专利名称：一种电弧喷涂系统及制备微冶金结合的喷涂层的方法
技术领域：
本发明涉及材料加工中的焊接与喷涂领域，更加具体地说，涉及电弧喷涂系统和微冶金喷涂层的制备方法。
背景技术：
热喷涂涂层呈现出典型的层状结构，喷涂过程中，由于对熔融颗粒的雾化，熔融颗粒迅速冷却，当到达工件上时，可能已经部分凝固，与基体的结合是以机械结合为主，鲜有冶金结合，导致涂层结合不致密，涂层与基体的粘结强度很低等缺点。这样，涂层就极易剥落，其抗腐蚀和热震性能较低。尤其对于大厚度涂层，涂层受载大、激冷激热等服役条件恶劣的工件难以满足性能要求，这限制了它的应用范围和使用寿命。为了提高涂层与工件的结合强度与致密度，人们利用喷焊或者用激光或氩弧重熔 技术来实现基体与涂层的冶金结合。喷焊是用喷枪把加热到熔化状态的合金粉末喷到零件的表面上，再用火焰使涂层重新熔化，从而使涂层与金属零件的表面熔焊在一起，它包括喷涂和喷焊两个工艺过程。氩弧或激光重熔也是首先对基体进行喷涂，然后对涂层进行重熔，重熔过程中，由于重熔时能量较为集中所以在熔覆过程中不会产生未熔化的颗粒，孔隙率也较少，熔覆层组织晶粒小，且分布均匀，没有层状现象，熔覆层与基体能形成良好的冶金结合。但是，喷焊与重熔技术中因其本身急速加热、冷却的特点，易导致裂纹和涂层剥落。并且喷焊与重熔时，对工件热输入相当大，工件瞬时会升高到很大的温度(基体温度很可能达到上千度)，极易变形；而且对于大面积涂层的激光重熔还有很大的技术缺口，操作复杂，成本也较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电弧喷涂系统及制备喷涂层的方法，使基体在不会过热的情况下能够与涂层达到微冶金结合以提高结合强度。本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现一种电弧喷涂系统，包括第一电源I (即主电源)、气体装置2、第二电源3(即外加电源)、第一送丝机4、第二送丝机5和电弧喷枪6,其中所述第一电源I的正负两极分别与两根喷涂丝相连接；所述第一电源I与第一送丝机4相连，以控制阴极丝的送进；所述第二电源3与第二送丝机5相连，以控制正极丝的送进；所述气体装置2与电弧喷枪6通过气体管路相连，位于电弧喷枪的中央，为电弧喷涂过程提供高速雾化气流；所述两根喷涂丝与电弧喷枪6相连，位于气体管路的两侧，通过对中装置保证两极丝准确对中，并调节两丝的夹角。利用上述电弧喷涂系统制备微冶金结合的喷涂层的方法，按照下述步骤进行首先连接形成上述电弧喷涂系统，然后将工件固定在夹具上，再启动喷涂电源进行喷涂，两丝短路起弧，在高速气流的作用下，将熔滴雾化。通过调节两送丝机的送丝速度匹配来调节电流和喷涂电弧的稳定，调节合适的工艺参数进行喷涂，包括负极丝送丝速度10-18m/min,正极丝送丝速度6-10m/min,两丝夹角15-30° ,两丝相交前伸出长度10_15mm,两根丝接触点与工件距离7-15cm，喷涂电流200-245A，喷涂电压30-34V，喷涂压力O. 4Mpa_0. 6Mpa，喷枪移动速度为2-4cm/s进行喷涂。利用本发明的技术方案进行喷涂层的制备，也可用于喷涂打底层，涂层间形成了大量的微冶金结合区，如附图2-4所示，涂层与基体的界面几乎都达到冶金结合，涂层本身比较致密，没有典型的层状结构，气孔率低，大大提高了基体与粘结层的结合强度，同时喷涂时用多路测温仪测量基体温度(型号FLF5008，杭州奋乐电子有限公司)，测量结果显示基体没有达到很高的温度(如附图5所示)，可减小或避免工件变形。
图I本发明的电弧喷涂系统示意图，其中第一电源I、气体装置2、第二电源3、第一送丝机4、第二送丝机5、电弧喷枪6、工件7。 图2利用本发明的技术方案进行实施例I对应涂层的金相照片(金相显微镜型号为GX-51, Olympus公司生产)。图3利用本发明的技术方案进行实施例3对应涂层的金相照片(金相显微镜型号为GX-51, Olympus公司生产)。图4利用本发明的技术方案进行实施例5对应涂层的金相照片(金相显微镜型号为GX-51, Olympus公司生产)。图5利用本发明的技术方案进行实施涂层过程中，基体温度随着时间(时刻)的变化曲线图。
