大尺寸筒形件可磨耗涂层喷涂方法
技术领域
本发明涉及热喷涂领域，具体涉及大尺寸筒形件可磨耗涂层喷涂方法。
背景技术
封严涂层，也叫控隙涂层或密封涂层，是用以控制机械部件运转间隙的涂层。可磨耗封严涂层是喷涂在与转动组件相配合的静子上的允许磨耗的软涂层。可采用热喷涂工艺制成(如等离子喷涂和火焰喷涂)。
可磨耗封严涂层一般包括骨架组分和可磨耗租组分。骨架组分可以为金属或陶瓷。可磨耗组分可以选自石墨、氮化硼和聚苯酯中的一种或多种。可磨耗封严涂层的成分可以为铝硅-聚酯、铝-氮化硼、铝-石墨、铝青铜-聚酯、铜铝-氮化硼、镍-石墨、镍铜-氮化硼、镍铜铝-氮化硼、镍铬铝-膨润土、镍铬铁铝-氮化硼、镍-硅藻土、镍铬铝-硅藻土等。
发明内容
发明人发现，在进行大尺寸(如直径超过500mm)筒形件(如长径比≥0.5)的内壁可磨耗涂层喷涂施工中，喷涂后涂层表面存在大量“鼓包”、“疙瘩”等表面形貌，经车削加工后在涂层表面留下凹坑等缺陷，无法满足精密动力装置对可磨耗涂层的技术要求。
为了解决上述问题，发明人开展了大量工作，研究了导致大尺寸筒形件喷涂过程中形成“鼓包”、“疙瘩”等缺陷的主要原因，提出了创新的涂层缺陷的形成机理如下：
筒形内壁围合形成一个四周封闭的空间，喷涂在该封闭空间内进行。可磨耗涂层材料中含有大尺寸的可磨耗组分颗粒(如粒径100～250μm的聚苯酯、氮化硼、石墨等)，在喷涂过程中，存在反弹的未熔颗粒以及材料烧损产生的烟尘等颗粒物，这些物质容易附着在待喷涂表面上，进而造成为涂层中的污染物和缺陷。此外，对于大尺寸筒形件，由于工件回转直径大，同一喷涂面两次喷涂之间要经历较远的距离和较长的时间，加剧了涂层中的污染物和缺陷。同时，大尺寸桶型件较深、长径比大(≥0.5)，可磨耗喷涂过程中产生的烟尘漂浮于喷涂面附近形成二次污染。此外，由于可磨耗涂层还具有喷涂厚度厚(一般超过2mm)、喷涂时间长(是抗氧化、耐磨等其他涂层喷涂时间的10倍以上)的特点，“鼓包”、“疙瘩”等喷涂缺陷在可磨耗涂层上表现得尤为显著。
基于上述对缺陷形成机理的创新认识，本公开提供了一种创新的在筒形内壁上喷涂可磨耗涂层的方法，该方法包括：
(1)提供待喷涂筒形内壁，在筒形内壁围合形成的空间内确定一个圆形平面，圆形平面垂直于筒形内壁的轴线，且圆形平面的圆心O位于轴线上，且圆形平面的半径等于筒形内壁的半径；
(2)提供喷枪组合机构，喷枪组合机构包括涂料喷枪、第一气流喷枪、第二气流喷枪和第三气流喷枪，涂料喷枪用于喷射涂料和焰流，第一气流喷枪、第二气流喷枪和第三气流喷枪分别用于喷射吹扫气流，涂料喷枪、第一气流喷枪、第二气流喷枪和第三气流喷枪彼此相对位置固定；
(3)设置涂料喷枪、第一气流喷枪、第二气流喷枪和第三气流喷枪与筒形内壁的相对位置，使其满足以下条件i)～iii)：
i)涂料喷枪、第一气流喷枪、第二气流喷枪和第三气流喷枪均位于步骤(1)确定的圆形平面上，并分别在圆形平面的边上形成喷射落点，分别记为落点T、落点A、落点B和落点C；
ii)在圆形平面的边上，落点A和落点B分别位于落点T的两侧，在圆形平面的边上形成弧AT和弧BT，弧AT的长度为2～4个焰斑直径，弧BT的长度为2～4个焰斑直径；焰斑直径是指涂料喷枪扫过筒形内壁的待喷涂区域时形成的条状涂层印记的宽度；以及
iii)连线OC与连线OT的夹角为30～180°(例如150～180°)，连线OC与连线OT分别为圆心O与落点C和落点T的连线；
