CN108754389A - 一种气雾法及喷涂法制备金属复合材料的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气雾法及喷涂法制备金属复合材料的方法及装置，该方法是同时布置金属雾化喷射装置和冷气动力喷涂装置，首先利用金属雾化喷射装置制备喷射金属沉积层，再利用冷气动力喷涂装置将需复合的金属粉末高速冲击至喷射金属沉积层上，形成复合金属材料。本发明极大地提高了复合金属的粘结效率，改善了沉积金属的质量和性能。该技术在制备复合材料时工艺简单、设备简单，可以进行大规模输出应用，批量化生产。

Description

一种气雾法及喷涂法制备金属复合材料的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种制备金属复合材料的方法及装置，特别是一种采用气雾法及喷涂法制备金属复合材料的方法及装置，属于钢铁冶金技术领域。

背景技术

复合材料是由基体材料和复层材料人工用特殊的方法复合而成，它充分发挥了材料各自的物理化学性能，形成综合性能优异的新型材料，是当今材料领域发展最快、应用前景最广的新学科，世界各地都把复合材料的发展列为重点规划。

人们在对复合材料的研究过程中，已经认识到复合材料的关键是基体材料与复层材料之间的界面结合问题。要达到结合强度好、复层牢固的技术要求，除必要的大变形量外，还必须有足够的复合界面。现有复合金属板带的生产工艺方法大体有以下几种类型：1、焊接轧制法：将接触面清理干净的不锈钢板和低碳钢板各一块合在一起，再把四周接触处焊合，然后经加热炉加热再轧制，或将低碳钢板用不锈钢焊条、焊丝堆焊一定厚度，再经加热炉加热后轧制。2、爆炸焊接法：即把两块不同金属板的接触面清理干净合在一起，加热后放在特制装置内，采用爆炸工艺将接触面焊合，再经加热炉加热后轧制。3、离心浇注法：即把低碳钢水先注入离心浇注机，待其冷却成固熔状态时，再将不锈钢水注入离心浇注圈内圈，完全凝固成环状复合板带坯时取出，经矫直机矫直后送入加热炉加热再轧制。这些方法存在工序复杂、成本高、生产效率较低，复合层结合强度不够牢固的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种气雾法及喷涂法制备金属复合材料的方法及装置，从而简化复合材料的制备工艺，降低成本，提高复合材料的粘结强度和生产效率，克服现有技术的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种气雾法及喷涂法制备金属复合材料的方法，该方法同时布置金属雾化喷射装置和冷气动力喷涂装置，首先利用金属雾化喷射装置制备喷射金属沉积层，再利用冷气动力喷涂装置将需复合的金属粉末高速冲击至喷射金属沉积层上，形成复合金属材料。

上述的气雾法及喷涂法制备金属复合材料的方法，具体来说，是在金属喷射雾化装置的一侧布置冷气动力喷涂装置，将金属熔融后形成金属液，在金属液向下流出的过程中，通过金属喷射雾化装置的雾化喷嘴的喷射雾化，形成细小的金属雾化液滴，金属雾化液滴高速喷射至沉积基板上，形成金属沉积层；将需复合的金属粉末，在冷气动力喷涂装置的喷枪中加速到超音速以上，并通过超音速喷嘴喷出至金属沉积层上，得到复合金属材料。

上述的气雾法及喷涂法制备金属复合材料的方法，优选方案，所述金属沉积层的雾化厚度要求大于10mm，冷气动力喷涂时金属沉积层的温度保持在800℃-1200℃之间。

一种气雾法及喷涂法制备金属复合材料的装置，包括金属熔融设备和金属喷射雾化装置、冷气动力喷涂装置，冷气动力喷涂装置位于金属喷射雾化装置的一侧；金属喷射雾化装置包括导流管、雾化喷嘴和沉积基板，导流管装在金属熔融设备的底部，雾化喷嘴设置在导流管的外围，沉积基板位于导流管的下方；沉积基板能够以一定的速度旋转；冷气动力喷涂装置包括送粉器、贮气罐、气体控制阀和喷枪，喷枪的尾部连接送粉器和气体控制阀，送粉器、气体控制阀分别连接至贮气罐。

上述的气雾法及喷涂法制备金属复合材料的装置，优选的，所述的金属熔融设备是坩埚，喷枪的喷嘴为超音速喷嘴。

气雾法制钢是一种采用快速凝固的方法制备特殊材料的新技术，该技术兼具有近终形加工和半固态加工的双重特点。其原理是用雾化喷嘴内高压惰性气体将从中间包内经过导流管流出的合金液流雾化成细小的熔滴，熔滴在高速气流的作用下飞行并被逐渐冷却，在这些熔滴尚未完全凝固前将其沉积到具有一定形状的收集器上，通过改变熔滴射流与收集器的相对位置和收集器的运动形式，可以得到盘（柱）、管（环）、板（带）等不同形状的半成品坯件。

