等离子喷焊制备合金陶瓷复合涂层的方法及等离子喷焊枪与流程

本发明涉及一种复合涂层的制造方法，尤其是一种等离子喷焊制备合金陶瓷复合涂层的方法。此外，本发明还涉及一种等离子喷焊枪。

背景技术：

和常规金属材料相比，采用陶瓷颗粒增强的金属-陶瓷复合材料具有更好的硬度以及耐磨性。碳化钨(WC)由于具备较高的硬度(HV1700)、熔点(2870℃)以及良好的浸润性，常常被添加到镍基、铁基以及钴基合金基体中，制成金属-陶瓷复合强化层，大量应用于水电、火电、钢铁、矿山、冶金及石油开采装备上，以提高工作面抵御高温冲击、磨粒磨损的能力。常用的制备方法有烧结以及堆焊，和烧结工艺相比，堆焊工艺对WC颗粒尺寸以及基体尺寸限制较少，易于操作，在耐磨场合中得到了更广泛的应用。常用的堆焊工艺有手工氩弧堆焊、火焰堆焊、埋弧堆焊、等离子喷焊等，其中等离子喷焊工艺由于使用粉末状填充材料，稀释率低，更适合制备高WC含量的金属-WC复合材料强化层。

传统的等离子喷焊枪只具有一个送粉通道，从送粉器输送出来的粉末(可以是合金粉末、陶瓷粉末或两者的混合物)在送粉气吹动下，通过枪体内的送粉通道流动至喷嘴，在喷嘴压缩孔道内直接进入电弧(称为内送粉)，或是流出喷嘴后，在喷嘴外部飞行一段距离后再进入弧柱(称为外送粉)。采用传统的单路送粉等离子喷焊枪制备镍基合金-碳化钨复合材料耐磨强化层时，WC颗粒先和作为粘接相的镍基合金粉末按一定比例混合，同时输送至等离子体电弧弧柱中，由于弧柱温度很高(高达8000-10000℃)，WC颗粒温度急剧升高，表面氧化、分解、脱碳现象严重，导致WC颗粒烧损，硬度显著下降，起不到耐磨作用，小颗粒的WC颗粒甚至完全熔化在熔池中，对强化层韧性产生不利影响。为控制WC颗粒温度，有必要采用单独输送WC颗粒的送粉方式，以消除电弧高温对WC颗粒性能的损伤。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种避免陶瓷颗粒烧损的等离子喷焊制备合金陶瓷复合涂层的方法。

本发明解决其技术问题所采用的等离子喷焊制备合金陶瓷复合涂层的方法，首先预处理基体表面、合金粉末和陶瓷颗粒；然后利用等离子喷焊枪将合金粉末和陶瓷颗粒熔覆在基体表面，如此形成金属-陶瓷复合材料强化层；在进行等离子喷焊时，将合金粉末直接输送到等离子转移弧弧柱中，合金粉末在电弧中快速熔化成液态并下落至基体表面形成熔池；陶瓷颗粒输送至等离子喷嘴外部，在等离子转移弧弧柱外部下落至熔池中。

进一步的是，在预处理基体表面时，采用机加工、喷砂、喷丸、打磨的方式去除基体表面的氧化皮、铁锈、油漆。

进一步的是，在预处理合金粉末和陶瓷颗粒时，将合金粉末及陶瓷颗粒烘干，待其冷却至室温后装入独立的合金粉末送粉器以及独立的陶瓷颗粒送粉器。

进一步的是，所述合金粉末为镍基合金粉末、铁基合金粉末或钴基合金粉末。

进一步的是，所述陶瓷颗粒为碳化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳氮化物陶瓷、硼化物陶瓷或氧化物陶瓷。

进一步的是，所述碳化物陶瓷为WC、SiC、TiC、ZrC、B₄C、TaC或Cr₃C₂；所述氮化物陶瓷为Si₃N₄、TiN、BN、AlN或ZrN；所述碳氮化物陶瓷为TiCN；所述硼化物陶瓷为TiB₂、ZrB₂、WB或ZrB；所述氧化物陶瓷为Al₂O₃、SiO₂、Cr₂O₃、ZrO₂或TiO₂。

进一步的是，合金粉末和陶瓷颗粒各自通过独立的输送器输送，通过调整输送器之间的输送量比例来调整制备的复合材料强化层中陶瓷颗粒的重量百分比。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种避免陶瓷颗粒烧损的等离子喷焊枪。

