專利名稱：一種軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒制備復(fù)合涂層的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬?gòu)?fù)合涂層的制備技術(shù)，具體地說(shuō)就是一種軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒
制備復(fù)合涂層的方法及裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的技術(shù)中有多種方法制備金屬和陶瓷復(fù)合涂層，但總是存在很多的問(wèn)題， 詳見(jiàn)2008年《陶瓷》雜志第四期"金屬陶瓷復(fù)合涂層制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀"，如用熱噴涂法 制備金屬陶瓷涂層時(shí)，噴涂材料利用率低、難以制備厚度較大的涂層材料等。蔓延高溫合成 技術(shù)其缺點(diǎn)是應(yīng)用中受原材料體系選擇的限制較大，制備較大厚度的致密涂層比較困難。 激光熔覆技術(shù)設(shè)備的一次性投資大，運(yùn)行成本高，尤其是大面積熔覆時(shí)，由于光斑尺寸小而 必須采取搭接工藝措施，增加了冶金缺陷產(chǎn)生的概率。在溶膠-凝膠法中所用原料多數(shù)為 有機(jī)化合物，成本高且有些對(duì)人體有害，處理時(shí)間長(zhǎng)，制品易開裂等。真空液相燒結(jié)法制備 金屬_陶瓷復(fù)合涂層時(shí)，通常采用料漿涂敷或噴涂工藝，料漿法涂層由于不致密，故抗破裂 的能力比粉末法涂層低。用氣體動(dòng)力噴涂法制備一些軟金屬(如純鋁涂層等)也存在結(jié)合 力差的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒制備復(fù)合涂層的方法及其專 用裝置，該方法可以制備不同組分比例的復(fù)合涂層，并且硬質(zhì)顆粒彌散分布在軟金屬涂層 中，可以在多種材質(zhì)基材上直接制備涂層，且厚度不受限制；該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案 —種軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒制備復(fù)合涂層的方法，采用氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)，使用 軟金屬粉末和硬質(zhì)顆?；旌?；氣源壓縮氣體分兩路， 一路進(jìn)入送粉器，作為載體將粉末引入 超音速噴嘴；另一路進(jìn)入加熱器，氣體經(jīng)過(guò)預(yù)熱后進(jìn)入超音速噴嘴，在超音速噴嘴的進(jìn)氣 口，兩路氣體在進(jìn)氣口混合形成氣_固雙相流，雙相流在超音速噴嘴的收縮部分加速至音 速，而后通過(guò)喉部在超音速噴嘴的擴(kuò)張部分繼續(xù)膨脹加速，雙相流在噴嘴的出口處達(dá)到超 音速，氣_固雙相流向基材噴射，將粉末沉積在基材表面，形成軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒兩相 均勻彌散分布的涂層；其工藝參數(shù)為噴射距離5 50mm ;氣體壓強(qiáng)0. 5 5. OMPa ;兩路壓 縮氣體中，進(jìn)入送粉器的氣體溫度為室溫，進(jìn)入加熱器加熱后的氣體溫度為150 70(TC， 兩路壓縮氣體的氣流流量為10 30g/s，軟金屬粉末或硬質(zhì)顆粒的粒度為1 300iim。
上述工藝參數(shù)中，優(yōu)選范圍如下噴射距離15 45mm ;氣體壓強(qiáng)1. 0 3. OMPa ; 兩路壓縮氣體中，進(jìn)入送粉器的氣體溫度為室溫，進(jìn)入加熱器加熱后的氣體溫度為180 50(TC，兩路壓縮氣體的氣流流量為15 25g/s，軟金屬粉末或硬質(zhì)顆粒的粒度為10 50 ii m。 所用粉末為純軟金屬或合金粉末與硬質(zhì)顆粒采用機(jī)械混合方法制備的粉末。
所述純軟金屬粉末為Al、 Cu、 Ag、 Sn、 Zn或Pb ;所述合金粉末為鋁合金、銅合金或鉛錫合金等。 所述硬質(zhì)顆粒為A1203、 Sn02、 Si02、 In02或金剛石。
所述氣體為空氣、氮?dú)饣蛘吆狻?本發(fā)明中，軟金屬粉末與硬質(zhì)顆粒的重量比例為從i : i到軟金屬粉末之間任意 比例混合，即軟金屬粉末與硬質(zhì)顆粒的重量比例為i : (o i，且不為o)，軟金屬粉末與硬 質(zhì)顆粒的優(yōu)選重量比例為(i ioo) : i。 —種軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒制備復(fù)合涂層的方法的專用裝置，該裝置設(shè)有與進(jìn)氣
