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等离子喷涂的工艺

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1.选择喷涂粉末的原则  

(1)根据基体表面的工作条件和技术要求,来选择性能合适的粉末。  

(2)选择喷涂粉末的热喷涂系数尽可能与基体相近,以避免因热膨胀系数相差过大,而造成涂层出现较大的收缩应力。  

(3)喷涂粉末的熔点低,流动性要好,以增加上粉率。  

(4)粉末的粒度和合适均匀,建议粒度区间不可过窄。  

2.粉末品种的选择  

根据被喷涂基体表面的工作条件和技术要求的不同,可分别选择与其相适应的耐磨、耐热、导电、绝缘、耐化学腐蚀等不同性能的热喷涂专用粉材,以使基体表面获得一层具有目标功能的涂层。  

几种不同性能的涂层对热喷涂粉末的选择方法如下:  

(1)耐磨性能涂层  

对于大量在常温(或温度低于400摄氏度)和弱腐蚀介质中工作,又要求具有良好的耐磨性能的基体表面,如机床的轴颈和导轨面,可选用成本较低的铁基合金粉末。如对涂层硬度有更好要求且较少磕碰工况的情况下,可选用氧化物陶瓷粉,例如氧化铝钛复合粉和氧化铬粉。  

(2)耐腐、耐磨、耐热等综合性能的涂层  

如过热蒸汽阀门和发动机排气阀门密封面,可选用镍基和钴基合金粉末。  

(3)耐高温涂层  

可选用钨、钽、氧化铝、氧化钇稳定氧化锆等粉末。  

(4)对硬度有特殊要求的耐磨涂层  

可选用钴包碳化钨粉末。  

3.粉末粒度的选择  

粒度直接影响到喷枪的使用性能和涂层的质量。粉末粒度郭溪时,容易造成喷枪喷嘴的堵塞和粉末的蒸发;粉末粒度过粗时,会造成粉末的熔化不均匀,涂层中的夹生粉末增多,影响涂层的质量。等离子喷涂时选用的粉末粒度一般为-140至+325目。  

4.送粉流量的选择  

送粉流量的大小受到喷枪结构、工作电流和电压、工作气体的流量等方面的影响。粉末流量过大时,粉末不能得到充分的熔化,涂层夹生粉末增多,气孔率大,组织疏松,降低了涂层之间的粘结强度;粉末流量过小时,粉末的沉积效率低,要获得一定的涂层厚度时,增加了喷涂时间,造成了基体的过热和变形,同时降低了喷涂效率。  

等离子喷涂时选用的送粉流量一般为15-20克/分钟,喷涂镍包铝粉时的送粉流量为13-17克/分钟。  

一、氧化物陶瓷涂层硬度高,耐氧化性能和耐磨损性能好,如Al2O3,Cr2O3等,且可通过等离子喷涂工艺制备出致密的涂层,但其电阻率极高,起不到防静电的作用必须采用导电氧化物陶瓷TiO2,等填料提高防静电性能。其中,Al2O3-TiO2复合涂层能同时满足防静电和耐磨性要求,且表面光洁度高,是一种理想的耐磨防静电涂层材料。不过,等离子喷涂的Al2O3和Al2O3-TiO2陶瓷涂层与基体结合强度较低,难以满足陶瓷涂层的使用要求,合金过渡层可以解决这一问题。  

二、喷涂及检测喷涂粉末成分为87%Al2O3+13%TiO2(以质量分数计),粒度为-200~+325目。过渡层为熔点较低、与基体结合强度较高的铝包镍合金涂层。采用国内某公司高能等离子喷涂设备进行喷涂。  

三、经过测试:  

(一)铝包镍涂层的结合强度比Al2O3-TiO2涂层高,特别是在较低功率下进行喷涂时,并且其结合强度随喷涂功率的增大而先增加,后降低,25kW时的涂层结合强度最高,达到70MPa,因此等离子喷涂铝包镍涂层的最佳功率为25kW。  

(二)等离子喷涂Al2O3-TiO2复合粉末时,随喷涂功率的增加,涂层结合强度也是先增加,后降低,不同的是,达到最大结合强度的喷涂功率为30kW,此时的结合强度达到最大值26.8MPa,故等离子喷涂Al2O3-TiO2复合涂层的最佳功率为30kW左右。这是因为:喷涂功率较低时,粉末粒子熔融度不够,特别是陶瓷粉末,导致沉积效率低,涂层孔隙率较大,组织疏松,涂层结合强度不高;喷涂功率较大时,粉末粒子熔化后会因温度过高而气化或严重氧化,导致涂层质量下降,这一作用在等离子喷涂铝包镍涂层时显得尤为突出。  

(三)采用Ar+H2等离子气体进行喷涂时,涂层的结合强度较高(26.8MPa),孔隙率较低(5%),质量较好。故选定Ar+H2进行后续等离子喷涂试验。  

(四)喷涂距离和角度对喷涂效果的影响根据以往等离子喷涂的经验,喷涂距离及角度对喷涂效率有显著的影响。在一定范围内,喷距越小,沉积效率越高;但当喷距小到一定程度时,工件局部温度上升很快,而基体与涂层的热膨胀系数有一定差异,会造成涂层应力上升,工件变形,涂层开裂、脱落。喷距太大,则喷枪焰流温度和速度下降,沉积效率降低,涂层结合强度下降。  

(五)通常喷涂金属粉末的喷距为100~150mm,喷涂陶瓷粉末的喷距为80~100mm。喷涂角度太大或太小,均会由于遮蔽效应而降低涂层的结合强度,增加涂层的孔隙率。通常使喷涂角度尽量靠近90°,即垂直工件表面喷涂。因喷涂过程氧化物粉末在高温中失氧,粉体颜色变为蓝黑色,这就是氧化铝钛陶瓷涂层外表呈蓝色的原因。  

四、涂层的磨削加工  

防静电耐磨涂层厚度一般为0.25~0.40mm,其同轴度较好,加工余量较小,但由于脆性大,切削加工时易脱粒,因此宜选用产生应力较小的磨削加工工艺。防静电耐磨涂层表层是Al2O3-TiO2复合涂层,与刚玉砂轮材料接近,因而宜选用碳化硅砂轮进行磨削加工。  

 

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