超音速等离子喷涂WC_Co涂层的工艺优化.pdf

第5 8 卷第2 期 20 06 年5 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N o ．2 M a v2006 超音速等离子喷涂W C ／C o 涂层的工艺优化 鲍君峰，于月光，刘海飞 北京矿冶研究总院金属材料研究所，北京 10 0 0 4 4 摘 要采用国内新研制的超音速等离子喷涂 S ．A P S 设备制备W C ．1 2 C o 涂层，探讨其影响因素。结果表明，喷涂距离和送 粉量不变时，粒子平均温度和平均速度随功率增加而增加。功率和送粉量不变时，粒子平均温度和平均速度随喷涂距离的增加而 降低。喷涂距离不变时，粒子速度随送粉量的增加呈先增后减的趋势，粒子温度随送粉量的增加而下降，电压对粒子的速度影响 较大，粒子速度随电压的增大而增大，电流对粒子温度影响较大，粒子温度随电流的增大而增大。超音速等离子喷涂W C - 1 2 C o 粉 末的最佳工艺参数为功率5 6 k W 电压1 4 0 V ，电流4 0 0 A ，氩气流量3 ．8 m 3 ／h ，氢气流量0 ．1 5 m 3 ／h ，氮气流量0 ．6 0 m 3 ／h ，喷涂距离 1 0 0 m m ，送粉量5 0 9 ／m i n 。 关键词金属材料；W C ．1 2 C o 涂层；超音速等离子喷涂 S - A P S ；S p r a yW a t c hC C D 中图分类号T G l 7 4 ．4 4 2文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 2 0 0 2 2 0 4 热喷涂W C C o 涂层具有较高的硬度和耐磨性， 广泛地应用于许多领域，如提高涡轮发动机钛合金 叶片、空气导管等部件耐磨性和喷涂修复。然而，在 采用大气等离子喷涂工艺进行的喷涂过程中，碳化 钨粉末在高温等离子射流中易发生氧化、脱碳和烧 损，致使涂层的硬度、结合强度和致密度都较低nJ 。 超音速等离子喷涂由于射流速度大幅度提高，粉末 与射流作用时间短，喷涂W C - C o 涂层的氧化和失碳 问题比常规等离子喷涂大为减轻，这方面与超音速 火焰喷涂W C C o 涂层的特点相似，并且成本相对较 低L 2J 。采用国内装甲兵工程学院自行研制的低功 率、小气体流量超音速等离子喷涂系统1 3J H E P J e t 喷涂W C 一1 2 C o 粉末，采用先进的S p r a yW a t c hC C D 在线测试系统对超音速等离子射流中的粉末颗粒的 速度和温度进行监控，通过相应的数据采集，经过 C C D 系统的图像处理，可在屏幕上直接观测到粒子 的速度温度分布，由此来调控和优化喷涂参数。 1实验方法 1 ．1 试验材料与预处理 试验用粒度范围为3 8 ～4 5 ／- m ，呈球状的W C 一 1 2 C o 喷雾干燥粉末，基体材料为4 5 钢。喷涂试样 尺寸为2 5 m m 1 6 r a m 6 r a m ，喷涂前对试样待喷涂 表面的油污用8 0 汽油清洗掉，待其自然挥发干后 收稿日期2 0 0 5 1 1 1 1 作者简介鲍君峰 1 9 8 0 一 ，男，辽宁营口市人，硕士生．主要从事 热喷涂粉末及工艺等方面的研究。 再用丙酮清洗试样表面，然后用2 0 8 的刚玉砂对基 体表面进行吹砂粗化处理。 1 ．2 喷涂过程工艺参数监控 采用S p r a y W a t c h 一2 iC C D 在线测试系统对超音 速等离子射流及粉末粒子的飞行速度及温度等进行 在线监测，为工艺参数的选择提供更直观可靠的依 据，基本原理见图i 。在S p r a yW a t c h 系统中，通过 短曝光数字C C D 照相系统，根据飞行粒子亮度，捕 捉其图像。用计算机的数字图像处理技术对粒子图 像进行处理，从而可以计算出每幅图中的粒子数目 和粒子速度。用光谱图像信息。进一步确定高温粒 子表面温度。这个系统可以确定粒子数目、速度及 单个飞行粒子的温度分布【4 - 8J 。 S p a y W a t c h L L u ～～～ 年每 喷枪 L _ 喷涂距离扎。1 0 1 ； J L 。‘‘ S p l a y W a t c h 卡H 机单元 图1 S p r a y W a t c hC C D 在线测试原理 F i g ．1 S c h e m eo fo n l i n et e s ts y s t e m o fS p r a yW a t c hC C D 万方数据 第2 期鲍君峰等超音速等离子喷涂W C ／C o 涂层的工艺优化 2 3 2 试验结果与讨论 2 ．