当前位置：文档之家 › 金属粘结层厚度对大气等离子喷涂陶瓷涂层粘结强度的影响

金属粘结层厚度对大气等离子喷涂陶瓷涂层粘结强度的影响

  • 格式：pdf
  • 大小：1.13 MB
  • 文档页数：13

第8卷 第3期 热 喷 涂 技 术 Vol.8, No.32016年9月 Thermal Spray Technology Sep., 2016

金属粘结层厚度对大气等离子

喷涂陶瓷涂层粘结强度的影响

John Barr1，Christopher Estrada1，Nelson Victoria1，Bob White2，Jerome Harrison2

（1.华生涂层实验室，德克萨斯，休斯敦，美国；2.华生磨削加工与制造，德克萨斯，休斯敦，美国）

摘要：应用于金矿开采业中的球阀在服役过程中由于受颗粒磨损，泥浆侵蚀，涂层粘结力/内聚力或者剪切力不高而发生破坏。修复价格昂贵耐腐蚀合金（CRA）球阀典型的工艺是：对合金基体进行钨极惰性气体保护焊（GTAW），球阀表面打磨，以及利用大气等离子喷涂(APS)技术在球阀表面制备陶瓷热喷涂涂层（TSC）。另一种修复方法是利用机加工使球尺寸减小，然后在陶瓷层下面沉积一层较厚的金属粘结层（MBC）以保证球阀的原始尺寸。本文研究了按照ASTM C633标准检测大气等离子喷涂陶瓷涂层的结合强度是否与超音速火焰喷涂的NiCrMo（哈氏合金）金属粘结层的厚度极限有关。实验所用的基体材料为三种耐腐蚀合金（CRA）：钛G12，铬镍铁合金625以及2507双相不锈钢，在这三种基体表面沉积了8种不同厚度的金属粘结层。金属粘结层的厚度分别是：0.0015英寸，0.005英寸，0.015英寸，0.030英寸，0.045英寸，0.060英寸，0.075英寸以及0.090英寸。利用大气等离子喷涂工艺在上述8种不同厚度的金属粘结层表面喷涂厚度为0.015英寸的Cr2O3，Cr2O3-Al2O3和TiO2这三种陶瓷涂层。对样品做了如下测试：涂层结合强度（ASTM C633）测试，金相显微组织分析（ASTM E1920），涂层孔隙率（ASTM E2109 方法B）测试。关键词：大气等离子喷涂；陶瓷涂层；金属粘结层厚度；结合强度中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1674-7127（2016）06-0009-13 DOI 10.3969/j.jssn.1674-7127.2016.03.009

Influence of Metal Bond Coat Thickness

on Adhesion Strength of APS Ceramic Coatings

John Barr1，Christopher Estrada1，Nelson Victoria1，Bob White2，Jerome Harrison2

（1.Watson Coatings Laboratory, Houston, Texas USA；2.Watson Grinding & MFG, Houston, Texas USA）

Abstract：Extreme service ball valves in the Gold mining industry, typically experience service damage by

particulate abrasion, slurry erosion, lack of adhesion/cohesion, or shear. Repair of these expensive corrosion resistant alloy (CRA) balls typically require: GTAW welding of the substrate, grinding the ball surface, and applying a Ceramic thermal spray coating (TSC) by the Air Plasma Spray (APS) process. An alternative repair method is to machine the ball undersize, and put a thicker metal bond coat (MBC) under the Ceramic coating to reestablish original dimensions. This study was performed to determine if the ASTM C633 adhesion strength of an APS Ceramic coating was dependent upon a thickness limit of a high velocity oxygen fuel (HVOF) applied NiCrMo (Hastelloy) MBC. 8 thicknesses of the MBC were applied to three CRA substrates: Titanium G12, Inconel 625, and 2507 Duplex SS. The MBC thicknesses were: 0.0015in, 0.005in, 0.015in, 0.030in, 0.045in, 0.060in, 0.075in, and 0.090in. The following 3 Ceramic coatings: Cr2O3, Cr2O3-Al2O3, and TiO2, were APS applied

