一种大气氛围下金属合金涂层的制备方法和系统与流程

本发明涉及金属加工技术领域，特别是涉及一种大气氛围下金属合金涂层的制备方法和系统。

背景技术：

等离子喷涂与粉末火焰喷涂是制备金属合金涂层、提高金属材料服役性能的重要方法。在涂层制备过程中，需要通过粉末送进机构将某种成分与结构粉末送进等离子射流或燃烧火焰等热源中，由高温等离子射流或火焰流等高温高速的焰流状的热源将粉末加热至熔融或接近熔融的状态，并加速赋予一定的速度后，依次碰撞基体并在基体上依次堆积形成一定厚度的涂层。

当喷涂过程在大气气氛中实施时，尽管非常简便，但大气成分不可避免卷入高温焰流使得焰流具有强氧化性，加热熔化后的熔滴在此强氧化性的焰流中进一步加热与加速的过程中，熔滴中的元素将与卷入高温焰流中的氧发生氧化反应而生成氧化物，氧化物会与未氧化的熔滴一起沉积夹杂于涂层中，这样不仅改变了涂层的成分，使得涂层成分偏离粉末的成分，同时还由于氧化可控性差使得涂层成分的均匀性与一致性难以得到保证，从而使得涂层的性能的一致性受到氧化的显著影响。具体影响如下：

首先，通常由于熔融金属对氧化物的润湿性都较差，与金属一起沉积夹杂于涂层中的氧化物，将阻碍金属合金粒子之间的直接接触，从而降低涂层内的内聚强度与涂层/基体的结合强度；随氧化物夹杂含量的增加，熔融液态金属与金属粒子直接接触面积减少，从而导致形成冶金结合的界面面积减少，显著降低结合或内聚强度。

其次，通过在大气氛中喷涂制备的涂层，因金属涂层中的氧化物含量较高，尽管金属材料自身是具有良好塑形与韧性的材料，但涂层呈现脆性特征，显著降低涂层的力学性能，从而劣化涂层的服役性能如耐磨损性能、耐冲蚀性能等。

再次，当金属合金涂层氧化物含量较高时，涂层的高温抗氧化性能、耐腐蚀性能显著降低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种大气氛围下金属合金涂层的制备方法和系统，以解决在大气氛围下所制备的金属合金涂层的性能的一致性较差的问题。

为了解决上述问题，本发明公开了一种大气氛围下金属合金涂层的制备方法，包括步骤：

对待喷涂的基体的表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作；

将金属合金粉末送入高温等离子射流，以使所述金属合金粉末在高温等离子射流的作用下进入熔融状态，所述金属合金粉末中包含预设含量的x元素粉末，所述x元素的还原性强于所述金属合金粉末中其他成分的还原性，且所述x元素的氧化物在所述高温等离子射流中为汽化状态；

在大气氛围下，将携带有熔融状态的所述金属合金粉末的高温等离子射流喷向所述基体的表面，所述高温等离子射流经过60～200mm的飞行距离后到达所述基体的表面。

可选的，所述高温等离子射流中的熔融粒子温度大于1900℃。

可选的，所述x元素为硼元素。

可选的，所述金属合金粉末为铁基合金粉末、钴基金属粉末、铜基金属粉末或铝基金属粉末。

可选的，所述硼元素在所述金属合金粉末中的质量百分比为0.5wt％～3.4wt％。

可选的，所述金属合金粉末为含硼量大于3.4％的自熔合金粉末。

另外，本发明还提供了一种大气氛围下金属合金涂层的制备系统，包括：

预处理设备，用于对待喷涂的基体的表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作；

粉末输送设备，用于将金属合金粉末送入高温等离子射流，以使所述金属合金粉末在高温等离子射流的作用下进入熔融状态，所述金属合金粉末中包含预设含量的x元素粉末，所述x元素的还原性强于所述金属合金粉末中其他成分的还原性，且所述x元素的氧化物在所述高温等离子射流中为气体状态；

等离子设备，用于在大气氛围下，将携带有熔融状态的所述金属合金粉末的高温等离子射流喷向所述基体的表面，所述高温等离子射流经过60～200mm的飞行距离后到达所述基体的表面。

