[发明专利]节约氦气的优化冷喷涂方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种涂层制备领域的方法，具体是一种节约氦气的优化冷喷涂方法。

背景技术

冷喷涂是建立在合理利用空气动力学原理基础上的一种新型涂层技术。它采用加热设施预热压缩气体，压缩气体通过缩放型Laval喷枪产生超音速气流，粉末粒子经气体加速后以高速撞击基体，通过产生剧烈的塑性变形而在基体表面沉积为涂层。在实际的冷喷涂过程中，比较典型的工作气体为氮气(N₂)、氦气(He)和空气，以及它们按照一定比例形成的混合气体，工作气体的预热温度一般低于600℃，压力为1-3.5MPa，喷涂粒子的典型尺寸为5-50μm，粒子经过喷枪加速后速度可达300-1200m/s。

相对于传统的涂层制备技术，尤其是和热喷涂技术相比，冷喷涂在制备涂层的过程中工作气体温度低，不仅对基体的热影响小，而且粉末粒子在整个制备沉积过程中温度低于其熔点，基本没有氧化、相变或晶粒长大等由高温导致的缺陷，同时也避免了热喷涂凝固过程中产生的宏观和微观偏聚，保留了喷涂材料粒子本来的微观组织和性能特征。

经过对现有技术的检索发现，美国专利文献号6502767B2和6491208B2均记载和公开了冷喷涂技术，同时对该技术的实现方法进行了描述；中国文献专利号CN101285187A记载了“一种颗粒增强金属基复合材料的方法”，采用压缩空气为工作气体，在2.7MPa，500℃的条件下沉积Al5356/TiN复合材料涂层，虽然得到的涂层具有较高的硬度和结合强度，但在高温高压的环境下沉积涂层，不仅对机器设备和安全防护提出了更高的要求，而且其经济性也受到影响。

虽然冷喷涂技术已经在很多领域内得到应用，但是仍然存在一些问题需要解决。首先，在冷喷涂粒子沉积过程中，对于成功沉积的粒子来说，存在一个与之对应的临界速度，低于临界速度的粒子和基体发生撞击后发生反弹，对基体造成冲蚀或者破坏，只有高于该速度的粒子才具有足够的动能以穿过基体表面形成的激波，高速撞击基体并发生剧烈塑性变形而形成涂层，同时为后续的粒子提供无污染的、活性较高的沉积表面。其次，冷喷涂中使用的原材料为固体粉末，一些具有面心立方晶体结构、硬度低、密度适中、塑性好的金属粉末材料，例如Al粉末和Cu粉末，在低于700m/s的速度下，就可以在基体表面沉积得到涂层；而另外一些具有体心立方或者具有不规则晶体结构，密度大，硬度大，塑性差的金属或者陶瓷粉末材料，例如W、WC-Co、SiC、Al₂O₃粉末等，要使粒子成功沉积，必须提高粒子撞击基体或者已经沉积涂层的表面的速度。

由此可见，影响涂层形成及其性能的主要因素是粒子撞击基体时的速度。为了提高粉末粒子的沉积效率和涂层的整体性能，提高工作气体的速度，从而提高粒子的速度至关重要。主要有以下方法来获得：(1)使用平均粒子尺寸(或粒子尺寸分布)较小的粉末粒子；(2)使用扩张比更大，扩张段长度更长的喷枪；(3)优化喷涂工艺参数，如提高工作气体温度等。在上述提高粒子速度的方法中，调整工艺参数，使用He为工作气体为最简单和有效的方法。但是相同规格的高压He的价格约为N₂的价格的6倍，因此使用He为工作气体受到较大制约。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种节约氦气的优化冷喷涂方法，简化现有技术的结构，便于大范围推广应用。

本发明是通过以下技术方案实现的，在冷喷涂沉积涂层过程中，先采用廉价气体对整个喷涂系统进行预热，当廉价气体在喷枪入口处的压力和温度接近预先设定工作气体(He)的压力和温度时，切换到He并填充粉末粒子进行喷涂，在不改变粉末粒子的喷涂工艺参数的前提下沉积涂层，通过节约喷涂系统预热过程中He用量来优化冷喷涂工艺。

所述的廉价气体为：氮气，空气或其混合气体。

所述的预热是指：在关闭粉末罐的前提下，开启高频加热设备和廉价气体相对应的控制阀门，使廉价气体在喷枪入口处的压力等于预先设定的工作气体的喷涂压力，当该廉价气体在喷枪入口处的温度达到设定工作气体温度的85％时，即完成整个冷喷涂系统的预热工作。