本发明提供的等离子喷焊枪，所述喷嘴与阴极相互配合形成等离子气体通道，等离子气体通道在末端形成等离子喷射口，等离子喷射口正对的区域为等离子体转移弧弧柱区域；还包括合金粉末送粉通道和陶瓷颗粒送粉通道，所述合金粉末送粉通道的合金粉末喷口与等离子体转移弧弧柱区域或者等离子喷射口连通；所述陶瓷颗粒送粉通道的陶瓷颗粒喷口位于等离子喷射口旁，所述陶瓷颗粒喷口的喷射方向与等离子喷射口的喷射方向平行。

优选的是，所述喷嘴环绕在阴极周围，所述合金粉末送粉通道和陶瓷颗粒送粉通道环绕喷嘴设置。

优选的是，所述合金粉末送粉通道设置有两条，所述陶瓷颗粒送粉通道的陶瓷颗粒喷口和两条合金粉末送粉通道的合金粉末喷口按照圆形分布，陶瓷颗粒喷口与两条合金粉末送粉通道的喷口的位置夹角为90度，两条合金粉末送粉通道的喷口的位置夹角为180度。

本发明的有益效果是：本发明采用分别输送作为基体的合金粉末以及作为外加硬质相的陶瓷颗粒的多路送粉等离子喷焊枪，同时使陶瓷颗粒和弧柱在保持一定距离的状态下落入熔化的合金粉末形成的熔池中，熔池凝固后即可形成以熔化的合金粉末作为基体，中间弥散分布有陶瓷颗粒的合金-陶瓷复合材料强化层，可以有效避免电弧高温对陶瓷颗粒造成的氧化、脱碳等有害影响。和传统的合金粉末与陶瓷粉末混合后直接送入转移弧弧柱送粉方式相比，本发明提出的多路独立送粉方式可以最大限度保持陶瓷颗粒的原始性能，大幅度的提升了表层复合材料的整体性能，在喷焊过程可灵活调整熔池中的陶瓷含量，可以不间断制备陶瓷含量梯度变化的复合材料强化层，本发明对基体材料适用范围宽，可根据基材所要求的性能灵活调节增强相陶瓷粉末含量及种类，同时具有生产成本低、容易实现产业化等特点。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是图1的A-B线剖视图；

图3是图1的A-C线剖视图；

图中零部件、部位及编号：陶瓷颗粒送粉通道1、离子气体2、保护气体3、陶瓷颗粒4、熔池5、金属-陶瓷复合材料强化层6、基体7、转移弧8、保护气帘9、非转移弧10、喷嘴11、合金粉末12、合金粉末送粉通道13、主电源14、引弧电源15、合金粉末喷口16、陶瓷颗粒喷口17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。图1、图2和图3均只是表示了等离子喷焊枪的喷嘴处的区域，这是因为本发明的主要改进在于此区域。

如图2所示，本发明，首先采用机加工、喷砂、喷丸、打磨等方式去除基体7表面的氧化皮、铁锈、油漆等污垢；将合金粉末12及陶瓷颗粒4烘干，待其冷却至室温后装入独立的合金粉末送粉器以及独立的陶瓷颗粒送粉器。然后利用等离子喷焊将合金粉末12和陶瓷颗粒4熔覆在基体7表面，如此形成金属-陶瓷复合材料强化层6；在进行等离子喷焊时，将合金粉末12直接输送到等离子体转移弧电弧中，合金粉末12在电弧中快速熔化成液态并下落至基体7表面形成熔池5；陶瓷颗粒4通过陶瓷颗粒送粉通道1输送至喷嘴11外部，不进入等离子体转移弧8弧柱，在弧柱外部下落至熔池5中。

前述的合金粉末12为镍基合金粉末、铁基合金粉末或钴基合金粉末等。其中以镍基合金粉末比较具有代表性。前述的陶瓷颗粒4为碳化物陶瓷如WC、SiC、TiC、ZrC、B₄C、TaC、Cr₃C₂等、氮化物陶瓷如Si₃N₄、TiN、BN、AlN、ZrN等、碳氮化物陶瓷如TiCN等、硼化物陶瓷如TiB₂、ZrB₂、WB、ZrB等或其他氧化物陶瓷如Al₂O₃、SiO₂、Cr₂O₃、ZrO₂、TiO₂等。其中以碳化钨WC比较具有代表性，因此，后续的介绍主要以镍基合金和碳化钨作为例子进行介绍。