译者简介：贾芳（1989-），女，黑龙江省哈尔滨市人，硕士，助理工程师. Email：jiafang19890303@126.com· 52 · 热 喷 涂 技 术 8卷

0.015in on top of 8 thicknesses of MBC. The following tests were performed: adhesion strength (ASTM C633), metallography (ASTM E1920), and percent porosity (ASTM E2109 Method B).Keywords：Air plasma spray；Ceramic coating；Bond coat thickness；Adhesion strength

在球阀修复（除了客户没有透露实际出现

什么问题的情况）过程中的一个问题是判断球

阀损坏的类型。典型的损坏通常是以下四类中

的一类：涂层表面完好（图1），涂层被破坏

（图2），基材被破坏但这种破坏可以通过焊

接的方法进行修复（图3~5），彻底被破坏（只

能更换）。

利用超音速火焰喷涂工艺在平整的基材表面

上制备金属粘结层的厚度不超过0.02～0.04英寸

时，可以避免残余拉应力对涂层的结合力/内聚

力产生不利影响，这是一种非官方“常识”。对

此很少进行实际考证。一般以（球阀）没有损坏

作为评判依据。

该研究的目的是为球阀工程师提供除了焊接

之外的另一种修复方法。目标是获得按照ASTM

C633标准[1]测得的涂层粘结强度值，检测的涂层

为：应用超音速火焰喷涂工艺在三种耐腐蚀合金

基体表面制备不同厚度的金属粘结层，然后再应

用大气等离子喷涂方法沉积厚度为0.015英寸的

三种陶瓷涂层（Cr2O3，75%Cr2O3-25%Al2O3“红

宝石F”，TiO2)。将NiCrMo (哈氏合金)金属

粘结层的厚度设计成逐渐增加的趋势（0.0015英

寸～0.09英寸）目的是判断按照ASTM C633标

图1 6英寸球阀，服役时间约3个星期，涂层表

面没有破坏

Fig.1 6in Ball Valve，3 weeks service，upstream

coating surface is undamaged准测得的结合力/内聚力是否随着金属粘结层的

厚度的增加而减小。根据ASTM C633结合强度

和确认的失效模型，可以建立金属粘结层厚度极限的参考值。

图2 涂层破坏(图1，90（°）干槽)，涂层剥落(干

槽，流孔边缘，中性面)，内部剪切应力(临近涂

层剥落的位置)，磨损（片状剥落的涂层），以及

泥浆侵蚀

Fig.2 Coating damage (Fig.1，90（°） stem

slot)，adhesive disbonding (stem slot，flow hole

edge，neutral surfaces)，cohesive shear (adjacent to

adhesive disbonding)，abrasion (exfoliated coating

extrusion-grooving)，and slurry erosion

图3 涂层被侵蚀，基材被侵蚀物侵蚀掉

Fig.3 Coating eroded，base metal removed by

erosion第3期 · 53 ·

图4 被侵蚀破坏的球阀的钨极惰性气体保护焊修

复（图3）

Fig.4 GTAW repair of (Fig.3) erosion damage图5 在涂覆金属粘结层和陶瓷面层之前研磨

GTAW修复的球阀，注意焊缝位置

Fig.5 Grinding the GTAW repair (Fig.4) prior to

application of a MBC and Ceramic topcoat. Note

undercut at weld toe

１　实验

1.1 基体和涂层材料

