[发明专利]一种制备准晶涂层的温喷涂装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及表面涂层的制备领域，具体地说就是一种制备准晶涂层的温喷涂装置及方法。

背景技术

Shechtman等首次发现准晶以来，人们对其进行了广泛深入的研究。准晶材料是介于周期结构与无序结构之间的一类金属间化合物，特殊的结构使得准晶材料具有高硬度、高弹性模量、低膨胀系数、低摩擦系数、良好的耐磨性、低电导率、低导热率、良好的隔热性、不粘性、优异的抗氧化性等良好的综合性能。但由于准晶材料本身的脆性，又大大限制了其应用。如何把金属与准晶材料的优异性能结合起来，近年来一直是材料科学与工程研究的方向。目前，准晶材料的应用主要作为表面改性材料或者作为增强相弥散分布于结构材料中。另外，作为热障涂层在汽车和航空发动机等部件中也得到应用。制备准晶涂层常用的方法包括等离子喷涂、爆炸喷涂、激光熔覆、超音速火焰喷涂和物理气相沉积(PVD)等，但是，采用温喷涂法制备准晶涂层还未见报道。

国外准晶涂层最先应用于不粘锅表面，但由于成本等原因市场化进程缓慢；此外，准晶材料有导热性低、耐蚀和耐氧化以及吸波性等优点，国外在航空、航天和军事工业中有很多的应用实例。准晶作为弥散强化相来增强基体金属，最早发现这一效果的是英国皇家空军研究院，他们对经气相沉积的Al-Cr-Fe涂层材料进行热轧成型并热处理后，发现在材料中均匀析出了富Fe亚稳相，使材料呈现出优良的综合性能，室温拉伸强度达到了824～855MPa，杨氏模量达到87～120GPa。后来经研究发现，这种富Fe亚稳相就是具有5次对称的准晶相。

目前，制备准晶涂层的方法主要有激光熔覆和热喷涂两类，不过这两种方法都存在涂层气孔率偏高、合金成分氧化和相变等问题。其中：激光熔覆法，是利用扫描激光束垂直照射到基体上，将粉末混合物和基体层一起熔化而形成涂层。这不但需要快速凝固，而且涂层是基于基体材料上形成的。基体材料进入涂层易改变涂层成分和在形成准晶相的同时，产生大量的多种晶体相。实际上成为准晶相与晶体相的复合涂层，较大程度降低准晶涂层的性能。

热喷涂技术作为一种快速凝固技术被认为是一种特别适合于制备准晶涂层的表面工程技术，准晶具有高温塑性，而热喷涂过程正是利用粉末高温下处于熔融或半熔化状态的粉末液滴与基体碰撞变形而相互堆积形成涂层的，因此许多准晶研究者利用等离子喷涂技术制备准晶涂层。以等离子喷涂Al-Cu-Fe准晶涂层为例：因等离子体温度很高，易氧化的Al被烧损和伴随I相产生了亚稳相β-AlCu(Fe)及θ相(Al₂Cu)，降低了准晶的特性。另外，还存在微裂纹和气孔。故等离子喷涂准晶涂层的耐磨、耐蚀和力学性能及作为功能涂层时的电学和磁学性能受到影响。

国内在准晶涂层的应用研究方面，采用等离子喷涂和激光熔覆等技术制备准晶涂层进行了很有特色的工作。鉴于热喷涂(等离子喷涂(APS)及高速燃气火焰喷涂(HVOF))制备准晶涂层存在准晶(I相)伴随有亚稳态晶体相β相AlCu(Fe)及θ相(Al₂Cu)以及较多微裂纹和气孔的问题。清华大学采用等离子喷涂-激光重熔法制备Al-Cu-Fe准晶涂层，提高了涂层中I相含量；北京航空航天大学采用低压等离子(LPPS)法在钛合金上制备Al-Cu-Fe准晶涂层，涂层存在裂缝和孔隙，结合强度低，为此采取后热处理(800℃/2h)得到了比较纯净的准晶I相；大连海事大学先后用爆炸喷涂及高速火焰喷涂制备Al-Cu-Cr系准晶，先者涂层除I相外含有α相及θ相和Al₂O₃，后同样在涂层中除I相外伴有θ相及α相。综上研究工作可以认为热喷涂技术：包括等离子喷涂(APS、LPPS)高速燃气喷涂(HVOF)及爆炸喷涂(D-gun)制备准晶涂层，存在准晶相伴随晶体相和涂层气孔率高和存在微裂纹的问题，而这些问题是热喷涂技术长期存在未能完全克服的共性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备准晶涂层的温喷涂装置及方法，解决现有技术中存在的准晶相伴随晶体相和涂层气孔率高和存在微裂纹的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种制备准晶涂层的温喷涂装置，该装置包括：燃料入口、火花塞、氧气入口、准晶粉末进口、喷管、超音速喷嘴、混合室、中间混合室、冷却气体进口，具体结构如下：

混合室的一侧设置燃料入口、火花塞、氧气入口，混合室的另一侧与中间混合室相通，中间混合室上设有冷却气体进口，中间混合室通过超音速喷嘴与喷管连通，超音速喷嘴的出口和喷管的进口处与准晶粉末进口相通。