1 喷涂距离和送粉量不变时功率对粒子速度和 温度的影晌 在以往经验和喷涂工艺手册的指导下，确定喷 涂距离为1 0 0 r a m ，送粉量5 0 9 ／r a i n 。从图2 a 可以 2 “ I 2 4 X 酬 j 羞 N 、 粲2 2 x 】 2 X X l 3 04 050砷7 0 功率，l w a 粒子温度随功率的变化 看出，粒子平均温度随功率增加而增加。从图2 b 可以看出，粒子平均速度随功率增加而增加，但当功 率增加到5 6 k W 后，速度增加缓慢，并有下降的趋 势。这是由于功率加大导致粉末过熔，反而阻碍了 速度的提高，因此，在送粉量不变的前提下，5 6 k w 后增加的功率对速度的提高贡献不大。 4 『砌 f3 5 0 越3 0 0 倒 心， 彝2 5 0 2 m 1 Ⅲ姒l5 0H 功率，l w b 粒子速度随功率的变化 图2 粒子速度和温度随功率的变化 F i g ．2 V a r i a t i o no fp a r t i c l ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ew i t hp o w e r 因此，当送粉量为5 0 9 ，喷涂距离为1 0 0 m m 时， 功率选择在5 6 k w 左右，既可保证有较高的粒子速 度还可以使喷涂W C C o 粉末的温度不至于太高。 2 ．2 功率和送粉量不变时喷涂距离对粒子速度和 温度的影响 喷涂功率为5 6 k w 电压1 4 0 V ，电流4 0 0 A ，氩 气流量3 ．8 m 3 ／h ，氢气流量0 ．1 5 m 3 ／h ，氮气流量 2 4 【XJ 一 交2 2 ’ 止 粲2 R R 。 6 IH 11 I H 1 2 01 4 喷涂距离／r a m a 粒子温度随喷涂距离的变化 0 ．6 0 m 3 ／h 。由图3 a 可知，粒子平均温度随喷涂距 离增加而降低，在喷涂距离增加到l O O m m 后，粒子 平均温度下降明显。图3 b 表明，粒子平均速度随 喷涂距离增加而降低，但在喷涂距离8 0 ～1 1 0 m m 时，速度下降缓慢。因此，喷涂距离选择在1 0 0 r a m 左右，可以保证喷涂有合适的温度和速度。 4 4 0 ， 04 ． H I 三 、 赵{ “ 浏 “ 彝3 2 2 H } “8 I1 0 01 2 l }l4 f 喷涂距离／n u n h 粒子速度随喷涂距离的变化 图3粒子速度和温度随喷涂距离的变化 F i g ．3 V a r i a t i o no fp a r t i c l ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ew i t hs p r a yd i s t a n c e 2 ．3 喷涂距离不变时功率和送粉量对粒子速度和有最佳的匹配关系。送粉量过小，粉末受热氧化烧 温度的影响 蚀太多，涂层中夹着较多的烟尘，过熔粒子相互撞击 首先保持喷涂距离1 0 0 m m 不变，电压1 4 0 V 不 导致射流紊乱，反而影响速度的提高。送粉量过大， 变，电流从3 5 0 A 增至能稳定该电压的最大值，通过 涂层中夹杂的生粉多，粉末撞击工件时变形不充分， 分析粒子速度和温度的变化规律确定该电压下的最 并有较多的粉末弹跳损失，也影响速度的提高。由 佳功率。由图4 a 知，粒子速度随送粉量的增加呈 图4 b 知，粒子温度随送粉量的增加而下降，这是 先增后减的趋势，这是由于功率和送粉量之间需要、由于每种功率下的焰流温度是一定的，送粉量的增 万方数据 2 4有色金属第5 8 卷 加必定消耗一定的热量来熔融粉末粒子。 保持喷涂距离l O O m m 不变，电压从1 4 0 V 增至 最大值，电流为能稳定该电压的最大值，通过分析粒 子速度和温度的变化规律确定喷涂W C C o 粉末的 最大功率。由图5 a 可知，电压对粒子的速度影响 较大，粒子速度随电压增大而增大，这是由于增加气 体流量能够提高电弧电压。原因在于气体流量的 增加使气体对电流的冷压缩能力增强，电弧的直径 变细，冷气壁的厚度变厚，因而电弧与喷嘴之间的冷 气壁不易被电弧击穿；气体对电弧的流体气动力也 随着流量增加而加强，气动力会拖拽着阳极入射点 向喷嘴的下游漂移，使电弧变长。由图5 b 知，电 流对粒子温度影响较大，粒子温度随电流增大而增 大。这是因为电流密度的增加是等离子体发生剧烈 的离解和电离反应而形成的，这两个过程都会吸收 大量的能量，导致等离子体的温度剧烈的升高。 3 04 05 I 6 0 3 04 05 J6 0 送粉量／ gr a i n “送粉量／ g ．