一种高能量辅助喷涂方法及喷涂系统
阅读说明：本技术 一种高能量辅助喷涂方法及喷涂系统 (High-energy auxiliary spraying method and spraying system ) 是由 卢静 孙澄川 吴应东 解路 但幸东 汤烈明 李挺 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供的高能量辅助喷涂方法及喷涂系统,对基体进行预处理,采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层,并对所述涂层进行重熔处理；或采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层,并在所述喷涂过程中对所述涂层进行实时的重熔处理,本发明提供的高能量辅助喷涂方法及喷涂系统,通过高能热源产生的能量,对已沉积涂层进行重熔处理,或者在喷涂过程中能够对基体或者已沉积涂层进行实时重熔处理,使得涂层或者沉积体的孔隙率降低(<0.1％),并且结合强度有明显提升(>70MPa)；可以根据喷涂材料的种类的不同而更换热源,且拆卸简单。(The high-energy auxiliary spraying method and the high-energy auxiliary spraying system provided by the invention have the advantages that a matrix is pretreated, a coating is prepared on the surface of the matrix in a spraying mode, and the coating is subjected to remelting treatment; or preparing a coating on the surface of the substrate by adopting a spraying mode, and carrying out real-time remelting treatment on the coating in the spraying process, wherein the high-energy auxiliary spraying method and the spraying system provided by the invention carry out remelting treatment on the deposited coating by using energy generated by a high-energy heat source, or can carry out real-time remelting treatment on the substrate or the deposited coating in the spraying process, so that the porosity of the coating or the deposited body is reduced (less than 0.1%), and the bonding strength is obviously improved (more than 70 MPa); the heat source can be replaced according to different types of spraying materials, and the disassembly is simple.)
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，特别涉及一种高能量辅助喷涂方法及相关的喷涂操作系统。
背景技术
在基体表面制备一定形状和尺寸的功能性涂层(例如耐腐蚀，耐磨，隔热等)可对基体表面起到防护作用。目前制备涂层的技术主要包括热喷涂技术、冷喷涂技术、气相沉积等工艺。对于气相沉积技术而言虽然耗材少、成膜致密均匀，但是其成膜速度慢且厚度十分有限，一般不超过100μm。热喷涂技术包括等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂及爆炸喷涂等，在喷涂过程中把粉末或丝材加热到熔融或半熔融状态，然后沉积形成涂层，一般可制备几百微米到几毫米的涂层，但是涂层内部的孔隙率较高，故对涂层的耐腐蚀等其他性能产生不利的影响。冷喷涂技术利用颗粒高速变形与基体碰撞产生机械结合，进而沉积形成涂层，但是冷喷涂技术一般用来沉积具有一定塑性变形的材料，对于塑性较差或硬度较高的材料，例如TC4、Ni基高温合金及WC-Co等，很难形成致密涂层；此外冷喷涂技术还能用来沉积较大尺寸的块体材料，但是由于涂层内呈现多界面的层状结构，导致冷喷涂沉积体的力学性能远低于一般的铸态材料。
