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，同時高速焰流將動能傳遞給粒子，使這些熔融或者半熔融粒子獲得動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、介電和導電等功能性涂層，而越來越為人們所重視，在航空航天、機械、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]在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題:
[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，其中重點是解決涂層的孔隙率及其與基材的結(jié)合強度問題。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，但尚需要人們在此領(lǐng)域作進一步的探索研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種提高熱噴涂層與基材的結(jié)合強度，降低涂層孔隙率，細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，包括如下過程:
[0007]I)對工件待噴涂表面進行預處理；
[0008]2)將工件進行固定，并與超聲工具頭相接觸；開啟超聲電源，向工件基體導入功率超聲波；工件表面的超聲振動方向與噴涂顆粒飛行方向間成不同角度；
[0009]3)熱噴涂噴槍對工件待噴涂表面進行熱噴涂；
[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，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的2/3?1/3時停止超聲振動。
[0013]在第2步中，工件表面的超聲振動方向有多個，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、強磁力吸觸或臨時膠結(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；振動波可為縱波或橫波。
[0016]在第2步中，針對較大型工件，為獲得表面較大振幅，可先掃描工件共振頻率，然后在亞共振點處進行高頻振動波導入，高頻共振振動波激振頻率大于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，所述工臺上設(shè)有夾緊工件的夾具；
[0029]與超聲變幅桿連接的彎曲振動棒，所述彎曲振動棒上設(shè)有多個超聲工具頭，所述超聲工具頭與所述工臺接觸。
[0030]上述技術(shù)方案中的一個技術(shù)方案具有如下優(yōu)點或有益效果，在熱噴涂過程中向工件基體中導入功率超聲振動，利用功率超聲振動的力-聲聯(lián)合效應(yīng)，提高涂層與基材的結(jié)合強度，降低涂層孔隙率，細化和改善涂層組織。該工藝適用于等離子噴涂、火焰噴涂和電弧噴涂各類高溫熱噴涂工藝。
[0031]1、高速飛行的粉末顆粒在與工件表面接觸、結(jié)合階段，由于工件表面同時做超聲振動，改變了粉末顆粒與噴涂表面間的相對運動狀態(tài)。根據(jù)工件表面超聲振動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當工件待噴涂表面的超聲振動方向與顆粒飛行方向平行相對，顆粒將獲得更大的相對飛行速度相撞，沖擊力更大，顆粒塑性變形更大，與表層界面結(jié)合強度更高；②當工件待噴涂表面的超聲振動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，在表面的鋪展面積更大，更扁平，塑性變形更大；②當工件待噴涂表面的超聲振動方向與顆粒飛行方向成一定角度時，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，從工件基體導入的超聲波可使熔融組織晶粒進一步細化；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)可促進界面原子間相互擴散，強化界面結(jié)合強度。
[0033]3、在熱噴涂后處理過程中，涂層加熱重熔階段，導入的超聲效應(yīng)同樣可大大增強處理效果，進一步減少孔隙率，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)束后冷卻過程中涂層及工件表面附近殘余熱應(yīng)力可通過超聲塑性變形消除，其原理與振動時效VSR(Vibratory Stress Relief)相同。
[0035]5、工藝簡單，設(shè)備使用方便，不受場地限制，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)。
【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明實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施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖3為噴涂裝置的第二種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖4為噴涂裝置的第三種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]上述圖中的標記均為:1、換能器，2、超聲變幅桿，3、套筒夾具，4、工件，5、夾持機構(gòu)，6、噴槍噴頭，7、工臺，8、夾具，9、超聲工具頭，10、彎曲振動棒。
【具體實施方式】
[0041]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。
[0042]實施例一
[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)是指同時將功率超聲的超聲頻微幅機械振動和一系列特殊的聲學效應(yīng)應(yīng)用在相關(guān)工藝過程中，依靠其共同作用達到最終的目的需求。
[0044]如圖1所示，一種工件熱噴涂工藝，包括如下過程:
[0045]I)對工件4待噴涂表面進行預處理；
[0046]2)將工件4進行固定，并與超聲工具頭9相接觸；開啟超聲電源，向工件4基體導入功率超聲波；工件4表面的超聲振動方向與噴涂顆粒飛行方向間成不同角度；
[0047]3)熱噴涂噴槍對工件4待噴涂表面進行熱噴涂；
[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，取下工件4。
[0049]涂層組織在熔融或表面熔融階段時，從工件4基體導入的超聲波可使熔融組織晶粒進一步細化；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)可促進界面原子間相互擴散，強化界面結(jié)合強度。
[0050]在第2步中，向工件4基體導入功率超聲波，其導入方式可根據(jù)工件4大小及形狀采取多種形式:如對小或形狀簡單工件4，可將工件4直接與超聲工具頭9表面固定，緊密接觸導入超聲；如對較大或形狀復雜工件4，可將工件4固定于超聲工作臺，而一個或多個超聲工具頭9與工作臺直接相連以導入超聲。
[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)。在熱噴涂后處理過程中，涂層加熱重熔階段，導入的超聲效應(yīng)同樣可大大增強處理效果，進一步減少孔隙率，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的2/3?1/3時停止超聲振動。
[0053]在第2步中，工件4表面的超聲振動方向有多個，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當工件4待噴涂表面的超聲振動方向與顆粒飛行方向平行相對，顆粒將獲得更大的相對飛行速度相撞，沖擊力更大，顆粒塑性變形更大，與表層界面結(jié)合強度更高；②當工件4待噴涂表面的超聲振動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，在表面的鋪展面積更大，更扁平，塑性變形更大；②當工件4待噴涂表面的超聲振動方向與顆粒飛行方向成一定角度時，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、強磁力吸觸或臨時膠結(jié)接觸。
[0055]根據(jù)工件4大小，超聲波發(fā)生器為