实验中三种陶瓷涂层分别是：Cr2O3，红宝石金属粘结层厚度对大气等离子喷涂陶瓷涂层粘结强度的影响

F，TiO2，基于陶瓷层材料的不同将实验分成三组。

每组（例如Cr2O3）又分为9小组（1小组=9圆

片试样=3X3种基材；3-钛G12，3-铬镍铁合金

625以及3-2507双相不锈钢）。每小组中的9个

表1 喷涂参数Table 1 Spray Parameters

General　ParameterHastelloy　HVOFTiO2Cr2O3Cr2O3　Al2O3Prim FuelPropyleneArArAr

Sec FuelOxygen---

CarrierN2ArArAr

Dist.inch73.53.53.5

Amps-500775900

Volts-384747.5

Gr/min22.59167.5

inch/pass0.000310.000380.000270.00025

T/°F3731429941764298

Vel ft/sec1857623739844

#passes4,12,44,96,

148,192,240,

288,4405660

合集下载

超音速等离子喷涂参数对Al2O3-3%TiO2涂层形貌结构的影响

超音速等离子喷涂参数对Al2O3-3%TiO2涂层形貌结构的影响

超音速等离子喷涂参数对Al2O3-3%TiO2涂层形貌结构的影响

毛杰;邓畅光;欧献;宋进兵;邝子奇;曾威

【摘 要】通过超音速等离子喷涂设备制备了Al2O3-3％TiO2(AT3)涂层，采用单变量法研究喷涂电流、喷涂距离等工艺参数对涂层沉积率、表面形貌、微观组织的影响。结论表明一定范围内增加电流和喷距会提高AT3涂层的沉积率；随着喷涂距离的增加，涂层的孔隙率稍有增加；随着喷涂电流的增加，涂层相成分更均匀。喷涂前后粉末和涂层表面的物相存在一定的差异：主要表现为衍射峰宽化，出现了少量(Al2O3)1.333等新相。%Al2O3-3%TiO2 (AT3) coatings were prepared

by the supersonic plasma spraying equipment. Single variable method was

used to study the influence of spraying current, spray distance on

deposition rate, surface morphology,microstructure of the coatings. The

results indicate that increasing spraying current or spray distance to a

certain range will increase the deposition rate. With the increase of spray

distance, coating porosity increases slightly and with the increase of

spraying current, phase composition of the coating is more uniform. There

is a clear difference between the original powder and as-sprayed coating

添加剂对等离子喷涂涂层性能的影响

添加剂对等离子喷涂涂层性能的影响

添加剂对等离子喷涂涂层性能的影响　

贾光耀王耀明　（山东工业陶瓷研究设计院．淄博２５５０３１）　张联盟　（武汉理工大学．武汉４：￣Ｃｅｔ＇Ｏ）　

摘　要　利用等离子喷涂工艺制备涂层材料可以通过调节喷潦工艺参数来提高材料的性能．也　可以通过少量助荆改善材料的内部组织结构，使潦层材料的物理及力学性能更加优良。本实验结果表　喁：通过调节添加荆ｓｉ０２的台量，可有效提高ｚｒ　陶瓷涂层材料的密度和韧性，降低涂层材料的气孔　率，对抗弯强度的粤响不太。　关键词幂加荆等离子喷涂性能　