管相連的高壓氣源、加熱器、送粉器、超音速噴嘴，所述連接高壓氣源的進(jìn)氣管分別經(jīng)送粉 器和加熱器與超音速噴嘴相連接，置于加熱器中的管路部分為螺旋形結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明中，超音速噴嘴由收縮段、喉部和擴(kuò)張段三部分組成，噴嘴進(jìn)氣口的截面
積、喉部、出氣口的截面積必須符合一定的比例，以保證壓縮氣體通過(guò)噴嘴之后能夠達(dá)到超 音速。本發(fā)明超音速噴嘴采用已經(jīng)公開的專利申請(qǐng)，該專利申請(qǐng)的發(fā)明名稱為冷氣動(dòng)力噴
涂裝置，申請(qǐng)?zhí)枮?1128130. 8，公開號(hào)為CN1403210A。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn) 1.本發(fā)明采用氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)，僅通過(guò)機(jī)械均勻混合粉末，就可利用高速氣流 將軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒直接噴涂于工件表面，通過(guò)控制噴涂角度等參數(shù)，使粉末沉積在 工件上形成均勻彌散分布的新型復(fù)合涂層，能夠?qū)崿F(xiàn)低溫高速沉積軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒 形成復(fù)合涂層，改變了傳統(tǒng)的制備方法必須先加熱到熔化狀態(tài)的做法。 2.本發(fā)明能夠在多種材料表面直接制備軟金屬粉末和硬質(zhì)顆?；旌系膹?fù)合涂層， 例如制備耐磨和導(dǎo)電涂層等。 3.本發(fā)明可以采用軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒機(jī)械混合粉末，不需要粉末的包覆處理
作為原料，因此可以方便的制備任意元素比例的復(fù)合涂層，也就是說(shuō)軟金屬粉末和硬質(zhì)顆
粒含量可以為任意值，解決了傳統(tǒng)方法在某些元素含量上受限制的問(wèn)題。 4.本發(fā)明所述制備軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒的復(fù)合涂層過(guò)程，可以在低于熔點(diǎn)甚至
可以在室溫下進(jìn)行，避免了某些有毒金屬如鉛對(duì)操作人員的危害，更加符合環(huán)保要求。 5.本發(fā)明所述方法制備的軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒復(fù)合涂層具有組成相分布均勻，
顯微組織細(xì)小的優(yōu)點(diǎn)。 6.本發(fā)明方法簡(jiǎn)單、成本低、效率高，可以制備多種復(fù)合涂層其專用裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、實(shí)用，操作方便。 7.本發(fā)明所用粉末為軟金屬粉末和硬質(zhì)顆?；旌戏勰?，這些粉末體系包括抗磨 損材料，如A1-A1203、 Cu-C (金剛石)等；電工材料，如以Ag、 Cu、 Al作為基體，In02、 Sn02等 作為彌散相元素，組成導(dǎo)電和導(dǎo)熱的結(jié)構(gòu)，以提高材料的強(qiáng)度和高導(dǎo)電性。


圖l為本發(fā)明裝置示意圖。圖中，1進(jìn)氣管；2送粉器；3加熱器；4超音速噴嘴；5 基材；6氣體控制器。 圖2為實(shí)施例1涂層SEM顯微組織斷面照片。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒復(fù)合涂層的制備方法的專用裝置，具有與進(jìn) 氣管1相連的高壓氣源、送粉器2、加熱器3、超音速噴嘴4、氣體控制器6等，連接高壓氣源 的進(jìn)氣管1與氣體控制器6連接，氣體控制器6分別與送粉器2和加熱器3通過(guò)管路連接， 送粉器2和加熱器3分別通過(guò)管路與超音速噴嘴4相連接，置于加熱器3中的管路部分為 螺旋形結(jié)構(gòu)，基材5與超音速噴嘴4出口相對(duì)。 本發(fā)明采用氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)，使用機(jī)械均勻混合軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒，高壓 氣體經(jīng)進(jìn)氣管1進(jìn)入送粉器2和加熱器3，進(jìn)入送粉器2的部分氣體通過(guò)送粉器攜帶粉末 在超音速噴嘴的入口處與經(jīng)過(guò)加熱器3的預(yù)熱氣體混合成為氣_固雙相流，氣_固雙相流 在超音速噴嘴中經(jīng)過(guò)加速過(guò)程，雙相流在噴嘴的出口處達(dá)到超音速狀態(tài)。雙相流中的金屬 顆粒具有很高的動(dòng)能，在與基材表面發(fā)生撞擊的過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形粘接于基材表 面，后繼的高動(dòng)能顆粒重復(fù)這一過(guò)程而形成合金或涂層。從而，利用高速氣流將粉末沉積在 基材表面，形成均勻彌散的復(fù)合涂層。
