多元气氛可控型喷涂方法与装置 【技术领域】
本发明涉及一种喷涂方法与装置，尤其是关于在多元气氛可控条件下，利用热喷涂技术制备复合材料体积成型的方法与装置。
背景技术
目前，为了制备各种耐磨、耐蚀、抗氧化、隔热、导电以及其它特殊性能部件，往往采用热喷涂技术，对其表面喷涂一层复合材料涂层。也有采用喷射沉积等技术，制备复合材料的体积成形件，前者是在大气条件下进行，有一定效果，但常常发生被加热到高温的熔滴或粒子被氧化，形成沉积氧化层，这样便破坏了粒子间、层间结合强度，而且在深层中易形成夹杂物和孔隙，这种界面即使在后期固态相变和再结晶过程中也无法通过扩散和相变来改善，尤其是当涂层厚度较厚时易发生开裂和剥离，更谈不上制备体积成型；后者制备体积成型是在金属熔融条件下进行，这就使熔点不同，比重不同的复合材料难以做到混合一致，带来难以克服的困难，使预期效果受到影响，甚至有些材料不能混合使用。而且此设备投资大、生产成本高，尽管中外学者将真空、氩气保护、可燃气体还原技术植进喷涂技术中，取得积极进展，但由于相变需要在制备过程中完成，而缺少控制，使其相结构和组织结构不尽理想。
【发明内容】
针对上述不足之处，本发明是要提供一种喷涂气氛，环境温度，工件温度、喷涂距离、粒子飞行速度、粒子着层温度及零件随后温度变化可调，使粒子间、层间结合强度高，无夹杂物、无孔隙、不开裂、不剥离、利用热喷涂技术制备复合材料体积成型方法和结构简单，易操作，投资少与其方法直接相关的装置。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：方法中包含对基材表面除油、除锈、喷砂处理，将其置入专用装置内，随之抽真空，注入惰性气体如氩气，再抽真空反复多次，稀释空气待O2和N2含量达到要求后，加热试件，利用喷涂技术制备复合材料体，即利用电弧和等离子喷涂器材单独或同时对基材进行交替或分层喷涂复合材料，成型后在装置内保温、降温、取出，此过程保持装置内真空度为(5.5～6.5)×10-4hpa，基材温度根据喷涂材质不同控制在材料的塑性温度以上或固相线温度以上，通常保持在500℃～700℃，喷涂距离保持在80～180毫米，喷涂结束后在650℃～750℃范围内保温25～35分钟之间，停止加热后，制件逐步降温至60℃～50℃时，取出即可。其中电弧喷涂时工作电压30～33V，电流150～200A，注入雾化气体如氩气，压力0.4～0.7MPa，等离子喷涂时其工作功率60～100KW，主气(氩气)流量40～60L/min，辅助气(氢气)流量80～100L/min，送粉气(氩气)流量8～12L/min，喷涂丝材料直径1.6～2.0mm，粉末材料粒度为200～325目，喷涂丝可为实心丝、管形丝之一种，其中管形丝内装置粉状物或丝状物，并与管体材质不同。
用其方法的装置，包含由外向里套装的外壳、隔热保温层，密封舱组成的箱体，一端设有法兰座和与其相连的法兰，箱体内设有将其分割成气体储室和喷涂室并可通气的支板，气体储室设有气体入口，喷涂室设有排气口和与真空泵相连的抽气口，在喷涂室内设有与支板相连，并可上下左右移动的载台，台内设有热电偶，气体储室内穿过支板缺口设有与载台相连的电热板，法兰上设有可转角能位移的与相关喷涂系统相连的电弧喷枪和等离子喷枪，箱体与法兰连接部设有水冷管，可上下左右移动的载台，其控制上下移动的机构是具有水冷套与箱体固定连接的轴套内设有使载台垂直移动的垂直拉杆，此杆同与载台连成滑动连接的滑道相连，载台边部开有垂直条形孔；控制左右移动的机构是具有水套与箱体固定连接地水平轴套内设有使载台水平移动的水平拉杆，此一端为匚型，其中部设有将水平拉杆和载台连成滑动连接穿行在垂直条形孔内的销，载台下部设有与箱体固定连接的使其限位移动的左档板和右档板，垂直拉杆和水平拉杆之另一端可与手动、电动、液动之一种机构相连，并能实现方法中规定的各种操作步骤。
