大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂易氧化涂层的方法
【专利摘要】本发明公开了一种大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂易氧化涂层的方法，采用该方法能够有效避免等离子喷涂过程中粉末发生氧化，保证涂层的纯度及性能，提高涂层抗氧化和耐烧蚀的性能及使用寿命。具体为：在进行等离子喷涂前，在等离子喷枪口外置一个气流通道，该气流通道与保护气瓶相连，以实现在喷枪口至基体材料之间形成保护气氛环境。喷涂前预先打开保护气瓶，形成保护气氛环境后，再控制等离子喷涂设备进行易氧化涂层的喷涂，该方法实现了在大气压力敞开环境下硅化物涂层的制备，工艺操作简单，参数易于调控，是一种高效率低成本的涂层制备工艺。
【专利说明】大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂易氧化涂层的方法
【技术领域】
[0001] 发明涉及一种制备易氧化涂层的方法，具体涉及一种大气敞开环境下控制气氛等 离子喷涂易氧化涂层的方法，属于表面工程【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 随着当前科技的进步与发展，新一代运载飞行器以其高超音速、高机动性、远程精 确控制为主要基本特征，现已成为航空航天的主体发展方向，将在未来国家安全中起着重 要作用。C/C复合材料由于其具有高温强度高、热导率高、热膨胀系数低、低密度、高温稳定 性、耐腐蚀等多种优良特性，是近年来高超音速运载飞行器材料研究的热点。
[0003] 硼化物具有高熔点、高硬度以及优异的化学稳定性等优点，碳化物具有高强度、 高硬度、低热膨胀系数等优点；同时，单独的硼化物和碳化物涂层的适用温度范围不同；因 此，二者的复合涂层可有效地在较大的温度范围内提高C/C复合材料的抗氧化及抗烧蚀的 性能。而硅化物陶瓷涂层是研究较深入的抗氧化涂层体系，其机理是高温下形成二氧化硅 填充涂层中的裂纹等缺陷，作为密封物质阻挡氧的渗入。由于二氧化硅的氧扩散系数很低， 因此能有效地对C/C复合材料提供抗氧化保护。
[0004] 目前，制备硼化物与碳化物的复合涂层、硅化物陶瓷涂层的方法主要有包埋法、化 学气相沉积法、激光熔覆法以及等离子喷涂法。包埋法要求在高温下长时间扩散，试样尺寸 受到限制，基体性能容易发生变化；化学气相沉积法制备的涂层成分变化有限，表面涂层厚 度太薄；激光熔覆制备涂层成型差，孔洞较多，不适用于形状复杂的工件；等离子喷涂技术 制备的涂层具有基体变形小、涂层成分在较大范围内可控、厚度易控制、易操作等优点，但 是在喷涂的高温条件下，粉末易发生氧化，影响涂层性能，不能在大气环境下进行喷涂，导 致使用环境受限。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明提供一种大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂易氧化涂层的方 法，采用该种方法能够实现在大气环境下进行易氧化涂层的等离子喷涂，有效避免等离子 喷涂过程中粉末发生氧化，保证涂层的纯度及性能，提高涂层抗氧化和耐烧蚀的性能及使 用寿命。
[0006] 该方法采用安装有保护罩的等离子喷枪进行等离子喷涂，所述保护罩位于等离子 喷枪枪口处，保护罩内的气流通道通过气管与保护气瓶相连，所述保护气瓶内充装有保护 气体。
[0007] 在基体材料表面制备易氧化涂层的过程为：
[0008] (1)选用粒径范围为5 μ m?100 μ m的待喷涂粉末；
[0009] (2)对基体材料表面进行喷砂预处理；
[0010] (3)打开保护气瓶，保护气体从气流通道中出来，填充至等离子喷枪的枪口与基体 材料之间；
[0011] (4)当等尚子喷枪的枪口与基体材料之间充满保护气体后，打开等尚子喷枪进行 喷涂，电流为800A?950A，主气流量为70SCFH?90SCFH，辅气流量为35SCFH?55SCFH，送 粉率为2r/min?6r/min，喷涂距离为65_?75_ ；
[0012] (5)当基体材料表面涂层的厚度达到设定要求后，先关闭等离子喷枪，再关闭保护 气瓶。
