本發明涉及一種噴涂材料與轟擊微粒相結合實現的熱噴涂涂層成形方法，屬于熱噴涂技術領域。

背景技術：

熱噴涂是由大量受熱熔化或熔融的粒子高速飛行并沉積到基體表面形成涂層的一種工藝過程。熱噴涂的應用已涉及航空、汽車、冶金、印刷、化工等眾多工業領域，逐漸成為裝備再制造工程中的關鍵技術并被不斷發掘。

目前研究發現，熱的噴涂粒子扁平化沉積至基體表面后瞬間凝固形成的驟冷應力是涂層主要的殘余應力源，而且是不可避免的。正是由于涂層中驟冷應力的存在，因而使得大多數材料噴涂層的最終殘余應力總體上呈現拉應力，這對涂層的結合強度、熱沖擊、磨損以及疲勞等性能都會產生極為不利的影響，在噴涂加工及后續使用過程中易誘發翹曲變形、剝落，甚至開裂等失效行為。因此，針對涂層中殘余拉應力的不利影響，積極探索行之有效的應對方法，是熱噴涂技術領域的一項重要工作。

熱噴涂層的殘余應力源除了驟冷應力外，通常還包括熱失配應力，它是在涂層沉積完畢后冷卻至室溫這一過程中，由于涂層與基體材料熱膨脹系數的不匹配而形成的應力，當涂層材料熱膨脹系數大于基體材料時，表現為拉應力，反之為壓應力。另外，少數噴涂材料在沉積過程中會誘發相變壓應力。熱失配壓應力和相變壓應力可以抵消一部分驟冷拉應力，對削弱總體殘余應力的不利影響有好處，但是，它們受噴涂材料的限制，不具備普遍性。

值得注意的是，高速火焰噴涂(hvof或hvaf)可謂是熱噴涂技術當中的一枝獨秀，從最初的發明到現在也只不過是三十幾年的時間，目前卻已成為熱噴涂當中發展最迅速、應用最廣泛的技術之一。一方面，這得益于高速火焰噴涂技術相當高的粒子飛行速度，其使得制備金屬、陶瓷及復合涂層時優勢相當明顯，另一方面，由于高速火焰噴涂的火焰溫度適中，使得噴涂一些陶瓷粉末或高熔點金屬粉末的涂層時，粉末材料沒有完全熔化，具有一定的彈塑性應變能，粉末高速沉積到待噴涂表面時，會產生相當于噴丸效果的錘擊壓應力，這極大削弱了因驟冷拉應力帶來的許多不利影響，使得涂層的總體質量大幅度提升。

冷噴涂技術正是充分利用了噴涂粒子高速撞擊待噴涂表面而產生的錘擊效應，從而使涂層呈現壓應力，但是由于噴涂粒子的溫度很低，必須要求粒子的飛行速度足夠高且材料易塑性變形，才能完成涂層的可靠沉積。

由此可見，設計出一種在熱噴涂過程中可改善涂層內部的殘余應力分布，同時不影響噴涂材料的沉積效果，進而產生涂層的性能強化效應，提高涂層性能的技術方案，是目前急需深入挖掘的方向。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種噴涂材料與轟擊微粒相結合實現的熱噴涂涂層成形方法，其通過簡單有效、低成本的方法解決了現有熱噴涂層殘余拉應力大、涂層質量不高等問題，改善了涂層內部的殘余應力分布的同時，不影響噴涂材料的沉積效果，進而產生涂層性能強化效應，提高了涂層的本征性能及使用性能。

為了實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

一種噴涂材料與轟擊微粒相結合實現的熱噴涂涂層成形方法，其特征在于，它包括步驟：噴涂材料通過噴涂熱源加熱至熔融或完全熔化狀態，并通過氣體射流加速推動，撞擊到基體表面或已沉積的涂層表面發生扁平化沉積并不斷疊加而實現增厚成形，與此同時，具有彈塑性應變能的轟擊微粒在同一氣體射流或單獨氣體射流的作用下轟擊已經扁平化沉積的涂層，與涂層碰撞后部分或全部發生反彈而耗散，其中：轟擊微粒轟擊涂層前的受熱溫度低于其熔點。