１　引言　

对于等离予喷涂工艺的研究，目前国内９ＦＣ．　

有大量的报道，由此制备的涂层材料也已得到了　

广泛的应用，特别是近年来发展起来的功能梯度　涂层，更是代表当今涂层的发展方向，并对其在柴　

油发动机燃烧室内的应用，进行了较深人的研　究ｕ　。研究发现，涂层中不可避免地存在着组　

织与性能的缺陷０Ｊ。作为耐热材料的金属一陶瓷　

功能梯度材料，同样需要比较好的强度，这就要求　材料要有比较高的密度，达到全部的化学冶金结　

。　国内在功能梯度材料性能方面的研究已很　多。首先，通过对等离予喷涂工艺的研究ｔ　，认为　

喷涂涂层组织根本上取决于喷涂过程中粉末的熔　

化程度，以及沉积于基板的温度和速度，力求寻找　

一种最佳的喷涂工艺参数。另外，也有研究表明，　

可从喷涂粉末的形态人手提高涂层材料性能，即　

采用包覆粉末的形式进行喷涂，使金属相以包覆　

氧化锆的形式存在时，涂层的强度及断裂韧性有　大幅度提高＿７　Ｊ。还有一种方法是对涂层进行化学　

强化　Ｊ，即把已喷涂好的试样置于特制的化学溶　

液中，让液体浸人涂层及界面缺陷处，然后干燥，　从而使涂层结合力提高。此法也称为Ｓｏ１．Ｇｅｌ强　化法。　

本文在上述研究基础上，对涂层的微观结构　

进行了深人研究分析，通过加人一种添加剂　

（ｓ　），可有效地改变涂层的内部结构，达到提高　

涂层致密度，降低气孔率，并同时提高材料断裂韧　性的目的。　

金属陶瓷复合涂层的制备与性能研究

金属陶瓷复合涂层的制备与性能研究

金属陶瓷复合涂层的制备与性能研究

一、金属陶瓷复合涂层概述

金属陶瓷复合涂层是一种新型的表面处理技术，通过将金属和陶瓷材料的特性有机结合，形成具有优异性能的涂层。这种涂层不仅继承了金属的韧性和良好的加工性能，还具备了陶瓷的高硬度、耐磨性和耐腐蚀性。金属陶瓷复合涂层的制备技术的发展，对提高机械零件的使用寿命和可靠性具有重要意义。

1.1 金属陶瓷复合涂层的组成与特性

金属陶瓷复合涂层主要由金属基体和陶瓷相组成。金属基体通常选用具有良好韧性和加工性能的材料，如不锈钢、铝合金等；而陶瓷相则选用硬度高、耐磨性好的材料，如氧化铝、碳化硅等。金属基体与陶瓷相的结合，使得涂层在保持金属韧性的同时，也具有了陶瓷的耐磨和耐腐蚀特性。

1.2 金属陶瓷复合涂层的制备方法

金属陶瓷复合涂层的制备方法多样，包括热喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积等。热喷涂技术通过将金属和陶瓷粉末加热至熔融或半熔融状态，然后高速喷射到基体表面，形成涂层。物理气相沉积技术利用物理方法将材料蒸发并沉积在基体表面，形成涂层。化学气相沉积技术则通过化学反应在基体表面沉积材料，形成涂层。

1.3 金属陶瓷复合涂层的应用领域

金属陶瓷复合涂层因其优异的综合性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、机械加工、石油化工等领域。在航空航天领域，金属陶瓷复合涂层用于提高发动机部件的耐磨性和耐腐蚀性；在汽车制造领域，用于提高发动机和传动系统部件的性能；在机械加工领域，用于提高切削工具的耐用度；在石油化工领域，用于提高设备的耐腐蚀性和耐磨性。

二、金属陶瓷复合涂层的制备工艺

金属陶瓷复合涂层的制备工艺是实现涂层性能的关键。本节将详细介绍几种常见的金属陶瓷复合涂层制备工艺，包括热喷涂、物理气相沉积和化学气相沉积。

2.1 热喷涂工艺

热喷涂工艺是金属陶瓷复合涂层制备中应用最广泛的方法之一。热喷涂技术包括等离子喷涂、火焰喷涂和电弧喷涂等。等离子喷涂利用高温等离子体将粉末加热至熔融状态，然后喷射到基体表面形成涂层。火焰喷涂使用燃烧产生的高温火焰作为热源，将粉末加热并喷射到基体表面。电弧喷涂则是利用电弧产生的高温将粉末加热并喷射到基体表面。

等离子喷涂工艺流程

等离子喷涂工艺流程

等离子喷涂工艺流程

等离子喷涂工艺流程是一种高精度、高效率的表面涂层技术，它能在金属、陶瓷、高分子材料等各种基材上形成高质量、高强度的涂层，并具有优异的防腐、耐磨、耐高温等性能。

等离子喷涂的工艺流程主要包括五个步骤：

第一步是准备工作。在喷涂前需要对基材进行表面清洁和处理，确保涂层与基材之间的黏附力。

第二步是预热。将基材加热到一定温度后，可以提高涂层与基材之间的结合强度。

第三步是等离子活化。使用等离子体（即被激发、电离的气体）激活喷涂材料，以增加涂层密实度。

第四步是喷涂。将经过活化的喷涂材料均匀地喷涂在基材表面，形成一层厚度均匀，结构致密的涂层。

第五步是后处理。在喷涂完成后，还需要对涂层进行加热或其他处理，使其获得良好的结构和性能。

以上就是等离子喷涂工艺流程的五个步骤，通过科学、精细的操作，可以实现高品质的涂层制备。