具体实施例方式以下通过实施例对本发明作进一步的阐述，由于实际喷涂时会碰到不同尺寸的基体，在热输入一定时，不同的基体对应着不同的热循环，因此材料表面也会有不同的受热，这样界面的冶金结合程度就不一样。因此，下面针对不同板厚给出最佳实施方案。以下仅仅是几个特殊的实例，但本发明不限于此。按照如附图I所示的连接方式进行连接，主电源I采用NB500A(天津市电焊机总厂生产)型的逆变式电源，它的正负两极分别与两根喷涂丝相连接；送丝机4(型号NS-500，天津电焊机厂生产)接主电源I，控制阴极丝的送进；送丝机5 (型号SB-10C/D，南京振康送丝机厂生产)接外加电源3 (型号ZD7-500S/NB/PM IGBT,云南欧亚高科技有限公司)，控制正极丝的送进；气体装置2为高压保护气瓶或空气压缩机，提供高速雾化气流，并与电弧喷枪6的中央相连，以为电弧喷涂提供气体保护；两根喷涂丝与电弧喷枪6相连，位于电弧喷枪的周边，通过对中装置保证两极丝准确对中，并调节两丝的夹角。选用Q235钢为基体材料，选用市售ER50-2焊丝为喷涂丝，丝径分别为I. 2mm和I. 6mm,其中与电源正极相连的丝径为I. 6mm,与电源负极相连的丝径为1.2mm。实施例I采用Q235作为基体，长宽高分别为8cm，8cm, 2mm。利用市售ER50-2焊丝，丝径分别为I. 2mm和I. 6mm,其中与电源正极相连的丝径为I. 6mm,与电源负极相连的丝径为1.2mm。I)将按尺寸切割好的Q235钢板，先去除油污并打磨干净后用喷砂机喷砂。2)将钢板固定于夹具上待喷。3)保持两丝之间夹角为30度，两丝相交前伸出长度为10mm，两丝所在平面垂直于工件，两丝轴线交点与工件之间的距离保持在15cm。4)设定工艺参数，调节两送丝机送丝速度，使其有最佳的匹配，得到稳定的喷涂电弧，并以此来调节电流。负极丝送丝速度10m/min,正极丝送丝速度6m/min,使电流值为200A，电压值为30V，喷涂压力为O. 6Mpa，喷枪移动速度为4cm/s。实施例2
采用Q235作为基体，长宽高分别为8cm，8cm, 4mm。利用市售ER50-2焊丝，丝径分别为I. 2mm和I. 6mm,其中与电源正极相连的丝径为I. 6mm,与电源负极相连的丝径为1.2mm。I)将按尺寸切割好的Q235钢板，先去除油污并打磨干净后用喷砂机喷砂。2)将钢板固定于夹具上待喷。3)保持两丝之间夹角为25度，两丝相交前伸出长度为10mm，两丝所在平面垂直于工件。两丝轴线交点与工件之间的距离保持在12cm。4)设定工艺参数，调节两送丝机送丝速度，使其有最佳的匹配，得到稳定的喷涂电弧，并以此来来调节电流。负极丝送丝速度12m/min,正极丝送丝速度7. 2m/min,电流值为210A，电压值为31V，喷涂压力为O. 6Mpa，喷枪移动速度为4cm/s。实施例3采用Q235作为基体，长宽高分别为8cm，8cm, 6mm。利用市售ER50-2焊丝，丝径分别为I. 2mm和I. 6mm,其中与电源正极相连的丝径为I. 6mm,与电源负极相连的丝径为1.2mm。I)将按尺寸切割好的Q235钢板，先去除油污并打磨干净后用喷砂机喷砂。2)将钢板固定于夹具上待喷。3)保持两丝之间夹角为25度，两丝相交前伸出长度为12mm，两丝所在平面垂直于工件。两丝轴线交点与工件之间的距离保持在10cm。4)设定工艺参数，调节两送丝机送丝速度，使其有最佳的匹配，得到稳定的喷涂电弧，并以此来调节电流。负极丝送丝速度14. 3m/min,正极丝送丝速度8. 3m/min,调节电流值为230A，电压值为32V，喷涂压力为O. 5Mpa，喷枪移动速度为3cm/s。实施例4采用Q235作为基体，长宽高分别为8cm，8cm，8mm。利用市售ER50-2焊丝，丝径分别为I. 2mm和I. 6mm,其中与电源正极相连的丝径为I. 6mm,与电源负极相连的丝径为1.2mm。I)将按尺寸切割好的Q235钢板，先去除油污并打磨干净后用喷砂机喷砂。2)将钢板固定于夹具上待喷。3)保持两丝之间夹角为20度，两丝相交前伸出长度为10mm，两丝所在平面垂直于工件。两丝轴线交点与工件之间的距离保持在8cm。4)设定工艺参数，调节两送丝机送丝速度，使其有最佳的匹配，得到稳定的喷涂电弧，并以此来调节电流。负极丝送丝速度15. 8m/min,正极丝送丝速度9. lm/min,调节电流值为240A，电压值为33V，喷涂压力为O. 5Mpa，喷枪移动速度为3cm/s。实施例5
