一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，使用噴涂系統(tǒng)進行等離子噴涂，噴涂時控制涂層沉積壓力低于500Pa；其中，噴涂時在等離子噴槍體外輔助設置聚束罩，所述聚束罩呈筒狀，聚束罩一端通過螺紋孔與等離子噴槍噴嘴直接相連；聚束罩中設有一個喇叭狀通道，喇叭狀通道的入口的直徑為噴嘴出口處直徑的1-5倍；喇叭狀通道的出口內(nèi)徑大于或等于20mm；喇叭狀通道的長度為50-150mm。該方法采用常規(guī)等離子噴涂系統(tǒng)，利用在低于500Pa的條件下進行沉積，通過控制噴槍出口處等離子射流的徑向尺寸，提高等離子射流中心區(qū)域的溫度，從而大幅度等離子射流中粉末的加熱程度，實現(xiàn)更多的氣相沉積。
【專利說明】
一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法【

【技術領域】
】
[0001]本發(fā)明涉及噴涂【技術領域】，特別涉及一種等離子噴涂方法。
【【背景技術】】
[0002]大氣等離子噴涂或簡寫為APS技術具有高射流溫度、低成本、快速沉積涂層的特性，成為制備YSZ熱脹涂層常用的方法。該方法制備的涂層具有以扁平粒子組成的層狀結構。扁平粒子間存在孔隙及裂紋，在大幅度提高涂層隔熱性能的同時，降低了其抗熱震性能。在溫度變化頻率不大的陸基燃氣輪機領域具有較多的應用。
[0003]電子束物理氣相沉積或簡寫為EB-PVD是一種制備柱狀YSZ涂層的方法。采用此種方法能夠制備得到結構規(guī)整，抗熱震性能優(yōu)良的柱狀YSZ層。但是采用EB-PVD法設備投入成本高，且制備涂層所用的周期較長，而且涂層的隔熱性能低于APS制備的涂層。在溫度變化頻率極高的航空發(fā)動機上具有較多的應用。
[0004]Sulzer-Metco公司在傳統(tǒng)低壓等離子噴涂的基礎上，通過大幅度提高等離子系統(tǒng)功率達到180kW，在小于200Pa的工作壓力下，氣化YSZ粉末，實現(xiàn)物理氣相沉積，即為PS-PVD技術。此技術能夠在短時間內(nèi)制備得到一定厚度的柱狀結構YSZ涂層，對EB-PVD制備周期長的缺點具有較好的優(yōu)化。同時，它改變了傳統(tǒng)等離子噴涂或低壓等離子噴涂只能制備層狀結構涂層的局限。但整個系統(tǒng)包括超大功率等離子噴涂設備、真空抽濾設備、真空下運行的機械手，其投入成本同樣很高，一般的研究機構很難承受。
[0005]相對于超大功率的等離子噴涂系統(tǒng)，常規(guī)低功率(SOkW)的等離子噴涂系統(tǒng)也能夠在500Pa以下操作，并實現(xiàn)PS-PVD工藝。由于在非常低的壓力下，等離子射流在噴槍出口處會迅速的發(fā)生膨脹，從而使等離子射流的能量發(fā)生擴散，中心區(qū)域的溫度降低。從而使等離子射流對陶瓷粉末的加熱能力降低，使射流中存在未氣化的液滴。很難達到制備柱狀結構陶瓷涂層的要求。如何利用現(xiàn)有的設備實現(xiàn)PS-PVD，并大幅度提高等離子射流對粉末的加熱程度，并制備柱狀結構陶瓷涂層是現(xiàn)在面臨的難題。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，以解決常規(guī)等離子噴涂系統(tǒng)難以在PS-PVD工藝條件下大幅度氣化YSZ粉末的問題；本發(fā)明方法能夠大幅度提高等離子射流中粉末的氣化程度，并且工藝簡單、生產(chǎn)成本低廉、可控性好。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0008]一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，使用噴涂系統(tǒng)進行等離子噴涂，噴涂時控制涂層沉積壓力低于500Pa ;其中，噴涂時在等離子噴槍體外輔助設置聚束罩，所述聚束罩呈筒狀，聚束罩一端通過螺紋孔與等離子噴槍噴嘴直接相連；聚束罩中設有一個喇叭狀通道，喇叭狀通道的入口的直徑為噴嘴出口處直徑的1-5倍；喇叭狀通道的出口內(nèi)徑大于或等于20mm ;喇叭狀通道的長度為50-150mm ;所述噴涂系統(tǒng)進行噴涂時等離子噴涂電弧功率小于45kW。