當所述噴涂材料與所述轟擊微粒使用同一氣體射流時，所述噴涂材料與所述轟擊微粒在相同位置點處進入氣體射流中并發生摻混，或在不同位置點處進入氣體射流中且在氣體射流的下游發生摻混，摻混后所述噴涂材料與所述轟擊微粒飛行經過相同的熱噴涂環境。

當所述噴涂材料與所述轟擊微粒分別使用不同的氣體射流時，所述轟擊微粒飛行經過的熱噴涂環境與所述噴涂材料飛行經過的熱噴涂環境各自獨立或部分路徑重疊。

所述噴涂熱源為通過電弧、等離子體或燃燒火焰獲得的熱源。

當所述噴涂材料為粉末時，用于涂層成形的熱噴涂設備為粉末等離子噴涂設備或粉末火焰噴涂設備，其中：粉末火焰噴涂設備為普通火焰噴涂設備或高速火焰噴涂設備。

當所述噴涂材料為絲材時，用于涂層成形的熱噴涂設備為電弧噴涂設備、絲材等離子噴涂設備或絲材火焰噴涂設備。

所述轟擊微粒的材質為金屬或非金屬材質。所述轟擊微粒的形狀為外形規則的球形或圓柱形丸粒，或者帶有棱角的砂粒狀顆粒。

本發明的優點是：

1、在熱噴涂過程中，本發明利用轟擊微粒具有的彈塑性應變能特性對已沉積的涂層表面進行同步轟擊，在實現噴涂材料有效沉積和增厚成形的同時，轟擊微粒產生“夯實”效應，改善了涂層內部的殘余應力分布，即降低殘余拉應力，在合理范圍內增大殘余壓應力，從而顯著削弱了涂層沉積誘發驟冷應力(拉應力)的不利影響，涂層的總體質量和性能得到了提升與強化，涂層的本征及使用性能被大幅提高。

2、本發明與現有高速火焰噴涂(或稱超音速火焰噴涂)，甚至冷噴涂技術相比，現有高速火焰噴涂、冷噴涂技術雖改善了殘余應力分布，但對噴涂材料、沉積速度等方面的限制較多，適用范圍較窄，而本發明提出的這種噴涂工藝對噴涂材料、轟擊微粒的限制少，可靈活變通設計，操作便捷，通用性強，實施成本低，適應范圍較廣，可針對不同的熱噴涂工藝和噴涂材料合理選擇轟擊微粒及工藝來實施。

附圖說明

圖1是本發明的實施流程圖。

圖2是本發明實施例1的說明圖。

圖3是不同混合比例下的混合粉料噴涂所得的涂層表面殘余應力曲線圖。

圖4a是未添加轟擊微粒噴涂所得涂層的截面形貌圖。

圖4b是添加30％轟擊微粒噴涂所得涂層的截面形貌圖。

圖5是不同混合比例下的混合粉料噴涂得到的涂層顯微硬度曲線圖。

圖6是本發明實施例2的說明圖。

圖7是未添加轟擊微粒與添加轟擊微粒條件下噴涂所得涂層的表面殘余應力隨機測試分布圖。

圖8a是未添加轟擊微粒噴涂所得涂層的截面形貌圖。

圖8b是添加了轟擊微粒噴涂所得涂層的截面形貌圖。

圖9是本發明實施例3的說明圖。

圖10是不同載氣壓力下噴涂所得涂層的表面殘余應力曲線圖。

圖11是本發明實施例4的說明圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明噴涂材料與轟擊微粒相結合實現的熱噴涂涂層成形方法包括下述步驟：