冷气动力喷涂技术是以高压压缩气体为动力，驱动微小金属颗粒高速撞击基体材料表面，当喷涂粒子的速度超过一定的速度后，喷涂颗粒在材料表面发生强烈塑性变形而发生粘接，在基体材料表面形成涂层。在冷气动力喷涂技术中，气体的温度一般小于850K，远远低于喷涂材料的熔点，喷涂颗粒是在固态下发生粘接。因此，冷气动力喷涂技术具有其他热喷涂技术所不具备独特优点，例如，对基板的热输入小，对基板的结构无影响；喷涂粒子以回态粘接，结构保持稳定，适合于制备纳米及非晶结构、金属间化合物等温度敏感材料和相变敏感材料涂层；喷涂过程中无氧化发生，适合于对氧敏感的还原性金属的喷涂。但是，正是由于冷气动力喷涂完全依靠速度的独特工艺特征，也导致冷气动力喷涂技术自身存在一个非常大的缺点，即喷涂粒子粘接所需要的临界速度非常高，通常达到600m/s以上，另外由于高速气流的冷却作用，也使粒子与基板粘接在更低的温度下进行，增加了粘接的难度。尤其是在喷涂两种性能差别较大或者是熔点高的材料时，粘接的难度更加显著。因此亟需要解决冷气动力喷涂工艺中的粘接问题，目前通常的方法是将驱动气体或喷涂的粒子进行加热，一方面提高气流的速度从而提高粒子的速度以超过临界速度，另一方面提高粒子的温度增加粒子的变形能力，例如专利US2006027687采用微波加热喷涂粒子。但是提高高压压缩气体的温度对设备设计及材料都提出了非常高的技术要求，安全性难以保证。而提高粒子的温度易发生粘喉现象，同时容易引起喷涂粒子组织发生晶粒长、相变等变化，影响涂层的性能，而且辐射加热效率低，并且会被高速气流的冷却作用迅速降温；微波加热会被金属粒子反射，影响实际加热效果。

本发明的有益效果：本发明同时布置金属雾化喷射和冷气动力喷涂装置。在金属基板上，首先利用金属雾化喷射装置制备金属层，金属基板可以在垂直喷射方向上移动，控制金属基板的移动速度，从而使喷射金属层的温度到达冷气动力喷涂时满足喷涂要求，冷气动力喷涂将需复合金属粉末钢球以高速冲击至喷射金属层上，由于喷射金属层的温度比较高，从而金属层的硬度大大降低，当高速金属粉末球冲击至金属层上时，发生了强烈的嵌入现象，从而极大地提高了复合金属的粘结效率。该技术在制备复合材料时工艺简单、设备简单，可以进行大规模输出应用，批量化生产。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）金属基板在喷射金属沉积后，沉积金属具有较高的温度，适合后续的冷气动力喷涂以较高的速度将金属颗粒嵌入金属沉积层从而形成较好的冶金结合层，提高复合层界面的强度。

（2）金属基板在喷射金属雾化沉积后，雾化层金属的致密度较低，此时通过后续的冷气动力喷涂的高速撞击，使得雾化层金属界面的致密度显著提高，从而极大地改善沉积层金属的性能。

（3）以往的冷气动力喷涂，需要增加喷涂气体的压力和基板金属的温度来增强粘结的效果的和强度，而本发明通过喷射金属后直接加冷气动力喷涂，可以利用喷射金属的温度，达到节约能源的作用。

（4）在金属喷射雾化过程中形成的疏松和气泡，在后续冷气动力喷涂过程中实现了填充和改善，在某种程度上改善了沉积金属的质量。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

如图1所示，包括金属熔融设备2和金属喷射雾化装置、冷气动力喷涂装置，冷气动力喷涂装置位于金属喷射雾化装置的一侧，金属熔融设备2采用坩埚。金属喷射雾化装置包括导流管3、雾化喷嘴4和沉积基板7，导流管3装在金属熔融设备2的底部，雾化喷嘴4设置在导流管3的外围，沉积基板7位于导流管3的下方；沉积基板7能够以一定的速度旋转；冷气动力喷涂装置包括送粉器8、贮气罐9、气体控制阀10和喷枪11，喷枪11的喷嘴为超音速喷嘴，喷枪11的尾部连接送粉器8和气体控制阀10，送粉器8、气体控制阀10分别连接至贮气罐9。