(4)使筒形内壁与喷枪组合机构绕轴线进行相对转动，在转动过程中，涂料喷枪、第一气流喷枪、第二气流喷枪和第三气流喷枪扫过筒形内壁上的待喷涂表面，其中，涂料喷枪向筒形内壁喷射含涂料成分的焰流，第一气流喷枪、第二气流喷枪和第三气流喷枪向筒形内壁喷射吹扫气流；
在喷涂过程中，在所述筒形内壁围合形成的空间的下方使用吸尘装置吸气除尘。
在一些实施方案中，吸尘装置的吸气口位于筒形内壁的中轴线上。基于此，气流流动主要位于筒形内壁的中央，气流不对喷涂焰流温度场和速度场产生不利影响的。
本公开的创新构思在于：通过特定的气流吹扫工艺对待喷涂面进行清洁。例如在一次喷涂过程中，随着筒形内壁与喷枪组合机构的相对转动，喷枪组合机构的各喷枪对筒形内壁依次进行如下处理：
(1)第一气流喷枪对即将被喷涂的表面进行第一次表面吹扫，主要目的是提供洁净的待喷涂面；
(2)涂料喷枪向待喷涂表面喷射含涂料的焰流；
(3)第二气流喷枪对刚喷涂过的表面进行第二次吹扫，主要目的是避免污染物与温度较高的刚喷涂表面结合；
(4)第三气流喷枪对上一步处理后喷涂面进行三次吹扫及冷却，主要目的是去除较大尺寸的反弹颗粒对待喷涂面的附着；
(5)设置在筒形件下方的吸尘装置通过吸气除尘，形成自上而下的气流，实时去除悬浮物于机匣内腔的50μm～200μm喷涂污染物。
实验数据证明：第一气流喷枪和第二气流喷枪在喷涂面上的落点须与涂料喷枪在喷涂面上的落点相距2～4个焰斑直径。距离过近会干扰喷涂焰流的温度场和速度场，导致焰流温度降低、喷涂材料轨迹紊乱，而距离过远则起不到清扫表面的作用，涂层中仍然会产生大量缺陷。
实验数据证明：仅施加第1束气流和第2束气流不足以稳定的去除涂层中的喷涂缺陷，特别是尺寸较大的缺陷，这些缺陷主要是200μm～500μm大尺寸的反弹颗粒造成的。在OC与连线OT的夹角为30°以上范围内设置第三气流喷枪能够有效消除上述大尺寸的反弹颗粒造成的缺陷。
以上各特征协同作用，对涂层表面质量起到了预料不到的改善效果。
在一些实施方案中，第一气流喷枪的喷嘴直径为4mm～5mm、喷嘴距筒形内壁的距离为50mm～200mm(例如60～100mm)，喷射气流的压力为0.3MPa～0.7MPa。第二气流喷枪的喷嘴直径为4mm～5mm、喷嘴距筒形内壁的距离为50mm～200mm(例如60～100mm)，喷射气流的压力为0.3MPa～0.7MPa。第三气流喷枪的喷嘴直径为10mm～25mm、喷嘴距筒形内壁的距离为30mm～200mm，喷射气流的压力0.9MPa～1.5MPa。实验数据证明，上述特定参数设置对于获得光滑平整的涂层是十分有利的。
在一些实施方案中，上述转动为顺时针方向匀速相对运动或逆时针方向匀速相对转动。
在一些实施方案中，环形内壁相对于喷枪组合机构旋转时，第一气流喷枪、涂料喷枪、第二气流喷枪、第三气流喷枪依次扫过环形内壁上的待喷涂区域。
在一些实施方案中，保持喷枪组合机构静止，筒形内壁相较于喷枪组合机构转动。例如可以将筒形内壁设置在转台上。
在一些实施方案中，保持筒形内壁静止，喷枪组合机构相较于筒形内壁转动。
在一些实施方案中，涂料喷枪包括焰枪和送粉装置。焰枪可用于喷射等离子焰流。送粉装置可用于向等离子焰流提供涂料粉末。
在一些实施方案中，等离子喷涂系统包括喷涂电源、喷涂枪、控制装置、供气系统、送粉装置、冷却水供给装置。
在一些实施方案中，涂料喷枪的喷嘴距筒形内壁的距离为80～120mm。
在一些实施方案中，焰斑直径为6～25mm，例如6～10mm，例如8mm。