噴涂材料通過噴涂熱源加熱至熔融或完全熔化狀態(即接近或超過噴涂材料的熔點)，通過高動能的氣體射流加速推動，高速撞擊到諸如工件的基體表面或已沉積的涂層表面，與此同時，具有一定彈塑性應變能的轟擊微粒在同一氣體射流(即噴涂材料與轟擊微粒使用同一氣體射流)或單獨氣體射流(即噴涂材料與轟擊微粒分別使用不同的氣體射流)的作用下轟擊已經扁平化沉積的涂層，通過調節與噴涂和微粒轟擊相關的工藝參數，部分(通常為大部分)或全部轟擊微粒與涂層碰撞后發生反彈而耗散，其中：轟擊微粒的熔點高于其在整個熱噴涂過程中所承受的溫度，即受熱溫度，換句話來說，轟擊微粒飛行經過高于常溫的熱噴涂環境時發生受熱，使得轟擊微粒的溫度上升，但是即使到轟擊微粒與涂層材料發生碰撞時，轟擊微粒受熱升溫的值也不能超過轟擊微粒本身的熔點，這樣轟擊微粒在碰撞前必然具備彈塑性應變能，從而達到轟擊的效果。

通常，轟擊微粒受熱的溫升值越小，碰撞速度越高，轟擊效果越明顯，即噴涂材料所遭受的塑性應變和殘余壓應力也越大。而且，轟擊微粒的溫升值和飛行速度可以通過改變推動轟擊微粒的射流能量以及轟擊微粒的材質、尺寸及形態等參數來調節。

通常地，絕大多數的轟擊微粒在碰撞的作用下都會反彈耗散，只有極少部分的轟擊微粒隨噴涂材料一起沉積，這可通過調節噴涂和轟擊工藝來減小轟擊微粒的沉積量，且并不會影響熱噴涂所得涂層的性能。

在本發明中，噴涂材料在熱噴涂過程中會被加熱至熔融或完全熔化狀態，但轟擊微粒的熔點高于其所飛行經過整個熱噴涂環境的溫升值，進而不會被熔化。進一步來說，轟擊微粒在從進入相應熱噴涂設備到與涂層發生碰撞的整個熱噴涂過程中，溫度上升很有限，因而其仍可具有一定的彈塑性應變能，從而用來實現轟擊碰撞已經扁平化沉積的涂層。

當噴涂材料與轟擊微粒使用同一氣體射流時，噴涂材料與轟擊微粒在相同位置點處進入氣體射流中并發生摻混，或在不同位置點處進入氣體射流中且在氣體射流的下游發生摻混，摻混后，噴涂材料與轟擊微粒飛行經過相同的熱噴涂環境，此種情況下，轟擊微粒的熔點通常要求較高，以使得其溫度雖然上升較大，但可仍然保持較高的應變能而利于產生轟擊效應。

當噴涂材料與轟擊微粒分別使用不同的氣體射流時，轟擊微粒飛行經過的熱噴涂環境與噴涂材料飛行經過的熱噴涂環境各自獨立或小部分路徑重疊，此種情況下，可以讓轟擊微粒的受熱溫度較小，進而可選擇熔點可高可低的轟擊微粒，不受局限。

在本發明中，噴涂熱源為通過電弧、等離子體或燃燒火焰獲得的熱源，應用范圍較廣。

在實際實施時，當噴涂材料選用粉末時，用于涂層成形的熱噴涂設備可為粉末等離子噴涂設備或粉末火焰噴涂設備，其中：粉末火焰噴涂設備可為普通火焰噴涂設備或高速火焰噴涂設備。

例如，實施粉末熱噴涂時，相對低熔點粉末中可混入高熔點的轟擊微粒，如砂料或陶瓷丸料等微粒，這樣，粉末與混入的轟擊微粒雖然要共同經受加熱，但由于轟擊微粒的熔點高于受熱溫度，因此當它們到達基體表面時，粉末已被加熱到接近或超過其熔點，而轟擊微粒雖有一定的受熱，但其熔點遠高于其受熱溫度，因而可以保持較高的轟擊碰撞能量。

再例如，實施粉末熱噴涂時，粉末被送入噴槍的高溫區(或者說提前進入噴槍加熱)，而轟擊微粒(砂料或丸料)被送入噴槍的低溫區(或者說晚些進入噴槍中加熱)，這樣可以減少轟擊微粒的受熱時間，從而使其受熱溫度遠低于自身熔點，確保在轟擊涂層時具有相對低的溫度而保持較高的轟擊碰撞能量。