r a i n 一1 a 粒子速度随粉量的变化 b 粒子温度随送粉量的变化 图4 粒子速度和温度随送粉量的变化 F i g ．4 V a r i a t i o no fp a r t i c l ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ew i t hp o w d e rf e e d i n gq u a n t i t y 4 0 4 55 5 5“l 6 5 送粉量／ gm i n ‘ a 粒子速度随电压的变化 4 0 4 55 05 56 16 5 送粉量／ g ．m i n 一‘ b 粒子温度随电流的变化 图5 粒子速度和温度随功率的变化 F i g ．5 V a r i a t i o no fp a r t i c l ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ew i t hp o w e r 2 ．4 超音速等离子喷涂W C ．1 2 C o 粉末粒子状态 图6 为采用S p r a yW a t c hC C D 在线测试系统测 得的超音速等离子射流及粉末粒子的飞行速度、温 度及颗粒尺寸分布等参数的变化曲线。图6 显示了 经工艺优化后，在超音速等离子射流中测得的粒子 飞行速度、温度和粒子尺寸均呈正态分布，反映出喷 涂粒子大多数进入并集中在射流的中轴线附近，大 多数粒子的速度在4 2 5 m ／s 附近，粒子表面温度集 中在2 6 0 0 ℃左右，从而保证了喷涂材料熔化的均匀 性和形成涂层质量的均匀性。 由此优化的工艺参数为功率为5 6 k w 电压 1 4 0 V ，电流4 0 0 A ，氩气流量3 ．8 m 3 ／h ，氢气流量 0 ．1 5m 3 ／h ，氮气流量0 ．6 0m 3 ／h ，喷涂距离l O O m m ， 图6S p r a yW a t c hC C D 在线测试系统测得 的粉末粒子状态 F i g ．6 S t a t eo fp o w d e rp a r t i c l eb yt e s t e d S p r a yW a t c hC C Ds y s t e m 饼 甜 似 鼠 Ⅸ Ⅸ 拍 黔 黔 斟 帅 黔 p 、髓赠m 梨 坝 绷 埘 坝 缄 一。ⅢJ、越糊卜翼 H X N X X H 拍 巧 蚪 孙 必 引 p、豁l士粲 坝 槲 矧 州 鞭 一。，山＼越幽卜粱 万方数据 第2 期鲍君峰等超音速等离子喷涂W C ／C o 涂层的工艺优化 2 5 送粉量5 0 9 ／m i n 。 3结论 喷涂距离和送粉量不变时，粒子平均温度和平 均速度随功率增加而增加。功率和送粉量不变时， 粒子平均温度和平均速度随喷涂距离的增加而降 低。喷涂距离不变时，粒子速度随送粉量的增加呈 先增后减的趋势，粒子温度随送粉量的增加而下降， 参考文献 电压对粒子的速度影响较大，粒子速度随电压的增 大而增大，电流对粒子温度影响较大，粒子温度随电 流的增大而增大。 超音速等离子喷涂W C ．1 2 C o 粉末的最佳工艺 参数为功率5 6 k W 电压1 4 0 V ，电流4 0 0 A ，氩气流 量3 ．8 m 3 ／h ，氢气流量0 ．1 5 m 3 ／h ，氮气流量 0 ．6 0 m 3 ／h ，喷涂距离1 0 0 r a m ，送粉量5 0 9 ／m i n 。 [ 1 ] Z i m m e r m a n nS ，K e l l e rH ，s c h 耐e rG ．N e wc a r b i d eb a s e dm a t e r i a l sf o rs p r a y i n g [ C ] ／／T h e r m a lS p r a y2 0 0 3 A d v a n c i n gt h eS e i e n c e A p p l y i n gt h eT e c h n o l o g y ．O h i o ，U S A A S MI n t e r n a t i o n a l ，M a t e r i a l sP a r k ，2 0 0 3 2 2 7 2 3 3 ． [ 2 ] 王海军，韩志海，周世魁，等．H E H e t 超音速等离子喷涂系统制备w C C o 涂层的性能特点[ C ] ／／第七届国际热喷涂研讨 会 I T S S ’2 0 0 4 论文集．珠海中国表面工程协会热喷涂专业委员会，2 0 0 4 2 2 2 7 ． [ 3 ] 张平，王海军，朱胜，等．高效能超音速等离子喷涂系统研制[ J ] ．