在一些实施方案中，喷涂过程中，筒形内壁与喷枪组合沿还轴线方向发生相对运动。基于此，喷枪能够充分覆盖筒形内壁轴线方向的待喷涂面。
在一些实施方案中，第一气流喷枪、第一气流喷枪、和第三气流喷枪喷射的气流的成分各自独立地为空气、氮气、惰性气体或其组合。
在一些实施方案中，涂料喷枪喷射的涂料为可磨耗涂层涂料，可磨耗涂层涂料中含有骨架组分和可磨耗组分。
在一些实施方案中，骨架组分可以含有金属粉末或陶瓷粉末。
在一些实施方案中，骨架组分为铝硅合金，优选地，铝元素和硅元素的重量比例为30～40：5～10。
在一些实施方案中，可磨耗组分含有选自石墨、氮化硼和聚苯酯中的一种或多种。
在一些实施方案中，可磨耗组分为树脂粉末，例如聚酯粉末，例如芳香族聚酯粉末，例如聚苯酯粉末。
在一些实施方案中，可磨耗涂层涂料的成分可以为铝硅-聚酯、铝-氮化硼、铝-石墨、铝青铜-聚酯、铜铝-氮化硼、镍-石墨、镍铜-氮化硼、镍铜铝-氮化硼、镍铬铝-膨润土、镍铬铁铝-氮化硼、镍-硅藻土或镍铬铝-硅藻土。
在一些实施方案中，可磨耗涂层涂料的成分中，骨架组分的含量为40～60wt％(例如60wt％)，可磨耗组分的含量为30～50wt％(例如40wt％)。
在一些实施方案中，可磨耗涂层涂料还含义粘结剂，粘结剂的含量为10～20wt％。
在一些实施方案中，涂料喷枪为火焰喷枪或等离子喷枪。
在一些实施方案中，涂料喷枪、第一气流喷枪、第二气流喷枪和第三气流喷枪筒形内壁的距离均小于筒形内壁的半径。
在一些实施方案中，筒形内壁的半径大于250mm，例如大于或等于500mm，例如为250～1000mm。
在一些实施方案中，筒形内壁的长径比大于或等于0.5，例如大于或等于1。长径比是指筒形内壁的长度和直径之比。筒形内壁的长度是指平行于中轴线方向的尺寸。
在一些实施方案中，喷涂过程中，筒形内壁基本垂直于地面。
在一些实施方案中，喷涂过程中，筒形内壁的中心轴线基本垂直于地面。
在一些实施方案中，％是指重量％。
在一些方面，提供一种具有筒形内壁的部件，筒形内壁的表面喷涂有可磨耗涂层，可磨耗涂层由本公开任一项的方法喷涂获得。
在一些实施方案中，喷枪的喷涂方向基本垂直于喷涂面，例如与喷涂面的夹角为90±10°，例如90±5°，例如90°。
在一些实施方案中，第一气流喷枪和第二气流喷枪的喷射方向平行于涂料喷枪的喷射方向。
在一些实施方案中，筒形内壁的材质为金属。
在一些实施方案中，可磨耗涂层的厚度为1～3mm，例如1.5～2.5mm。
在一些实施方案中，在喷涂可磨耗涂层之前，先在筒形内壁表面喷涂一层基底涂层。基底涂层的成分主要是金属。基底涂层的作用可以是改善基底的耐腐蚀性能，提高可磨耗涂层与基底的结合力等。
术语说明
“火焰喷除”是指利用气体燃烧火焰的高温将喷涂材料(金属丝或粉末)熔化，并用压缩空气流将它喷射到工件表面上形成涂层。
“等离子喷涂”是指采用喷嘴喷射等离子焰流，通过载气将金属或非金属粉末送入等离子焰流中，加热到熔化或半熔化状态，并随高速等离子焰流喷射并沉积到经过预处理的基体表面，形成涂层。
“筒形件”是指具有筒形内壁的工件。
“筒形内壁”是指围合形成圆柱形或圆锥台形空腔的内壁，该圆柱形或圆锥台形空腔的中轴线即为筒形内壁的中轴线。
“喷枪到喷涂面的距离”被理解为喷枪的喷嘴到喷涂面的距离。
“焰斑直径”是指涂料喷枪扫过筒形内壁的待喷涂区域时形成的条状涂层印记的宽度。
夹角范围可取值0°至180°。