为了提高涂层的致密度，有研究人员采用激光重熔的方式对已沉积的TC4涂层进行处理，研究结果显示经过激光重熔处理后能够显著降低涂层内部的孔隙；还有研究采用微束等离子弧辅助热喷涂技术(电弧喷涂和等离子喷涂)制备了陶瓷-金属复合涂层，涂层凝固后内部呈现致密的组织结构且表面没有裂纹产生。
目前热喷涂技术虽然可以用来制备各种金属及合金涂层、陶瓷涂层等，但是涂层内部存在明显的孔隙，故对涂层的性能带来不利的影响，而冷喷涂技术虽然可以制备出较致密的涂层，但是由于涂层依赖塑性变形而沉积，因此但喷涂塑性变形能力较差的粉末时，涂层内部也会出现较明显的孔隙。这都限制了涂层技术的进一步广泛的应用，故目前迫切需要一种可以提高涂层致密度的方法。
目前针对涂层孔隙率较高的现状，可采用激光重熔技术对涂层进行重熔处理，但是激光器的价格较昂贵，还需要配置相关的外围设备，且在长时间使用过程中有可能由于冷却速度不够而导致光纤烧损，进而带来昂贵的维修费用；等离子弧相对成本较低，可辅助热喷涂技术制备陶瓷-金属基涂层，但是目前应用范围较窄，且等离子弧对喷涂后的涂层进行了重熔处理，并没有提出实时处理的方案，降低了生产效率，提高了时间成本。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种能提高涂层的结合强度，并提升涂层的耐磨、防腐等性能的高能量辅助喷涂方法。
为解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
一种高能量辅助喷涂方法，包括下述步骤：
对基体进行预处理；及
采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并对所述涂层进行重熔处理；或
采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并在所述喷涂过程中对所述涂层进行实时的重熔处理。
在其中一些实施例中，所述基体为碳钢或不锈钢或高温合金或铝合金或铜或铜合金或钛合金或陶瓷中的至少一种。
在其中一些实施例中，在对基体进行预处理的步骤中，具体为：
采用机械加工的方法，将所述基体加工成一定形状及尺寸；
对机械加工后的基体表面进行清洗或对机械加工后的基体表面进行喷砂处理。
在其中一些实施例中，所述喷涂的方式包括热喷涂和冷喷涂。
在其中一些实施例中，所述涂层包括金属及合金涂层、陶瓷-合金涂层及陶瓷涂层。
在其中一些实施例中，所述金属及合金涂层包括Cu及Cu合金、Al及Al合金、Ti及Ti合金、高温合金、不锈钢及碳钢、非晶合金；所述陶瓷-合金涂层包括WC-Co、NiCr-Cr3C2、TiB2-Al2O3；所述陶瓷涂层包括氧化铝系、氧化铬系、氧化锆系。
在其中一些实施例中，所述涂层为厚度为100μm-2mm的耐磨防腐涂层或为厚度大于2mm的沉积体。
在其中一些实施例中，在采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并对所述涂层进行重熔处理的步骤中，具体包括下述步骤：
采用热喷涂或冷喷涂的方式在所述基体表面进行喷涂，并沉积形成一定尺寸形状的涂层；
利用高能量热源对所述涂层进行重熔处理。
在其中一些实施例中，在采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并所述喷涂过程中对所述涂层进行实时的重熔处理的步骤中，具体包括下述步骤：
将高能量热源与喷枪固定且使得所述高能量热源与喷枪的移动轨迹相一致；
所述高能量热源对所述基体进行预热处理；
所述喷枪对预热处理后的基体进行喷涂，使得所述基体表面形成涂层；
改变所述高能量热源或所述喷枪与所述基体的相对位置，重复上述步骤，对所述涂层进行实时的重熔处理。
在其中一些实施例中，所述高能量热源与所述喷枪通过机械手臂固定。
在其中一些实施例中，所述高能量热源包括但不局限于激光或等离子弧或电弧，所述喷枪为热喷涂喷枪或冷喷涂喷枪。
在其中一些实施例中，所述高能量热源和所述喷枪的移动方式可以为以所述机械手臂带动所述高能量热源和所述喷枪移动或是所述高能量热源和所述喷枪固定不动，所述基体随着工作平台的移动而移动。
在其中一些实施例中，所述高能量热源与喷枪的移动轨迹为S型或其他形状。
另外，本发明还提供了一种所述的高能量辅助喷涂方法的喷涂系统，包括：
预处理装置，用于对基体进行预处理；及
重熔处理装置，用于采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并对所述涂层进行重熔处理；或采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并在所述喷涂过程中对所述涂层进行实时的重熔处理。