中国表面工程，2 0 0 3 ，1 6 3 1 2 1 6 ． [ 4 ] F i s c h e rA ，S e e m a n nK ，L u g s c h e i d e rE ．I n f l u e n c eo fn o i s ef a c t o r sa ta t m o s p h e r i cp l a s m as p r a y i n g [ C ] ／／P r o c e e d i n g so fI T S C 2 0 0 2 ．E s s e n ，G e r m a n y A S M T S S ，I I W ，D V S ，2 0 0 2 1 0 0 7 1 0 1 0 ． [ 5 ] L u g s c h e i d e rE ，F i s c h e rA ，K o c hD ．D i a g n o s t i c so fi n f l i g h tp a r t i c l ep r o p e r t i e sa n dr e s u l t i n gc o a t i n gq u a l i t i e so na t m o s p h e r i cp l a s m as p r a y i n gp r o c e s s [ C ] ／／P r o c e e d i n g so fI T S C2 0 0 1 ．S i n g a p o r e A S M T S S ，1 1 w ，D V S ，2 0 0 1 7 5 1 7 5 8 ． [ 6 ] H n t e nE ，V a t t u l a i n e nJ ，A l a h a u t a l aT ．O p t i m i s a t i o na n dm o n i t o r i n go fs p r a yp a r a m e t e r sb yaC c Db a s e di m a g i n gt h e r m a ls p r a y m o n i t o r [ C ] ／／P r o c e e d i n g so fI T S C2 0 0 1 ．S i n g p o r e A S M T S S ，I I W ，D V S ，2 0 0 1 7 2 7 7 3 6 ． [ 7 ] L a n d e sKD ，S t r e i b e lTV ，Z i e r h u tJ ．P a r t i c l ef l u xi m a g i n g { P F I { a n dp a r t i c l es h a p ei m a g i n g { P S I { t w oi n n o v a t i v ed i a g n o s t i c sf o r t h e r m a lc o a t i n g [ C ] ／／P r o c e e d i n g so fI T S C2 0 0 2 ．E s s e n ，G e r m a n y A S M T S S ，I I W ，D V S ，2 0 0 2 4 5 5 1 ． [ 8 ] B e r f f a n dP ，S m o r o vI ，I g n a t i e vM ．L o wc o s ti n d u s t r i a lt y p ed i a g n o s t i c ss y s t e mf o rp o w d e rj e tv i s u l i s a t l o n [ C ] ／／P r o c e e d i n g so f I T S C2 0 0 2 ．1 e s s e n ，G e r m a n y A S M T S S ，I I W ，D V S ，2 0 0 2 6 6 7 1 ． O p t i m i z a t i o no fS u p e r s o n i cP l a s m aS p r a y i n gT e c h n o l o g yf o rW C ／C oC o a t i n g sP r e p a r a t i o n B A OJ u n f e n g ，Y UY u e - g u a n g ，L 儿，H a l f e i B e O i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h eW C 一1 2 C oc o a t i n gi ss p r a y e db ys u p e r s o n i cp l a s m as p r a y i n g S A