[0013] 所述步骤（1)中，进行喷砂预处理时，喷砂料选用粒度为850μπι的4号白刚玉颗 粒。
[0014] 所述步骤⑶中，从气流通道出来的保护气体的压力为0. 3Pa?I. OMPa，流量为 sscra ?3〇scra。
[0015] 所述待喷涂粉末为硅化物粉末或硼化物与碳化物复合粉末。
[0016] 所述保护罩为空心结构，在保护罩的端面上沿其周向均匀分布有一圈以上轴向通 孔，由此形成气流通道；在保护罩的端部同轴固接有套筒，套筒与保护罩相连的端面上，每 圈轴向通孔所在位置加工有一个环形槽，每个环形槽内通过一个以上通孔与接气管相连， 每个接气管与一个保护气瓶相连。
[0017] 所述轴向通孔的间距为lmm-3mm，孔径为0. 5mm_l. 5mm。
[0018] 有益效果：
[0019] (1)该方法在等离子喷涂中引入保护气氛，实现了在大气压力敞开环境下易氧化 复合涂层的制备，可以有效阻碍喷涂粉末在制备过程中的氧化，保证硅化物涂层的纯度及 性能，提高涂层抗氧化和抗烧蚀的性能，提高涂层使用寿命；同时该方法工艺操作简单，参 数易于调控，是一种高效率低成本的涂层制备工艺。
[0020] (2)该方法利用大气压力控制气氛等离子喷涂技术，通过对喷涂所用粉末的粒径、 大气气氛的压力和流量的控制，并结合对等离子喷涂的常规参数的调节，可以制备出结构 致密、均匀的易氧化陶瓷涂层。
[0021] (3)采用具有涡流通道的保护罩，在进行等离子喷涂时能够在喷枪外形成涡流保 护气氛，涡流气氛作为保护气氛具有稳定的流场和温度场，使存在于这个场中的粉末可以 在涡流的作用下垂直于工件表面，从而更为方便的控制粉末飞行的轨迹以及粉末的温度场 和速度场的标定。有效阻碍喷涂粉末在制备过程中的氧化，保证复合涂层的纯度及性能，提 高涂层抗氧化和耐烧蚀的性能。同时涡流气体对喷枪口边缘产生剪切力，以解决传统不加 此保护罩的喷涂过程中，喷枪口边缘处易粘结粉末的问题，达到自清洁的目的。
[0022] (4)采用具有多个气流通道的保护罩，在实际运用中，若喷涂需要反应气体参与， 除通入保护气体外，也可从气流通道中通入反应气体。在喷涂过程中，在焰流的高温下反应 气体与其他原料反应，形成所需物质，进而形成涂层。同时通入反应气体后，涡流保护气体 可起到搅拌反应气体和喷涂颗粒的作用，使气体和颗粒可以分布更为均匀，从而有利于二 者充分反应，制备性能良好的涂层。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为该方法的流程图；
[0024] 图2为保护罩的结构示意图。
[0025] 其中：1_锥形段、2-柱形段A、3_柱形段B、4_轴向通孔、5-圆孔、6-螺旋孔
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0027] 本实施例提供一种大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂易氧化涂层的方法，采用 该方法可以在大气环境下制备易氧化涂层，且能够获得结构致密均匀、性能稳定的涂层。
[0028] 该方法所采用的装置为等离子喷枪、保护罩、套筒和氩气瓶。保护罩同轴套装在等 离子喷枪的喷头上，氩气为保护气体，套筒用于连接氩气瓶和保护罩。通过保护罩能够在等 离子喷枪的喷枪口与基体材料之间形成保护气氛环境，以实现在大气环境下的喷涂。
[0029] 保护罩的结构如图2所示，包括同轴设置的锥形段、柱形段A和柱形段B。其中柱 形段A位于锥形段和柱形段B，由此在柱形段A与柱形段B之间形成台阶。保护罩的中心 孔为阶梯孔。在保护罩内设置有保护气流通道、扩张气流通道和涡流通道，具体为：在保护 罩锥形段的小端端面上沿其周向均匀分布有两圈轴向通孔，由此形成两个保护气流通道。 轴向通孔的间距为2mm，孔径为1mm，该种结构形式的轴向通孔能够保证每个轴向通孔出来 的气流在保护罩的轴线上有交叠，即保证保护气流通道出来的保护气流能够扩散至保护罩 的轴线上，从而在保护罩的中心也能形成保护氛围，避免存在保护气体的盲区，影响喷涂效 果。在锥形段的锥形面上沿其周向均匀分布有一圈圆孔，圆孔的轴线垂直于锥形段的母线， 从而使圆孔的轴线与保护罩轴线方向呈一定角度，在保护罩柱形段B的端面上沿其周向加 工有一圈与上述锥形段上的圆孔一一贯通的轴向孔，由此形成扩张气流通道，以扩大保护 气氛的范围。在柱形段B的外圆周面沿其周向均匀分布有一圈通孔，该通孔为沿顺时针方 向螺旋上升的螺旋孔，旋转倾角为15°，由此形成涡流通道。涡流通道用于在保护罩的中心 孔内形成涡流，当采用等离子喷涂制备涂层时，保护气体通过涡流通道在喷枪外形成涡流 保护气氛。上述形成涡流通道的螺旋孔的孔径、形成扩张气流通道的圆孔的孔径、形成保护 气流通道的轴向通孔的孔径依次增大，以保证喷枪中心的焰流不受影响。
