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對(duì)于缸孔上的熱噴涂層通過(guò)等離子射流進(jìn)行表面活化的制作方法

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對(duì)于缸孔上的熱噴涂層通過(guò)等離子射流進(jìn)行表面活化的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明大體涉及在熱噴保護(hù)涂層和目標(biāo)基底之間達(dá)到更好的粘附性,以及特別地涉及在施加保護(hù)涂層之前使用空氣等離子體噴涂對(duì)基底進(jìn)行預(yù)處理。
【背景技術(shù)】
[0002]熱噴涂技術(shù)已經(jīng)示出是在工件上沉積保護(hù)涂層(如熱障涂層、耐磨涂層、耐腐蝕涂層或類似物)的有效方式。高的沉積速率使得此類涂層方法適合于大規(guī)模制造,例如與發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔和設(shè)計(jì)來(lái)在其中往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞相關(guān)的生產(chǎn)。保護(hù)涂層至基底的粘附性對(duì)于確定涂層是否適合特定應(yīng)用(例如用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的嚴(yán)苛環(huán)境)的非常重要的指標(biāo)。傳統(tǒng)上,涂層至缸孔基底粘附性的改善是通過(guò)各種表面活化預(yù)處理步驟所實(shí)現(xiàn),包括如使用陶瓷顆粒的噴砂處理、高壓水射流噴射以及機(jī)械粗化/鎖定的方法。雖然對(duì)其預(yù)期目的是有效的,但它們顯著增加了對(duì)涂層部件的制造工藝的復(fù)雜性和成本。例如,基于機(jī)械粗化/鎖定的方法涉及高的加工成本;這些成本由于短的工具壽命和大量的善后需求而更甚。類似地,高壓水射流噴射方法具有非常高的資金成本,而噴砂處理方法具有砂污染問(wèn)題,以及(連同上述的機(jī)械粗化一起)大量的善后需求。這些善后需求中的一些(以及基底預(yù)處理)還會(huì)使用揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs),其使用由于它們潛在的負(fù)面環(huán)境影響面臨越來(lái)越嚴(yán)格的審查。也經(jīng)常使用包括單獨(dú)的粘結(jié)涂層的沉積的其它嘗試。由于上述的基底活化預(yù)處理,這涉及明顯的額外的復(fù)雜性以及相關(guān)成本。
[0003]熱噴涂層的一種尤其有價(jià)值的形式是通過(guò)等離子噴涂,其中構(gòu)成大量保護(hù)涂層的成分受到惰性氣體的離子流的影響。除了高的沉積速率,等離子噴涂是有益的在于氣體是化學(xué)上惰性的,而目標(biāo)工件基底可保持相對(duì)冷卻;這些因素使其可避免對(duì)接觸的涂層和基底的損害,這是以其它升高溫度或化學(xué)活化工藝所不能實(shí)現(xiàn)的方式。在等離子噴涂中,以圍繞子彈形陰極的圓柱狀陽(yáng)極形式的帶相反電荷的電極形成在放電端處限定噴嘴的流動(dòng)路徑。直流電(DC)源施加到電極使得當(dāng)惰性氣體引入到在電極之間的環(huán)形空間內(nèi)時(shí),其被電離以形成作為噴射流離開噴嘴的等離子。單獨(dú)的涂層插入路徑(通常以管的形式)將保護(hù)涂層材料前驅(qū)體(其通常以粉末的形式)注入到在噴嘴內(nèi)形成的等離子射流。裝置(通常稱為槍)在電流脈沖引入到陽(yáng)極和陰極之間時(shí)運(yùn)行,使得其產(chǎn)生通過(guò)氣體的電弧并穿過(guò)這些電極之間的間隙。電弧的形成與氣體中從它們的原子剝離并向著陽(yáng)極加速的電子一致,而原子朝向陰極加速。穩(wěn)定的電流供給幫助電弧被推向噴嘴中的出口,其反過(guò)來(lái)又使氣體流內(nèi)的其它原子或分子離子化,其產(chǎn)生在離開槍時(shí)能夠被引導(dǎo)撞擊合適的工件基底的高速等離子體。
[0004]等離子噴涂的甚至更特別形式被認(rèn)為是等離子體轉(zhuǎn)移導(dǎo)絲電弧(PTWA)熱噴涂。不同于基于粉末的給料,PTWA使用固體導(dǎo)絲,其在經(jīng)受由噴槍產(chǎn)生的等離子體射流時(shí)熔化。雖然等離子噴涂大體(特別地,PTWA)已經(jīng)尤其適于涂覆前述的發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔,但其還沒(méi)有用于基底活化以作為改善保護(hù)涂層和基底之間通常出現(xiàn)的較弱粘結(jié)的方式。相反,傳統(tǒng)上訴諸于單獨(dú)的結(jié)合涂層或一種或多種前述的基底活化預(yù)處理。需要一種更簡(jiǎn)單、更廉價(jià)的方法,其還能減少負(fù)面的環(huán)境外部影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及使用由等離子噴涂設(shè)備產(chǎn)生的空氣等離子射流以在施加保護(hù)涂層之前通過(guò)活化來(lái)預(yù)處理基底。以此方式,在使用這種或另外的等離子噴涂設(shè)備沉積保護(hù)涂層之前通過(guò)熔化或溶解來(lái)去除、侵蝕掉或分解氧化層。在本文中,術(shù)語(yǔ)空氣等離子射流(此文中也稱為空氣等離子體)與傳統(tǒng)的等離子噴涂不同在于,其基本不含任何的添加劑,例如常規(guī)的保護(hù)涂層材料前驅(qū)體。