子扁平化沉积至基体表面后瞬间凝固形成的骤冷应力是涂层主要的残余应力源，而且是不可避免的。正是由于涂层中骤冷应力的存在，因而使得大多数材料喷涂层的最终残余应力总体上呈现拉应力，这对涂层的结合强度、热冲击、磨损以及疲劳等性能都会产生极为不利的影响，在喷涂加工及后续使用过程中易诱发翘曲变形、剥落，甚至开裂等失效行为。因此，针对涂层中残余拉应力的不利影响，积极探索行之有效的应对方法，是热喷涂技术领域的一项重要工作。

热喷涂层的残余应力源除了骤冷应力外，通常还包括热失配应力，它是在涂层沉积完毕后冷却至室温这一过程中，由于涂层与基体材料热膨胀系数的不匹配而形成的应力，当涂层材料热膨胀系数大于基体材料时，表现为拉应力，反之为压应力。另外，少数喷涂材料在沉积过程中会诱发相变压应力。热失配压应力和相变压应力可以抵消一部分骤冷拉应力，对削弱总体残余应力的不利影响有好处，但是，它们受喷涂材料的限制，不具备普遍性。

值得注意的是，高速火焰喷涂(hvof或hvaf)可谓是热喷涂技术当中的一枝独秀，从最初的发明到现在也只不过是三十几年的时间，目前却已成为热喷涂当中发展最迅速、应用最广泛的技术之一。一方面，这得益于高速火焰喷涂技术相当高的粒子飞行速度，其使得制备金属、陶瓷及复合涂层时优势相当明显，另一方面，由于高速火焰喷涂的火焰温度适中，使得喷涂一些陶瓷粉末或高熔点金属粉末的涂层时，粉末材料没有完全熔化，具有一定的弹塑性应变能，粉末高速沉积到待喷涂表面时，会产生相当于喷丸效果的锤击压应力，这极大削弱了因骤冷拉应力带来的许多不利影响，使得涂层的总体质量大幅度提升。

冷喷涂技术正是充分利用了喷涂粒子高速撞击待喷涂表面而产生的锤击效应，从而使涂层呈现压应力，但是由于喷涂粒子的温度很低，必须要求粒子的飞行速度足够高且材料易塑性变形，才能完成涂层的可靠沉积。

由此可见，设计出一种在热喷涂过程中可改善涂层内部的残余应力分布，同时不影响喷涂材料的沉积效果，进而产生涂层的性能强化效应，提高涂层性能的技术方案，是目前急需深入挖掘的方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种喷涂材料与轰击微粒相结合实现的热喷涂涂层成形方法，其通过简单有效、低成本的方法解决了现有热喷涂层残余拉应力大、涂层质量不高等问题，改善了涂层内部的残余应力分布的同时，不影响喷涂材料的沉积效果，进而产生涂层性能强化效应，提高了涂层的本征性能及使用性能。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种喷涂材料与轰击微粒相结合实现的热喷涂涂层成形方法，其特征在于，它包括步骤：喷涂材料通过喷涂热源加热至熔融或完全熔化状态，并通过气体射流加速推动，撞击到基体表面或已沉积的涂层表面发生扁平化沉积并不断叠加而实现增厚成形，与此同时，具有弹塑性应变能的轰击微粒在同一气体射流或单独气体射流的作用下轰击已经扁平化沉积的涂层，与涂层碰撞后部分或全部发生反弹而耗散，其中：轰击微粒轰击涂层前的受热温度低于其熔点。

当所述喷涂材料与所述轰击微粒使用同一气体射流时，所述喷涂材料与所述轰击微粒在相同位置点处进入气体射流中并发生掺混，或在不同位置点处进入气体射流中且在气体射流的下游发生掺混，掺混后所述喷涂材料与所述轰击微粒飞行经过相同的热喷涂环境。