在其中一些实施例中，所述重熔处理装置包括喷枪及高能量热源，所述喷枪采用热喷涂或冷喷涂的方式在所述基体表面进行喷涂，并沉积形成一定尺寸形状的涂层或沉积体；所述高能量热源对所述涂层或沉积体进行重熔处理。
在其中一些实施例中，所述重熔处理装置包括喷枪、高能量热源及机械手臂，所述机械手臂将高能量热源与喷枪固定且使得所述高能量热源与喷枪的移动轨迹相一致；
所述高能量热源对所述基体进行预热处理，所述喷枪对预热处理后的基体进行喷涂，使得所述基体表面形成涂层，改变所述高能量热源或所述喷枪与所述基体的相对位置，重复上述步骤，对所述涂层进行实时的重熔处理。
采用上述技术方案，本发明实现的技术效果如下：
本发明提供的高能量辅助喷涂方法及喷涂系统，对基体进行预处理，采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并对所述涂层进行重熔处理；或采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并在所述喷涂过程中对所述涂层进行实时的重熔处理，本发明提供的高能量辅助喷涂方法及喷涂系统，通过高能热源产生的能量，对已沉积涂层进行重熔处理，或者在喷涂过程中能够对基体或者已沉积涂层进行实时重熔处理，使得涂层或者沉积体的孔隙率降低(<0.1％)，并且结合强度有明显提升(>70MPa)；且可以根据喷涂材料的种类的不同而更换热源，且拆卸简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的高能量辅助喷涂方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例1提供的高能量辅助喷涂方法的原理示意图；
图3为本发明实施例1提供的高能量辅助喷涂方法的高能量热源与喷枪的移动轨迹示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明实施例中，涂层是指采用热喷涂技术(等离子喷涂、超音速火焰、电弧喷涂及爆炸喷涂等)或冷喷涂技术在基体表面制备的涂层；沉积体为采用热喷涂技术或冷喷涂技术制备的大尺寸的块体材料；重熔层是指经过高能热源处理后的涂层或沉积体。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
请参阅图1，为本发明一实施方式提供的高能量辅助喷涂方法的步骤流程图，包括下述步骤：
步骤S110：对基体进行预处理。
进一步地，在对基体进行预处理的步骤中，具体为：
采用机械加工的方法，将所述基体加工成一定形状及尺寸；对机械加工后的基体表面进行清洗或对机械加工后的基体表面进行喷砂处理，以去除掉表面的油污及氧化物夹杂。
在一些具体实施例中，所述基体为碳钢或不锈钢或高温合金或铝合金或铜或铜合金或钛合金或陶瓷中的至少一种。
步骤S120：采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并对所述涂层进行重熔处理；或采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并在所述喷涂过程中对所述涂层进行实时的重熔处理。
在其中一些实施例中，所述喷涂的方式包括热喷涂和冷喷涂。
在其中一些实施例中，所述涂层包括金属及合金涂层、陶瓷-合金涂层及陶瓷涂层。
在其中一些实施例中，所述金属及合金涂层包括Cu及Cu合金、Al及Al合金、Ti及Ti合金、高温合金、不锈钢及碳钢、非晶合金；所述陶瓷-合金涂层包括WC-Co、NiCr-Cr3C2、TiB2-Al2O3；所述陶瓷涂层包括氧化铝系、氧化铬系、氧化锆系。
进一步地，所述涂层为厚度为100μm-2mm的耐磨防腐涂层或为厚度大于2mm的沉积体。
在其中一些实施例中，在采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并对所述涂层进行重熔处理的步骤中，具体包括下述步骤：
采用热喷涂或冷喷涂的方式在所述基体表面进行喷涂，并沉积形成一定尺寸形状的涂层；利用高能量热源对所述涂层进行重熔处理。
请参阅图2，为本实施例提供的在采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并所述喷涂过程中对所述涂层进行实时的重熔处理的原理示意图。
具体地，在采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并所述喷涂过程中对所述涂层进行实时的重熔处理的步骤中，具体包括下述步骤：
步骤S121：将高能量热源2与喷枪1固定且使得所述高能量热源与喷枪的移动轨迹相一致。
其中：所述高能量热源2与所述喷枪1通过机械手臂3固定，所述高能量热源2包括激光或等离子弧或电弧，所述喷枪1为热喷涂喷枪或冷喷涂喷枪。
在其中一些实施例中，所述高能量热源2和所述喷枪1的移动方式可以为以所述机械手臂3带动所述高能量热源2和所述喷枪1移动或是所述高能量热源2和所述喷枪1固定不动，所述基体4随着工作平台的移动而移动。