實(shí)施例1 本實(shí)施例制備的軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒復(fù)合涂層為抗磨損涂層A1_A1203體系，所 用粉末為純鋁和氧化鋁的混合粉末，純鋁和氧化鋁的重量比例為3 : l，基材為鎂合金。噴 涂工藝參數(shù)如下噴射距離10mm ;氣體壓強(qiáng)1. 9MPa ;兩路壓縮氣體中，進(jìn)入送粉器的氣體溫 度為室溫，進(jìn)入加熱器加熱后的氣體溫度為220°C ;兩路壓縮氣體的氣流流量為15g/s ;軟 金屬粉末和硬質(zhì)顆粒的粉末粒度為5 50微米。結(jié)果得到了八141203涂層，經(jīng)掃描電鏡觀 察，A1-A1203相分布均勻，無(wú)偏聚現(xiàn)象出現(xiàn)，見(jiàn)圖2。
實(shí)施例2
與實(shí)施例1不同之處是 本實(shí)施例制備的軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒復(fù)合涂層耐磨涂層銅和金剛石涂層，45號(hào) 鋼作為基體，銅和金剛石粉末為涂層材料，銅和金剛石的重量比例IO : l，噴涂工藝參數(shù)如 下噴射距離20mm ;氣體壓強(qiáng)2. OMPa ;兩路壓縮氣體中，進(jìn)入送粉器的氣體溫度為室溫，進(jìn) 入加熱器加熱后的氣體溫度為350°C ;兩路壓縮氣體的氣流流量為30g/s ;軟金屬粉末和硬 質(zhì)顆粒的粉末平均粒度為50微米。結(jié)果得到了銅和金剛石涂層，經(jīng)掃描電鏡觀察，銅和金 剛石涂層兩相分布均勻，結(jié)構(gòu)致密。
實(shí)施例3
與實(shí)施例1不同之處是 本實(shí)施例制備的軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒復(fù)合涂層為高導(dǎo)電涂層Ag-Sn02涂層，Ag 和Sn02的混合粉末，Ag和Sn02的重量比例20 : l，基材為銅。噴涂工藝參數(shù)如下噴射距 離40mm ;氣體壓強(qiáng)1. 8MPa ;兩路壓縮氣體中，進(jìn)入送粉器的氣體溫度為室溫，進(jìn)入加熱器加 熱后的氣體溫度為500°C ;兩路壓縮氣體的氣流流量為30g/s ;軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒的粉 末平均粒度為5微米。結(jié)果得到了 Ag-Sn02涂層，經(jīng)掃描電鏡觀察，Ag-Sn(^兩相分布均勻，
無(wú)偏聚現(xiàn)象出現(xiàn)。 實(shí)施例4 與實(shí)施例1不同之處是 本實(shí)施例制備的軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒復(fù)合涂層為Cu-In02涂層，Cu和In02的混合粉末，Cu和In02的重量比例5 : l，基材為鋁。噴涂工藝參數(shù)如下噴射距離15mm;氣體 壓強(qiáng)3. OMPa ;兩路壓縮氣體中，進(jìn)入送粉器的氣體溫度為室溫，進(jìn)入加熱器加熱后的氣體 溫度為330°C ;兩路壓縮氣體的氣流流量為20g/s ;軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒的粉末平均粒度 為50微米。結(jié)果得到了 Cu-In02涂層，經(jīng)掃描電鏡觀察，Cu-In02兩相分布均勻，無(wú)偏聚現(xiàn) 象出現(xiàn)。 實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明通過(guò)使用軟金屬中混合硬質(zhì)顆粒的方法能有效的提高涂 層的結(jié)合強(qiáng)度，制備厚涂層，制備涂層成本低廉，同時(shí)粉末可回收利用。通過(guò)使用混合硬質(zhì) 顆粒的方法能有效的提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度增加涂層的硬度等有諸多優(yōu)點(diǎn)。該復(fù)合涂層在以 下幾個(gè)方面有著廣泛的應(yīng)用前景。 1.抗磨損材料是復(fù)合涂層最有應(yīng)用前景并且已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域，這類材料
通常由兩相組成，其中硬質(zhì)顆粒承受載荷，較軟的金屬作為減磨材料均勻分布于基體中，這
類材料的范圍很廣泛，諸如銅金剛石復(fù)合涂層，鋁氧化鋁復(fù)合涂層等等。 2.在復(fù)合涂層中，含有諸如Ag、 Cu、和Al的一種作為基體，Sn02, In02等作為復(fù)合
元素，組成導(dǎo)電和導(dǎo)熱的結(jié)構(gòu)。該復(fù)合涂層能提高導(dǎo)電和導(dǎo)熱能力，增加涂層的強(qiáng)度，提高
