一種工件熱噴涂工藝及其噴涂裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱噴涂技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種工件熱噴涂工藝及其噴涂裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]熱噴涂技術(shù)是現(xiàn)代表面工程一個(gè)重要的組成，它是以火焰、電弧和等離子體作為熱源，將引入其中的粒子熔融或半熔融，同時(shí)高速焰流將動(dòng)能傳遞給粒子，使這些熔融或者半熔融粒子獲得動(dòng)能而沉積在基體表面形成涂層。由于熱噴涂技術(shù)可以在基體上快速獲得性能優(yōu)良的耐磨、耐蝕、熱障、介電和導(dǎo)電等功能性涂層，而越來(lái)越為人們所重視，在航空航天、機(jī)械、船舶、造紙和能源等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，常見熱噴涂工藝有等離子噴涂、火焰噴涂和電弧噴涂等。
[0003]在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問(wèn)題:
[0004]熱噴涂技術(shù)目前發(fā)展較為成熟，但其中仍有不少技術(shù)難題有待解決，其中重點(diǎn)是解決涂層的孔隙率及其與基材的結(jié)合強(qiáng)度問(wèn)題。如為降低熱噴涂涂層的孔隙率，目前采用的主要措施有改進(jìn)噴涂工藝、重熔處理和改善噴涂材料本身性質(zhì)等方法，但尚需要人們?cè)诖祟I(lǐng)域作進(jìn)一步的探索研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種提高熱噴涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度，降低涂層孔隙率，細(xì)化和改善涂層組織的工件熱噴涂工藝及其噴涂裝置。
[0006]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種工件熱噴涂工藝，包括如下過(guò)程:
[0007]I)對(duì)工件待噴涂表面進(jìn)行預(yù)處理；
[0008]2)將工件進(jìn)行固定，并與超聲工具頭相接觸；開啟超聲電源，向工件基體導(dǎo)入功率超聲波；工件表面的超聲振動(dòng)方向與噴涂顆粒飛行方向間成不同角度；
[0009]3)熱噴涂噴槍對(duì)工件待噴涂表面進(jìn)行熱噴涂；
[0010]4)形成工件表面涂層，完成噴涂后處理后，待工件表面冷卻后停止超聲振動(dòng)，取下工件。
[0011]在第4步中，噴涂后處理為:在形成涂層后，在涂層熱態(tài)下進(jìn)行加熱重熔；采用火焰噴涂的涂層火焰重熔、等離子噴涂的激光重熔或電子束重熔技術(shù)。
[0012]在第4步中，工件基體涂層表面部位溫度冷卻至基體材料熔點(diǎn)的2/3?1/3時(shí)停止超聲振動(dòng)。
[0013]在第2步中，工件表面的超聲振動(dòng)方向有多個(gè)，與噴涂顆粒飛行方向垂直、平行或成銳角。
[0014]超聲工具頭與工件緊密接觸，接觸面為平面或平緩曲面，采用加壓接觸、強(qiáng)磁力吸觸或臨時(shí)膠結(jié)接觸。
[0015]超聲波發(fā)生器為壓電式或磁致伸縮式換能器；超聲頻率范圍為15?100KHZ ;待加工工件表面振幅范圍為I?100 μπι間；振動(dòng)波可為縱波或橫波。
[0016]在第2步中，針對(duì)較大型工件，為獲得表面較大振幅，可先掃描工件共振頻率，然后在亞共振點(diǎn)處進(jìn)行高頻振動(dòng)波導(dǎo)入，高頻共振振動(dòng)波激振頻率大于1ΚΗΖ。
[0017]一種采用上述的工件熱噴涂工藝的噴涂裝置，具有:
[0018]換能器；
[0019]與換能器連接的超聲變幅桿；
[0020]連接超聲變幅桿與桿狀工件的套筒夾具；
[0021]夾持桿狀工件的夾持機(jī)構(gòu)。
[0022]一種采用如上述的工件熱噴涂工藝的噴涂裝置，具有:
[0023]換能器；
[0024]一端與換能器連接，另一端與板狀工件接觸的超聲變幅桿。