当所述喷涂材料与所述轰击微粒分别使用不同的气体射流时，所述轰击微粒飞行经过的热喷涂环境与所述喷涂材料飞行经过的热喷涂环境各自独立或部分路径重叠。

所述喷涂热源为通过电弧、等离子体或燃烧火焰获得的热源。

当所述喷涂材料为粉末时，用于涂层成形的热喷涂设备为粉末等离子喷涂设备或粉末火焰喷涂设备，其中：粉末火焰喷涂设备为普通火焰喷涂设备或高速火焰喷涂设备。

当所述喷涂材料为丝材时，用于涂层成形的热喷涂设备为电弧喷涂设备、丝材等离子喷涂设备或丝材火焰喷涂设备。

所述轰击微粒的材质为金属或非金属材质。所述轰击微粒的形状为外形规则的球形或圆柱形丸粒，或者带有棱角的砂粒状颗粒。

本发明的优点是：

1、在热喷涂过程中，本发明利用轰击微粒具有的弹塑性应变能特性对已沉积的涂层表面进行同步轰击，在实现喷涂材料有效沉积和增厚成形的同时，轰击微粒产生“夯实”效应，改善了涂层内部的残余应力分布，即降低残余拉应力，在合理范围内增大残余压应力，从而显著削弱了涂层沉积诱发骤冷应力(拉应力)的不利影响，涂层的总体质量和性能得到了提升与强化，涂层的本征及使用性能被大幅提高。

2、本发明与现有高速火焰喷涂(或称超音速火焰喷涂)，甚至冷喷涂技术相比，现有高速火焰喷涂、冷喷涂技术虽改善了残余应力分布，但对喷涂材料、沉积速度等方面的限制较多，适用范围较窄，而本发明提出的这种喷涂工艺对喷涂材料、轰击微粒的限制少，可灵活变通设计，操作便捷，通用性强，实施成本低，适应范围较广，可针对不同的热喷涂工艺和喷涂材料合理选择轰击微粒及工艺来实施。

附图说明

图1是本发明的实施流程图。

图2是本发明实施例1的说明图。

图3是不同混合比例下的混合粉料喷涂所得的涂层表面残余应力曲线图。

图4a是未添加轰击微粒喷涂所得涂层的截面形貌图。

图4b是添加30％轰击微粒喷涂所得涂层的截面形貌图。

图5是不同混合比例下的混合粉料喷涂得到的涂层显微硬度曲线图。

图6是本发明实施例2的说明图。

图7是未添加轰击微粒与添加轰击微粒条件下喷涂所得涂层的表面残余应力随机测试分布图。

图8a是未添加轰击微粒喷涂所得涂层的截面形貌图。

图8b是添加了轰击微粒喷涂所得涂层的截面形貌图。

图9是本发明实施例3的说明图。

图10是不同载气压力下喷涂所得涂层的表面残余应力曲线图。

图11是本发明实施例4的说明图。

具体实施方式

如图1所示，本发明喷涂材料与轰击微粒相结合实现的热喷涂涂层成形方法包括下述步骤：

喷涂材料通过喷涂热源加热至熔融或完全熔化状态(即接近或超过喷涂材料的熔点)，通过高动能的气体射流加速推动，高速撞击到诸如工件的基体表面或已沉积的涂层表面，与此同时，具有一定弹塑性应变能的轰击微粒在同一气体射流(即喷涂材料与轰击微粒使用同一气体射流)或单独气体射流(即喷涂材料与轰击微粒分别使用不同的气体射流)的作用下轰击已经扁平化沉积的涂层，通过调节与喷涂和微粒轰击相关的工艺参数，部分(通常为大部分)或全部轰击微粒与涂层碰撞后发生反弹而耗散，其中：轰击微粒的熔点高于其在整个热喷涂过程中所承受的温度，即受热温度，换句话来说，轰击微粒飞行经过高于常温的热喷涂环境时发生受热，使得轰击微粒的温度上升，但是即使到轰击微粒与涂层材料发生碰撞时，轰击微粒受热升温的值也不能超过轰击微粒本身的熔点，这样轰击微粒在碰撞前必然具备弹塑性应变能，从而达到轰击的效果。

通常，轰击微粒受热的温升值越小，碰撞速度越高，轰击效果越明显，即喷涂材料所遭受的塑性应变和残余压应力也越大。而且，轰击微粒的温升值和飞行速度可以通过改变推动轰击微粒的射流能量以及轰击微粒的材质、尺寸及形态等参数来调节。

通常地，绝大多数的轰击微粒在碰撞的作用下都会反弹耗散，只有极少部分的轰击微粒随喷涂材料一起沉积，这可通过调节喷涂和轰击工艺来减小轰击微粒的沉积量，且并不会影响热喷涂所得涂层的性能。

在本发明中，喷涂材料在热喷涂过程中会被加热至熔融或完全熔化状态，但轰击微粒的熔点高于其所飞行经过整个热喷涂环境的温升值，进而不会被熔化。进一步来说，轰击微粒在从进入相应热喷涂设备到与涂层发生碰撞的整个热喷涂过程中，温度上升很有限，因而其仍可具有一定的弹塑性应变能，从而用来实现轰击碰撞已经扁平化沉积的涂层。