涂層的結(jié)合力。 此外，軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒制備復(fù)合涂層還渴望在其它諸多方面獲得廣泛的應(yīng) 用。
權(quán)利要求
一種軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒制備復(fù)合涂層的方法，其特征在于采用氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)，使用軟金屬粉末和硬質(zhì)顆?；旌?；氣源壓縮氣體分兩路，一路進(jìn)入送粉器，作為載體將粉末引入超音速噴嘴；另一路進(jìn)入加熱器，氣體經(jīng)過(guò)預(yù)熱后進(jìn)入超音速噴嘴，在超音速噴嘴的進(jìn)氣口，兩路氣體在進(jìn)氣口混合形成氣-固雙相流，雙相流在超音速噴嘴的收縮部分加速至音速，而后通過(guò)喉部在超音速噴嘴的擴(kuò)張部分繼續(xù)膨脹加速，雙相流在噴嘴的出口處達(dá)到超音速，氣-固雙相流向基材噴射，將粉末沉積在基材表面，形成軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒兩相均勻彌散分布的涂層；其工藝參數(shù)為噴射距離5～50mm；氣體壓強(qiáng)0.5～5.0MPa；兩路壓縮氣體中，進(jìn)入送粉器的氣體溫度為室溫，進(jìn)入加熱器加熱后的氣體溫度為150～700℃，兩路壓縮氣體的氣流流量為10～30g/s，軟金屬粉末或硬質(zhì)顆粒的粒度為1～300μm。
2. 按照權(quán)利要求1所述軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒制備復(fù)合涂層的方法，其特征在于所 用軟金屬粉末為純軟金屬或合金粉末與硬質(zhì)顆粒采用機(jī)械混合方法制備的粉末。
3. 按照權(quán)利要求1所述軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒制備復(fù)合涂層的方法，其特征在于所述純軟金屬粉末為Al、 Cu、 Ag、 Sn、 Zn或Pb ;所述合金粉末為鋁合金、銅合金或鉛錫合金。
4. 按照權(quán)利要求1所述軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒制備復(fù)合涂層的方法，其特征在于所述硬質(zhì)顆粒為A1203、 Sn02、 Si02、 In02或金剛石。
5. 按照權(quán)利要求1所述軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒制備復(fù)合涂層的方法，其特征在于所 述氣體為空氣、氮?dú)饣蛘吆狻?br> 6. —種權(quán)利要求1所述軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒制備復(fù)合涂層的方法的專用裝置，其特征在于該裝置設(shè)有與進(jìn)氣管相連的高壓氣源、加熱器、送粉器、超音速噴嘴，所述連接高壓氣源的進(jìn)氣管分別經(jīng)送粉器和加熱器與超音速噴嘴相連接，置于加熱器中的管路部分為螺 旋形結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及金屬?gòu)?fù)合涂層的制備技術(shù)，具體地說(shuō)就是一種軟金屬粉末和硬質(zhì)顆粒制備復(fù)合涂層的方法及裝置。該方法采用氣體動(dòng)力噴涂技術(shù)，使用軟金屬粉末與硬質(zhì)顆粒混合，壓縮氣體一部分通過(guò)送粉器攜帶粉末在超音速噴嘴的進(jìn)氣口與經(jīng)過(guò)加熱器預(yù)熱的氣體混合后通過(guò)噴嘴成為氣-固雙相流，氣-固雙相流中的固體顆粒噴射到工件表面，發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形沉積于工件表面，后繼的高動(dòng)能顆粒重復(fù)這一過(guò)程而形成合金，該方法簡(jiǎn)單、成本低、效率高，可以制備復(fù)合涂層。該裝置設(shè)有與進(jìn)氣管相連的高壓氣源、加熱器、送粉器、超音速噴嘴，所述連接高壓氣源的進(jìn)氣管分別經(jīng)送粉器和加熱器與超音速噴嘴相連接，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用。
文檔編號(hào)C23C4/04GK101768713SQ200810230249
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2008年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者吳杰, 孔令艷, 崔新宇, 李鐵藩, 梁慎國(guó), 熊天英, 金花子, 陶杰, 陶永山 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所