[0025]一種采用上述的工件熱噴涂工藝的噴涂裝置，具有:
[0026]換能器；
[0027]與換能器連接的超聲變幅桿；
[0028]工臺(tái)，所述工臺(tái)上設(shè)有夾緊工件的夾具；
[0029]與超聲變幅桿連接的彎曲振動(dòng)棒，所述彎曲振動(dòng)棒上設(shè)有多個(gè)超聲工具頭，所述超聲工具頭與所述工臺(tái)接觸。
[0030]上述技術(shù)方案中的一個(gè)技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)或有益效果，在熱噴涂過(guò)程中向工件基體中導(dǎo)入功率超聲振動(dòng)，利用功率超聲振動(dòng)的力-聲聯(lián)合效應(yīng)，提高涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度，降低涂層孔隙率，細(xì)化和改善涂層組織。該工藝適用于等離子噴涂、火焰噴涂和電弧噴涂各類高溫?zé)釃娡抗に嚒?br>[0031]1、高速飛行的粉末顆粒在與工件表面接觸、結(jié)合階段，由于工件表面同時(shí)做超聲振動(dòng)，改變了粉末顆粒與噴涂表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)工件表面超聲振動(dòng)方向與噴涂顆粒飛行方向所成不同角度可產(chǎn)生不同有益效果:①當(dāng)工件待噴涂表面的超聲振動(dòng)方向與顆粒飛行方向平行相對(duì)，顆粒將獲得更大的相對(duì)飛行速度相撞，沖擊力更大，顆粒塑性變形更大，與表層界面結(jié)合強(qiáng)度更高；②當(dāng)工件待噴涂表面的超聲振動(dòng)方向與顆粒飛行方向垂直，則顆粒與工件表面接觸瞬間將給顆粒以剪切交變應(yīng)力，使顆粒在承受更大合力作用的同時(shí)，在表面的鋪展面積更大，更扁平，塑性變形更大；②當(dāng)工件待噴涂表面的超聲振動(dòng)方向與顆粒飛行方向成一定角度時(shí)，其噴涂效果則介于上述平行和垂直兩者之間。
[0032]2、涂層組織在熔融或表面熔融階段時(shí)，從工件基體導(dǎo)入的超聲波可使熔融組織晶粒進(jìn)一步細(xì)化；熔體中混雜的氧化物雜質(zhì)、孔隙、氣泡相聚上浮至涂層表面移出；最終改善涂層質(zhì)量，降低孔隙率。此外，對(duì)于涂層與工件相接的界面，超聲波在界面處的傳播效應(yīng)可促進(jìn)界面原子間相互擴(kuò)散，強(qiáng)化界面結(jié)合強(qiáng)度。
[0033]3、在熱噴涂后處理過(guò)程中，涂層加熱重熔階段，導(dǎo)入的超聲效應(yīng)同樣可大大增強(qiáng)處理效果，進(jìn)一步減少孔隙率，降低裂紋數(shù)，促使涂層中亞穩(wěn)相向穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變，提高涂層表面性能。
[0034]4、熱噴涂結(jié)束后冷卻過(guò)程中涂層及工件表面附近殘余熱應(yīng)力可通過(guò)超聲塑性變形消除，其原理與振動(dòng)時(shí)效VSR(Vibratory Stress Relief)相同。
[0035]5、工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備使用方便，不受場(chǎng)地限制，能耗及成本低，工藝處理效果佳，投資少，極易工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0036]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中提供的工件熱噴涂工藝的工藝流程圖；
[0037]圖2為噴涂裝置的第一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖3為噴涂裝置的第二種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖4為噴涂裝置的第三種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]上述圖中的標(biāo)記均為:1、換能器，2、超聲變幅桿，3、套筒夾具，4、工件，5、夾持機(jī)構(gòu)，6、噴槍噴頭，7、工臺(tái)，8、夾具，9、超聲工具頭，10、彎曲振動(dòng)棒。