可选的，所述高温等离子射流中的熔融粒子温度大于1900℃。

可选的，所述x元素为硼元素。

可选的，所述金属合金粉末为铁基合金粉末、钴基金属粉末、铜基金属粉末或铝基金属粉末。

可选的，所述硼元素在所述金属合金粉末中的质量百分比为0.5wt％～3.4wt％。

可选的，所述金属合金粉末为含硼量大于3.4％的自熔合金粉末。

从上述技术方案可以看出，本发明提供了一种大气氛围下金属合金涂层的制备方法和系统，该方法和系统具体用于对待喷涂的基体的表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作；将金属合金粉末送入高温等离子射流，以使金属合金粉末在高温等离子射流的作用下进入熔融状态，金属合金粉末中包含预设含量的x元素粉末，x元素的还原性强于金属合金粉末中其他成分的还原性；在大气氛围下，将携带有熔融状态的金属合金粉末的等离子射流喷向基体的表面，等离子射流经过60～200mm的飞行距离后到达基体的表面。由于x元素的还原性强过其他元素，因此在高温等离子射流中会被优先氧化并汽化蒸发掉，而氧化时会消耗射流引入的氧，从而避免了其他金属的氧化，也就不会在金属合金涂层中存在氧化物，从而解决了在大气氛围下制备的金属合金涂层的性能的一致性较差的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种大气氛围下金属合金涂层的制备方法的步骤流程图；

图2a为采用本发明的方法制备的nicrb涂层的断面组织的电镜照片；

图2b为采用传统方法制备的nicr涂层的断面组织的电镜照片；

图3a为采用本发明的方法制备的nicrb涂层的电镜照片；

图3b为采用传统方法制备的nicr涂层的断面组织的电镜照片；

图4a为采用本发明的方法在喷涂距离200mm下制备的nicrb涂层的断面组织的低倍电镜照片；

图4b为采用本发明的方法在喷涂距离200mm下制备的nicrb图传的断面组织的高倍电镜照片。

图5为本发明实施例提供的一种大气氛围下金属合金涂层的制备系统的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为本发明实施例提供的一种大气氛围下金属合金涂层的制备方法的步骤流程图。

参照图1所示，本实施例提供的金属合金涂层的制备方法是在大气氛围下利用高温等离子射流在基体的表面涂覆相应的金属涂层，具体的制备方法包括如下步骤：

s1、对基体的表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作。

由于锈蚀、污垢和油污会对涂覆金属涂层造成不利干扰，具体来说是降低金属涂层的附着力，锈蚀还会在金属涂层下面成为锈蚀点，对涂覆后的金属涂层是一个锈蚀的诱发点，因此需要进行除锈、除污和除油操作，具体的操作时可以利用打磨设备打磨掉锈蚀，也可以用酸液除去锈蚀，对污垢和油污可以利用相应溶剂进行清洗操作。

另外，为了提高涂覆后的金属涂层的附着力，还可以利用喷砂设备对基体的表面进行喷砂作业，以降低该表面的光洁度，从而有效提高附着力。

s2、将金属合金粉末送入高温等离子射流。

将金属合金粉末送入高温等离子射流中，高温等离子射流的温度可以达到10000℃以上，从而使金属合金粉末进入该射流后快速地进入熔融状态，形成温度高于1900℃的高温熔融粒子。

该金属合金粉末中包含有预设含量的x元素粉末，关键在于，该x元素的要较金属合金粉末的其余成分容易被氧化，即该x元素的还原性要强于金属合金粉末的其余成分，且其氧化物极容易在高温等离子射流中被汽化。本申请中优选硼元素作为该x元素。

本申请中的金属合金粉末可以是铁基合金粉末、钴基金属粉末、铜基金属粉末或铝基金属粉末。对于上述合金粉末，硼元素粉末在金属合金粉末中的质量百分比为0.5wt％～3.4wt％。