P S d e v e l o p e dr e c e n t l yi nC h i n a ，t h e i n f l u e n c ef a c t o r sa r ed i s c u s s e d ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tw h e nt h es p r a yd i s t a n c ea n dp o w d e rf e e d i n gs p e e di s s t a t i o n a r y ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r ea n dt h ea v e r a g ev e l o c i t yo fp o w d e rp a r t i c l ea r ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ep o w e r ．W h e nt h ep o w e ra n dp o w d e rf e e d i n gs p e e di ss t a t i o n a r y ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r ea n dt h ea v e r a g e v e l o c i t yo fp o w d e rp a r t i c l ea r ed e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es p r a yd i s t a n c e ．W h e nt h es p r a yd i s t a n c ei ss t a t i o n a r y ，t h ev e l o c i t yo ft h ep o w d e rp a r t i c l ei si n i t i a l l yi n c r e a s e da n dd e c r e a s e da f t e r w a r d s ，t h et e m p e r a t u r eo ft h e p a r t i c l ei sd e s c e n d e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep o w d e rf e e d i n gs p e e d ．T h ep a r t i c l ev e l o c i t yi ss t r o n g l yi n f l u e ．n c e d b yt h eo p e r a t i n gv o l t a g e ，i si n c r e a s e dw i t ht h ev o l t a g ei n c r e a s i n g ．T h ep a r t i c l et e m p e r a t u r ei sr e m a r k a b l yi n f l u e n c e db yt h ew o r k i n gc u r r e n t ，i si n c r e a s e dw i t ht h ec u r r e n ti n c r e a s i n g ．T h eo p t i m a lp a r a m e t e r so fS - A P S ’Sf o r W C 1 2 C op o w d e rs p r a ya r ea sf o l l o w i n g p o w e r ，5 6 k W v o l t a g e1 4 0 V ，c u r r e n t4 0 0 A ；A rf l o w ，3 ．8 m 3 ／h ；H 2 f l o w ，0 ．1 5 m 3 ／h ；N 2f l o w ，0 ．6 0 m 3 ／h ；s p r a yd i s t a n c e ，l O O m m ；p o w d e rf e e d i n gs p e e d ，5 0 9 ／m i n ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；W C 一1 2 C oc o a t i n g ；s u p e r s o n i cp l a s m as p r a y i n g S A P S ；S p r a yW a t c hC C D 万方数据