專利名稱：制備金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層和梯度結(jié)構(gòu)涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱噴涂涂層的制備方法，尤其指金屬-陶瓷復(fù)合涂層的制備方 法。
背景技術(shù)：
金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層由于具有優(yōu)良的綜合性能，在減摩抗磨、耐熱、耐蝕等領(lǐng) 域都獲得了廣泛應(yīng)用。例如，被廣泛應(yīng)用的各種自熔合金，如M基合金、Co基合金Je基合 金、^ 基合金等，大都是靠原位生成的碳化物硬質(zhì)相來提供高硬度和良好的耐磨性。激光 熔覆制備原位自生TiC-Cr7C3-Ti-N金屬陶瓷復(fù)合涂層可以實現(xiàn)金屬基體的高韌性等優(yōu)異 性能與表面材料耐磨、耐蝕、高溫穩(wěn)定性的理想結(jié)合，大幅度地提高零件的使用壽命。利用 真空等離子噴涂技術(shù)制備的Ti+羥基磷灰石復(fù)合涂層在人工關(guān)節(jié)制備領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng) 用前景。梯度涂層的概念是由日本科學(xué)家為解決高速航空航天器中材料的熱應(yīng)力緩和問題 而最早提出來的。主要應(yīng)用于航天工程中某些部件一側(cè)受到高溫?zé)嶝摵?，另一?cè)卻用液氫 冷卻，兩側(cè)溫差極大的條件下。目前，功能梯度涂層已不再是指某種特定的材料，而是體現(xiàn) 了一種材料設(shè)計的思想，就是選擇兩種不同性能的材料，采用先進的材料復(fù)合技術(shù)，使中間 的組成和結(jié)構(gòu)連續(xù)地呈梯度變化，內(nèi)部不存在明顯的界面，從而使材料的性質(zhì)和功能沿厚 度增加方向也呈梯度變化的一種新型復(fù)合材料。目前，公知的利用熱噴涂制備金屬-陶瓷復(fù)合涂層和梯度涂層的技術(shù)是采用首先 將兩種或兩種以上粉材預(yù)先混合，然后利用火焰噴涂、等離子噴涂或超音速火焰噴涂來完 成涂層的制備。由于不同的材料具有不同的熔點和密度，很難對涂層的結(jié)構(gòu)和成分進行精 準的控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種制備金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層和梯度結(jié)構(gòu)涂層的方法，實現(xiàn)對涂 層組織和結(jié)構(gòu)的控制，提高結(jié)合性能。本發(fā)明的技術(shù)方案為
制備金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層和梯度結(jié)構(gòu)涂層的方法，其特征在于所述方法由兩個 噴涂槍共同完成，其中一個是等離子噴涂槍，提供涂層中的陶瓷強化相，而另一個是電弧噴 涂槍，提供基體金屬相；
噴涂時，兩個噴涂槍可以同時工作，也可以交替工作，通過調(diào)整等離子噴涂槍的送粉量 或調(diào)整電弧噴涂槍的噴涂電流，來調(diào)整涂層中陶瓷強化相與基體金屬相的比例，制備出具 有不同成分和結(jié)構(gòu)的金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層；
或者在噴涂時，在涂層增厚過程中，將等離子噴涂槍的送粉量逐步調(diào)大，而將電弧噴涂 槍的功率逐漸調(diào)小，直至到后期將電弧噴涂槍熄弧，僅留下等離子噴涂槍單獨工作，來制備 出相比例和成分沿涂層厚度方向連續(xù)變化的梯度結(jié)構(gòu)涂層。等離子噴涂槍和電弧噴涂槍的噴涂距離都控制在80 200mm，兩個槍體可以與工件等距離，也可以不等距離排布。等離子噴涂槍和電弧噴涂槍的槍體軸線與工件表面的角度要保持在75° 90°。等離子噴涂槍的工作功率為40 80kW。電弧噴涂槍的工作電壓為30 35V，電流60 200A，工作氣體為Ar氣，所采用的 噴涂絲材為1. 2 2mm。所述方法是在密閉并可抽真空的噴涂艙中完成。噴涂艙首先預(yù)抽真空，待真空度達到(5. 5-6. 5) X10_4hPa時，開啟噴涂送氣系統(tǒng)， 由于電弧噴涂槍所使用的工作氣體全部為Ar氣，等離子噴涂槍所使用的工作氣體全部為 Ar氣或者為Ar氣加氫氣，相當(dāng)于對真空艙中充入惰性保護氣體；當(dāng)艙體內(nèi)部壓力高于環(huán)境 壓力以后，將密封艙排氣閥門開啟，在密封艙中建立起Ar氣保護環(huán)境，然后進行連續(xù)噴涂。本發(fā)明采用兩個彼此獨立的噴涂槍分別噴涂陶瓷材料和金屬材料，由于兩個槍體 的工作參數(shù)都可以獨立調(diào)節(jié)，因此可以按照不同噴涂速度來進行噴涂，實現(xiàn)對涂層組織和 結(jié)構(gòu)的控制。由于噴涂是在低度真空環(huán)境下進行，可以避免噴涂粒子在飛行過程中被大氣 環(huán)境中的氧和氮所污染，減少涂層中的孔隙和夾雜物，提高結(jié)合性能。