另外，该金属合金粉末还可以选用含硼元素和硅元素的自熔合金粉末，此时，该硼元素的含量选用大于3.4％的一个数值。

s3、在大气氛围下将高温等离子射流喷向基体的表面。

此时的高温等离子射流已经包含了金属合金粉末经高温熔融形成的高温熔融粒子，此时，使该高温等离子射流飞行预设距离后喷在基体的表面，该预设距离可以选用60～200mm。选用这个距离的用处是使金属合金粉末有一个有效的时间进入熔融高温状态。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种大气氛围下金属合金涂层的制备方法，该方法具体为对待喷涂的基体的表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作；将金属合金粉末送入高温等离子射流，以使金属合金粉末在高温等离子射流的作用下进入熔融高温状态，金属合金粉末中包含预设含量的x元素粉末，x元素的还原性强于金属合金粉末中其他成分的还原性；在大气氛围下，将携带有熔融状态的金属合金粉末的等离子射流喷向基体的表面，等离子射流经过60～200mm的飞行距离后到达基体的表面。由于x元素的还原性强过其他元素，因此在高温等离子射流中会被优先氧化并汽化蒸发掉，而氧化时会消耗射流引入的氧，从而避免了其他金属的氧化，也就不会在金属合金涂层中存在氧化物，从而解决了在大气氛围下制备的金属合金涂层的性能的一致性较差的问题。

上述实施例所产生高温熔融粒子的尺寸在10μm到150μm之间，所形成的涂层的厚度为30μm到1000μm之间。

下面是本申请在具体实施时的详细介绍：

图2a所示为如下条件所形成的涂层：采用粒度介于50-100μm的球形ni-20cr-3b粉末，在大气氛围下进行等离子喷涂，电弧功率为30kw、喷涂距离为80mm，作为对比，图2b为颗粒尺寸基本相同的ni-20cr粉末制备的涂层，比较涂层的断面组织可以发现，含硼元素的粉末喷涂的涂层中氧化物含量非常有限、涂层致密，而同样条件下采用传统ni-20cr粉末制备的金属涂层中以灰色对比度表现出的氧化物含量很高，这一特征是使用传统金属合金粉末，采用大气等离子喷涂制备的涂层的基本特征，采用如图3b所示的高倍照片可以更清晰的看到存在于涂层中的氧化物。而在较高倍数下观察在同样条件下用本发明的方法制备的nicr合金涂层的断面组织如图3a所示，致密涂层中基本观察不到氧化物，断面中在较高倍数下观察到的对比度较暗的颗粒状的物质为硼化物。

如图4a所示，该涂层为采用粒度介于45-75μm的球形ni-20cr-4b粉末，用大气等离子喷涂在电弧功率36kw与喷涂距离200mm的条件下制备得到。涂层断面组织照片是采用扫描电镜，在背散射模式下制备的，涂层中的氧化物将以灰色对比度呈现在断面组织中，而且分布于涂层中的粒子界面处。从不同倍数下的涂层断面组织可以发现，即使喷涂距离达到200mm，含硼元素的粉末大气等离子喷涂的涂层中氧化物含量非常有限，高倍数下观察到的粒子中分布的颗粒状物质通过分析确认为硼化物。而且，由于涂层粒子层间无氧化膜的存在，使得粒子间结合紧密，涂层内聚强度高，分别如图4a和图4b所示。

当采用粒度介于45-75μm的球形ni-20cr-1b粉末，用大气等离子喷涂在电弧功率36kw，喷涂距离分别在130mm的条件下制备的涂层。涂层断面组织照片是采用扫描电镜，在背散射模式下制备的，涂层中的氧化物将以灰色对比度呈现在断面组织中，而且分布于涂层中的粒子界面处。分析涂层断面组织发现，大气等离子喷涂的涂层中氧化物含量非常有限。

当采用粒度为45-100μm的ni18cr3.5si3b粉末，在大气等离子喷涂下制备涂层，测量涂层的含氧量发现，涂层的含氧量<0.15％。

当采用粒度粒度为30-75μm的含3.5％b元素的铁基粉末，采用大气等离子喷涂制备涂层，采用化学方法分析涂层的含氧量仅为约0.1％，而传统涂层的含氧量大于0.5wt％。

当采用含硼1.5％的铜基粉末，采用等离子喷涂，在30kw下大气中喷涂涂层后，测量铜基涂层的含氧量仅为0.1％，涂层的电导率显著高于传统粉末制备的涂层。

当采用含硼2.5wt％的钴基粉末，采用等离子喷涂方法，在34kw下制备涂层后观察涂层断面组织发现，涂层断面上几乎没有氧化物的存在。

当采用硼含量1.0wt％的镍基高温合金ni-20cr-10al-1y粉末，在喷涂距离150mm，等离子电弧功率34kw，在大气氛中喷涂制备了nicraly涂层，测量涂层成分表明，除硼含量减少至0.4wt％以下外，其他元素含量基本没有变化。研究该涂层的高温氧化动力学表明，涂层的氧化动力学与nicraly块体的相当。表明采用本发明在大气中等离子喷涂的nicraly高温合金涂层具有优异的抗高温氧化性能，可以用作抗高温氧化或抗高温腐蚀涂层，还可用于高温燃气轮机热障涂层的高温合金粘结层