本发明的工作过程如下所述：

使用带有多个独立送粉通道的粉末等离子喷焊枪实施喷焊，该喷焊枪枪体内部有3个送粉通道，包括2个合金粉末送粉通道13以及1个陶瓷颗粒送粉通道1，同时在喷焊枪喷嘴11周围环绕设置2个合金粉末喷口16及1个陶瓷颗粒喷口17，2个合金粉末喷口16相互之间的位置夹角为180°，合金粉末出粉孔16和陶瓷颗粒喷口17之间的夹角为90°，2个合金送粉通道13和陶瓷颗粒送粉通道1相互之间隔离，在喷焊枪内部以及喷嘴11处，合金粉末12和陶瓷颗粒4相互之间不混合。工作时，首先将基体7固定，使等离子喷焊枪移动到基体7上方，开启离子气体2(N₂或Ar气)、引弧电源15和主电源14，借助高频火花引燃非转移弧10，再借助非转移弧10弧焰在钨电极和工件之间造成的导电通道引燃转移弧8，在转移弧8弧柱高温作用下(8000～10000°)基体7表面快速形成与束流直径尺寸相近的熔池5，同时将配制好的合金粉末12和陶瓷颗粒4分别独立输送到2个合金粉末送粉通道13及陶瓷颗粒送粉通道1中，合金粉末12从2个合金粉末喷口16处喷出后，在保护气体3(N₂或Ar气)形成保护气帘9内飞行一段距离后交汇在等离子体转移弧8弧柱内，在弧柱高温作用下迅速熔化后变成细小的液滴落入熔池5内，陶瓷颗粒4从陶瓷颗粒喷口17中喷出后，处于等离子体转移弧8弧柱外面，在保护气帘9内垂直下落，后进入合金熔池5尾部，由于陶瓷颗粒4的比重大于合金粉末12，陶瓷颗粒在熔池5中下沉，呈弥散状分布在熔池5中，凝固后形成合金-陶瓷复合材料强化层6。通过控制等离子转移弧电流、焊枪摆动宽度、焊枪移动速度、合金粉末以及陶瓷颗粒的送粉量，即可得到宽度、厚度、陶瓷颗粒重量百分比符合要求的金属-陶瓷复合材料强化层。

如图1、2和3所示，本发明的等离子喷焊枪，包括阴极和喷嘴11，所述喷嘴11与阴极相互配合形成等离子气体通道，等离子气体通道在末端形成等离子喷射口，等离子喷射口正对的区域为等离子体转移弧弧柱区域，保护气帘9包裹住等离子体转移弧弧柱区域，保护气帘9通过保护气通道输送保护气体而成；还包括合金粉末送粉通道13和陶瓷颗粒送粉通道1，所述合金粉末送粉通道13的合金粉末喷口16与等离子体转移弧弧柱区域或者等离子喷射口连通，此处的连通表明将合金粉末输送到相应的位置，例如将合金粉末喷射到等离子体转移弧弧柱区域也是所述的连通；所述陶瓷颗粒送粉通道1的陶瓷颗粒喷口17位于等离子喷射口旁，所述陶瓷颗粒喷口17的喷射方向与等离子喷射口的喷射方向平行，在工作时，陶瓷颗粒喷口17位于等离子喷射口之后的，这种结构的优势是，陶瓷颗粒17的喷射方向与等离子体转移弧弧柱区域不相交，也就是陶瓷颗粒17不会直接受到高温的影响，因此不容易被烧损，这使得陶瓷颗粒17能够完全的发挥功效，最终形成的复合层性能更好。陶瓷颗粒喷口17与等离子喷射口之间的距离可以调节，以满足不同的工艺需求，具体是通过更换不同规格的喷嘴11来实现。