[0009]優(yōu)選的，聚束罩的喇叭狀通道外周通有冷卻水。
[0010]優(yōu)選的，聚束罩的喇叭狀通道的出口距離被噴涂基體的距離為大于100mm。
[0011]優(yōu)選的，噴涂時噴涂系統(tǒng)的參數(shù)為:Ar 40-70L/min, H2 8_15L/min，陶瓷粉末的送粉量為大于或等于0.2g/min。
[0012]優(yōu)選的，聚束罩與噴嘴連接處的螺紋孔的內(nèi)徑為28mm，入口的直徑為28mm，出口直徑為40mm,長度為50mm。
[0013]優(yōu)選的，出口的直徑大于入口的直徑。
[0014]優(yōu)選的，所述聚束罩的材質(zhì)為銅。
[0015]在等離子噴涂實施過程中，所使用的等離子發(fā)生氣體為氬氣、氬氣和氫氣、氬氣和氦氣、氬氣與氦氣和氫氣。為保證等離子噴涂的實施氣體流量可進行調(diào)節(jié)，氣體的比例也可以根據(jù)粉末的不同進行調(diào)節(jié)。
[0016]為保證等離子射流在出口處的連續(xù)性，聚束罩與等離子噴槍噴嘴直接相連，聚束罩與噴嘴連接處的內(nèi)徑為噴嘴出口處直徑的1-5倍。
[0017]為保證飛行的過程中不在聚束罩上停留發(fā)生結瘤堵塞的現(xiàn)象，同時保證對等離子射流的聚束效果，聚束罩出口處內(nèi)徑不低于20mm。
[0018]為延長粉末在等離子射流高溫區(qū)域的停留時間，保證粉末在聚束罩內(nèi)充分加熱并氣化，聚束罩對等離子弧聚束長度范圍為50-150mm。
[0019]在涂層沉積過程中，涂層沉積壓力為等離子弧外與基體非接觸區(qū)域的平均氣壓，壓力小于500Pa。
[0020]相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0021]本發(fā)明采用常規(guī)SOkW等離子噴涂系統(tǒng)，利用在低于500Pa的腔室壓力條件下使等離子射流發(fā)生擴張，通過在等離子噴槍的噴嘴前連接聚束罩，聚束罩的出口直徑小于不加聚束罩條件下等離子射流擴張后的直徑，從而達到對等離子射流進行收縮的作用。在聚束罩的作用下，通過控制噴槍出口處等離子射流的徑向尺寸，使等離子射流限制在一個小的區(qū)域內(nèi)不發(fā)生大的擴散，在此基礎上提高了等離子射流中心區(qū)域的溫度，增加了粉末在等離子射流高溫區(qū)域的停留時間，從而大幅度提高等離子射流中粉末的加熱程度，能夠氣化更多的粉末，在涂層制備過程中實現(xiàn)更多的氣相沉積。
[0022]采用聚束罩對等離子射流進行聚束后，與未約束相比，在相同噴涂參數(shù)的條件下，等離子射流中心區(qū)域溫度提高30% -150%，在較高的溫度下有利于等離子射流對粉末的加熱并氣化更多的粉末。
[0023]采用聚束罩對等離子射流進行聚束后，與未約束相比，在相同噴涂參數(shù)及沉積時間的條件下，涂層沉積效率提高2-10倍，表明采用聚束罩對等離子射流進行聚束后，等離子射流中粉末的氣化量提高2-10倍。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0024]圖1聚束罩示意圖；其中，圖1 (a)為聚束長度為50mm的聚束罩，圖1 (b)為聚束長度為80mm的聚束罩。
[0025]圖2為加聚束罩與不加聚束罩等離子溫度的比較圖；其中圖2(a)為等離子射流中心位置的溫度變化圖；圖2(b)為等離子射流徑向偏離中心位置15mm處溫度變化圖；圖2 (c)為等離子射流徑向偏離中心位置30_處溫度變化圖。
[0026]圖3為不加聚束罩制備的YSZ涂層的斷面組織結構。
[0027]圖4為加聚束罩制備的YSZ涂層的斷面組織結構。
【【具體實施方式】】
[0028]本發(fā)明一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，使用等離子噴涂電弧功率小于45kW的噴涂系統(tǒng)進行等離子噴涂，噴涂時控制涂層沉積壓力低于500Pa，并且在等離子噴槍體外輔助設置銅制備的聚束罩I。