当喷涂材料与轰击微粒使用同一气体射流时，喷涂材料与轰击微粒在相同位置点处进入气体射流中并发生掺混，或在不同位置点处进入气体射流中且在气体射流的下游发生掺混，掺混后，喷涂材料与轰击微粒飞行经过相同的热喷涂环境，此种情况下，轰击微粒的熔点通常要求较高，以使得其温度虽然上升较大，但可仍然保持较高的应变能而利于产生轰击效应。

当喷涂材料与轰击微粒分别使用不同的气体射流时，轰击微粒飞行经过的热喷涂环境与喷涂材料飞行经过的热喷涂环境各自独立或小部分路径重叠，此种情况下，可以让轰击微粒的受热温度较小，进而可选择熔点可高可低的轰击微粒，不受局限。

在本发明中，喷涂热源为通过电弧、等离子体或燃烧火焰获得的热源，应用范围较广。

在实际实施时，当喷涂材料选用粉末时，用于涂层成形的热喷涂设备可为粉末等离子喷涂设备或粉末火焰喷涂设备，其中：粉末火焰喷涂设备可为普通火焰喷涂设备或高速火焰喷涂设备。

例如，实施粉末热喷涂时，相对低熔点粉末中可混入高熔点的轰击微粒，如砂料或陶瓷丸料等微粒，这样，粉末与混入的轰击微粒虽然要共同经受加热，但由于轰击微粒的熔点高于受热温度，因此当它们到达基体表面时，粉末已被加热到接近或超过其熔点，而轰击微粒虽有一定的受热，但其熔点远高于其受热温度，因而可以保持较高的轰击碰撞能量。

再例如，实施粉末热喷涂时，粉末被送入喷枪的高温区(或者说提前进入喷枪加热)，而轰击微粒(砂料或丸料)被送入喷枪的低温区(或者说晚些进入喷枪中加热)，这样可以减少轰击微粒的受热时间，从而使其受热温度远低于自身熔点，确保在轰击涂层时具有相对低的温度而保持较高的轰击碰撞能量。

再例如，实施粉末热喷涂时，粉末通过喷枪的高温高速气体射流加热和加速，而轰击微粒通过另外的喷枪设备以低温气体射流加速喷向沉积斑点，从而在保证粉末喷涂射流与轰击微粒射流二者间相互匹配、同步运行的基础上，确保轰击微粒保持极低的温度来对热的沉积涂层进行轰击。

在实际实施时，当喷涂材料选用丝材时，用于涂层成形的热喷涂设备可为电弧喷涂设备、丝材等离子喷涂设备或丝材火焰喷涂设备。

例如，实施丝材喷涂时，轰击微粒可通过粉末的形式注入喷涂材料的热喷涂射流中或以单独低温气体射流喷向沉积斑点，从而确保轰击微粒保持较低的温度来对热的沉积涂层进行轰击。

少数情况下可以采取粉芯丝材的形式来进行喷涂成形，即轰击微粒作为填充用粉末的全部或一部分，并用金属外皮包覆这种填充粉末而制成粉芯丝材。当使用这种粉芯丝材实施喷涂时，在轰击微粒的材料设计、热喷涂设备的选择等因素上，需要满足轰击微粒不会过度受热，而丝材中其它成分能够充分加热并可靠的沉积。

如图1所示，在实施热喷涂前，较佳地，还应先对基体表面进行充分的预处理(净化、粗化和活化处理)，即对待喷涂的基体表面进行除油、除锈、喷砂(或电拉毛)等预处理，以保证喷涂材料与基体表面之间能够可靠结合。

在热喷涂时，通过调节相应气体射流的压力、温度来调节喷涂材料和轰击微粒的受热温度、飞行速度以及流量等参数，同时通过选择设计轰击微粒的材质、形状、粒度等参量，来满足不同热喷涂技术、不同喷涂材料条件下对轰击微粒的要求，进而既能保证轰击微粒撞击已沉积的涂层表面后能够可靠地脱附，又可利于后续喷涂材料在已轰击涂层表面上的可靠沉积，并避免沉积涂层因遭受过度轰击而剥离的可能，来达到高质量轰击效果。

实施例1：

如图2所示，采用高速火焰喷涂混有粉末和高熔点轰击微粒的复合粉料。具体来说，喷涂材料50选用febsinb非晶粉末50g，轰击微粒60选用白刚玉砂，喷涂材料50与轰击微粒60按质量比9∶1或8∶2或7∶3或6∶4或5∶5等比例混合均匀，其中：非晶粉末的粒度为-325～200目，熔点为1220℃；白刚玉砂的粒度为-150～100目，其主要成分为al2o3，al2o3的含量在95％～97％，al2o3的熔点为2054℃。热喷涂设备选用火焰喷涂枪30，其喷涂热源为图2所示的点火器31引燃燃料32和助燃气33的混合物产生的燃烧火焰。待喷涂的基体10选用70mm×30mm×8mm的45#钢。

