一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，使用噴涂系統(tǒng)進(jìn)行等離子噴涂，噴涂時(shí)控制涂層沉積壓力低于500Pa；其中，噴涂時(shí)在等離子噴槍體外輔助設(shè)置聚束罩，所述聚束罩呈筒狀，聚束罩一端通過螺紋孔與等離子噴槍噴嘴直接相連；聚束罩中設(shè)有一個(gè)喇叭狀通道，喇叭狀通道的入口的直徑為噴嘴出口處直徑的1-5倍；喇叭狀通道的出口內(nèi)徑大于或等于20mm；喇叭狀通道的長(zhǎng)度為50-150mm。該方法采用常規(guī)等離子噴涂系統(tǒng)，利用在低于500Pa的條件下進(jìn)行沉積，通過控制噴槍出口處等離子射流的徑向尺寸，提高等離子射流中心區(qū)域的溫度，從而大幅度等離子射流中粉末的加熱程度，實(shí)現(xiàn)更多的氣相沉積。
【專利說明】
一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法【

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及噴涂【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種等離子噴涂方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]大氣等離子噴涂或簡(jiǎn)寫為APS技術(shù)具有高射流溫度、低成本、快速沉積涂層的特性，成為制備YSZ熱脹涂層常用的方法。該方法制備的涂層具有以扁平粒子組成的層狀結(jié)構(gòu)。扁平粒子間存在孔隙及裂紋，在大幅度提高涂層隔熱性能的同時(shí)，降低了其抗熱震性能。在溫度變化頻率不大的陸基燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域具有較多的應(yīng)用。
[0003]電子束物理氣相沉積或簡(jiǎn)寫為EB-PVD是一種制備柱狀YSZ涂層的方法。采用此種方法能夠制備得到結(jié)構(gòu)規(guī)整，抗熱震性能優(yōu)良的柱狀YSZ層。但是采用EB-PVD法設(shè)備投入成本高，且制備涂層所用的周期較長(zhǎng)，而且涂層的隔熱性能低于APS制備的涂層。在溫度變化頻率極高的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上具有較多的應(yīng)用。
[0004]Sulzer-Metco公司在傳統(tǒng)低壓等離子噴涂的基礎(chǔ)上，通過大幅度提高等離子系統(tǒng)功率達(dá)到180kW，在小于200Pa的工作壓力下，氣化YSZ粉末，實(shí)現(xiàn)物理氣相沉積，即為PS-PVD技術(shù)。此技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)制備得到一定厚度的柱狀結(jié)構(gòu)YSZ涂層，對(duì)EB-PVD制備周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)具有較好的優(yōu)化。同時(shí)，它改變了傳統(tǒng)等離子噴涂或低壓等離子噴涂只能制備層狀結(jié)構(gòu)涂層的局限。但整個(gè)系統(tǒng)包括超大功率等離子噴涂設(shè)備、真空抽濾設(shè)備、真空下運(yùn)行的機(jī)械手，其投入成本同樣很高，一般的研究機(jī)構(gòu)很難承受。
[0005]相對(duì)于超大功率的等離子噴涂系統(tǒng)，常規(guī)低功率(SOkW)的等離子噴涂系統(tǒng)也能夠在500Pa以下操作，并實(shí)現(xiàn)PS-PVD工藝。由于在非常低的壓力下，等離子射流在噴槍出口處會(huì)迅速的發(fā)生膨脹，從而使等離子射流的能量發(fā)生擴(kuò)散，中心區(qū)域的溫度降低。從而使等離子射流對(duì)陶瓷粉末的加熱能力降低，使射流中存在未氣化的液滴。很難達(dá)到制備柱狀結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的要求。如何利用現(xiàn)有的設(shè)備實(shí)現(xiàn)PS-PVD，并大幅度提高等離子射流對(duì)粉末的加熱程度，并制備柱狀結(jié)構(gòu)陶瓷涂層是現(xiàn)在面臨的難題。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，以解決常規(guī)等離子噴涂系統(tǒng)難以在PS-PVD工藝條件下大幅度氣化YSZ粉末的問題；本發(fā)明方法能夠大幅度提高等離子射流中粉末的氣化程度，并且工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低廉、可控性好。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，使用噴涂系統(tǒng)進(jìn)行等離子噴涂，噴涂時(shí)控制涂層沉積壓力低于500Pa ;其中，噴涂時(shí)在等離子噴槍體外輔助設(shè)置聚束罩，所述聚束罩呈筒狀，聚束罩一端通過螺紋孔與等離子噴槍噴嘴直接相連；聚束罩中設(shè)有一個(gè)喇叭狀通道，喇叭狀通道的入口的直徑為噴嘴出口處直徑的1-5倍；喇叭狀通道的出口內(nèi)徑大于或等于20mm ;喇叭狀通道的長(zhǎng)度為50-150mm ;所述噴涂系統(tǒng)進(jìn)行噴涂時(shí)等離子噴涂電弧功率小于45kW。
