[發明專利]節約氦氣的優化冷噴涂方法

無效

• 申請號: 201110063829.2
• 申請日: 2011-03-16
• 公開（公告）號: CN102168267A
• 公開（公告）日: 2011-08-31
• 發明（設計）人: 卜恒勇;盧晨;陳彬;李曉玲
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C23C24/04
• 分類號: C23C24/04;B05B7/16
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種涂層制備領域的方法，具體是一種節約氦氣的優化冷噴涂方法。

背景技術

冷噴涂是建立在合理利用空氣動力學原理基礎上的一種新型涂層技術。它采用加熱設施預熱壓縮氣體，壓縮氣體通過縮放型Laval噴槍產生超音速氣流，粉末粒子經氣體加速后以高速撞擊基體，通過產生劇烈的塑性變形而在基體表面沉積為涂層。在實際的冷噴涂過程中，比較典型的工作氣體為氮氣(N₂)、氦氣(He)和空氣，以及它們按照一定比例形成的混合氣體，工作氣體的預熱溫度一般低于600℃，壓力為1-3.5MPa，噴涂粒子的典型尺寸為5-50μm，粒子經過噴槍加速后速度可達300-1200m/s。

相對于傳統的涂層制備技術，尤其是和熱噴涂技術相比，冷噴涂在制備涂層的過程中工作氣體溫度低，不僅對基體的熱影響小，而且粉末粒子在整個制備沉積過程中溫度低于其熔點，基本沒有氧化、相變或晶粒長大等由高溫導致的缺陷，同時也避免了熱噴涂凝固過程中產生的宏觀和微觀偏聚，保留了噴涂材料粒子本來的微觀組織和性能特征。

經過對現有技術的檢索發現，美國專利文獻號6502767B2和6491208B2均記載和公開了冷噴涂技術，同時對該技術的實現方法進行了描述；中國文獻專利號CN101285187A記載了“一種顆粒增強金屬基復合材料的方法”，采用壓縮空氣為工作氣體，在2.7MPa，500℃的條件下沉積Al5356/TiN復合材料涂層，雖然得到的涂層具有較高的硬度和結合強度，但在高溫高壓的環境下沉積涂層，不僅對機器設備和安全防護提出了更高的要求，而且其經濟性也受到影響。

雖然冷噴涂技術已經在很多領域內得到應用，但是仍然存在一些問題需要解決。首先，在冷噴涂粒子沉積過程中，對于成功沉積的粒子來說，存在一個與之對應的臨界速度，低于臨界速度的粒子和基體發生撞擊后發生反彈，對基體造成沖蝕或者破壞，只有高于該速度的粒子才具有足夠的動能以穿過基體表面形成的激波，高速撞擊基體并發生劇烈塑性變形而形成涂層，同時為后續的粒子提供無污染的、活性較高的沉積表面。其次，冷噴涂中使用的原材料為固體粉末，一些具有面心立方晶體結構、硬度低、密度適中、塑性好的金屬粉末材料，例如Al粉末和Cu粉末，在低于700m/s的速度下，就可以在基體表面沉積得到涂層；而另外一些具有體心立方或者具有不規則晶體結構，密度大，硬度大，塑性差的金屬或者陶瓷粉末材料，例如W、WC-Co、SiC、Al₂O₃粉末等，要使粒子成功沉積，必須提高粒子撞擊基體或者已經沉積涂層的表面的速度。

由此可見，影響涂層形成及其性能的主要因素是粒子撞擊基體時的速度。為了提高粉末粒子的沉積效率和涂層的整體性能，提高工作氣體的速度，從而提高粒子的速度至關重要。主要有以下方法來獲得：(1)使用平均粒子尺寸(或粒子尺寸分布)較小的粉末粒子；(2)使用擴張比更大，擴張段長度更長的噴槍；(3)優化噴涂工藝參數，如提高工作氣體溫度等。在上述提高粒子速度的方法中，調整工藝參數，使用He為工作氣體為最簡單和有效的方法。但是相同規格的高壓He的價格約為N₂的價格的6倍，因此使用He為工作氣體受到較大制約。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種節約氦氣的優化冷噴涂方法，簡化現有技術的結構，便于大范圍推廣應用。

本發明是通過以下技術方案實現的，在冷噴涂沉積涂層過程中，先采用廉價氣體對整個噴涂系統進行預熱，當廉價氣體在噴槍入口處的壓力和溫度接近預先設定工作氣體(He)的壓力和溫度時，切換到He并填充粉末粒子進行噴涂，在不改變粉末粒子的噴涂工藝參數的前提下沉積涂層，通過節約噴涂系統預熱過程中He用量來優化冷噴涂工藝。

所述的廉價氣體為：氮氣，空氣或其混合氣體。

所述的預熱是指：在關閉粉末罐的前提下，開啟高頻加熱設備和廉價氣體相對應的控制閥門，使廉價氣體在噴槍入口處的壓力等于預先設定的工作氣體的噴涂壓力，當該廉價氣體在噴槍入口處的溫度達到設定工作氣體溫度的85％時，即完成整個冷噴涂系統的預熱工作。