一种采用热喷涂法制备多层涂层的方法
【专利摘要】本发明公开一种采用热喷涂法制备多层涂层的方法，属于复合涂层技术领域。本发明所述方法为：热喷涂过程中单次喷涂，同路送两种或两种以上不同喷涂材料的混合粉末；不同粉末在焰流中被加速获得不同的速度；导致不同粉末喷射到基体上存在时间差，从而得到多层涂层不同密度或粒度的粉末。本发明所述方法与已有技术相比，涂层与涂层之间结合更好，涂层的性能可塑性更强，使制备更厚涂层成为可能，界面上缺陷少等优点。本发明还具有工艺和设备简单、省时、节能、高效率等特点。
【专利说明】
-种采用热喷涂法制备多层涂层的方法
技术领域
[0001] 本发明属于多层复合涂层制备领域，设及到应用热喷涂制备各层成分、微观结构 不同的高性能多层涂层。
【背景技术】
[0002] 随着表面改性技术的发展，W及表面喷涂的功能涂层如热障涂层、耐磨涂层、耐腐 蚀涂层、绝缘涂层的应用环境越来越恶劣。恶劣环境下复合涂层性能的研究逐渐成为研究 重点。传统的单层涂层其各方面的性能都达不到应用于恶劣环境的需求。因此，在基体表面 喷涂不同成分的多层涂层来提高在高速、高溫、高压、重载、腐蚀条件下工作的可靠性，相对 有效的保护工件表面，承受反复载荷能力提高。多层涂层对工件表面的改性直接提高了恶 劣环境下工件的使用寿命。
[0003] 热喷涂是一种常用的表面工程技术，随着应用实际对工件性能的要求不断提高， 热喷涂技术得到飞速的发展和广泛应用。其中等离子热喷涂是利用等离子火焰(焰屯、溫度 可达到30000°C )融化金属合金粉末、陶瓷粉末形成烙融或半烙融状液滴，并由焰流加速喷 到基体上，形成微观上为饼状结构堆煤在一起的涂层。超音速火焰喷涂是将气态或液态燃 料与高压氧气混合后在特定的燃烧室或喷嘴中燃烧，产生的高溫、高速的燃烧焰流被用来 喷涂，由于燃烧火焰的速度是音速的数倍。使用热喷涂(等离子喷涂、超音速喷涂等)多次喷 涂各成分按梯度变化的多层涂层，使涂层与基体间物理性能差异得到缓冲，进而提高涂层 与基体间的结合力W及涂层的综合性能。由于热喷涂(等离子喷涂、超音速喷涂等)形成的 涂层与基体，涂层与涂层间是W机械结合的方式结合，而且结合界面处会存在氧化、夹杂、 孔桐、裂纹等缺陷，运决定了热喷涂(等离子喷涂、超音速喷涂等)喷涂形成的涂层的结合力 不能达到冶金强度。但是，通过激光烙覆形成的涂层，虽然能与基体形成冶金结合，结合强 度很大，但激光烙覆过程中烙池溫度很高，冷却后存在很高的热应力，容易导致基体变形或 者涂层形成裂纹。
[0004] 中国专利201510329817.8采用真空等离子喷涂成型，在基体表面通过多次喷涂制 备了超厚CoNi化MY涂层，最后得到> 1.5mm厚的涂层。中国专利201310693535.7在石英基 材上依次喷涂了B4C梯度涂层W降低或消除界面物性突变和界面应力，提高石英基材和B4C 涂层的结合强度。中国专利201110352789.3采用等离子烙覆法制备Fe基WC-M梯度涂层W 提高涂层界面的结合强度。所有的运些制备梯度涂层的方法都必须多次喷涂重复步骤才能 在基材表面沉积梯度涂层。而本发明采用热喷涂方法，单次喷涂即可在基材表面沉积多层 涂层。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是:克服现有热喷涂技术制备不同材料多层涂层时需要 多次喷涂的问题，提高热喷涂的喷涂效率，获得更高的结合强度，同样厚度的情况下涂层可 承受冲击载荷次数更多。
[0006] 本发明的目的是提供了一种采用热喷涂法单次喷涂形成多层涂层的方法，其中， 基体与涂层间为机械结合，多层涂层之间为不同材料粉末沉积后互相嵌合，多层涂层间没 有明显的分界线，提高涂层结合强度，基体与涂层间可W通过进一步的热处理达到冶金结 合。所述方法具体为对基体进行预处理，然后进行热喷涂，热喷涂过程中单次喷涂，同路送 两种或两种W上不同喷涂材料的混合粉末;不同粉末在焰流中被加速获得不同的速度；导 致不同粉末喷射到基体上存在时间差，从而得到多层涂层； 本发明所述同路是指一个送粉管路内同时输送两种不同喷涂材料的混合粉末;单次喷 涂是指喷涂束流经过基材表面一次的过程中制备获得与喷涂材料种类相同数目的涂层。