[0009]優(yōu)選的，聚束罩的喇叭狀通道外周通有冷卻水。
[0010]優(yōu)選的，聚束罩的喇叭狀通道的出口距離被噴涂基體的距離為大于100mm。
[0011]優(yōu)選的，噴涂時(shí)噴涂系統(tǒng)的參數(shù)為:Ar 40-70L/min, H2 8_15L/min，陶瓷粉末的送粉量為大于或等于0.2g/min。
[0012]優(yōu)選的，聚束罩與噴嘴連接處的螺紋孔的內(nèi)徑為28mm，入口的直徑為28mm，出口直徑為40mm,長(zhǎng)度為50mm。
[0013]優(yōu)選的，出口的直徑大于入口的直徑。
[0014]優(yōu)選的，所述聚束罩的材質(zhì)為銅。
[0015]在等離子噴涂實(shí)施過程中，所使用的等離子發(fā)生氣體為氬氣、氬氣和氫氣、氬氣和氦氣、氬氣與氦氣和氫氣。為保證等離子噴涂的實(shí)施氣體流量可進(jìn)行調(diào)節(jié)，氣體的比例也可以根據(jù)粉末的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0016]為保證等離子射流在出口處的連續(xù)性，聚束罩與等離子噴槍噴嘴直接相連，聚束罩與噴嘴連接處的內(nèi)徑為噴嘴出口處直徑的1-5倍。
[0017]為保證飛行的過程中不在聚束罩上停留發(fā)生結(jié)瘤堵塞的現(xiàn)象，同時(shí)保證對(duì)等離子射流的聚束效果，聚束罩出口處內(nèi)徑不低于20mm。
[0018]為延長(zhǎng)粉末在等離子射流高溫區(qū)域的停留時(shí)間，保證粉末在聚束罩內(nèi)充分加熱并氣化，聚束罩對(duì)等離子弧聚束長(zhǎng)度范圍為50-150mm。
[0019]在涂層沉積過程中，涂層沉積壓力為等離子弧外與基體非接觸區(qū)域的平均氣壓，壓力小于500Pa。
[0020]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0021]本發(fā)明采用常規(guī)SOkW等離子噴涂系統(tǒng)，利用在低于500Pa的腔室壓力條件下使等離子射流發(fā)生擴(kuò)張，通過在等離子噴槍的噴嘴前連接聚束罩，聚束罩的出口直徑小于不加聚束罩條件下等離子射流擴(kuò)張后的直徑，從而達(dá)到對(duì)等離子射流進(jìn)行收縮的作用。在聚束罩的作用下，通過控制噴槍出口處等離子射流的徑向尺寸，使等離子射流限制在一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)不發(fā)生大的擴(kuò)散，在此基礎(chǔ)上提高了等離子射流中心區(qū)域的溫度，增加了粉末在等離子射流高溫區(qū)域的停留時(shí)間，從而大幅度提高等離子射流中粉末的加熱程度，能夠氣化更多的粉末，在涂層制備過程中實(shí)現(xiàn)更多的氣相沉積。
[0022]采用聚束罩對(duì)等離子射流進(jìn)行聚束后，與未約束相比，在相同噴涂參數(shù)的條件下，等離子射流中心區(qū)域溫度提高30% -150%，在較高的溫度下有利于等離子射流對(duì)粉末的加熱并氣化更多的粉末。
[0023]采用聚束罩對(duì)等離子射流進(jìn)行聚束后，與未約束相比，在相同噴涂參數(shù)及沉積時(shí)間的條件下，涂層沉積效率提高2-10倍，表明采用聚束罩對(duì)等離子射流進(jìn)行聚束后，等離子射流中粉末的氣化量提高2-10倍。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0024]圖1聚束罩示意圖；其中，圖1 (a)為聚束長(zhǎng)度為50mm的聚束罩，圖1 (b)為聚束長(zhǎng)度為80mm的聚束罩。
[0025]圖2為加聚束罩與不加聚束罩等離子溫度的比較圖；其中圖2(a)為等離子射流中心位置的溫度變化圖；圖2(b)為等離子射流徑向偏離中心位置15mm處溫度變化圖；圖2 (c)為等離子射流徑向偏離中心位置30_處溫度變化圖。
[0026]圖3為不加聚束罩制備的YSZ涂層的斷面組織結(jié)構(gòu)。
[0027]圖4為加聚束罩制備的YSZ涂層的斷面組織結(jié)構(gòu)。
【【具體實(shí)施方式】】