喷涂前先对45#钢进行除油、除锈、喷砂预处理。然后将配比好的混合粉料通过喷涂枪30进行火焰喷涂，喷涂参数为：c2h2流量1.3m³/h，o2流量0.7m³/h，送粉速率35g/min，喷涂距离180mm，冷却空气压力0.4mpa。图2示意性地示出了沉积的涂层20。

图3为不同混合比例下的混合粉料喷涂得到的涂层表面残余应力曲线。从图3可以看到，添加轰击微粒后喷涂所得的涂层表面残余拉应力都有所降低。当喷涂材料50与轰击微粒60按质量比8∶2的比例混合时，残余拉应力降低幅度最大，可达43.8％。

图4a、图4b分别为未添加轰击微粒喷涂所得涂层的截面形貌、添加了30％轰击微粒(喷涂材料50与轰击微粒60按质量比7∶3的比例混合均匀)喷涂所得涂层的截面形貌。图4a和图4b所显示的形貌大体分为上下三层，最底层为基体，中间层为喷涂所得涂层，最顶层为制备金相试样时所用的镶样材料。从图4a和图4b可以看到，未添加轰击微粒喷涂所得涂层的孔隙率较大，约为1.2％，而添加了轰击微粒喷涂所得的涂层非常致密均匀，孔隙率较小，仅为0.5％左右，下降了58.3％。

图5为不同混合比例下的混合粉料喷涂得到的涂层显微硬度曲线。从图5可以看到，经过轰击微粒轰击后，涂层的硬度明显改善，硬度最高可达794.7hv，比未添加轰击微粒喷涂所得涂层的硬度672.4hv提高了18.1％。

实施例2：

如图6所示，采用高速火焰喷涂，但粉末送入射流高温区，轰击微粒送入射流低温区。具体来说，喷涂材料50选用fecrbsinb非晶粉末，粒度为-325～200目，熔点为1350℃。轰击微粒60选用白刚玉砂，粒度为-150～80目。热喷涂设备选用煤油燃料高速火焰喷涂枪40，其喷涂热源为图6所示的点火器41引燃燃料42和助燃气43的混合物产生燃烧形成的高温高速火焰射流。待喷涂的基体10选用70mm×30mm×8mm的45#钢。

喷涂前先对45#钢进行除油、除锈、喷砂预处理。煤油燃料高速火焰喷涂枪40的喷涂参数为：o2流量45.0nm³/h，煤油流量21.0l/h，燃烧室压力6.5bar，喷涂距离250mm，喷枪移动速度800mm/s，喷涂材料50的送粉速率35g/min，轰击微粒60的送粉速率15g/min。图6示意性地示出了沉积的涂层20。

图7为未添加轰击微粒与添加轰击微粒条件下喷涂所得涂层的表面残余应力随机测试分布图，图中横坐标为测试序号，表示第1、2、3、……、6次测试。从图7可以看出，通过对添加轰击微粒后喷涂得到的涂层表面残余应力进行6次随机测试，6次测试得到的残余应力均值为-114.5mpa。通过对未添加轰击微粒喷涂得到的涂层表面进行6次随机测试，6次测试得到的残余应力均值为-57mpa。因此可以看出，添加轰击微粒条件下与未添加轰击微粒条件下相比，残余压应力提高了约1倍，且残余应力的波动起伏范围变小，变得更加平稳。

图8a、图8b分别为未添加轰击微粒喷涂所得涂层的截面形貌、添加了轰击微粒喷涂所得涂层的截面形貌。从图8a、图8b可以看到，未添加轰击微粒喷涂所得涂层中的沉积粒子相互搭接界面较明显，而添加轰击微粒后喷涂得到的涂层更加致密均匀。由此可见，轰击微粒的撞击可以有效增加沉积粒子的塑性变形，增大残余应力，改善涂层质量。

实施例3：

如图9所示，喷涂材料50通过火焰喷涂枪70的射流受热、加速，在基体10表面上沉积形成涂层20，其喷涂热源为图9所示的点火器71引燃燃料72、助燃气73的混合物形成的燃烧火焰射流。轰击微粒60通过另一喷涂设备——喷丸枪80的低温气体射流加速喷向沉积斑点。

