《一种制备316L不锈钢涂层的冷喷涂装置及方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种制备316L不锈钢涂层的冷喷涂装置及方法.pdf（8页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103422088 A (43)申请公布日 2013.12.04 CN 103422088 A *CN103422088A* (21)申请号 201210161144.6 (22)申请日 2012.05.22 C23C 24/04(2006.01) (71)申请人 中国科学院金属研究所 地址 110016 辽宁省沈阳市沈河区文化路 72 号 (72)发明人 沈艳芳 杜昊 熊天英 崔新宇 吴杰 陶永山 (74)专利代理机构 沈阳科苑专利商标代理有限 公司 21002 代理人 许宗富 周秀梅 (54) 发明名称 一种制备 316L 不锈钢涂层的冷喷涂装置及 方法 (57)。
2、 摘要 本发明公开了一种制备 316L 不锈钢涂层的 冷喷涂装置及方法， 属于冷喷涂技术领域。该装 置主要包括控制系统、 送粉器、 气体加热器、 laval 喷嘴和粉末加热器 ； 其中， 所述气体加热器一端 与 laval 喷嘴连接， 另一端连接送粉器， 所述送粉 器一端连接控制系统， 另一端连接粉末加热器的 一端， 粉末加热器的另一端与 laval 喷嘴连接 ； 用 该装置制备 316L 不锈钢涂层， 其工艺参数为 ： 载 气预热温度 200600， 喷涂距离 1030mm， 喷涂 压力1.52.5MPa， 送粉加热温度200500。 本发 明采用改进的冷喷涂设备对送粉器出来的不锈钢 粉进行。
3、加热， 得到与基体结合紧密、 且本身致密的 不锈钢涂层。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103422088 A CN 103422088 A *CN103422088A* 1/1 页 2 1. 一种制备 316L 不锈钢涂层的冷喷涂装置， 其特征在于 ： 该装置主要包括控制系统、 送粉器、 气体加热器、 laval 喷嘴和粉末加热器 ； 其中， 所述气体加热器一端与 laval 喷嘴连 接， 另一端连接送粉器， 所述送粉器一端连。
4、接控制系统， 另一端连接粉末加热器的一端， 粉 末加热器的另一端与 laval 喷嘴连接。 2. 根据权利要求 1 所述的冷喷涂装置， 其特征在于 ： 所述气体加热器与 laval 喷嘴连 接处以及粉末加热器与 laval 喷嘴连接处分别设有温度传感器， 温度传感器将气体加热器 和粉末加热器加热的温度分别反馈到控制系统上。 3. 根据权利要求 1 所述的冷喷涂装置， 其特征在于 ： 所述粉末加热器与气体加热器的 功率通过控制系统调节。 4. 一种利用权利要求 1-3 任一所述冷喷涂装置制备 316L 不锈钢涂层的冷喷涂方法， 其特征在于 ： 该方法工艺参数如下 ： 载气加热温度 200600，。
5、 喷涂距离 1030mm， 喷涂压力 1.52.5MPa， 送粉加热温度 200500。 5. 根据权利要求 4 所述的制备 316L 不锈钢涂层的冷喷涂方法， 其特征在于 ： 喷涂材料 为 -400 -500 目的 316L 不锈钢粉。 6. 根据权利要求 4 所述的制备 316L 不锈钢涂层的冷喷涂方法， 其特征在于 ： 喷涂基体 材料为碳钢或铸铁。 7. 根据权利要求 4 所述的制备 316L 不锈钢涂层的冷喷涂方法， 其特征在于 ： 喷涂前， 基体使用丙酮、 乙醇除油， 然后用 24 目的白刚玉进行喷砂粗化处理。 权 利 要 求 书 CN 103422088 A 2 1/4 页 3 一。