[0028]本發(fā)明一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，使用等離子噴涂電弧功率小于45kW的噴涂系統(tǒng)進(jìn)行等離子噴涂，噴涂時(shí)控制涂層沉積壓力低于500Pa，并且在等離子噴槍體外輔助設(shè)置銅制備的聚束罩I。
[0029]請(qǐng)參閱圖1所示，聚束罩I呈筒狀，聚束罩I 一端通過螺紋孔11與等離子噴槍噴嘴直接相連；聚束罩I中設(shè)有一個(gè)喇叭狀通道12，喇叭狀通道12的入口 121的直徑為噴嘴出口處直徑的1-5倍；喇叭狀通道12的出口 122內(nèi)徑大于或等于20mm ;喇叭狀通道12的長(zhǎng)度為50-150mm。聚束罩I的喇叭狀通道12外周通有冷卻水。
[0030]圖1 (a)中所示聚束罩I與噴嘴連接處的螺紋孔11的內(nèi)徑為28mm，入口 121的直徑為28臟，出口 122內(nèi)徑為40臟，長(zhǎng)度為50mm ;圖1 (b)中所示聚束罩I與噴嘴連接處的螺紋孔11的內(nèi)徑為28mm，入口 121的直徑為15mm，出口 122內(nèi)徑為40臟，長(zhǎng)度為80mm。
[0031]分別通過加圖1 (a)的聚束罩和不加聚束罩行進(jìn)PS-PVD工藝。采用OES對(duì)等離子射流進(jìn)行檢測(cè)。OES檢測(cè)參數(shù)如下:光柵為300grooves/mm ;曝光時(shí)間8ms ;光譜分辨率為0.058nm ;檢測(cè)波長(zhǎng)范圍為300至lOOOnm。OES對(duì)等離子射流的檢測(cè)范圍包括軸向(圖2中Z軸)50-350mm，徑向(圖2中Y軸)0_30mm。噴涂參數(shù)為噴涂額定功率45kW，Ar40L/min，H28L/min。等離子溫度結(jié)果如圖2所示。加聚束罩的等離子射流溫度明顯提高30%-80%。
[0032]分別通過加圖1 (a)聚束罩和不加聚束罩行進(jìn)PS-PVD工藝。采用OES對(duì)等離子射流進(jìn)行檢測(cè)。OES檢測(cè)參數(shù)如下:光柵為300grooves/mm ;曝光時(shí)間8ms ;光譜分辨率為0.058nm ;檢測(cè)波長(zhǎng)范圍為300至lOOOnm。OES對(duì)等離子射流的檢測(cè)范圍包括軸向(圖2中Z軸)50-350mm，徑向(圖2中Y軸)0_30mm。噴涂參數(shù)為噴涂額定功率60_80kW，除掉冷卻功率的凈功率為32-45kW，Ar流量50_70L/min，H2流量10_15L/min。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)等離子溫度明顯提高，有利于高熔點(diǎn)的陶瓷粉末的加熱與氣化。
[0033]對(duì)比例1:
[0034]以氧化鋁管為基體，通過加工成Φ16Χ2Χ250.ι(外徑X厚度X長(zhǎng)度)的試樣。使用丙酮和酒精依次對(duì)試樣進(jìn)行超聲波清洗，采用氧化鋁砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨處理，最后采用酒精對(duì)試樣進(jìn)行表面清潔；采用不加聚束罩的等離子噴槍，在10Pa環(huán)境壓力下，使用7-8wt.% YSZ粉末進(jìn)行PS-PVD工藝，制備YSZ涂層，其中噴涂參數(shù)為噴涂額定功率45kW，除掉冷卻功率的凈功率為25kW，Ar 40L/min, H2 8L/min，噴涂距離200mm，送粉量0.2g/min，沉積方式側(cè)面。涂層的斷面組織結(jié)構(gòu)(如圖3所示)顯示為類似柱狀結(jié)構(gòu)。
[0035]實(shí)施例1:
[0036]以氧化鋁管為基體，通過加工成Φ16Χ2Χ250mm(外徑X厚度X長(zhǎng)度)的試樣。使用丙酮和酒精依次對(duì)試樣進(jìn)行超聲波清洗，采用氧化鋁砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨處理，最后采用酒精對(duì)試樣進(jìn)行表面清潔；采用加圖1(a)聚束罩的等離子噴槍，在10Pa環(huán)境壓力下，使用7-8wt.% YSZ粉末進(jìn)行PS-PVD工藝，制備YSZ涂層，其中噴涂參數(shù)為噴涂額定功率45kW，除掉冷卻功率的凈功率為25kW，Ar 40L/min, H2 8L/min，噴涂距離200mm，送粉量0.2g/min，沉積方式側(cè)面。涂層的斷面組織結(jié)構(gòu)(如圖4所示)顯示為類似柱狀結(jié)構(gòu)。加聚束罩涂層厚度約為不加聚束罩涂層厚度的2倍，證明加聚束罩后粉末的氣化量明顯提高了，約為不加聚束罩的2倍。
[0037]實(shí)施例2:
