[发明专利]一种制备金属复合梯度准晶涂层的冷喷涂装置及方法

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金属复合梯度准晶涂层的冷喷涂装置及方法。

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，但是采用冷喷涂法制备准晶涂层还未见报道。

准晶涂层在实际应用时需制成一定厚度的涂层，因此在制备准晶涂层时，既要保持粉末状态组成和晶体结构，又要使涂层有一定的韧性和基体良好的结合强度。为此，功能梯度涂层(FGM，functionally graded materials)可以有效的解决这一问题。在梯度功能材料(FGM)涂层中，沿涂层厚度方向，随涂层厚度增加，准晶相成分含量逐渐增加，金属相成分含量则相应减小，即金属相与准晶相涂层间无明显界面，能很好地解决二者性能不相匹配的问题，最大程度地削弱或消除涂层中的层间应力，提高涂层与基体间的结合强度。

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脆性和相变等问题。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。激光处理后快速凝固时，组织转变的特点是在形成准晶相的同时产生大量的晶体相，会降低准晶材料的性能。

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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备金属复合梯度准晶涂层的冷喷涂装置及方法，解决现有技术中存在的涂层脆性和相变等问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种制备金属复合梯度准晶涂层的冷喷涂装置，该装置包括：准晶粉末送粉器、金属或合金粉末送粉器、气体加热器、准晶粉末加热器、金属或合金粉末加热器、气固混合室、超音速喷嘴，具体结构如下：

准晶粉末送粉器和金属或合金粉末送粉器分别通过管路连至气固混合室，形成双通道送粉结构，在所述管路上分别设有准晶粉末加热器和金属或合金粉末加热器，气体加热器通过管路连接气固混合室，在气固混合室的出口处设置超音速喷嘴。

所述的制备金属复合梯度准晶涂层的冷喷涂装置，超音速喷嘴的出口对应设置工件，自超音速喷嘴喷出的准晶粉末和金属或合金粉末，在工件的表面形成金属复合梯度准晶涂层。

所述的制备金属复合梯度准晶涂层的冷喷涂装置，准晶粉末送粉器的一侧设有准晶粉末送粉器进气口，准晶粉末送粉器的另一侧通过管路连接准晶粉末加热器；金属或合金粉末送粉器的一侧设有金属或合金粉末送粉器进气口，金属或合金粉末送粉器的另一侧通过管路连接金属或合金粉末加热器；气体加热器的一侧设有气体加热器进气口，准晶粉末送粉器、金属或合金粉末送粉器和气体加热器的另一侧通过管路与气固混合室相通。

所述的制备金属复合梯度准晶涂层的冷喷涂装置，在准晶粉末加热器中设置温度传感器Ⅰ，在金属或合金粉末加热器中设置温度传感器Ⅱ，在气体加热器中设置温度传感器Ⅲ。

所述的制备金属复合梯度准晶涂层的冷喷涂装置，准晶粉末送粉器进气口、金属或合金粉末送粉器进气口、气体加热器进气口分别与高压气源相连，分别为准晶粉末送粉器和金属或合金粉末送粉器和气体加热器提供压缩气体。

所述的制备金属复合梯度准晶涂层的冷喷涂装置，准晶粉末加热器、金属或合金粉末加热器和气体加热器采用螺旋型加热管结构。