本发明的有益效果是：能够方便地对喷涂气氛、环境温度、器件温度、喷涂距离、粒子飞行速度、粒子着层温度及工作随后温度变化进行控制，使粒子间、层间结合强度高，无杂物、无孔隙、不开裂、不剥离，利用热喷涂技术便可制备各种复合材料成型，使用本方法的装置结构简单，易操作、投资少。
【附图说明】
图1：是本方法流程示意图；
图2：是本方法装置结构原理示意图；
图3：是图2中载台结构原理示意图；
图4：是载台剖视结构示意图。
图中：1外壳，2隔热保温层，3密封舱，4气体入口，5电热板，6热电偶，7载台，8试件，9涂层，10支板，11排气口，12水冷管，13电弧喷枪，14等离子涂枪，15法兰，16抽气口，17水冷套，18垂直拉杆，19轴套，20滑道，21销，22垂直条形孔，23右档板，24水套，25水平轴套，26水平拉杆，27左挡板。
【具体实施方式】
多元气氛可控型喷涂方法与装置，制备体积成型或复合材料体积成型时，首先对基体材料进行表面除油、除锈、喷砂处理，再将其置入专用装置内，固定调喷枪与基体之间距离，再依次进行封闭舱门、抽真空，注入惰性气体，再抽真空，再注入惰性气体，反复多次，稀释空气待O2和N2含量达到要求后，加热试件，利用喷涂技术制备复合材料体，即利用电弧和等离子器材，单独或同时对基材进行交替或分层喷涂复合材料，成型后在装置内保温、降温，取出。此过程将保持装置内真空度为(5.5～6.5)×10-4hpa，基材温度根据喷涂材料材质不同控制在材料的塑性温度以上或固相线温度以上，通常是保持在500℃～700℃，喷涂距离保持在80～180毫米，喷涂结束后在650℃～750℃范围内保温25～35分钟之间，停止加热后，制件逐步降温至60℃～50℃时，取出即可。
其中电弧喷涂时工作电压30～33V，电流150～200A，注入雾化气体，如氩气压力为0.4～0.7MPa，等离子喷涂时其工作功率60～100KW，主气(氩气)流量40～60L/min，辅助气(氢气)流量80～100L/min，送粉气(氩气)流量8～12L/min，喷涂丝材料直径1.6～2.0mm，粉末材料粒度为200～325目，喷涂丝可为实心丝、管形丝之一种，其中管形丝内装置粉状物或丝状物，并与管体材质不同。
用其方法的装置，包含由外向里套装的外壳(1)、隔热保温层(2)，密封舱(3)组成的箱体，一端设有法兰座和与其相连的法兰(15)，箱体内设有将其分割成气体储室和喷涂室并可通气的支板(10)，气体储室设有气体入口(4)，喷涂室设有排气口(11)和与真空泵相连的抽气口(16)，在喷涂室内设有与支板(10)相连，并可上下左右移动的载台(7)，台内设有热电偶(6)，气体储室内穿过支板(10)缺口设有与载台(7)相连的电热板(5)，法兰(15)上设有可转角能位移的与相关喷涂系统相连的电弧喷枪(13)和等离子喷枪(14)，箱体与法兰连接部设有水冷管(12)，可上下左右移动的载台(7)，其控制上下移动的机构是具有水冷套(17)的与箱体固定连接的轴套(19)内设有使载台垂直移动的垂直拉杆(18)，此杆同与载台连成滑动连接的滑道(20)相连，载台(7)边部开有垂直条形孔(22)；控制左右移动的机构是具有水套(24)的与箱体固定连接的水平轴套(25)内设有使载台水平移动的水平拉杆(26)，此一端为匚型，其中部设有将水平拉杆(26)和载台(7)连成滑动连接并穿行在垂直条形孔内的销(21)，载台下部设有与箱体固定连接的使其限位移动的左档板(27)和右档板，(23)垂直拉杆(18)和水平拉杆(26)之另一端可与手动、电动、液动之一种机构相连，并能实现方法中规定的各种操作步骤。