[0038]以氧化鋯為基體，通過加工成Φ18Χ2πιπι(直徑X厚度)的試樣。使用丙酮和酒精依次對(duì)試樣進(jìn)行超聲波清洗，采用金剛石砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨處理，最后采用酒精對(duì)試樣進(jìn)行表面清潔；分別采用加圖1(b)聚束罩和不加聚束罩的等離子噴槍，在10Pa環(huán)境壓力下，使用7-8wt.% YSZ粉末進(jìn)行PS-PVD工藝，制備YSZ涂層，其中噴涂參數(shù)為噴涂額定功率60-80kW，除掉冷卻功率的凈功率為32-45kW，Ar 50-70L/min, H2 10_15L/min，噴涂距離200-660mm，送粉量0.2g/min，沉積方式側(cè)面。加聚束罩沉積的涂層厚度顯著提高。
[0039]實(shí)施例3:
[0040]以氧化鋁管為基體，通過加工成Φ16Χ2Χ250mm(外徑X厚度X長(zhǎng)度)的試樣。使用丙酮和酒精依次對(duì)試樣進(jìn)行超聲波清洗，采用氧化鋁砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨處理，最后采用酒精對(duì)試樣進(jìn)行表面清潔；采用加圖1(a)聚束罩的等離子噴槍，在小于500Pa環(huán)境壓力下，使用氧化鋁粉末進(jìn)行PS-PVD工藝，制備氧化鋁涂層，其中噴涂參數(shù)為噴涂額定功率45-80kW，除掉冷卻功率的凈功率為25-45kW，Ar 40-70L/min, H2 8_15L/min，噴涂距離200-660mm,送粉量0.2g/min,沉積方式側(cè)面。制備氣相沉積柱狀結(jié)構(gòu)氧化招涂層。
[0041]實(shí)施例4:
[0042]以氧化鋯為基體，通過加工成Φ18Χ2_(直徑X厚度)的試樣。使用丙酮和酒精依次對(duì)試樣進(jìn)行超聲波清洗，采用金剛石砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨處理，最后采用酒精對(duì)試樣進(jìn)行表面清潔；采用加圖1(a)聚束罩等離子噴槍，在小于500Pa環(huán)境壓力下，使用氧化鋁粉末進(jìn)行PS-PVD工藝，制備氧化鋁涂層，其中噴涂參數(shù)為噴涂額定功率45-80kW，除掉冷卻功率的凈功率為25-45kW，Ar 40-70L/min, H2 8_15L/min，噴涂距離200_660mm，送粉量
0.2g/min，沉積方式側(cè)面。制備氣相沉積柱狀結(jié)構(gòu)氧化鋁涂層。
【權(quán)利要求】
1.一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，其特征在于，使用噴涂系統(tǒng)進(jìn)行等離子噴涂，噴涂時(shí)控制涂層沉積壓力低于500Pa ;其中，噴涂時(shí)在等離子噴槍體外輔助設(shè)置聚束罩(I)，所述聚束罩(I)呈筒狀，聚束罩(I) 一端通過螺紋孔(11)與等離子噴槍噴嘴直接相連；聚束罩(I)中設(shè)有一個(gè)喇叭狀通道(12)，喇叭狀通道(12)的入口(121)的直徑為噴嘴出口處直徑的1-5倍；喇叭狀通道(12)的出口(122)內(nèi)徑大于或等于20mm ;喇叭狀通道(12)的長(zhǎng)度為50_150mm ;所述噴涂系統(tǒng)進(jìn)行噴涂時(shí)等離子噴涂電弧功率小于45kff0
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，其特征在于，聚束罩(I)的喇叭狀通道(12)外周通有冷卻水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，其特征在于，聚束罩(I)的喇叭狀通道(12)的出口(122)距離被噴涂基體的距離為大于100mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，其特征在于，噴涂時(shí)噴涂系統(tǒng)的參數(shù)為:Ar 40-70L/min, H28_15L/min，陶瓷粉末的送粉量為大于或等于0.2g/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，其特征在于，聚束罩(I)與噴嘴連接處的螺紋孔(11)的內(nèi)徑為28mm，入口(121)的直徑為28mm,出口(122)直徑為40mm，長(zhǎng)度為50mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，其特征在于，出口(122)的直徑大于入口(121)的直徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，其特征在于，所述聚束罩(I)的材質(zhì)為銅。
【文檔編號(hào)】C23C4/12GK104404437SQ201410690649
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】李長(zhǎng)久, 李成新, 楊冠軍, 陳清宇 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)