具体的，如图1所示，所述喷嘴11环绕在阴极周围，所述合金粉末送粉通道13设置有两条，所述陶瓷颗粒送粉通道1的陶瓷颗粒喷口17和两条合金粉末送粉通道的合金粉末喷口16按照圆形分布，陶瓷颗粒喷口17与两条合金粉末送粉通道的喷口的位置夹角为90度，如图2的箭头所示方向是等离子喷焊枪的工作方向；两条合金粉末送粉通道的喷口的位置夹角为180度。在实际工作时，合金粉末从两个合金粉末送粉通道13的喷口喷出后，在保护气帘内飞行一段距离后交汇在等离子转移弧弧柱内，两个合金粉末送粉通道13的喷口对喷，可以使两个方向的合金粉末的速度抵消，从而避免合金粉末泄漏。通过合金粉末送粉通道13和陶瓷颗粒送粉通道1的输送比例，可以调节陶瓷颗粒3在金属-陶瓷复合材料强化层5中的含量，从而获得硬质相含量梯度变化涂层。

实施例1：

对于成品鼓风机叶片等离子喷焊镍基合金-WC复合材料耐磨层，步骤如下：

1)镍基合金成分为：C0.4-0.5％，B0.8～1.4％，Si0.17-0.37％，Cr5.0-6.0％，Fe10.0～15.0，余量Ni；WC成分为C4-6％，余量W；

2)将镍基合金粉末以及WC置于烘箱中，在120℃下烘干30min，取出后在空气中冷却至室温后加入相应的粉末送粉器以及WC送粉器；

3)对鼓风机叶片表面喷砂，去除表面的氧化层；

4)采用自动风机叶片等离子喷焊设备，在叶片表面制备镍基合金-WC复合材料耐磨喷焊层。等离子喷焊工艺参数为：工作电流100～120A，工作电压18～20V，离子气流量200l/min，镍基合金送粉气150l/min，WC送粉气150l/min，保护气流量200l/min，镍基合金送粉量25g/min，WC送粉量10g/min，行走速度100mm/min，摆动宽度20mm，堆焊层厚度3～5mm。离子气、送粉气、保护气均为99.99％的工业氩气；

5)测定焊层镍基合金基体硬度：HV350-400，WC颗粒硬度：HV1800-2200，通过能谱分析(EDS)，测得镍基合金基体内部钨的原子分数含量为15-20at％。

实施例2：

对于成品矿山用耐磨衬板等离子喷焊镍基合金-WC复合材料耐磨层，步骤如下：

1)使用的镍基合金成分为：Cr10-12％，B1.5-2％，Si3-3.5％，Fe2.5-3％，余量Ni；WC成分为C4-6％，余量W；

2)将镍基合金粉末以及WC置于烘箱中，在120℃下烘干30min，取出后在空气中冷却至室温后加入相应的粉末送粉器以及WC送粉器；

3)将衬板表面打磨至露出金属光泽；

4)采用自动平板等离子喷焊设备，在衬板表面制备镍基合金-WC复合材料耐磨喷焊层。等离子喷焊工艺参数为：工作电流180-185A，工作电压28-30V，离子气流量300l/min，镍基合金送粉气200l/min，保护气流量300l/min，WC送粉气200l/min，镍基合金送粉量30g/min，WC送粉量40g/min，焊枪移动线速度60mm/min，堆焊层厚度3.5～4mm。离子气、送粉气、保护气均为99.99％的工业氩气；

5)测定焊层镍基合金基体硬度：HV400-450，WC颗粒硬度：HV1800-2200，通过能谱分析(EDS)，测得镍基合金基体内部钨的原子分数含量为17-20at％。

实施例3：

对于成品地铁盾构切削刀具等离子喷焊镍基合金-WC复合材料耐磨层，步骤如下：

1)镍基合金成分为：C0.8-1％，Cr18-20％，B3-4％，Si4-5％，Fe5-8％，余量Ni；WC成分为C4-6％，余量W；

:2)将镍基合金粉末以及WC置于烘箱中，在120℃下烘干30min，取出后在空气中冷却至室温后加入相应的金属粉末送粉器以及WC送粉器；

3)对刀具表面喷砂，去除表面的铁锈；

4)采用自动刀具等离子喷焊设备，在刀具表面制备镍基合金-WC复合材料耐磨喷焊层。等离子喷焊工艺参数为：工作电流110-115A，工作电压24-26V，离子气流量200l/min，保护气流量200l/min，镍基合金送粉气150l/min，WC送粉气120l/min，镍基合金送粉量20g/min，WC送粉量20g/min，工件回转线速度80mm/min，堆焊层厚度1.5～2mm。离子气、送粉气、保护气均为99.99％的工业氩气；

5)测定焊层镍基合金基体硬度：HV520-600，WC颗粒硬度：HV1800-2200。