再例如，實施粉末熱噴涂時，粉末通過噴槍的高溫高速氣體射流加熱和加速，而轟擊微粒通過另外的噴槍設備以低溫氣體射流加速噴向沉積斑點，從而在保證粉末噴涂射流與轟擊微粒射流二者間相互匹配、同步運行的基礎上，確保轟擊微粒保持極低的溫度來對熱的沉積涂層進行轟擊。

在實際實施時，當噴涂材料選用絲材時，用于涂層成形的熱噴涂設備可為電弧噴涂設備、絲材等離子噴涂設備或絲材火焰噴涂設備。

例如，實施絲材噴涂時，轟擊微粒可通過粉末的形式注入噴涂材料的熱噴涂射流中或以單獨低溫氣體射流噴向沉積斑點，從而確保轟擊微粒保持較低的溫度來對熱的沉積涂層進行轟擊。

少數情況下可以采取粉芯絲材的形式來進行噴涂成形，即轟擊微粒作為填充用粉末的全部或一部分，并用金屬外皮包覆這種填充粉末而制成粉芯絲材。當使用這種粉芯絲材實施噴涂時，在轟擊微粒的材料設計、熱噴涂設備的選擇等因素上，需要滿足轟擊微粒不會過度受熱，而絲材中其它成分能夠充分加熱并可靠的沉積。

如圖1所示，在實施熱噴涂前，較佳地，還應先對基體表面進行充分的預處理(凈化、粗化和活化處理)，即對待噴涂的基體表面進行除油、除銹、噴砂(或電拉毛)等預處理，以保證噴涂材料與基體表面之間能夠可靠結合。

在熱噴涂時，通過調節相應氣體射流的壓力、溫度來調節噴涂材料和轟擊微粒的受熱溫度、飛行速度以及流量等參數，同時通過選擇設計轟擊微粒的材質、形狀、粒度等參量，來滿足不同熱噴涂技術、不同噴涂材料條件下對轟擊微粒的要求，進而既能保證轟擊微粒撞擊已沉積的涂層表面后能夠可靠地脫附，又可利于后續噴涂材料在已轟擊涂層表面上的可靠沉積，并避免沉積涂層因遭受過度轟擊而剝離的可能，來達到高質量轟擊效果。

實施例1：

如圖2所示，采用高速火焰噴涂混有粉末和高熔點轟擊微粒的復合粉料。具體來說，噴涂材料50選用febsinb非晶粉末50g，轟擊微粒60選用白剛玉砂，噴涂材料50與轟擊微粒60按質量比9∶1或8∶2或7∶3或6∶4或5∶5等比例混合均勻，其中：非晶粉末的粒度為-325～200目，熔點為1220℃；白剛玉砂的粒度為-150～100目，其主要成分為al2o3，al2o3的含量在95％～97％，al2o3的熔點為2054℃。熱噴涂設備選用火焰噴涂槍30，其噴涂熱源為圖2所示的點火器31引燃燃料32和助燃氣33的混合物產生的燃燒火焰。待噴涂的基體10選用70mm×30mm×8mm的45#鋼。

噴涂前先對45#鋼進行除油、除銹、噴砂預處理。然后將配比好的混合粉料通過噴涂槍30進行火焰噴涂，噴涂參數為：c2h2流量1.3m³/h，o2流量0.7m³/h，送粉速率35g/min，噴涂距離180mm，冷卻空氣壓力0.4mpa。圖2示意性地示出了沉積的涂層20。

圖3為不同混合比例下的混合粉料噴涂得到的涂層表面殘余應力曲線。從圖3可以看到，添加轟擊微粒后噴涂所得的涂層表面殘余拉應力都有所降低。當噴涂材料50與轟擊微粒60按質量比8∶2的比例混合時，殘余拉應力降低幅度最大，可達43.8％。

圖4a、圖4b分別為未添加轟擊微粒噴涂所得涂層的截面形貌、添加了30％轟擊微粒(噴涂材料50與轟擊微粒60按質量比7∶3的比例混合均勻)噴涂所得涂層的截面形貌。圖4a和圖4b所顯示的形貌大體分為上下三層，最底層為基體，中間層為噴涂所得涂層，最頂層為制備金相試樣時所用的鑲樣材料。從圖4a和圖4b可以看到，未添加轟擊微粒噴涂所得涂層的孔隙率較大，約為1.2％，而添加了轟擊微粒噴涂所得的涂層非常致密均勻，孔隙率較小，僅為0.5％左右，下降了58.3％。

