[发明专利]一种长细金属管内电弧合金粉末溅射冶金熔融镀膜方法

说明书

本发明提供一种长细金属管内电弧合金粉末溅射冶金熔融镀膜方法，采用磁化电弧阴极中心送粉，在阳极通道内熔融喷射到溅射体棒材上，合金液滴经过电弧羽流的加速，达到1000‑‑1500m/s的纵向速度，撞击溅射靶材。靶材表面因电弧羽流加热处于熔融流体状态，高速液滴撞击靶材液态表面，形成合金液滴溅射，溅射出去的合金液滴在磁化高电子密度等离子体羽流中带负电，带负电的液滴在金属管道壁与溅射靶材锥体间的电场加速下，以2000m/s的径向速度飞向管道内壁，合金液滴撞击金属内壁基材，颗粒的动能转化成熔融基材表面面积S_σ、深度H表层的热能，溅射液滴与基材碰撞熔融，形成冶金熔融结合镀层，镀层抗拉伸强度优于600MPa。

技术领域

本发明涉及对金属材料的镀覆技术领域，具体涉及一种长细金属管内电弧合金粉末溅射冶金熔融镀膜方法。

背景技术

在化工生产过程中，有些装置需要特殊的耐高压、耐高温、抗腐蚀管道，其直径在20—40mm，而长度却有1000—3000mm，长径比在20—150之间。由于其直径较小、长度却很长，在其管壁内要喷涂上耐高温、耐高压、抗腐蚀的合金涂层并达到冶金熔融结合的强度(涂层的抗拉伸强度600MPa)，以抵抗高速流体在管道内的冲刷。

而且有些特殊管道采用热处理性能强化，在采用激光熔覆合金镀膜或电弧喷射合金镀膜过程中，激光或电弧会将管道基体加热，使得管道基体材料产生相变，降低管道基体材料的性能。激光熔覆技术在直径40mm，长约2000mm的管道内，难以将高能量激光脉冲聚焦在管道内1000mm的内壁上；合金粉末电弧喷射也难以将熔融合金粉末喷射到1000mm长的管道内壁并形成冶金熔融结合的镀层。

现有技术采用“旋转电极磁化等离子体电弧喷射”的方法和装置，可以实现在细长金属管道内合金材料与金属管道内壁的冶金熔融结合的合金镀层，镀层的抗拉伸强度能够达到600MPa，在10—1000Pa低气压的环境条件下，电弧对金属管道基体的加热功率较低，高速液滴颗粒的撞击金属内壁，其动能转化的热能只能熔融深度几十um的基材，对内层基材的温升不大，低于管道材料的热形变和热相变的临界温度。但这种方法，需要旋转电极，在小直径(20mm)条件下，要求转速要达到30000rpm。这对机械旋转部件的制造带来较大的技术挑战。

现有技术采用磁控溅射离子镀的方法，其镀膜的效率非常低，采用将溅射靶材电离形成离子的方法，其镀膜效率低，造成镀膜成本非常高。

现有技术采用物理蒸汽镀膜的方法，是将靶材在电弧加热状态形成金属蒸汽，这样的镀膜所形成的膜性质与靶材的合金性质可能产生加大的差异，并且需要消耗大量的电能，形成靶材的蒸汽化，

发明内容

本发明是为了解决长细金属管内电镀的问题，提供一种长细金属管内电弧合金粉末溅射冶金熔融镀膜方法，采用“磁化电弧阴极中心送粉”，将合金粉末在阳极通道内熔融喷射到相同材料制备的管道内溅射体棒材上，合金液滴经过电弧羽流的加速，其速度达到1000---1500m/s的纵向速度，撞击溅射靶材(与合金粉末是相同材质)，靶材表面因电弧羽流的加热处于熔融流体状态，高速液滴颗粒撞击靶材液态表面，形成合金液滴颗粒溅射，溅射出去的合金液态颗粒在磁化高电子密度(10¹⁸m^-3)等离子体羽流中带负电，带负电的液态颗粒在金属管道壁与溅射靶材锥体间的电场加速下，以2000m/s的径向速度飞向管道内壁，液态合金颗粒撞击金属内壁基材，颗粒的动能转化成熔融基材表面S_σ面积，深度D_q表层的热能，其中D_q是溅射颗粒的直径。液态溅射颗粒与基材碰撞熔融的相互作用时间间隔约为100ns。在这100ns时间内基体向内传递的热量引起的温升较低，内层基体温度低于其热形变和热相变的临界温度。采用本方法可以在细长金属管内壁通过电弧喷射，溅射棒溅射，在金属管内壁形成冶金熔融结合的钛合金镀层，镀层的厚度约为200um，镀层的抗拉强度优于600MPa。