工作原理：首先准备接收喷射雾化金属用的沉积基板7，金属在熔融设备2中熔融形成金属液1后，通过导流管3向下流出，在流出的过程中，受到安装在导流管3外围的雾化喷嘴4的喷射雾化，形成细小的金属雾化液滴5，金属雾化液滴5以较高的速度喷射至沉积基板7上，由于高速撞击和快冷的作用，金属液1发生瞬间凝固，形成金属沉积层6，随着沉积基板7不停地运动，金属沉积层6不断的堆积在沉积基板7上。冷气动力喷涂时，金属沉积层的温度保持在800℃-1200℃之间，金属沉积层6的雾化厚度要求大于10mm。冷气动力喷涂装置的贮气罐9为冷气动力喷涂提供高压驱动气体和需复合的金属粉末载气，载气经送粉器8后携带需复合的金属粉末进入冷气动力喷涂喷枪11，驱动气体经气体控制阀10后进入喷枪11，在喷枪11中驱动气体与需复合的金属粉末相互作用将需复合的金属粉末的速度加速到超音速以上，通过超音速喷嘴喷出超音速气固双相12，作用于金属沉积层6上形成复合粘结层13。

实施例1：在沉积基板7上方布置喷射雾化装置和冷气动力喷涂装置。起初，沉积基板7以10mm/s的速度由右向左运动，喷射雾化金属为普碳钢，金属雾化温度为1600℃，雾化层厚度为12mm，金属雾化压力为15kg。喷射雾化金属沉积层6形成后，沉积基板7运动至冷气动力喷涂装置下方，需复合的喷涂金属为低碳钢，其颗粒中值直径为50μm，喷涂前金属沉积层的金属温度为900℃左右，喷枪11内气体的压力控制在20kg，冷气动力喷涂的厚度为3mm。

实施例2：在沉积基板7上方布置喷射雾化装置和冷气动力喷涂装置。起初，沉积基板7以12mm/s的速度由右向左运动，喷射雾化金属为普碳钢，金属雾化温度为1590℃，雾化层厚度为10mm，金属雾化压力为12kg。喷射雾化金属沉积层6形成后，沉积基板7运动至冷气动力喷涂装置下方，需复合的喷涂金属为低碳钢，其颗粒的中值直径为60μm，喷涂前金属沉积层的金属温度为1000℃左右，喷枪内气体的压力控制在18kg，冷气动力喷涂的厚度为2mm。

实施例3：在沉积基板7上方布置喷射雾化装置和冷气动力喷涂装置。起初，基板以13mm/s的速度由右向左运动，喷射雾化金属为普碳钢，金属雾化温度为1620℃，雾化层厚度为15mm，金属雾化压力为10kg。喷射雾化金属沉积层6形成后，沉积基板7运动至冷气动力喷涂装置下方，需复合的喷涂金属为低碳钢，其颗粒的中值直径为70μm，喷涂前金属沉积层的金属温度为950℃左右，喷枪内雾化气体的压力控制在15kg，冷气动力喷涂的厚度为1.5mm。

本发明的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种气雾法及喷涂法制备金属复合材料的方法，其特征在于：同时布置金属雾化喷射装置和冷气动力喷涂装置，首先利用金属雾化喷射装置制备喷射金属沉积层，再利用冷气动力喷涂装置将需复合的金属粉末高速冲击至喷射金属沉积层上，形成复合金属材料。

2.根据权利要求1所述的气雾法及喷涂法制备金属复合材料的方法，其特征在于：在金属喷射雾化装置的一侧布置冷气动力喷涂装置，将金属熔融后形成金属液，在金属液向下流出的过程中，通过金属喷射雾化装置的雾化喷嘴的喷射雾化，形成细小的金属雾化液滴，金属雾化液滴高速喷射至沉积基板上，形成金属沉积层；将需复合的金属粉末，在冷气动力喷涂装置的喷枪中加速到超音速以上，并通过超音速喷嘴喷出至金属沉积层上，得到复合金属材料。

3.根据权利要求1或2所述的气雾法及喷涂法制备金属复合材料的方法，其特征在于：所述金属沉积层的雾化厚度要求大于10mm，冷气动力喷涂时金属沉积层的温度保持在800℃-1200℃之间。

4.一种气雾法及喷涂法制备金属复合材料的装置，其特征在于：包括金属熔融设备（2）和金属喷射雾化装置、冷气动力喷涂装置，冷气动力喷涂装置位于金属喷射雾化装置的一侧；金属喷射雾化装置包括导流管（3）、雾化喷嘴（4）和沉积基板（7），导流管（3）装在金属熔融设备（2）的底部，雾化喷嘴（4）设置在导流管（3）的外围，沉积基板（7）位于导流管（3）的下方；沉积基板（7）能够以一定的速度旋转；冷气动力喷涂装置包括送粉器（8）、贮气罐（9）、气体控制阀（10）和喷枪（11），喷枪（11）的尾部连接送粉器（8）和气体控制阀（10），送粉器（8）、气体控制阀（10）分别连接至贮气罐（9）。

5.根据权利要求4所述的气雾法及喷涂法制备金属复合材料的装置，其特征在于：所述的金属熔融设备（2）是坩埚，喷枪（11）的喷嘴为超音速喷嘴。