根據(jù)本發(fā)明的方面,活化鋁基發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔基底的表面的方法包括清潔所述表面以去除在其上形成的氧化物的至少一部分;以及操作等離子噴涂裝置,使得所產(chǎn)生的空氣等離子射流向著所述表面加速,從而分解或去除否則會(huì)影響表面的能力的任何殘留的氧化物和其它污染物;并且隨后應(yīng)用保護(hù)涂層以粘附至彼此。在優(yōu)選的形式中,暴露至清潔和等離子射流的基底是發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔。在另外的優(yōu)選形式中,等離子噴涂裝置是預(yù)處理等離子噴涂裝置,其與用于使隨后的保護(hù)涂層沉積在發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔上的等離子噴涂裝置是分開的,在這種構(gòu)型中,預(yù)處理等離子噴涂裝置被簡(jiǎn)化。它被簡(jiǎn)化的一個(gè)重要的方法是沒(méi)有任何保護(hù)涂層材料前驅(qū)體接收機(jī)構(gòu),使得其可以否則所要求的更低的功率設(shè)置來(lái)操作,而在另一種形式中,其能夠通過(guò)其中已禁用保護(hù)涂層材料前驅(qū)體接收機(jī)構(gòu)的傳統(tǒng)的等離子噴涂設(shè)備實(shí)現(xiàn);任一變型均被認(rèn)為是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在另外的優(yōu)選實(shí)施例中,完成基底的活化而沒(méi)有經(jīng)受單獨(dú)的機(jī)械活化步驟(如在前面本公開的【背景技術(shù)】部分中討論的那些)。在本發(fā)明上下文中,術(shù)語(yǔ)“活化”和“預(yù)處理”可互換地使用以描述使用空氣等離子射流改善目標(biāo)基底的表面特性的方法,使得隨后應(yīng)用的保護(hù)涂層(例如低和高碳鋼耐磨涂層,如
0.1-0.8碳重量百分比,以及含有其它的腐蝕和磨損保護(hù)的合金元素(如Cr、N1、Cu或類似物))的長(zhǎng)期粘附力得到改善。在另外的優(yōu)選形式中,通過(guò)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的表面活化如此完成,而不必采用例如前面所述的那些傳統(tǒng)的機(jī)械活化方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的另外的方面,公開了涂覆鋁基基底的表面的方法。該方法包括:清潔表面以去除在其上形成的氧化物的至少一部分;操作第一等離子噴涂裝置,使得由第一裝置產(chǎn)生的預(yù)處理等離子射流撞擊在清潔過(guò)的表面上;且然后操作第二等離子噴涂裝置,使得引入其內(nèi)的保護(hù)涂層材料前驅(qū)體撞擊在已經(jīng)由來(lái)自第一等離子噴涂裝置的等離子射流預(yù)處理過(guò)的清潔表面上。以此方式,它們的表面以循序的方式暴露至第一和第二等離子噴涂裝置。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的再一方面,公開了涂覆發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的缸孔的方法。該方法包括:使用含有鉀和氟中至少一種的溶液清潔表面;操作第一等離子噴涂裝置,使得由第一裝置產(chǎn)生的預(yù)處理空氣等離子射流撞擊至清潔過(guò)的表面上;及操作第二等離子噴涂裝置,使得引入在第二裝置中產(chǎn)生的等離子射流中的保護(hù)涂層材料前驅(qū)體撞擊在預(yù)處理過(guò)的表面上。
[0008]根據(jù)本發(fā)明,有如下的其它的技術(shù)方案:
[0009]1、一種活化鋁基發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔的表面基底以實(shí)現(xiàn)隨后應(yīng)用的保護(hù)涂層與基底之間更好的粘附的方法,所述方法包括:
[0010]清潔所述表面以去除在其上形成的氧化物的至少一部分;以及
[0011]操作等離子噴涂裝置,使得所產(chǎn)生的空氣等離子射流由此撞擊在所述表面上。
[0012]2、如技術(shù)方案I所述的方法,其中,所述等離子噴涂裝置限定預(yù)處理等離子噴涂裝置,所述預(yù)處理等離子噴涂裝置與用于在所述表面上沉積保護(hù)涂層的等離子噴涂裝置是分開的。
[0013]3、如技術(shù)方案2所述的方法,其中,所述預(yù)處理等離子噴涂裝置如此配置使得其不能將保護(hù)涂層材料前驅(qū)體接納于其中。
[0014]4、如技術(shù)方案I所述的方法,其中,完成所述活化而不使所述表面經(jīng)受單獨(dú)的機(jī)械活化步驟。
[0015]5、如技術(shù)方案I所述的方法,其中,所述清潔包括將所述表面暴露至氟化鉀溶液,使得在所述表面上形成包含鉀、鋁和氟的至少一種化合物。
[0016]6、如技術(shù)方案5所述的方法,其中,包含鉀、鋁和氟的所述至少一種化合物包括K3AIF6和KAIF4中至少一種ο
[0017]7、如技術(shù)方案I所述的方法,其中,所述清潔包括使所述表面暴露至酸溶液。
[0018]8、如技術(shù)方案7所述的方法,其中所述酸溶液包括硝酸。
[0019]9、如技術(shù)方案8所述的方法,其中,所述硝酸溶液進(jìn)一步包括氫氟酸和氟化鹽中的至少一種。
[0020]10、如技術(shù)方案9所述的方法,其進(jìn)一步包括在每次暴露至所述硝酸溶液之后清洗所述表面。
[0021]11、如技術(shù)方案I所述的方法,
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