[0007] 优选的，本发明所述不同喷涂材料的混合粉末至少满足W下Ξ个条件中的一个： ① 任意两种粉末的粒度相差为50~100目； ② 任意两种粉末的烙点相差800~1800°C ; ③ 任意两种粉末的密度相差为2~lOg/cm3。
[000引优选的，本发明所述热喷涂过程中喷涂距离为10-12mm;喷涂功率为30-100KW;送 粉电压为10-13V;化流量为2200-2600LA，Ar流量2000~2500LA。
[0009] 本发明本发明所热喷涂过程中所使用的粉末，为常规热喷涂过程中使用的粉末， 粒度大约为200-300目，例如元素周期表中IV、V、VI副族金属和侣、娃的棚化物、碳化物、氧 化物、碳氮化物、氮化物、NiAl、NiCr、NiCrAl、NiMoAl、CoNiCrAlY、NiCoCrAlY、TiAlN、CrN、 CuJeCrBSi、TiAlSiN、低碳铭铁、高碳铭铁、MoS2、MoSi2、WS2、Ag、CaF、BaF、SrF、钢酸盐、鹤酸 盐等。
[0010] 本发明的原理:本发明利用不同粉末由于密度、粒度、烙点不同，同时送粉，各种粉 末在焰流中被加速获得不同的速度，因此不同粉末喷射到基体上存在时间差，里层为速度 较快的粉末沉积形成的涂层，外层大部分为速度较慢的粉末沉积形成的涂层。运样工装每 运动一次能形成与喷涂粉末种类数相同的紧密结合的多层涂层，可W利用调节工装的速度 来控制多层涂层的厚度;通过此方法形成的涂层结合紧密，远远超过常规的机械结合，界面 上的缺陷较少。
[0011] 本发明所述热喷涂过程为常规过程，具体包括W下步骤： (1)首先使用白刚玉、栋刚玉或错刚玉(沙粒的粒度为18目）对基体进行喷砂处理，喷完 后用压缩干燥空气吹掉残余在基体表面凹坑中的砂粒。
[0012] (2)将喷好砂的基体放到超声波清洗仪中清洗lOmin，清洗液为乙醇，清洗结束后， 将样品取出，固定到夹具上。
[0013] (3)进行等离子喷涂，喷涂涂层前需对基体进行预热，预热时保证基体溫度在100- 300 °C。
[0014] (4)设置热喷涂工艺参数，喷涂参数需用大量正交试验优化确定，启动热喷涂系统 及工装W及工件冷却气体，在表面喷涂沉积获得涂层，待基体和涂层冷却至室溫后，取下样 品。
[0015] 本发明步骤(4)中同路送粉喷涂多层涂层时，根据涂层性能需求，按比例均匀机械 混合所需要喷涂的不同粉末;烙点高，粒度大，可W适当增加电流，W达到预期融化效果;根 据所需涂层的厚度，控制工装的移动速度。
[0016] 与现有技术方案相比，本发明采用的技术方案产生的有益效果如下： (1)利用不同粉末的密度、粒度、烙点不同，同时送粉，各种粉末在焰流中被加速获得不 同的速度，里层为速度较快的粉末沉积形成的涂层，外层大部分为速度较慢的粉末沉积形 成的涂层;运样单次喷涂就能制备多层涂层，提高了制备效率。
[0017] (2)本发明利用不同融化液滴在空气中运动速度不同，得W在基体上形成多层涂 层。虽然融化的液滴在空气中的速度不同，但是不可避免的会存在相互作用，因此形成的第 二层涂层中会均匀的渗杂速度较快的液滴，造成涂层与涂层间没有明显的界面。同时，虽然 液滴的运动速度不同，沉积到基体上存在时间差，但是运个时间相当短，因此形成的涂层综 合性能比多次喷涂不同粉末形成的涂层性能更好。
[0018] (3)多层涂层可W有合金与氧化物、碳化物、氮化物、棚化物等组成，多层的涂层结 构设计可W有效的降低不同材料的热膨胀系数差异，降低涂层内应力，提高涂层初性，从而 可W沉积获得更厚的涂层。
【附图说明】
[0019] 图1为实施例一的沈Μ图。
[0020] 图2为本发明的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并 不限于所述内容。