具体来说，喷涂材料50选用fecrbsinb非晶粉末，粒度为-325～200目，熔点为1350℃。轰击微粒60选用不锈钢切丸，粒度为1.2mm～2mm。基体10选用70mm×30mm×8mm的45#钢。

喷涂前先对45#钢进行除油、除锈、喷砂预处理。火焰喷涂枪70的喷涂参数为：c2h2流量1.3m³/h，o2流量0.7m³/h，送粉速率35g/min，喷涂距离180mm，冷却空气压力0.4mpa。轰击微粒60通过压送式喷丸枪80与火焰喷涂枪70协同作业，通过调节气体压力控制喷丸强度，喷丸枪80的气体压力设定为0.2mpa～0.4mpa。图9示意性地示出了沉积的涂层20。

图10为在轰击微粒的不同载气压力下制备出的涂层表面残余应力曲线。从图10可以看出，未经过轰击微粒撞击喷涂(即图中载气压力为0mpa对应的工艺)所得涂层的表面残余应力为拉应力，残余应力值为256mpa，轰击微粒60在0.2mpa气压下撞击喷涂得到的涂层表面残余应力仍然为拉应力，残余应力平均值为31mpa，而轰击微粒60在0.4mpa气压下撞击喷涂得到的涂层表面残余应力已变为压应力，残余应力平均值为-115mpa。由此可见，经过轰击微粒的轰击后，涂层的残余应力从拉应力不断减小，甚至变为了压应力，得到了较大的改善。

实施例4：

如图11所示，喷涂材料为丝材，通过电弧熔化并经高速雾化气流(主气流)加速雾化，另一股气体射流(二次气流)对注入的轰击微粒进行加速，形成轰击粒子流，喷射到电弧区域。轰击微粒受电弧加热的影响很小，最终形成丝材熔滴和轰击微粒的混合流，完成熔滴喷涂沉积与轰击微粒撞击一体化成形涂层。

具体来说，喷涂材料50选用febsinb非晶粉芯丝材，轰击微粒选用棕刚玉喷涂砂，粒度为-120～80目。热喷涂设备选用高速电弧喷枪90。基体10选用70mm×30mm×8mm的45#钢。

喷涂前先对45#钢进行除油、除锈、喷砂预处理。电弧喷枪90的喷涂参数为：电压36v，电流200a，喷涂距离180mm，喷涂材料的输送气压0.75mpa，轰击微粒的输送气压0.75mpa。图11示意性地示出了沉积的涂层20以及电弧喷枪90形成的电弧100。

从试验结果可以看出，经过轰击微粒撞击后得到的涂层内部残余应力都表现为压应力，涂层与基体的结合强度有较大的提升，且涂层变得更加密实，总之，在轰击微粒作用下，涂层的各种性能都得到了明显的改善与提高。

本发明的这种热喷涂工艺并不局限于某一特定的热喷涂技术，除了本发明实施例所述的热喷涂技术外，还可用于其它热喷涂技术。热喷涂材料也不限于实施例所述的非晶粉末或丝材。

轰击微粒的材质选择也不局限于某一特定的材料，其可为金属或非金属材质，除实施例提及的材料之外，wc、zro2等具有较高熔点的材料也可用做轰击微粒，另外，轰击微粒的形状、粒度也不受局限，通常来讲粒度在10μm～2mm范围内都可适用，形状可以是球形、圆柱形等外形规则的丸粒，也可以是带有尖锐棱边的砂粒状不规则颗粒。

轰击微粒选用硬质或非硬质材质都行。轰击微粒的硬度不一定要高于涂层材料的硬度，因为喷涂材料在沉积凝固时还保持较高的温度，从而具备较好的塑性变形能力，只要轰击微粒的硬度便于轰击微粒撞击涂层时不会因自身过度塑性变形粘黏在涂层上而不便脱离。

本发明的优点是：

在热喷涂过程中，本发明利用轰击微粒具有的弹塑性应变能特性对已沉积的涂层表面进行同步轰击，在实现喷涂材料有效沉积和增厚成形的同时，轰击微粒产生“夯实”效应，改善了涂层内部的残余应力分布，即降低残余拉应力，在合理范围内增大残余压应力，从而显著削弱了涂层沉积诱发骤冷应力(拉应力)的不利影响，涂层的总体质量和性能得到了提升与强化，涂层的本征及使用性能被大幅提高。并且，本发明提出的这种喷涂工艺对喷涂材料、轰击微粒的限制少，可灵活变通设计，操作便捷，通用性强，实施成本低，适应范围较广，可针对不同的热喷涂工艺和喷涂材料合理选择轰击微粒来实施。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。