[0030] 套筒同轴固接在柱形段B的端部（在柱形段B的端面上有三圈同心的圆孔）。套 筒与柱形段B相连的一端为凹形结构，该凹形结构的内圆周面与柱形段B的外圆周面匹配， 内端面与柱形段B的端面匹配。在该凹形结构的内圆周面螺旋孔所在位置加工有环形槽， 该环形槽与涡流通道贯通；该凹形结构的内端面上加工有三个同心的环形槽，该三个环形 槽分别与扩张气流通道和两个保护气流通道一一对应贯通。每个环形槽内通过四个通孔与 接气管相连，每个接气管与一个氩气瓶相连。
[0031] 采用该喷涂装置在大气环境下制备硼化物与碳化物复合涂层的流程如图1所示：
[0032] 实施例1 :
[0033] 喷涂粉末为硼化锆与碳化硅的复合粉体，两者的质量比为1:1，粒径范围是 20 μ m ~ 80 μ m。
[0034] (1)首先在基体材料表面采用干喷砂机预先进行喷砂，喷砂料为24号白刚玉颗 粒，粒度为850 μ m，以此保证涂层与基体之间的结合强度和涂层质量。
[0035] (2)打开与上述保护气流通道、扩张气流通道和涡流通道相连的氩气瓶，控制保护 气氩气的压力为〇. 5MPa，流量为15SCFH，从保护气流通道出来的氩气在喷枪口与基体材料 之间形成保护气氛环境，扩张气流通道出来的氩气扩大所形成的保护气氛环境的范围，而 涡流通道出来的氩气在喷枪外形成涡流保护气氛。
[0036] (3)在保护气氛条件下，利用Praxair-TAFA SGlOO喷枪进行等离子喷涂，电流为 850A，主气（氩气）流量为75SCFH，辅气（氦气）流量为45SCFH，送粉率为3r/min。在喷涂 时，由于涡流保护气氛具有稳定的流场和温度场，使存在于这个场中的粉末可以在涡流的 作用下垂直于基体材料表面，从而更为方便的控制粉末飞行的轨迹。
[0037] (4)待涂层厚度达到设定的0. 2_后，先关闭喷枪，再关闭所有氩气瓶。
[0038] 实施例2 :
[0039] 喷涂粉末为硼化铪与碳化锆的复合粉体，两者的质量比为2:1，粒径范围是 5 μ m ?63 μ m〇
[0040] (1)首先在基体材料表面采用干喷砂机预先进行喷砂，喷砂料为24号白刚玉颗 粒，粒度为850μπι，以此保证涂层与基体之间的结合强度和涂层质量。
[0041] (2)打开与上述保护气流通道、扩张气流通道和涡流通道相连的氩气瓶，控制保护 气氩气的压力为〇. 3MPa，流量为5SCFH，从保护气流通道出来的氩气在喷枪口与基体材料 之间形成保护气氛环境，扩张气流通道出来的氩气扩大所形成的保护气氛环境的范围，而 涡流通道出来的氩气在喷枪外形成涡流保护气氛。
[0042] (3)在保护气氛条件下，利用Praxair-TAFA SG100喷枪进行等离子喷涂，电流为 800A，主气（氩气）流量为60SCFH，辅气（氦气）流量为30SCFH，送粉率为2r/min，喷涂距 离为65_在喷涂时，由于涡流保护气氛具有稳定的流场和温度场，使存在于这个场中的粉 末可以在涡流的作用下垂直于基体材料表面，从而更为方便的控制粉末飞行的轨迹。
[0043] (4)待涂层厚度达到设定的0. 2_后，先关闭喷枪，再关闭所有氩气瓶。
[0044] 实施例3 :
[0045] 喷涂粉末为硼化锆与碳化锆的复合粉体，两者的质量比为1:3,粒径范围是 45 μ m ~ 100 μ m。
[0046] (1)首先在基体材料表面采用干喷砂机预先进行喷砂，喷砂料为24号白刚玉颗 粒，粒度为850μπι，以此保证涂层与基体之间的结合强度和涂层质量。
[0047] (2)打开与上述保护气流通道、扩张气流通道和涡流通道相连的氩气瓶，控制保护 气氩气的压力为l.OMPa，流量为30SCFH，从保护气流通道出来的氩气在喷枪口与基体材料 之间形成保护气氛环境，扩张气流通道出来的氩气扩大所形成的保护气氛环境的范围，而 涡流通道出来的氩气在喷枪外形成涡流保护气氛。