采用Q235作为基体，长宽高分别为8cm，8cm，10mm。利用市售ER50-2焊丝，丝径分别为I. 2mm和I. 6mm,其中与电源正极相连的丝径为I. 6mm,与电源负极相连的丝径为
I.2mm。I)将按尺寸切割好的Q235钢板，先去除油污并打磨干净后用喷砂机喷砂。2)将钢板固定于夹具上待喷。3)保持两丝之间夹角为15度，两丝相交前伸出长度为15mm，两丝所在平面垂直于工件。两丝轴线交点与工件之间的距离保持在7cm。4)设定工艺参数，调节两送丝机送丝速度，使其有最佳的匹配，得到稳定的喷涂电弧，并以此来调节电流。负极丝送丝速度18m/min,正极丝送丝速度10m/min,调节电流值为245A，电压值为34V，喷涂压力为O. 4Mpa，喷枪移动速度为2cm/s。 以上只是一些简单的实施案例，实际喷涂过程中，喷涂距离，喷涂电流，喷涂电压，喷涂压力是影响对基体热输入最大的几个因素。这显然影响到了形成涂层与基体的冶金结合的比率，从而决定了粘结强度，实际应用中，要考虑实际需要的粘结强度，来具体的确定出合适的工艺参数搭配。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种电弧喷涂系统,包括第一电源、气体装置、第二电源、第一送丝机、第二送丝机和电弧喷枪，其特征在于， 所述第一电源的正负两极分别与两根喷涂丝相连接； 所述第一电源与第一送丝机相连，以控制阴极丝的送进； 所述第二电源与第二送丝机相连，以控制正极丝的送进； 所述气体装置与电弧喷枪通过气体管路相连，位于电弧喷枪的中央，为电弧喷涂过程提供高速雾化气流； 所述两根喷涂丝与电弧喷枪相连，位于气体管路的两侧，通过对中装置保证两极丝准确对中，并调节两丝的夹角。
2.一种利用权利要求I所述的电弧喷涂系统制备微冶金结合喷涂层的方法，其特征在 于，按照下述步骤进行首先连接形成如权利要求I所述的电弧喷涂系统，然后将工件固定在夹具上，再启动喷涂电源进行喷涂，两丝短路起弧，在高速气流的作用下，将熔滴雾化进行喷涂。
3.根据权利要求2所述的一种利用权利要求I所述的电弧喷涂系统制备微冶金结合喷涂层的方法，其特征在于，通过调节两送丝机的送丝速度匹配来调节电流和喷涂电弧的稳定，调节合适的工艺参数进行喷涂，包括负极丝送丝速度10-18m/min，正极丝送丝速度6-10m/min，两丝夹角15-30°，两丝相交前伸出长度10_15mm，两根丝接触点与工件距离7-15cm,喷涂电流200-245A，喷涂电压30-34V，喷涂压力O.4Mpa_0. 6Mpa，喷枪移动速度为2-4cm/s进行喷涂。
全文摘要
本发明公开了一种电弧喷涂系统及制备微冶金结合的喷涂层的方法，首先连接形成电弧喷涂系统，其中第一电源的正负两极分别与两根喷涂丝相连接；第一电源与第一送丝机相连；第二电源与第二送丝机相连；气体装置与电弧喷枪相连，位于电弧喷枪的中央；两根喷涂丝与电弧喷枪相连，通过对中装置保证两极丝准确对中，并调节两丝的夹角，然后将工件固定在夹具上，再启动喷涂电源进行喷涂，调节合适的工艺参数进行喷涂。利用本发明的技术方案进行喷涂层的制备，也可用于喷涂打底层，涂层间形成了大量的微冶金结合区，使基体在不会过热的情况下能够与涂层达到微冶金结合以提高结合强度。
文档编号C23C4/06GK102719781SQ20121021861
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者王凤会, 王惜宝, 王鑫, 程亮, 蒋欢欢 申请人:天津大学