6、种制备 316L 不锈钢涂层的冷喷涂装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及冷喷涂技术领域， 具体涉及一种制备 316L 不锈钢涂层的冷喷涂装置 及方法。 背景技术 0002 不锈钢较普通碳钢和铁制品具有耐高温、 耐氧化、 抗腐蚀以及强度和加工性好等 优点， 被广泛应用在石油、 化工、 天然气、 汽车、 食品、 仪表、 阀门、 耐蚀泵、 海洋等工业领域。 此外， 不锈钢制品外观光洁、 美观， 不易污染、 不生锈， 受到人们的青睐。 不锈钢之所以 “不生 锈” 是因为加入耐蚀性很强的铬、 镍等元素。 但贵金属的加入在提高性能的同时也增加了成 本， 尤其是一些特殊要求的不锈钢， 由于贵金属加入量。
7、较大成本往往比普通碳钢增加数倍。 0003 设想如果在碳钢或其它低成本铁制品表面制备不锈钢涂层， 就能同时达到降低 成本和获得耐蚀性的目的。目前已经有研究人员尝试采用热喷涂技术在钢铁制品上制备 不锈钢涂层。热喷涂 ( 包括火焰喷涂、 电弧喷涂、 等离子喷涂、 爆炸喷涂以及高速燃料喷涂 (HVOF) 等 ) 已得到广泛应用。它们共同特点是以高的温度使喷涂粉末熔化， 以熔滴粘结于 工件表面形成涂层。由于制备过程中不可避免会存在一定的氧化， 导致涂层的成分和性能 较块体不锈钢还存在一定的差距。 0004 冷喷涂 （又称冷气动力喷涂） 是以压缩气体驱动金属粒子使其在完全固态下以极 高的速度碰撞基板， 。
8、使粒子发生剧烈的塑性变形而沉积形成涂层的一种新型喷涂技术。冷 喷涂具有低温下固态沉积的特点， 可以显著降低甚至完全消除传统热喷涂中氧化、 相变、 偏 析、 残余拉应力和晶粒长大等不利影响， 受到学术界和工业界越来越多的关注。 0005 近年来， 已经有了热喷涂包括电弧喷涂、 超音速喷涂和高能微弧沉积制备不锈钢 涂层的报道， 所获得产品不仅成本相对较低， 同时性能也基本具有了不锈钢的特点。另 外， 早期还有人采用激光多道搭接法制备不锈钢涂层， 但性能相对较差。印度科研人员 G.Sundararajan 等采用冷喷涂技术制备了 SS 316L 不锈钢涂层， 但涂层质量不高， 涂层与 基体的界面处存。
9、在明显孔洞， 涂层本身也不致密 ； 他们在 400、 800和 1100对冷喷涂 不锈钢涂层进行了热处理以期增加涂层的致密度， 但是效果并不显著。 此外， 并未见到其它 关于冷喷涂技术制备不锈钢涂层的报道。 发明内容 0006 本发明的目的是提供一种制备 316L 不锈钢涂层的冷喷涂装置及方法， 解决现有 热喷涂技术制备不锈钢涂层时存在的涂层质量差的问题， 同时综合普通碳钢和铁制品低成 本与不锈钢的高性能， 达到在保证性能的前提下， 同时降低成本的目的。 0007 为实现上述目的， 本发明采用的技术方案是 ： 0008 一种制备 316L 不锈钢涂层的冷喷涂装置， 该装置包括控制系统、 送粉器。
10、、 气体加 热器、 laval 喷嘴和粉末加热器 ； 其中， 所述气体加热器一端与 laval 喷嘴连接， 另一端连接 送粉器， 所述送粉器一端连接控制系统， 另一端连接粉末加热器的一端， 粉末加热器的另一 说 明 书 CN 103422088 A 3 2/4 页 4 端与 laval 喷嘴连接。 0009 所述气体加热器与 laval 喷嘴连接处以及粉末加热器与 laval 喷嘴连接处分别 设有温度传感器， 温度传感器将气体加热器和粉末加热器加热的温度分别反馈到控制系统 上， 以便实时监控和调控。 0010 所述粉末加热器与气体加热器的功率通过控制系统调节。 0011 利用上述冷喷涂装置制备。
11、 316L 不锈钢涂层的冷喷涂方法， 该方法的工艺参数 如下 ： 载气加热温度 200600， 喷涂距离 1030mm， 喷涂压力 1.52.5MPa， 送粉加热温度 200500。 0012 喷涂材料选用 -400 -500 目的 316L 不锈钢粉， 喷涂基体材料可选用普通碳钢 （如 45# 钢、 A3 钢等） 或铸铁。 0013 喷涂前， 基体应先使用丙酮、 乙醇除油， 然后用 24 目的白刚玉进行喷砂粗化处理。 0014 本发明的目的是要获得缺陷少、 质量高的涂层， 需要制定一整套合理的工艺参数。 虽然对载气体加热能使粒子的速度增加， 从而增加粒子的动能以至于更加容易和基体发生 结合，。