[0029]請參閱圖1所示，聚束罩I呈筒狀，聚束罩I 一端通過螺紋孔11與等離子噴槍噴嘴直接相連；聚束罩I中設有一個喇叭狀通道12，喇叭狀通道12的入口 121的直徑為噴嘴出口處直徑的1-5倍；喇叭狀通道12的出口 122內(nèi)徑大于或等于20mm ;喇叭狀通道12的長度為50-150mm。聚束罩I的喇叭狀通道12外周通有冷卻水。
[0030]圖1 (a)中所示聚束罩I與噴嘴連接處的螺紋孔11的內(nèi)徑為28mm，入口 121的直徑為28臟，出口 122內(nèi)徑為40臟，長度為50mm ;圖1 (b)中所示聚束罩I與噴嘴連接處的螺紋孔11的內(nèi)徑為28mm，入口 121的直徑為15mm，出口 122內(nèi)徑為40臟，長度為80mm。
[0031]分別通過加圖1 (a)的聚束罩和不加聚束罩行進PS-PVD工藝。采用OES對等離子射流進行檢測。OES檢測參數(shù)如下:光柵為300grooves/mm ;曝光時間8ms ;光譜分辨率為0.058nm ;檢測波長范圍為300至lOOOnm。OES對等離子射流的檢測范圍包括軸向(圖2中Z軸)50-350mm，徑向(圖2中Y軸)0_30mm。噴涂參數(shù)為噴涂額定功率45kW，Ar40L/min，H28L/min。等離子溫度結果如圖2所示。加聚束罩的等離子射流溫度明顯提高30%-80%。
[0032]分別通過加圖1 (a)聚束罩和不加聚束罩行進PS-PVD工藝。采用OES對等離子射流進行檢測。OES檢測參數(shù)如下:光柵為300grooves/mm ;曝光時間8ms ;光譜分辨率為0.058nm ;檢測波長范圍為300至lOOOnm。OES對等離子射流的檢測范圍包括軸向(圖2中Z軸)50-350mm，徑向(圖2中Y軸)0_30mm。噴涂參數(shù)為噴涂額定功率60_80kW，除掉冷卻功率的凈功率為32-45kW，Ar流量50_70L/min，H2流量10_15L/min。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)等離子溫度明顯提高，有利于高熔點的陶瓷粉末的加熱與氣化。
[0033]對比例1:
[0034]以氧化鋁管為基體，通過加工成Φ16Χ2Χ250.ι(外徑X厚度X長度)的試樣。使用丙酮和酒精依次對試樣進行超聲波清洗，采用氧化鋁砂紙對試樣表面進行打磨處理，最后采用酒精對試樣進行表面清潔；采用不加聚束罩的等離子噴槍，在10Pa環(huán)境壓力下，使用7-8wt.% YSZ粉末進行PS-PVD工藝，制備YSZ涂層，其中噴涂參數(shù)為噴涂額定功率45kW，除掉冷卻功率的凈功率為25kW，Ar 40L/min, H2 8L/min，噴涂距離200mm，送粉量0.2g/min，沉積方式側(cè)面。涂層的斷面組織結構(如圖3所示)顯示為類似柱狀結構。
[0035]實施例1:
[0036]以氧化鋁管為基體，通過加工成Φ16Χ2Χ250mm(外徑X厚度X長度)的試樣。使用丙酮和酒精依次對試樣進行超聲波清洗，采用氧化鋁砂紙對試樣表面進行打磨處理，最后采用酒精對試樣進行表面清潔；采用加圖1(a)聚束罩的等離子噴槍，在10Pa環(huán)境壓力下，使用7-8wt.% YSZ粉末進行PS-PVD工藝，制備YSZ涂層，其中噴涂參數(shù)為噴涂額定功率45kW，除掉冷卻功率的凈功率為25kW，Ar 40L/min, H2 8L/min，噴涂距離200mm，送粉量0.2g/min，沉積方式側(cè)面。涂層的斷面組織結構(如圖4所示)顯示為類似柱狀結構。加聚束罩涂層厚度約為不加聚束罩涂層厚度的2倍，證明加聚束罩后粉末的氣化量明顯提高了，約為不加聚束罩的2倍。
[0037]實施例2:
[0038]以氧化鋯為基體，通過加工成Φ18Χ2πιπι(直徑X厚度)的試樣。使用丙酮和酒精依次對試樣進行超聲波清洗，采用金剛石砂紙對試樣表面進行打磨處理，最后采用酒精對試樣進行表面清潔；分別采用加圖1(b)聚束罩和不加聚束罩的等離子噴槍，在10Pa環(huán)境壓力下，使用7-8wt.% YSZ粉末進行PS-PVD工藝，制備YSZ涂層，其中噴涂參數(shù)為噴涂額定功率60-80kW，除掉冷卻功率的凈功率為32-45kW，Ar 50-70L/min, H2 10_15L/min，噴涂距離200-660mm，送粉量0.2g/min，沉積方式側(cè)面。加聚束罩沉積的涂層厚度顯著提高。