[0022] 实施例一 本实施例所用喷涂材料为Al2〇3+40wt%Ti〇2、NiAl的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙 点、密度如表1所示： 表1
采用同路送粉制备Al2〇3+40wt%Ti〇2/NiAl多层涂层，制备的多层涂层如图1所示，喷涂 距离 110mm;电流550A，电压70V;啦流量2400L/h;Ar流量2000LA;送粉电压 10V;Al2〇3+40wt% Ti化与NiAl按照5:1的比例机械混合均匀；喷枪移动速度6mm/s;制备的涂层厚度约为50化 m;硬度约为800HV;粘结强度达到90Mpa。
[0023] 实施例二 本实施例所用喷涂材料为Ah〇3+40wt%Ti化、MgO的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙 点、密度如表2所示： 表2
采用同路送粉制备Al2〇3+40wt%Ti〇2/MgO,喷涂距离100mm;电流580A，电压70V;化流量 2400L/h; Ar流量2000LA;送粉电压10V; Al2〇3+40wt%Ti〇2与MgO按照4:1的比例机械混合均 匀;喷枪移动速度6mm/s;制备的涂层厚度约为500μπι;硬度约为900HV;粘结强度达到80Mpa。 [0024] 实施例Ξ 本实施例所用喷涂材料为Al2〇3+40wt%Ti〇2、YSZ(化〇2+8wt%Y2〇3)的混合粉末，其中，各 粉末的粒度、烙点、密度如表3所示： 表3
采用同路送粉制备Al2〇3+40wt%Ti〇2/YSZ多层涂层，喷涂距离100mm;电流600A，电压 70V;化流量2400L/h; Ar流量2000L/h;送粉电压10V; Al2〇3+40wt%Ti〇2 与YSZ按照4:1 的比例 机械混合均匀;喷枪移动速度6mm/s;制备的涂层厚度约为400μηι;控制两种粉末的配比来控 制各层的厚度;硬度约为900HV;粘结强度达到90Mpa。
[002引实施例四 本实施例所用喷涂材料为YSZ、化205的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙点、密度如表 4所示： 表4
采用同路送粉制备YSZ/h205多层涂层，喷涂距离100mm;电流600A，电压70V;N2流量 26(K)LA; Ar流量2000LA;送粉电压10V; 与化205按照5:1的比例机械混合均匀；喷枪移动 速度6mm/s;制备的涂层厚度约为500μπι;硬度约为900HV;粘结强度达到80Mpa。
[0026] 实施例五 本实施例所用喷涂材料为Ah〇3+40wt%Ti化、TiC的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙 点、密度如表5所示： 表5
采用同路送粉制备Al2〇3+40wt%Ti〇2/TiC多层涂层，喷涂距离100mm;电流600A，电压 70V;化流量2600LA; Ar流量2000L/h;送粉电压10V; Al2〇3+40wt%Ti〇2 与 TiC 按照4:1 的比例 机械混合均匀;喷枪移动速度6mm/s;制备的涂层厚度约为500μπι;硬度约为1200HV;粘结强 度达到70Mpa。
[0027] 实施例六 本实施例所用喷涂材料为Ah〇3+40wt%Ti化、A1N的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙 点、酱度如表6所不： 表6
采用同路送粉制备Al2〇3+40wt%Ti〇2/AlN多层涂层，喷涂距离100mm;电流600A，电压 70V;化流量2400LA; Ar流量2000LA;送粉电压10V; Al2〇3+40wt%Ti〇2与A1N按照4:1的比例 机械混合均匀;喷枪移动速度6mm/s;制备的涂层厚度约为600μπι;硬度约为2000HV;粘结强 度达到70Mpa。