当采用硼含量1.2wt％的钴基高温合金co-21cr-32ni-8al-0.5y粉末，在喷涂距离160mm，等离子电弧功率38kw，在大气氛中喷涂制备了conicraly涂层，测量涂层成分表明，除硼含量减少0.6wt％以下外，其他元素含量基本没有变化。研究该涂层的高温氧化动力学表明，涂层的氧化动力学与conicraly块体的相当，表明采用本发明在大气中等离子喷涂的conicraly高温合金涂层具有优异的抗高温氧化性能，可以用作抗高温氧化或抗高温腐蚀涂层，还可用于高温燃气轮机热障涂层的高温合金粘结层。

需要说明的是，对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。

实施例二

图5为本发明实施例提供的一种大气氛围下金属合金涂层的制备系统的结构框图。

参照图5所示，本实施例提供的金属合金涂层的制备系统是在大气氛围下利用高温等离子喷流在基体的表面涂覆相应的金属涂层，具体的制备系统包括预处理设备10、粉末输送设备20和等离子设备30。

预处理设备用于对基体的表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作。

由于锈蚀、污垢和油污会对涂覆金属涂层造成不利干扰，具体来说是降低金属涂层的附着力，锈蚀还会在金属涂层下面成为锈蚀点，对涂覆后的金属涂层是一个锈蚀的诱发点，因此需要进行除锈、除污和除油操作，具体的操作时可以利用打磨设备打磨掉锈蚀，也可以用酸液除去锈蚀，对污垢和油污可以利用相应溶剂进行清洗操作。

另外，为了提高涂覆后的金属涂层的附着力，还可以利用喷砂设备对基体的表面进行喷砂作业，以降低该表面的光洁度，从而有效提高附着力。

粉末输送设备用于将金属合金粉末送入高温等离子射流。

将金属合金粉末送入高温等离子射流中，高温等离子射流的温度可以达到10000℃以上，从而使金属合金粉末进入该射流后快速地进入熔融状态，形成高温熔融粒子。

该金属合金粉末中包含有预设含量的x元素粉末，关键在于，该x元素的要较金属合金粉末的其余成分容易被氧化，即该x元素的还原性要强于金属合金粉末的其余成分，且其氧化物极容易在高温等离子射流中被汽化。本申请中优选硼元素作为该x元素。

本申请中的金属合金粉末可以是铁基合金粉末、钴基金属粉末、铜基金属粉末或铝基金属粉末。对于上述合金粉末，硼元素粉末在金属合金粉末中的质量百分比为0.5wt％～3.4wt％。

另外，该金属合金粉末还可以选用含硼元素和硅元素的自熔合金粉末，此时，该硼元素的含量选用大于3.4％的一个数值。

等离子设备用于在大气氛围下将高温等离子射流喷向基体的表面。

此时的高温等离子射流已经包含了金属合金粉末经高温熔融形成的高温熔融粒子，此时，使该高温等离子射流飞行预设距离后喷在基体的表面，该预设距离可以选用60～200mm。选用这个距离的用处是使金属合金粉末有一个有效的时间进入熔融状态。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种大气氛围下金属合金涂层的制备系统，该系统具体用于对待喷涂的基体的表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作；将金属合金粉末送入高温等离子射流，以使金属合金粉末在高温等离子射流的作用下进入熔融状态，金属合金粉末中包含预设含量的x元素粉末，x元素的还原性强于金属合金粉末中其他成分的还原性；在大气氛围下，将携带有熔融状态的金属合金粉末的等离子射流喷向基体的表面，等离子射流经过60～200mm的飞行距离后到达基体的表面。由于x元素的还原性强过其他元素，因此在高温等离子射流中会被优先氧化并汽化蒸发掉，而氧化时会消耗射流引入的氧，从而避免了其他金属的氧化，也就不会在金属合金涂层中存在氧化物，从而解决了在大气氛围下制备的金属合金涂层的性能的一致性较差的问题。

对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。