“含有”可以是指含量大于零，例如10％以上，例如20％以上，例如30％以上，例如40％以上，例如50％以上，例如60％以上，例如70％以上，例如80％以上，例如90％以上，例如100％。当含量为100％时，“含有”的含义相当于“由…构成”。
有益效果
本公开方法或产品具有以下一项或多项优点：
(1)喷涂方法获得的可磨耗涂层具有光滑平整的表面，无“鼓包”、“疙瘩”等喷涂缺陷，涂层表面粗糙度不大于8μm；
(2)喷涂方法相对简单、可操作性强；
(3)喷涂方法成本低。
附图说明
图1示出一个钛合金筒形件；
图2为一个等离子喷涂过程的示意图；
图3为实施例1的涂层的表面的照片；
图4为对比例1的涂层的表面的照片。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
图1示出一个材质为的TC4钛合金的钛合金筒形件10。该钛合金筒形件10的顶部直径810mm、底部直径600mm、高620mm、厚7.6mm。该钛合金筒形件10具有筒形内壁110，筒形内壁110的顶部半径为397.4mm，底部半径为292.4mm。筒形内壁110有中心轴线15。在筒形内壁110围合形成的空间内设有喷枪组合机构3。
桶型件10安装在转台40上。转台40上设有直径250mm的空心轴41，空心轴41的下方出口与吸尘装置50相连。吸尘装置50通过吸气的方式排走烟尘。吸尘装置50吸气时，气流60从桶型件10的上端开口进入，从下端开口离开，通过空心轴41进入吸尘装置50。
图2示出本实施例使用本公开的喷枪组合机构在喷涂筒形内壁上喷涂可磨耗涂层的示意图。
如图2所示，在筒形内壁110围合形成的空间内确定一个圆形平面111，圆形平面111垂直于筒形内壁的中心轴线15，且圆形平面111的圆心O位于中心轴线15上，且圆形平面111的半径R等于筒形内壁110的半径。喷枪组合机构3位于筒形内壁110围合形成的空间内。
喷枪组合机构3包括涂料喷枪30、第一气流喷枪31、第二气流喷枪32和第三气流喷枪33。涂料喷枪30用于喷射涂料和焰流，第一气流喷枪31、第二气流喷枪32和第三气流喷33枪分别用于喷射吹扫气流，涂料喷枪30、第一气流喷枪31、第二气流喷枪32和第三气流喷枪33彼此相对位置固定。
其中，喷枪组合机构3的涂料喷枪30包括等离子焰枪(GTV-F6)和送粉装置。涂料喷枪30的喷射方向垂直于环形内壁110。
其中，第一气流喷枪31的喷嘴直径为4.5mm，喷嘴距离喷涂面的距离为120mm，喷嘴喷射方向与涂料喷枪的喷射方向基本平行，采用压缩空气为供气源(油≤0.1mg/cm3、水汽≤600mg/cm3、颗粒物≤5μm、温度20℃～25℃)，供气压力0.55MPa。
其中，第二气流喷枪32的喷嘴直径为4.5mm，喷嘴距离喷涂面的距离为120mm，喷嘴喷射方向与涂料喷枪的喷射方向基本平行，采用压缩空气为供气源(油≤0.1mg/cm3、水汽≤600mg/cm3、颗粒物≤5μm、温度20℃～25℃)，供气压力0.55MPa。
其中，第三气流喷枪33的喷嘴直径为15mm，喷嘴距离喷涂面50mm，喷嘴喷射方向与涂料喷枪的喷射方向基本平行；采用压缩空气为供气源(油≤0.1mg/cm3、水汽≤600mg/cm3、颗粒物≤5μm、温度20℃～25℃)，供气压力1.2MPa。
此外，涂料喷枪30、第一气流喷枪31、第二气流喷枪32和第三气流喷枪33与筒形内壁110的相对位置满足以下条件i)～iii)：