[00測实施例屯 本实施例所用喷涂材料为SiC、TiC的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙点、密度如表7 所示： 表7
采用同路送粉制备SiC/TiC多层涂层，喷涂距离100mm;电流600A，电压70V;N2流量 260017}1;4^流量200017}1;送粉电压10￥;51(：与1'1巧安照2:1的比例机械混合均匀；喷枪移动 速度6mm/s;制备的涂层厚度约为400μπι;硬度约为2800HV;粘结强度达到70Mpa。
[0029] 实施例八 本实施例所用喷涂材料为TiC、AlN的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙点、密度如表8 所示： 表8
采用同路送粉制备TiC/AlN多层涂层，喷涂距离100mm;电流600A，电压70V;化流量 2600LA; Ar流量2000LA;送粉电压10V; TiC与A1N按照4:1的比例机械混合均匀；喷枪移动 速度6mm/s;制备的涂层厚度约为500μπι;硬度约为3000HV;粘结强度达到70Mpa。
[0030] 实施例九 本实施例所用喷涂材料为TiN、AlN的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙点、密度如表9 所示： 表9
采用同路送粉制备TiN/AlN多层涂层，喷涂距离100mm;电流600A，电压70V;N2流量 2600LA; Ar流量2000LA;送粉电压10V; TiN与A1N按照4:1的比例机械混合均匀；喷枪移动 速度6mm/s;制备的涂层厚度约为500μπι;硬度约为3000HV;粘结强度达到70Mpa。
[0031] 实施例十 本实施例所用喷涂材料为Ah〇3+40wt%Ti〇2、高铭铁的混合粉末，其中，各粉末的粒度、 烙点、密度如表10所示： 表10
采用同路送粉制备Al2〇3+40wt%Ti〇2/高铭铁涂层，喷涂距离110mm;电流550A，电压65V; 化流量2400L/h; Ar流量2000L/h;送粉电压10V; Al2〇3+40wt%Ti〇2与高铭铁粉按照3:1比例的 比例机械混合均匀;喷枪移动速度6mm/s;制备的涂层厚度约为500μπι;硬度约为900HV;粘结 强度达到90Mpa。
[0032] 实施例^-- 本实施例所用喷涂材料为YSZ、CoNiCrAlY的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙点、密度 如表11所示： 表11
采用同路送粉制备￥52/(：0化〇4巧多层涂层，喷涂距离110mm;电流550A，电压70V;啦流 量2400L/h;Ar流量2000LA;送粉电压8V;YSZ与CoNiCrAlY按照6:1的比例机械混合均匀；喷 枪移动速度6mm/s;制备的涂层厚度约为300μπι;硬度约为900HV;粘结强度达到90Mpa。
[0033] 实施例十二 本实施例所用喷涂材料为SiC、Ni化的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙点、密度如表 12所示： 表12
采用同路送粉制备SiC/NiCr多层涂层，喷涂距离100mm;电流600A，电压70V;化流量 2400LA; Ar流量2000LA;送粉电压12V; SiC与Ni化按照6:1的比例机械混合均匀;喷枪移动 速度3mm/s;制备的涂层厚度约为700μπι;硬度约为2000HV;粘结强度达到90Mpa。
[0034] 实施例十Ξ 本实施例所用喷涂材料为TiN、NiAl的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙点、密度如表 13所示： 表13