[0048] (3)在保护气氛条件下，利用Praxair-TAFA SGlOO喷枪进行等离子喷涂，电流为 850A，主气（氩气）流量为90SCFH，辅气（氦气）流量为45SCFH，送粉率为3r/min。在喷涂 时，由于涡流保护气氛具有稳定的流场和温度场，使存在于这个场中的粉末可以在涡流的 作用下垂直于基体材料表面，从而更为方便的控制粉末飞行的轨迹。
[0049] (4)待涂层厚度达到设定的0. 2_后，先关闭喷枪，再关闭所有氩气瓶。
[0050] 试验证明，采用该方法制备的硼化物与碳化物复合涂层结构致密且较为均匀。
[0051] 采用该喷涂装置制备硅化物陶瓷涂层的方法为：
[0052] 实施例4 :
[0053] 喷涂粉末为二硅化钥粉末，粒径范围是20 μ m?70 μ m。
[0054] (1)首先在基体材料表面采用干喷砂机预先进行喷砂，喷砂料为24号白刚玉颗 粒，粒度为850 μ m，以此保证涂层与基体之间的结合强度和涂层质量；。
[0055] (2)打开与上述保护气流通道、扩张气流通道和涡流通道相连的氩气瓶，控制保护 气氩气的压力为〇. 5MPa，流量为15SCFH，从保护气流通道出来的氩气在喷枪口与基体材料 之间形成保护气氛环境，扩张气流通道出来的氩气扩大所形成的保护气氛环境的范围，而 涡流通道出来的氩气在喷枪外形成涡流保护气氛。
[0056] (3)在保护气氛条件下，利用Praxair-TAFA SG100喷枪进行等离子喷涂，电流为 850A，主气（氩气）流量为75SCFH，辅气（氦气）流量为45SCFH，送粉率为3r/min，喷涂距 离为65_。在喷涂时，由于涡流保护气氛具有稳定的流场和温度场，使存在于这个场中的粉 末可以在涡流的作用下垂直于基体材料表面，从而更为方便的控制粉末飞行的轨迹。
[0057] (4)待涂层厚度达到设定的0. 2_后，先关闭喷枪，再关闭所有氩气瓶。
[0058] 实施例5 :
[0059] 喷涂粉末为二硅化钽粉末，粒径范围是5 μ m?63 μ m。
[0060] (1)首先在基体材料表面采用干喷砂机预先进行喷砂，喷砂料为24号白刚玉颗 粒，粒度为850μπι，以此保证涂层与基体之间的结合强度和涂层质量。
[0061] (2)打开与上述保护气流通道、扩张气流通道和涡流通道相连的氩气瓶，控制保护 气氩气的压力为〇. 3MPa，流量为5SCFH，从保护气流通道出来的氩气在喷枪口与基体材料 之间形成保护气氛环境，扩张气流通道出来的氩气扩大所形成的保护气氛环境的范围，而 涡流通道出来的氩气在喷枪外形成涡流保护气氛。
[0062] (3)在保护气氛条件下，利用Praxair-TAFA SG100喷枪进行等离子喷涂，电流为 800A，主气（氩气）流量为70SCFH，辅气（氦气）流量为35SCFH，送粉率为2r/min，喷涂距 离为65_。在喷涂时，由于涡流保护气氛具有稳定的流场和温度场，使存在于这个场中的粉 末可以在涡流的作用下垂直于基体材料表面，从而更为方便的控制粉末飞行的轨迹。
[0063] (4)待涂层厚度达到设定的0. 2_后，先关闭喷枪，再关闭所有氩气瓶。
[0064] 实施例6 :
[0065] 喷涂粉末为二硅化铪粉末，粒径范围是45 μ m?100 μ m。
[0066] (1)首先在基体材料表面采用干喷砂机预先进行喷砂，喷砂料为24号白刚玉颗 粒，粒度为850μπι，以此保证涂层与基体之间的结合强度和涂层质量。
[0067] (2)打开与上述保护气流通道、扩张气流通道和涡流通道相连的氩气瓶，控制保护 气氩气的压力为l.OMPa，流量为30SCFH，从保护气流通道出来的氩气在喷枪口与基体材料 之间形成保护气氛环境，扩张气流通道出来的氩气扩大所形成的保护气氛环境的范围，而 涡流通道出来的氩气在喷枪外形成涡流保护气氛。
[0068] (3)在保护气氛条件下，利用Praxair-TAFA SGlOO喷枪进行等离子喷涂，电流为 950A，主气（氩气）流量为90SCFH，辅气（氦气）流量为45SCFH，送粉率为4r/min，喷涂距 离为70_。在喷涂时，由于涡流保护气氛具有稳定的流场和温度场，使存在于这个场中的粉 末可以在涡流的作用下垂直于基体材料表面，从而更为方便的控制粉末飞行的轨迹。