在其中一些实施例中，所述高能量热源2与喷枪1的移动轨迹为S型或其他形状，请参阅图3。
步骤S122：所述高能量热源2对所述基体4进行预热处理。
步骤S123：所述喷枪1对预热处理后的基体4进行喷涂，使得所述基体4表面形成涂层。
进一步地，所述涂层为厚度为100μm-2mm的耐磨防腐涂层或为厚度大于2mm的沉积体。
步骤S124：改变所述高能量热源2或所述喷枪1与所述基体4的相对位置，重复上述步骤，对所述涂层进行实时的重熔处理。
可以理解，高能量热源2的移动点略早于其他喷枪，这样可以起到预热基体或者对已沉积涂层进行重熔的作用，后续沉积的颗粒也能与预热基体或者已重熔的涂层间发生冶金结合，提升致密度和结合强度。
本发明提供的高能量辅助喷涂方法，对基体进行预处理，采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并对所述涂层进行重熔处理；或采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并在所述喷涂过程中对所述涂层进行实时的重熔处理，本发明提供的高能量辅助喷涂方法及喷涂系统，通过高能热源产生的能量，对已沉积涂层进行重熔处理，或者在喷涂过程中能够对基体或者已沉积涂层进行实时重熔处理，使得涂层或者沉积体的孔隙率降低(<0.1％)，并且结合强度有明显提升(>70MPa)。
本发明提供的高能量辅助喷涂方法，可降低涂层或沉积体内部孔隙率及提高涂层结合强度的装置及方法，特别适用于难熔材料或者不易变形的材料，对涂层耐磨、耐腐蚀等性能也有促进作用。
另外，本发明还提供了一种所述的高能量辅助喷涂方法的喷涂系统，包括：预处理装置，用于对基体进行预处理；及重熔处理装置，用于采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并对所述涂层进行重熔处理；或采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并在所述喷涂过程中对所述涂层进行实时的重熔处理。
请再参阅图2，所述重熔处理装置包括喷枪及高能量热源，所述喷枪采用热喷涂或冷喷涂的方式在所述基体表面进行喷涂，并沉积形成一定尺寸形状的涂层；所述高能量热源对所述涂层进行重熔处理。
在其中一些实施例中，所述重熔处理装置包括喷枪、高能量热源及机械手臂，所述机械手臂将高能量热源与喷枪固定且使得所述高能量热源与喷枪的移动轨迹相一致；
所述高能量热源对所述基体进行预热处理，所述喷枪对预热处理后的基体进行喷涂，使得所述基体表面形成涂层，改变所述高能量热源或所述喷枪与所述基体的相对位置，重复上述步骤，对所述涂层进行实时的重熔处理。
其详细的工作方案参见前述中描述，这里不再赘述。
本发明提供的高能量辅助喷涂系统，对基体进行预处理，采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并对所述涂层进行重熔处理；或采用喷涂的方式在所述基体表面制备涂层，并在所述喷涂过程中对所述涂层进行实时的重熔处理，本发明提供的高能量辅助喷涂方法及喷涂系统，通过高能热源产生的能量，对已沉积涂层进行重熔处理，或者在喷涂过程中能够对基体或者已沉积涂层进行实时重熔处理，使得涂层或者沉积体的孔隙率降低(<0.1％)，并且结合强度有明显提升(>70MPa)。
以下结合具体实施例详细说明。
实施方案1：
首先准备粒度范围10-50μm的SS316L粉末，喷涂基体为SS316L，先采用冷喷涂技术在基体上制备厚度约为600μm的涂层，喷涂工艺参数为：压力为4MPa，温度为650℃，喷涂距离为20mm，喷枪移动速度为1000mm/min。制备涂层后，再采用功率为5KW的光纤激光器对涂层进行重熔处理，得到致密的涂层。
实施方案2：
首先准备粒度为-300目的In625粉末，喷涂基体为In718，将等离子弧喷枪与冷喷涂喷枪一同固定在机械手臂上。先调整等离子弧喷枪参数，使其对基体进行预热处理，然后进行喷涂，使得颗粒沉积到已预热的基体上，冷喷涂工艺参数为：压力4.5MPa，温度750℃，喷涂距离为20mm，喷枪移动速度为1000mm/min；在基体上沉积形成涂层后，继续进行喷涂，使其逐渐生长为块体材料。
上述实施例提出的高能量热源辅助喷涂装置及方法，可以通过重熔的方式，降低涂层内部的孔隙，提高涂层的结合强度，使其能达到冶金结合的水平，并提升涂层耐磨、防腐等性能，特别适用于难熔材料或者不易变形的材料，对涂层耐磨、耐腐蚀等性能也有促进作用。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。
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