圖1為低壓噴涂系統(tǒng)示意圖2為利用低壓噴涂方法獲得的AVAl2O3復(fù)合材料涂層(A1:A1203=4: 1)； 圖3為利用低壓噴涂方法獲得的AVAl2O3復(fù)合材料涂層(A1:A1203=2: 1)； 圖4為利用低壓噴涂方法獲得的Ni-CiVAl2O3梯度涂層結(jié)構(gòu)； 圖5為利用低壓噴涂方法獲得的Ni-CiVAl2O3梯度涂層中的元素分布； 附圖標記說明
1.真空密封艙、2.真空泵、3.等離子噴涂槍、4.電弧噴涂槍、5.涂層、6.工件、7. 工件移動裝置、8.排氣口。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例1
利用低壓噴涂技術(shù)制備Al-Al2O3復(fù)合材料涂層。噴涂所需要的低度真空環(huán)境由真空系統(tǒng)提供，圖1為低壓噴涂系統(tǒng)示意圖，如圖 所示，在噴涂前預(yù)先用真空泵2將真空密閉艙1的壓力抽至(5. 5-6. 5)X10_4hPa ；然后將工 件6放置在工件移動裝置7上，進行噴涂，形成涂層5。噴涂過程中，電弧噴涂槍4的工藝參 數(shù)為噴涂電壓35V ；噴涂電流140A ；噴涂距離150mm，霧化氣體為氬氣，氣體壓力0. 3MPa。 等離子噴涂槍3的工藝參數(shù)為噴涂電壓70V ；噴涂電流600A ；噴涂距離150mm，工作氣體為 氬氣+氫氣，送粉氣體為氬氣，采用的噴涂材料組配為Al絲+ Al2O3粉末，絲材為1.5mm。兩 個槍體軸線與工件表面的角度要保持在75° 90°，以保證涂層具有足夠的結(jié)合強度。在本實施例中，通過調(diào)節(jié)等離子噴涂槍3的送粉量，制備出了各種不同體積比例 的Al-Al2O3復(fù)合材料。如附圖2、3就分別是二者體積比例為4:1和2:1時的金相組織。對 圖中白色相進行電鏡能譜分析發(fā)現(xiàn)，該相的成分比例為含氧54.86 at%，含鋁45. 14 at%, 從原子比例組成看，其成分為Al2O3陶瓷相。而對黑色相進行成分分析發(fā)現(xiàn)，其含氧7.36at%，含鋁 92. 63 at%。從Al2O3顆粒的形態(tài)看，在噴涂過程中，大部分顆粒都經(jīng)歷了熔融狀態(tài)，噴涂粒子 也完成了扁平化過程，也有少量粉末沒有熔化，仍為圓整的球狀。實施例2:
利用低壓噴涂技術(shù)制備Ni-CiVAl2O3梯度涂層。噴涂所需要的低度真空環(huán)境由真空系統(tǒng)提供，所采用的低壓噴涂系統(tǒng)與實施例1 相同。在噴涂前預(yù)先用真空泵2將真空密閉艙1的壓力抽至(5. 5-6. 5) X10_4hPa;電弧噴 涂槍的工藝參數(shù)為噴涂電壓35V ；噴涂電流140A ；噴涂距離130mm，霧化氣體為氬氣。等離 子噴涂的工藝參數(shù)為噴涂電壓70V ；噴涂電流600A ；噴涂距離150mm，工作氣體為氬氣+氫 氣，送粉氣體為氬氣。采用的噴涂材料組配為Ni-Cr合金絲+ Al2O3粉末，絲材為2mm。兩 個槍體軸線與工件表面的角度要保持在75° 90°，以保證涂層具有足夠的結(jié)合強度。在涂層增厚過程中，將等離子噴涂送粉量逐步調(diào)大，而將電弧噴涂的功率逐漸調(diào) 小，直至到后期將電弧噴涂槍熄弧，僅留下等離子噴涂槍單獨工作，制備的梯度結(jié)構(gòu)涂層如 圖4所示，涂層中深灰色相為Al2O3，淺灰色相為Ni-Cr合金金屬，由圖中可以看到，涂層接 近基材一側(cè)深灰色的Al2O3含量很少，越接近涂層表面，Al2O3含量逐漸增多，涂層表面則基 本上完全為Al2O3，呈現(xiàn)出典型的梯度涂層的結(jié)構(gòu)。由圖5給出的元素分布的線掃描圖，也 可以明顯看出涂層中相分布的特征，接近基材一側(cè)，Ni, Cr元素最多，Al、0含量極少，而涂 層表面附近則完全相反。元素含量沿涂層厚度方向漸變的規(guī)律也證實了涂層的梯度結(jié)構(gòu)。在具體實施中，當(dāng)噴涂羥基磷灰石等密度較低的陶瓷粉材時，由于粉末容易被電 弧噴涂的氣流吹散，在噴涂時應(yīng)采用帶有超音速噴嘴的等離子噴槍。