【具體實(shí)施方式】
[0041]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0042]實(shí)施例一
[0043]功率超聲通常指能量高于lW/cm2，頻率低于10kHz的超聲波，該類超聲波主要用于超聲加工領(lǐng)域。功率超聲的力-聲聯(lián)合效應(yīng)是指同時(shí)將功率超聲的超聲頻微幅機(jī)械振動(dòng)和一系列特殊的聲學(xué)效應(yīng)應(yīng)用在相關(guān)工藝過(guò)程中，依靠其共同作用達(dá)到最終的目的需求。
[0044]如圖1所示，一種工件熱噴涂工藝，包括如下過(guò)程:
[0045]I)對(duì)工件4待噴涂表面進(jìn)行預(yù)處理；
[0046]2)將工件4進(jìn)行固定，并與超聲工具頭9相接觸；開啟超聲電源，向工件4基體導(dǎo)入功率超聲波；工件4表面的超聲振動(dòng)方向與噴涂顆粒飛行方向間成不同角度；
[0047]3)熱噴涂噴槍對(duì)工件4待噴涂表面進(jìn)行熱噴涂；
[0048]4)形成工件4表面涂層，完成喂'涂后處理后，待工件4表面冷卻后停止超聲振動(dòng)，取下工件4。
[0049]涂層組織在熔融或表面熔融階段時(shí)，從工件4基體導(dǎo)入的超聲波可使熔融組織晶粒進(jìn)一步細(xì)化；熔體中混雜的氧化物雜質(zhì)、孔隙、氣泡相聚上浮至涂層表面移出；最終改善涂層質(zhì)量，降低孔隙率。此外，對(duì)于涂層與工件4相接的界面，超聲波在界面處的傳播效應(yīng)可促進(jìn)界面原子間相互擴(kuò)散，強(qiáng)化界面結(jié)合強(qiáng)度。
[0050]在第2步中，向工件4基體導(dǎo)入功率超聲波，其導(dǎo)入方式可根據(jù)工件4大小及形狀采取多種形式:如對(duì)小或形狀簡(jiǎn)單工件4，可將工件4直接與超聲工具頭9表面固定，緊密接觸導(dǎo)入超聲；如對(duì)較大或形狀復(fù)雜工件4，可將工件4固定于超聲工作臺(tái)，而一個(gè)或多個(gè)超聲工具頭9與工作臺(tái)直接相連以導(dǎo)入超聲。
[0051]在第4步中，噴涂后處理為:在形成涂層后，在涂層熱態(tài)下進(jìn)行加熱重熔；采用火焰噴涂的涂層火焰重熔、等離子噴涂的激光重熔或電子束重熔技術(shù)。在熱噴涂后處理過(guò)程中，涂層加熱重熔階段，導(dǎo)入的超聲效應(yīng)同樣可大大增強(qiáng)處理效果，進(jìn)一步減少孔隙率，降低裂紋數(shù)，促使涂層中亞穩(wěn)相向穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變，提高涂層表面性能。
[0052]在第4步中，工件4基體涂層表面部位溫度冷卻至基體材料熔點(diǎn)的2/3?1/3時(shí)停止超聲振動(dòng)。
[0053]在第2步中，工件4表面的超聲振動(dòng)方向有多個(gè)，與噴涂顆粒飛行方向垂直、平行或成銳角。根據(jù)工件4表面超聲振動(dòng)方向與噴涂顆粒飛行方向所成不同角度可產(chǎn)生不同有益效果:①當(dāng)工件4待噴涂表面的超聲振動(dòng)方向與顆粒飛行方向平行相對(duì)，顆粒將獲得更大的相對(duì)飛行速度相撞，沖擊力更大，顆粒塑性變形更大，與表層界面結(jié)合強(qiáng)度更高；②當(dāng)工件4待噴涂表面的超聲振動(dòng)方向與顆粒飛行方向垂直，則顆粒與工件4表面接觸瞬間將給顆粒以剪切交變應(yīng)力，使顆粒在承受更大合力作用的同時(shí)，在表面的鋪展面積更大，更扁平，塑性變形更大；②當(dāng)工件4待噴涂表面的超聲振動(dòng)方向與顆粒飛行方向成一定角度時(shí)，其噴涂效果則介于上述平行和垂直兩者之間。
[0054]超聲工具頭9與工件4緊密接觸，接觸面為平面或平緩曲面，采用加壓接觸、強(qiáng)磁力吸觸或臨時(shí)膠結(jié)接觸。
[0055]根據(jù)工件4大小，超聲波發(fā)生器為