圖5為不同混合比例下的混合粉料噴涂得到的涂層顯微硬度曲線。從圖5可以看到，經過轟擊微粒轟擊后，涂層的硬度明顯改善，硬度最高可達794.7hv，比未添加轟擊微粒噴涂所得涂層的硬度672.4hv提高了18.1％。

實施例2：

如圖6所示，采用高速火焰噴涂，但粉末送入射流高溫區，轟擊微粒送入射流低溫區。具體來說，噴涂材料50選用fecrbsinb非晶粉末，粒度為-325～200目，熔點為1350℃。轟擊微粒60選用白剛玉砂，粒度為-150～80目。熱噴涂設備選用煤油燃料高速火焰噴涂槍40，其噴涂熱源為圖6所示的點火器41引燃燃料42和助燃氣43的混合物產生燃燒形成的高溫高速火焰射流。待噴涂的基體10選用70mm×30mm×8mm的45#鋼。

噴涂前先對45#鋼進行除油、除銹、噴砂預處理。煤油燃料高速火焰噴涂槍40的噴涂參數為：o2流量45.0nm³/h，煤油流量21.0l/h，燃燒室壓力6.5bar，噴涂距離250mm，噴槍移動速度800mm/s，噴涂材料50的送粉速率35g/min，轟擊微粒60的送粉速率15g/min。圖6示意性地示出了沉積的涂層20。

圖7為未添加轟擊微粒與添加轟擊微粒條件下噴涂所得涂層的表面殘余應力隨機測試分布圖，圖中橫坐標為測試序號，表示第1、2、3、……、6次測試。從圖7可以看出，通過對添加轟擊微粒后噴涂得到的涂層表面殘余應力進行6次隨機測試，6次測試得到的殘余應力均值為-114.5mpa。通過對未添加轟擊微粒噴涂得到的涂層表面進行6次隨機測試，6次測試得到的殘余應力均值為-57mpa。因此可以看出，添加轟擊微粒條件下與未添加轟擊微粒條件下相比，殘余壓應力提高了約1倍，且殘余應力的波動起伏范圍變小，變得更加平穩。

圖8a、圖8b分別為未添加轟擊微粒噴涂所得涂層的截面形貌、添加了轟擊微粒噴涂所得涂層的截面形貌。從圖8a、圖8b可以看到，未添加轟擊微粒噴涂所得涂層中的沉積粒子相互搭接界面較明顯，而添加轟擊微粒后噴涂得到的涂層更加致密均勻。由此可見，轟擊微粒的撞擊可以有效增加沉積粒子的塑性變形，增大殘余應力，改善涂層質量。

實施例3：

如圖9所示，噴涂材料50通過火焰噴涂槍70的射流受熱、加速，在基體10表面上沉積形成涂層20，其噴涂熱源為圖9所示的點火器71引燃燃料72、助燃氣73的混合物形成的燃燒火焰射流。轟擊微粒60通過另一噴涂設備——噴丸槍80的低溫氣體射流加速噴向沉積斑點。

具體來說，噴涂材料50選用fecrbsinb非晶粉末，粒度為-325～200目，熔點為1350℃。轟擊微粒60選用不銹鋼切丸，粒度為1.2mm～2mm。基體10選用70mm×30mm×8mm的45#鋼。

噴涂前先對45#鋼進行除油、除銹、噴砂預處理。火焰噴涂槍70的噴涂參數為：c2h2流量1.3m³/h，o2流量0.7m³/h，送粉速率35g/min，噴涂距離180mm，冷卻空氣壓力0.4mpa。轟擊微粒60通過壓送式噴丸槍80與火焰噴涂槍70協同作業，通過調節氣體壓力控制噴丸強度，噴丸槍80的氣體壓力設定為0.2mpa～0.4mpa。圖9示意性地示出了沉積的涂層20。