[0069] (4)待涂层厚度达到设定的0. 2_后，先关闭喷枪，再关闭所有氩气瓶。
[0070] 试验证明，采用上述方法获得的硅化物陶瓷涂层结构致密且均匀。
[0071] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
【权利要求】
1. 大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂易氧化涂层的方法，其特征在于：采用安装有 保护罩的等离子喷枪进行等离子喷涂，所述保护罩位于等离子喷枪枪口处，保护罩内的气 流通道通过气管与保护气瓶相连，所述保护气瓶内充装有保护气体； 在基体材料表面制备易氧化涂层的过程为： (1) 选用粒径范围为5 μ m?100 μ m的待喷涂粉末； (2) 对基体材料表面进行喷砂预处理； (3) 打开保护气瓶，保护气体从气流通道中出来，填充至等离子喷枪的枪口与基体材料 之间； (4) 当等尚子喷枪的枪口与基体材料之间充满保护气体后，打开等尚子喷枪进行喷涂， 电流为800A?950A，主气流量为70SCFH?90SCFH，辅气流量为35SCFH?55SCFH，送粉率 为2r/min?6r/min，喷涂距离为65mm?75mm ; (5) 当基体材料表面涂层的厚度达到设定要求后，先关闭等离子喷枪，再关闭保护气 瓶。
2. 如权利要求1所述的大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂易氧化涂层的方法，其特 征在于，所述步骤（1)中，进行喷砂预处理时，喷砂料选用粒度为850μπι的4号白刚玉颗 粒。
3. 如权利要求1所述的大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂易氧化涂层的方法，其 特征在于，所述步骤（3)中，从气流通道出来的保护气体的压力为0. 3Pa?I. OMPa，流量为 sscra ?3〇scra。
4. 如权利要求1、2或3所述的大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂易氧化涂层的方 法，其特征在于，所述待喷涂粉末为硅化物粉末或硼化物与碳化物复合粉末。
5. 如权利要求1所述的大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂易氧化涂层的方法，其特 征在于，所述保护罩为空心结构，在保护罩的端面上沿其周向均匀分布有一圈以上轴向通 孔，由此形成气流通道；在保护罩的端部同轴固接有套筒，套筒与保护罩相连的端面上，每 圈轴向通孔所在位置加工有一个环形槽，每个环形槽内通过一个以上通孔与接气管相连， 每个接气管与一个保护气瓶相连。
6. 如权利要求5所述的大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂易氧化涂层的方法，其特 征在于，所述轴向通孔的间距为孔径为0· 5mm-l. 5mm。
7. 如权利要求5所述的大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂易氧化涂层的方法，其特 征在于，在保护罩内还设置有扩张气流通道和涡流通道，所述保护罩包括同轴设置的锥形 段、柱形段A和柱形段B，其中柱形段A位于锥形段和柱形段B，在锥形段的锥形面上沿其周 向均匀分布有一圈圆孔，圆孔的轴线垂直于锥形段的母线，在保护罩柱形段B的端面上沿 其周向加工有一圈与上述锥形段上的圆孔一一贯通的轴向孔，由此形成扩张气流通道；在 柱形段B的外圆周面沿其周向均匀分布有一圈通孔，该通孔为沿顺时针方向螺旋上升的螺 旋孔；由此形成涡流通道；所述套筒上分别加工有与扩张气流通道和涡流通道贯通的环形 槽，每个环形槽内通过一个以上通孔与接气管相连，每个接气管与一个气瓶相连。
8. 如权利要求7所述的大气敞开环境下控制气氛等离子喷涂易氧化涂层的方法，其特 征在于，形成涡流通道的螺旋孔的螺旋角度为15°。
【文档编号】C23C4/10GK104213066SQ201410320466
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】柳彦博, 王全胜, 王皓, 魏思豪, 赵云, 郝斐 申请人:北京理工大学