[0039]實施例3:
[0040]以氧化鋁管為基體，通過加工成Φ16Χ2Χ250mm(外徑X厚度X長度)的試樣。使用丙酮和酒精依次對試樣進行超聲波清洗，采用氧化鋁砂紙對試樣表面進行打磨處理，最后采用酒精對試樣進行表面清潔；采用加圖1(a)聚束罩的等離子噴槍，在小于500Pa環(huán)境壓力下，使用氧化鋁粉末進行PS-PVD工藝，制備氧化鋁涂層，其中噴涂參數(shù)為噴涂額定功率45-80kW，除掉冷卻功率的凈功率為25-45kW，Ar 40-70L/min, H2 8_15L/min，噴涂距離200-660mm,送粉量0.2g/min,沉積方式側(cè)面。制備氣相沉積柱狀結構氧化招涂層。
[0041]實施例4:
[0042]以氧化鋯為基體，通過加工成Φ18Χ2_(直徑X厚度)的試樣。使用丙酮和酒精依次對試樣進行超聲波清洗，采用金剛石砂紙對試樣表面進行打磨處理，最后采用酒精對試樣進行表面清潔；采用加圖1(a)聚束罩等離子噴槍，在小于500Pa環(huán)境壓力下，使用氧化鋁粉末進行PS-PVD工藝，制備氧化鋁涂層，其中噴涂參數(shù)為噴涂額定功率45-80kW，除掉冷卻功率的凈功率為25-45kW，Ar 40-70L/min, H2 8_15L/min，噴涂距離200_660mm，送粉量
0.2g/min，沉積方式側(cè)面。制備氣相沉積柱狀結構氧化鋁涂層。
【權利要求】
1.一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，其特征在于，使用噴涂系統(tǒng)進行等離子噴涂，噴涂時控制涂層沉積壓力低于500Pa ;其中，噴涂時在等離子噴槍體外輔助設置聚束罩(I)，所述聚束罩(I)呈筒狀，聚束罩(I) 一端通過螺紋孔(11)與等離子噴槍噴嘴直接相連；聚束罩(I)中設有一個喇叭狀通道(12)，喇叭狀通道(12)的入口(121)的直徑為噴嘴出口處直徑的1-5倍；喇叭狀通道(12)的出口(122)內(nèi)徑大于或等于20mm ;喇叭狀通道(12)的長度為50_150mm ;所述噴涂系統(tǒng)進行噴涂時等離子噴涂電弧功率小于45kff0
2.根據(jù)權利要求1所述的一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，其特征在于，聚束罩(I)的喇叭狀通道(12)外周通有冷卻水。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，其特征在于，聚束罩(I)的喇叭狀通道(12)的出口(122)距離被噴涂基體的距離為大于100mm。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，其特征在于，噴涂時噴涂系統(tǒng)的參數(shù)為:Ar 40-70L/min, H28_15L/min，陶瓷粉末的送粉量為大于或等于0.2g/min。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，其特征在于，聚束罩(I)與噴嘴連接處的螺紋孔(11)的內(nèi)徑為28mm，入口(121)的直徑為28mm,出口(122)直徑為40mm，長度為50mm。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，其特征在于，出口(122)的直徑大于入口(121)的直徑。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種大幅度提高飛行粒子氣化的低功率等離子噴涂的方法，其特征在于，所述聚束罩(I)的材質(zhì)為銅。
【文檔編號】C23C4/12GK104404437SQ201410690649
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權日:2014年11月25日
【發(fā)明者】李長久, 李成新, 楊冠軍, 陳清宇 申請人:西安交通大學