圖10為在轟擊微粒的不同載氣壓力下制備出的涂層表面殘余應力曲線。從圖10可以看出，未經過轟擊微粒撞擊噴涂(即圖中載氣壓力為0mpa對應的工藝)所得涂層的表面殘余應力為拉應力，殘余應力值為256mpa，轟擊微粒60在0.2mpa氣壓下撞擊噴涂得到的涂層表面殘余應力仍然為拉應力，殘余應力平均值為31mpa，而轟擊微粒60在0.4mpa氣壓下撞擊噴涂得到的涂層表面殘余應力已變為壓應力，殘余應力平均值為-115mpa。由此可見，經過轟擊微粒的轟擊后，涂層的殘余應力從拉應力不斷減小，甚至變為了壓應力，得到了較大的改善。

實施例4：

如圖11所示，噴涂材料為絲材，通過電弧熔化并經高速霧化氣流(主氣流)加速霧化，另一股氣體射流(二次氣流)對注入的轟擊微粒進行加速，形成轟擊粒子流，噴射到電弧區域。轟擊微粒受電弧加熱的影響很小，最終形成絲材熔滴和轟擊微粒的混合流，完成熔滴噴涂沉積與轟擊微粒撞擊一體化成形涂層。

具體來說，噴涂材料50選用febsinb非晶粉芯絲材，轟擊微粒選用棕剛玉噴涂砂，粒度為-120～80目。熱噴涂設備選用高速電弧噴槍90。基體10選用70mm×30mm×8mm的45#鋼。

噴涂前先對45#鋼進行除油、除銹、噴砂預處理。電弧噴槍90的噴涂參數為：電壓36v，電流200a，噴涂距離180mm，噴涂材料的輸送氣壓0.75mpa，轟擊微粒的輸送氣壓0.75mpa。圖11示意性地示出了沉積的涂層20以及電弧噴槍90形成的電弧100。

從試驗結果可以看出，經過轟擊微粒撞擊后得到的涂層內部殘余應力都表現為壓應力，涂層與基體的結合強度有較大的提升，且涂層變得更加密實，總之，在轟擊微粒作用下，涂層的各種性能都得到了明顯的改善與提高。

本發明的這種熱噴涂工藝并不局限于某一特定的熱噴涂技術，除了本發明實施例所述的熱噴涂技術外，還可用于其它熱噴涂技術。熱噴涂材料也不限于實施例所述的非晶粉末或絲材。

轟擊微粒的材質選擇也不局限于某一特定的材料，其可為金屬或非金屬材質，除實施例提及的材料之外，wc、zro2等具有較高熔點的材料也可用做轟擊微粒，另外，轟擊微粒的形狀、粒度也不受局限，通常來講粒度在10μm～2mm范圍內都可適用，形狀可以是球形、圓柱形等外形規則的丸粒，也可以是帶有尖銳棱邊的砂粒狀不規則顆粒。

轟擊微粒選用硬質或非硬質材質都行。轟擊微粒的硬度不一定要高于涂層材料的硬度，因為噴涂材料在沉積凝固時還保持較高的溫度，從而具備較好的塑性變形能力，只要轟擊微粒的硬度便于轟擊微粒撞擊涂層時不會因自身過度塑性變形粘黏在涂層上而不便脫離。

本發明的優點是：

在熱噴涂過程中，本發明利用轟擊微粒具有的彈塑性應變能特性對已沉積的涂層表面進行同步轟擊，在實現噴涂材料有效沉積和增厚成形的同時，轟擊微粒產生“夯實”效應，改善了涂層內部的殘余應力分布，即降低殘余拉應力，在合理范圍內增大殘余壓應力，從而顯著削弱了涂層沉積誘發驟冷應力(拉應力)的不利影響，涂層的總體質量和性能得到了提升與強化，涂層的本征及使用性能被大幅提高。并且，本發明提出的這種噴涂工藝對噴涂材料、轟擊微粒的限制少，可靈活變通設計，操作便捷，通用性強，實施成本低，適應范圍較廣，可針對不同的熱噴涂工藝和噴涂材料合理選擇轟擊微粒來實施。

以上所述是本發明較佳實施例及其所運用的技術原理，對于本領域的技術人員來說，在不背離本發明的精神和范圍的情況下，任何基于本發明技術方案基礎上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本發明保護范圍之內。