技術領域

本發明涉及一種利用高頻爆炸噴涂技術制備高致密度陶瓷涂層的方法

，屬材料表面技術領域。

背景技術：

現代工業的發展對材料表面性能的要求越來越高，特別是在高速、高溫、高壓、重載、腐蝕等條件下，材料的失效往往起始于表面，材料表面的局部損壞加速了整個零部件的失效，最終導致整套設備的停產，對工業生產造成重大損失。因此，通過表面強化技術提高關鍵機械零部件和工模具的耐磨、耐蝕、抗氧化等性能已成為科研與工業發展的重要方向。

陶瓷材料具有優異的耐磨、耐蝕、抗氧化、絕緣等性能，采用熱噴涂技術將陶瓷材料沉積到基材表面，可將基材優異的力學性能和陶瓷材料的特性結合起來，賦予材料更佳的表面功能特性，顯著提高其使用壽命。目前通常采用等離子噴涂技術制備陶瓷涂層。所謂等離子噴涂是采用剛性非轉移型等離子弧為熱源將粉末材料加熱至熔融或半熔融狀態，然后高速撞擊到經過粗糙化處理的基材表面形成涂層的方法。但是，等離子噴涂形成的陶瓷涂層具有結合力偏低、孔隙率偏高的缺點，在一定程度上降低了涂層的使用性能。

爆炸噴涂技術是利用可燃氣體爆炸瞬間產生的沖擊波將噴涂粉未加速、加熱轟擊到基體表面，形成表面涂層的方法。粉未顆粒可被加速至800～1200m/s,氣體爆炸中心溫度可達2400～3500℃。該技術制備的涂層具有結合強度好、致密度高、使用性能優異等優點。目前，爆炸噴涂技術主要用于制備金屬和金屬陶瓷陶瓷，也可制備部分陶瓷涂層。但常規爆炸噴涂技術的爆炸噴涂速率僅為2～8次/秒（通常使用4次/秒），造成單位面積涂層噴涂時間長，涂層生產效率低下，嚴重影響了爆炸噴涂技術的推廣應用。

技術實現要素：

針對等離子噴涂陶瓷涂層致密度低、結合強度差和常規爆炸噴涂噴涂速率低，涂層生產效率慢的不足，本發明提供了一種利用高頻爆炸技術制備高致密度陶瓷涂層的方法。

本發明通過下述技術方案實現：一種利用高頻爆炸噴涂技術制備高致密度陶瓷涂層的方法，其步驟包括：

（1）將待噴涂陶瓷粉末置于干燥箱內在100℃下保溫1小時以上，除去粉末中的水分；

（2）采用酒精、丙酮等有機溶劑清洗待噴涂基體材料，清除基體表面的油脂；

（3）通過專用噴砂機，采用20-80目的白剛玉或棕剛玉砂粒、0.2-0.6MPa的噴砂壓力對基體表面進行噴砂粗化處理，增加基體表面粗糙度；

（4）將基體固定在工作臺上，采用六軸機器人夾持的高頻爆炸噴涂設備制備陶瓷涂層，噴涂工藝參數為：氧氣流量為4～10m³/h，可燃氣體流量0.7～2.0 m³/h，壓縮空氣流量0.2～4 m³/h，槍管長度300～600mm，送粉速率60～150g/min，噴涂速率20～60次/秒，噴涂距離30～100mm；控制涂層單次厚度不超過50μm，經多次噴涂制備所需厚度涂層。

所述陶瓷粉末包括氧化鋁、氧化鉻、氧化鋯、氧化釔、硼化鋯、碳化硅、氧化硅或硅化鉬中的一種或兩種/兩種以上的混合物，粉末粒徑為5～45μm。

所述可燃氣體包括氫氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、丙炔或丁炔中的一種或兩種氣體的混合物。

所述高頻爆炸噴涂設備中可燃氣體和助燃氣體的爆炸腔為兩個或兩個以上，多個爆炸腔既相互關聯又相互獨立。

采用本發明方法制備的氧化鋁陶瓷涂層厚度為25～3000μm，涂層的孔隙率<2%，涂層的結合強度≥70MPa，涂層的顯微硬度＞1200HV_0.3。

本發明的有益效果為：與等離子噴涂技術相比，本發明采用的高頻爆炸噴涂技術制備的陶瓷涂層的致密度、結合強度和顯微硬度等性能有了顯著的提升，涂層的孔隙率<2%，涂層的結合強度≥70MPa，涂層的顯微硬度＞1200HV_0.3。可大幅延長陶瓷涂層在高速、高溫、高壓、重載、腐蝕等苛刻工況下的使用壽命。與常規爆炸噴涂技術相比，本發明采用的高頻爆炸噴涂技術的噴涂速率可達20～60次/秒，數倍于常規爆炸技術（2～8次/秒），涂層生產效率大幅提高，適合在對涂層質量要求高的軍用和民用領域推廣應用，如國防軍工、能源、冶金等。

具體實施方式

下面結合實例說明本發明的具體實施方式，但并不將本發明局限于這些具體實施方式。本領域技術人員應該認識到，本發明涵蓋了權利要求書范圍內所可能包括的所有備選方案、改進方案和等效方案。

本發明實施例一種利用高頻爆炸噴涂技術制備高致密度陶瓷涂層的方法，其步驟如下：

（1）選擇氧化鋁陶瓷粉末為待噴涂粉末，粉末粒徑為5～22μm，將該粉末置于干燥箱內在100℃下保溫1小時以上，除去粉末中的水分；

（2）選用316L不銹鋼為基體材料，采用酒精清洗基體材料，清除基體表面的油脂；

（3）通過專用噴砂機，采用20-40目的白剛玉砂粒、0.6MPa的噴砂壓力對基體表面進行噴砂粗化處理，增加基體表面粗糙度；

（4）將基體固定在工作臺上，采用六軸機器人夾持的高頻爆炸噴涂設備制備陶瓷涂層，選擇丙烷為可燃氣體，選擇兩個爆炸腔進行工作。具體噴涂工藝參數為：爆炸腔Ⅰ氧氣流量為2～3m³/h，丙烷流量0.3～0.5 m³/h，壓縮空氣流量1.0～1.5 m³/h，爆炸腔Ⅱ氧氣流量為3～4m³/h，丙烷流量0.5～0.9 m³/h，壓縮空氣流量0.8～1.5 m³/h，槍管長度500mm，送粉速率70～120g/min，噴涂速率30次/秒，噴涂距離60～80mm，控制涂層單次厚度不超過50μm，經多次噴涂制備所需厚度涂層。

經測試分析表明，制備的氧化鋁涂層厚度為200μm，結合強度為80MPa，顯微硬度為1289 HV_0.3，孔隙率為0.8%。