例1：
用本方法与装置制备Fe3Al化合物涂层，首先需要准备一块用于Fe3Al化合物涂层沉积的基材，该基材可以碳钢，也可以是其它熔点高于800℃的金属材料。基材表面预先做喷砂处理，以增加涂层沉积时沉积率。具体的喷涂过程如图3所示的工艺流程。在基材试件被安放到试件载台上后，关好密闭舱的舱门，开始对密闭舱抽真空。在密闭舱内真空达到6×10-4hpa后，对通过氩气冲洗的方法进一步稀释密闭舱内的空气成分。氩气冲洗的方法是：充氩气，然后抽真空。一般情况下，反复两次的氩气冲洗即可满足要求。
在密闭舱内的O2和N2含量达到要求后，开始对基材试件的加热过程是电阻丝通过对试件载台的加热将热量传递到基材试件，为了使涂层形成后其中的Fe、Al元素的扩散仍然进行，对基材试件的加热温度应在500℃～700℃，在电弧喷涂过程中，电弧熔化了喷涂丝材，并且同时使熔滴中的Fe、Al元素发生冶金反应，当熔滴撞击到基材试件表面时，熔滴堆积形成涂层。由于熔滴在离开喷涂枪和到达基材表面前所飞行的距离较短(一般100～150mm)，飞行时间很短(一般为几毫秒)，熔滴的冶金反应不够充分，此时瞬间形成的涂层组成是富Al区、富Fe区和一些Fe/Al化合物相。由于基材具有较高的温度(高于Al的熔点660℃)，Al元素的扩散容易进行，在喷涂过程中及喷涂结束后的一段保温阶段，都将保证Fe3Al金属间化合物的顺利形成。当采用电弧喷涂时其工艺参数为：
喷涂电压：30V；
喷涂电流：150A；
喷涂距离：80mm；
雾化气体：0.4MPa；
喷丝直径：2mm。
在喷涂过程结束后，对试件继续700℃加热30分钟。停止加热后，在密闭舱内温度降低到60℃后，再打开舱门，取出试件。
例2：
用本方法与装置制备TiAl/Al2O3复合材料层之工艺过程的前几步工艺与前面所述的应用实例1方法相同，其区别主要是使用的喷涂材料和喷涂方法。本工艺有两种方案：方案一是使用Al丝、Ti丝以及Al2O3陶瓷粉末作为喷涂材料，同时应用电弧喷涂和等离子喷涂。其中Al丝、Ti丝采用电弧喷涂，Al丝和Ti丝各为一个电极，分别调整每根丝的送丝速度，使形成的涂层中Al和Ti的含量有希望的比例。在电弧喷涂Al和Ti的同时，等离子喷涂Al2O3陶瓷粉末，使这两只喷涂枪的喷涂束流沉积在同一区域，形成Al、Ti以及Al2O3三者的机械混合物涂层。另一方案是将Ti丝包裹在Al管之中制成Ti/Al复合线进行电弧喷涂，等离子的喷涂过程与方案1相同。无论上述的哪一种工艺方案，在喷涂过程中都需对基材试件进行加热，加热温度为700℃，与应用实例1中制备Fe3Al的加热工艺相同。由于在喷涂过程中的冶金反应和加热基材对Al和Ti元素扩散的促进作用，涂层最终形成由Ti/Al金属间化合物以及Al2O3增强相组成的组织结构。
电弧喷涂Ti丝、Al丝或Ti/Al复合丝时的工艺参数为：
丝材直径 1.6mm。
喷涂电压 30V；
喷涂电流 180A；
喷涂距离 120mm；
雾化气体(氩气)压力 0.5MPa；
等离子喷涂Al2O3时的工艺参数是：
Al2O3粉末粒度 260目
设备功率 80KW
主气(氩气)流量 50L/min
辅助气(氩气)流量 90L/min
送粉气(氩气)流量 10/min
喷涂距离 150mm
在喷涂过程结束后，对试件继续700℃加热30分钟，停止加热后，在密闭舱内温度降低到60℃后，再打开舱门，取出试件。
除以上介绍的两上应用例子外，采用本发明的装置和方法还可以制备多种金属陶瓷增加强相的复合材料。