i)涂料喷枪30、第一气流喷枪31、第二气流喷枪32和第三气流喷枪33均位于圆形平面111上，并分别在圆形平面111的边上形成喷射落点，分别记为落点T、落点A、落点B和落点C；
ii)在圆形平面的边上，落点A和落点B分别位于落点T的两侧，在圆形平面的边上形成弧AT和弧BT，弧AT的长度为3个焰斑直径，弧BT的长度为3个焰斑直径；焰斑直径是指涂料喷枪30扫过筒形内壁110的待喷涂区域时形成的条状涂层印记的宽度，本例中焰斑直径为8mm；以及
iii)连线OC与连线OT的夹角为180°，连线OC与连线OT分别为圆心O与落点C和落点T的连线。
按照上述设置喷枪组合机构3和筒状内壁110。喷涂过程中，筒状内壁110绕中心轴线15自转，转速为45rpm。喷涂过程中喷枪组合机构3还沿与中心轴线15平行的方向做上下移动，移动速度4mm/s。
喷涂过程中，开启吸尘风机，吸尘风机的排风量为4500m3/h。
具体地，通过以下步骤对上述钛合金筒形件10的内壁110进行喷涂。
(1)表面预处理
对筒形内壁110进行酒精清洗去油，对非喷涂面进行高温胶带防护，采用60目氧化铝砂砾对筒形件内壁待喷涂面进行吹砂粗化，吹砂压力0.2MPa。
(2)基底涂层的喷涂(底层)
以镍铝粉末(北京矿冶科技集团生产，铝元素含量为5％，镍元素含量为95％，牌号：KF-6)为底层涂料粉末。
喷涂过程中，涂料喷枪30的参数包括：氩气流量45lpm，氢气流量6lpm，电流550A，电压67.5kW，送粉速率30g/min，送粉气流量4.5lpm，涂料喷枪距离喷涂面的距离为140mm，底层喷涂厚度0.12mm。
喷涂过程中不开启第一气流喷枪31、第二气流喷枪32和第三气流喷枪33。
(3)可磨耗涂层的喷涂(面层)
以铝硅氮化硼粉末(北京矿冶科技集团生产，牌号：KF-121，铝元素含量为63.36％，硅元素含量为8.64％，氮化硼含量为20％，粘结剂8％)为面层涂料粉末，使用本公开的喷枪组合机构和喷涂方法进行可磨耗涂层的喷涂。
喷涂过程中，涂料喷枪30的参数包括：氩气流量60lpm，氢气流量6lpm，电流430A，电压72kW，送粉速率57g/min，送粉气流量4.5lpm，涂料喷枪距离喷涂面的距离为170mm。面层的喷涂厚度1.8mm。
喷涂过程中开启第一气流喷枪31、第二气流喷枪32和第三气流喷枪33。
(4)喷涂结束后，去除非喷涂区域的保护胶带。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，步骤(3)在喷涂的过程中未开启第一气流喷枪31、第二气流喷枪32和第三气流喷枪33。
分析检测
图3示出了实施例1喷涂获得的铝硅聚苯酯涂层外观照片，无目测可见喷涂缺陷，经测量涂层表面粗糙度不大于8μm。该显著改善的涂层表面质量是本领域技术人员预料不到的。
图4示出了对比例1制备铝硅聚苯酯涂层外观照片，可见有大量“疙瘩”状喷涂缺陷，经测量涂层表面粗糙度高达64μm。
以上分析检测结果说明，本公开方法制备获得的可磨耗涂层具有光滑平整的表面，表现出显著提高的表面品质。
尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，但本领域技术人员将理解：根据已经公开的所有教导，可以对细节进行各种修改变动，并且这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