采用同路送粉制备TiN/NiAl多层涂层，喷涂距离100mm;电流600A，电压65V;化流量 2500LA; Ar流量2000LA;送粉电压10V; TiN与NiAl按照4:1的比例机械混合均匀;喷枪移动 速度6mm/s;制备的涂层厚度约为580μπι;硬度约为2000HV;粘结强度达到90Mpa。
[0035] 实施例十四 本实施例所用喷涂材料为TiN、MoS2的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙点、密度如表 14所示： 表14
采用同路送粉制备TiN/MoS2多层涂层，喷涂距离100mm;电流600A，电压70V;N2流量 2400LA; Ar流量2000LA;送粉电压10V; TiN与MoS2按照6:1的比例机械混合均匀；喷枪移动 速度6mm/s;制备的涂层厚度约为400μπι;硬度约为2200HV;粘结强度达到70Mpa。
[0036] 实施例十五 本实施例所用喷涂材料为WC、MoS2的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙点、密度如表15 所示： 表15
采用同路送粉制备WC/M0S2多层涂层，喷涂距离100mm;电流550A，电压70V;N2流量 2400L/h;Ar流量2000LA;送粉电压10V;WC与MoS2按照6:1的比例机械混合均匀；喷枪移动 速度6mm/s;制备的涂层厚度约为500μπι;硬度约为1200HV;粘结强度达到70Mpa。
[0037] 实施例十六 本实施例所用喷涂材料为Al2〇3+40wt%Ti〇2、MoS2的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙 点、密度如表16所示： 表16
采用同路送粉制备Al2〇3+40wt%Ti〇2/MoS2多层涂层，喷涂距离110mm;电流600A，电压 70V; N2流量2400L/h; Ar流量2000L/h;送粉电压 10V; A12〇3+ 40wt%Ti〇2与 MoS2按照6:1 的比例 机械混合均匀;喷枪移动速度6mm/s;制备的涂层厚度约为500μπι;硬度约为1200HV;粘结强 度达到70Mpa。
[0038] 实施例十屯 本实施例所用喷涂材料为YSZ、NiCoCrAU的混合粉末，其中，各粉末的粒度、烙点、密度 如表17所不： 表17
采用同路送粉制备￥52/化(：〇04巧多层涂层，喷涂距离110mm;电流550A，电压70V;啦流 量2400L/h;Ar流量2000LA;送粉电压8V;YSZ与NiCoCrAlY按照6:1的比例机械混合均匀；喷 枪移动速度6mm/s;制备的涂层厚度约为300μπι;硬度约为900HV;粘结强度达到90Mpa。
【主权项】
1. 一种采用热喷涂法制备多层涂层的方法，所述方法为对基体进行预处理，然后进行 热喷涂，其特征在于:热喷涂过程中单次喷涂，同路送两种或两种以上不同喷涂材料的混合 粉末;不同粉末在焰流中被加速获得不同的速度;导致不同粉末喷射到基体上存在时间差， 从而得到多层涂层； 所述同路是指一个送粉管路内同时输送两种不同喷涂材料的混合粉末。2. 根据权利要求1所述采用热喷涂法制备多层涂层的方法，其特征在于:所述不同喷涂 材料的混合粉末至少满足以下三个条件中的一个： ① 任意两种粉末的粒度相差为50~100目； ② 任意两种粉末的恪点相差800~1800°C ; ③ 任意两种粉末的密度相差为2~lOg/cm3。3. 根据权利要求1所述采用热喷涂法制备多层涂层的方法，其特征在于:所述热喷涂过 程中喷涂距离为l〇-12mm;喷涂功率为30-100KW;送粉电压为10-13V;N 2流量为2200-2600L/ h，Ar流量2000~2500L/h。
【文档编号】C23C4/12GK106011721SQ201610446917
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】宋鹏, 罗恒, 陆建生, 刘光亮
【申请人】昆明理工大学