12、 但载气温度过高会导致粉末颗粒内部的晶粒长大， 恶化喷涂颗粒的性能 ； 同时， 会使 喷涂粒子在喷枪内发生融化， 阻塞喷枪。当然， 气体温度也不能太低， 否则不利于喷涂颗粒 的加速。在气体温度降低的情况下， 要使喷涂粒子发生沉积， 需要增加气体压力， 而气体压 力受限于设备的能力。 因此， 在载气温度和气体压力都无法进一步提高的情况下， 改进冷喷 涂设备， 增加送粉加热器， 对喷涂粉末直接加热， 以增加其塑性变形的能力， 对特定材料的 冷喷涂工艺优化显得至关重要。增加送粉加热器， 在冷喷涂过程中利用热源对粉末直接进 行加热可以极大地增加涂层的致密性， 有效减少涂层中的孔洞等缺陷， 显著提高涂层。
13、的质 量。这主要是因为直接对粉末进行加热比依靠载气进行加热更能有利于粉末的软化， 从而 增加其塑性变形的倾向， 提高涂层的质量。 0015 本发明在传统的冷喷涂设备上增加了送粉加热器， 与传统冷喷涂设备的工作原理 一样， 改进后的冷喷涂设备在工作时仍然基于空气动力学原理， 利用高压气体 （He、 N2、 混合 气体或空气） 携带粉末颗粒经缩放管后产生超音速双相流， 在完全固态下撞击基体， 通过 较大的塑性流动变形而沉积于基体表面上形成涂层。喷枪是利用 Laval 喷嘴原理设计的。 喷涂过程中， 当粒子的速度超过其相应的临界速度时， 粒子碰撞后沉积于基体表面， 形成涂 层 ； 反之， 将发生冲蚀。
14、现象。 0016 本发明具有如下有益效果 ： 0017 1、 本发明的新型冷喷涂设备是利用压缩空气送粉并对粉末加速， 驱动气体和载气 由最大压力 3.0MPa 的空压机提供。新型冷喷涂设备有两个加热器 ： 一处是对载气进行加 热， 能够起到预热粉末和使载气膨胀加速的作用 ； 另一处位于送粉器和 Laval 喷嘴之间， 对 送粉器送出的粉末直接加热， 起到软化粉末、 提高粉末塑性变形能力的作用， 也间接加热载 气， 促进气体膨胀和加速粉末的作用。 喷枪垂直固定在支架上 ； 试样在X-Y二维运动平台上 相对喷枪运动。 0018 2、 本发明冷喷涂过程温度远远低于粉末熔点， 一般取熔点的三分之一为载。
15、气加热 的温度。增加了送粉加热器后， 可以在喷涂过程中瞬间将从送粉器喷出的粉末加热到设定 的温度， 一般不超过载气加热的温度。设备上装有温度传感器可以将载气加热和送粉加热 的温度分别反馈到控制器上， 可以实时监控和调控。 说 明 书 CN 103422088 A 4 3/4 页 5 0019 3、 本发明通过对冷喷涂设备的改进， 增加了粉末加热器， 对送粉器出来的不锈钢 粉进行加热， 以达到软化粉末， 增加其塑性变形的能力， 得到与基体结合紧密、 且本身致密 的高质量不锈钢涂层， 并且通过送粉加热的方法， 采用冷喷涂一步就可以获得高质量的涂 层， 省略了后续的热处理， 即节省了工序又降低了成本。
16、， 有着广泛的应用前景。 附图说明 0020 图 1 为本发明冷喷涂装置结构示意图 ； 图中标记 ： 1- 控制系统， 2- 气体加热器， 3- 工作台， 4-de Lavel 喷枪， 5- 粉末加热器， 6- 送粉器。 0021 图 2 为本发明实施例 1 中冷喷涂不锈钢涂层与基体界面的 SEM 照片 ； 其中中 ： (a) 载气温度为 500时涂层和基体的界面形貌 ； 0022 (b) 送粉加热温度为 470、 载气温度为 500时涂层和基体的界面形貌 ； 0023 (c) 载气温度为 550时涂层和基体的界面形貌 ； 0024 (d) 送粉加热温度为 470、 载气温度为 550时涂层和。
17、基体的界面形貌 ； 0025 (e) 载气温度为 600时涂层和基体的界面形貌 ； 0026 (f) 送粉加热温度为 470、 载气温度为 600时涂层和基体的界面形貌。 具体实施方式 0027 如图 1 所示， 本发明在传统冷喷涂设备 （申请号 ： 200410034941.3） 的基础上， 增加 一个粉末加热器， 调整合适的工艺参数， 即可制备高质量的不锈钢涂层。 本发明冷喷涂装置 结构如图 1 所示， 该冷喷涂装置包括控制系统 1、 送粉器 6、 气体加热器 2、 laval 喷嘴 4 和粉 末加热器 5 ； 所述气体加热器 2 一端与 laval 喷嘴 4 连接， 另一端连接送粉器 6。