權(quán)利要求
1.制備金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層和梯度結(jié)構(gòu)涂層的方法，其特征在于所述方法由兩 個噴涂槍共同完成，其中一個是等離子噴涂槍，提供涂層中的陶瓷強化相，而另一個是電弧 噴涂槍，提供基體金屬相；噴涂時，兩個噴涂槍可以同時工作，也可以交替工作，通過調(diào)整等離子噴涂槍的送粉量 或調(diào)整電弧噴涂槍的噴涂電流，來調(diào)整涂層中陶瓷強化相與基體金屬相的比例，制備出具 有不同成分和結(jié)構(gòu)的金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層；或者在噴涂時，在涂層增厚過程中，將等離子噴涂槍的送粉量逐步調(diào)大，而將電弧噴涂 槍的功率逐漸調(diào)小，直至到后期將電弧噴涂槍熄弧，僅留下等離子噴涂槍單獨工作，來制備 出相比例和成分沿涂層厚度方向連續(xù)變化的梯度結(jié)構(gòu)涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層和梯度結(jié)構(gòu)涂層的方法，其特征 在于等離子噴涂槍和電弧噴涂槍的噴涂距離都控制在80 200mm，兩個槍體可以與工件 等距離，也可以不等距離排布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層和梯度結(jié)構(gòu)涂層的方法，其特征 在于等離子噴涂槍和電弧噴涂槍的槍體軸線與工件表面的角度要保持在75° 90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層和梯度結(jié)構(gòu)涂層的方法，其特征 在于等離子噴涂槍工作功率的40 80kW。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層和梯度結(jié)構(gòu)涂層的方法，其特征 在于電弧噴涂槍的工作電壓為30 35V，電流60 200A，工作氣體為Ar氣，所采用的噴 涂絲材為1. 2 2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層和梯度結(jié)構(gòu)涂層的方法，其特征 在于所述方法是在密閉并可抽真空的噴涂艙中完成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述制備金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層和梯度結(jié)構(gòu)涂層的方法，其特征 在于噴涂艙首先預(yù)抽真空，待真空度達到(5. 5-6. 5) XlO-4Ua時，開啟噴涂送氣系統(tǒng)，由 于電弧噴涂槍所使用的工作氣體全部為Ar氣，等離子噴涂槍所使用的工作氣體全部為Ar 氣或者為Ar氣加氫氣，相當(dāng)于對真空艙中充入惰性保護氣體；當(dāng)艙體內(nèi)部壓力高于環(huán)境壓 力以后，將密封艙排氣閥門開啟，在密封艙中建立起Ar氣保護環(huán)境，然后進行連續(xù)噴涂。
全文摘要
制備金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層和梯度結(jié)構(gòu)涂層的方法，由兩個噴涂槍共同完成，一個是等離子噴涂槍，提供涂層中的陶瓷強化相，另一個是電弧噴涂槍，提供基體金屬相；兩個噴涂槍可同時工作，也可交替工作，通過調(diào)整等離子噴涂槍的送粉量或調(diào)整電弧噴涂槍的噴涂電流，來調(diào)整涂層中陶瓷強化相與基體金屬相的比例，制備出具有不同成分和結(jié)構(gòu)的金屬-陶瓷復(fù)合材料涂層；或者在噴涂時，在涂層增厚過程中，將等離子噴涂槍的送粉量逐步調(diào)大，而將電弧噴涂槍的功率逐漸調(diào)小，直至到后期將電弧噴涂槍熄弧，僅留下等離子噴涂槍單獨工作，來制備出相比例和成分沿涂層厚度方向連續(xù)變化的梯度結(jié)構(gòu)涂層。本發(fā)明可以實現(xiàn)對涂層組織和結(jié)構(gòu)的控制，提高結(jié)合性能。
文檔編號C23C4/12GK102140616SQ20111002759
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月26日
發(fā)明者張忠禮, 李德元, 董曉強 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)