[发明专利]一种管件内表面复合涂层的加工装置及方法

说明书

本发明公开了一种管件内表面复合涂层的加工装置，包括脉冲电火花沉积电源、超声波发生器、电极、电极夹具、管件以及管件夹具；管件夹持于管件夹具上，电极通过电极支撑杆固定于电极夹具上。并与超声波发生器连接；电极与管件内表面接触，脉冲电火花沉积电源控制电极向管件夹具方向进给进行电火花沉积加工；以及提供了一种管件内表面复合涂层的加工方法，包括复合涂层粉末制备、预置粉末层制备、电极制备、待加工工件的安装和定位、设置超声波和电火花参数、电火花放电沉积加工以及工件清理和加工。本发明提出的上述加工装置和加工方法可以加工典型的圆弧面光滑表面以及较为复杂的特型内表面。

技术领域

本发明涉及金属涂层涂覆技术领域，更具体的说是涉及一种管件内表面复合涂层的加工装置及方法。

背景技术

管件(管形零件)在石化、机械、军事、船舶及航空航天等工业领域中具有相当广泛的应用，这些管件内表面长期在恶劣环境中服役，需要对其进行有效的防护，以保证其使用性能和寿命。在管件内表面制备防护涂层是工业生产中零件强化和延长使用寿命的重要手段。然而，因空间和非视域性特征的限制，管件内表面的涂层制备一直是表面工程领域的技术难题，特别是对于小口径、大深径比的细长管件而言，空间和非视域性特征的不利因素被进一步放大，使得涂层制备变得尤为困难。目前，这一问题的解决思路主要分为两类：一是直接采用非视域性涂层技术；二是通过辅助工具/装置使视域性涂层技术实现非视域性加工。

非视域性涂层技术主要是采用液体或气体作为涂层介质，因此涂层介质的传递可以不受零件结构的约束，其中比较典型的方法是镀层技术(电镀、电刷镀、化学镀等)和CVD技术。例如大连理工大学的温小琼等学者采用直流辉光放电等离子体CVD技术在内径为Φ10mm×60mm的304不锈钢管内表面制造了类金刚石(DLC)薄膜；核工业西南物理研究院的金凡亚等学者采用等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)技术在Φ100mm×1000mm的不锈钢管内壁制造了TiN陶瓷涂层；发明专利CN202021619096.7公开了一种基于气相沉淀技术的涂层涂覆装置，使涂层涂覆装置具备气体分布均匀的优点。

视域性涂层技术种类更多，而且在工艺柔性、涂层选材方面具有更大的优势，但由于涂层介质主要为固体材料，且沉积路径通常具有明显的方向性，需要通过辅助工具/装置才能对管件内部实施涂层加工，其中比较典型的是热喷涂、热熔覆、PVD和爆炸喷涂等。例如大连理工大学的刘琪等学者采用电弧离子镀(PVD)设备在一端封口的Φ50mm×200mm×5mm的不锈钢深管内壁上沉积了TiN薄膜；俄罗斯的A.A.Lozovan等学者提出了一种脉冲激光沉积管内溅射镀膜技术(PVD)，该技术是将可移动的圆锥形靶材深入到管件内，利用管外脉冲激光束聚焦轰击靶材产生溅射效应，从而实现金属或陶瓷薄膜沉积；中国科学技术大学的张波等学者利用直流磁控溅射(PVD)在Φ86mm×540mm不锈钢管内实现了TiZrV薄膜沉积，并将其用于提高粒子加速器储存环真空度；发明专利CN202011324739.X提出了一种适用于不锈钢管内表面的超浸润涂层的制备方法。

现有技术中，镀层技术获得的镀层与基材属于机械结合，结合强度较弱，在高温高应力的循环作用下很容易产生剥落，且环境不友好、能效低。CVD技术存在实施温度高、涂层成分类型单一、制造成本高、环境友好性差等问题；热喷涂和热熔覆技术需要较为复杂的辅助装置，因此只能用于口径较大的管件内表面涂层制造；PVD技术所获得的涂层存在结合强度、沉积效率低、制造成本高、靶材制造难度和成本高等问题；电爆炸喷涂存在沉积效率较低、工艺不易控制、能量利用率低等问题，尤其是喷涂材料(金属丝)不仅制造难度和成本较高，同时还需要特定的夹具在管内固定，因此在小口径管件中较难应用。

因此，如何开发一种工艺柔性高、制造成本低、可靠性好，并且能够适应细长管件内表面加工的表面复合涂层技术是表面工程领域关注的热点问题。

发明内容