18、， 在送粉器 6 与 laval 喷嘴 4 之间设置粉末加热器 5， 使用其能够对送粉器 6 送出的不锈钢粉末进行加 热， 使其软化并易于塑性变形， 在不锈钢粉末到达 de Laval 喷枪后， 经过缩放过程， 更有益 于形成结合良好的涂层。喷枪垂直固定在支架上 ； 试样在 X-Y 二维运动平台上相对喷枪运 动。 0028 所述气体加热器 2 与 laval 喷嘴 4 连接处以及粉末加热器 5 与 laval 喷嘴 4 连接 处分别设有温度传感器 ； 粉末加热器 5 与气体加热器 2 的功率及压缩气源的压力通过控制 系统 1 调节 ； 通过调节粉末加热器的功率， 可将不锈钢粉末加热到室温 50。
19、0范围内， 使 粉末变软， 但又不影响其流动性。 0029 以下通过具体实例对采用本发明增加了送粉加热器的冷喷涂设备及采用传统的 冷喷涂设备 （申请号 ： 200410034941.3） 制备的 316L 不锈钢涂层质量进行对比说明。 0030 实施例 1 0031 用本发明增加了送粉加热器的冷喷涂设备制备 316L 不锈钢涂层， 喷涂材料选 用 -400 -500 目的 316L 不锈钢粉， 喷涂基材为 45# 钢。具体工艺参数为 ： 载气压力为 2.0MPa， 载气加热温度为 500， 送粉加热温度为 470， 喷涂距离为 20mm。 0032 所制备冷喷涂不锈钢涂层与基体界面的 SEM 。
20、照片如图 2(b) 所示。 0033 对比例 1 0034 采用传统的冷喷涂设备制备 316L 不锈钢涂层， 喷涂材料选用 -400 -500 目的 316L 不锈钢粉， 喷涂基材为 45# 钢。具体工艺参数为 ： 载气压力为 2.0MPa， 载气加热温度为 说 明 书 CN 103422088 A 5 4/4 页 6 500， 喷涂距离为 20mm。 0035 所制备冷喷涂不锈钢涂层与基体界面的 SEM 照片如图 2(a) 所示。 0036 实施例 2 0037 与实施例 1 不同之处在于 ： 载气加热温度为 550， 所制备冷喷涂不锈钢涂层与基 体界面的 SEM 照片如图 2(d) 所示。。
21、 0038 对比例 2 0039 与对比例 1 不同之处在于 ： 载气加热温度为 550， 所制备冷喷涂不锈钢涂层与基 体界面的 SEM 照片如图 2(c) 所示。 0040 实施例 3 0041 与实施例 1 不同之处在于 ： 载气加热温度为 600， 所制备冷喷涂不锈钢涂层与基 体界面的 SEM 照片如图 2(f) 所示。 0042 对比例 3 0043 与对比例 1 不同之处在于 ： 载气加热温度为 600， 所制备冷喷涂不锈钢涂层与基 体界面的 SEM 照片如图 2(e) 所示。 0044 上述采用本发明冷喷涂设备制备不锈钢涂层的孔隙率及采用传统的冷喷涂设备 制备不锈钢涂层的孔隙率对比。
22、如表 1 所示。 0045 表 1 0046 0047 由图2及表1可以看出， 传统的冷喷涂设备在送粉压力为2.0MPa时所制备的316L 不锈钢涂层并不致密， 对比例 2 的孔隙率高达 6.01% ； 在传统冷喷涂设备上增加了送粉加热 器后， 在原有实验参数的基础上制备出的 316L 不锈钢涂层的质量明显提高， 涂层与基体的 界面处没有了孔洞， 且涂层本身变得致密， 孔隙率小于 0.21%。当送粉加热温度为 470、 载 气加热温度为 600时， 涂层的孔隙率最低， 仅为 0.04%。 说 明 书 CN 103422088 A 6 1/2 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103422088 A 7 2/2 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 103422088 A 8 。