一种用于铜质螺旋桨表面损伤修复的冷喷涂装置及方法与流程

本发明涉及冷喷技术领域，具体为一种用于铜质螺旋桨表面损伤修复的冷喷涂装置及方法。

背景技术：

镍铝青铜合金因强度高，塑性、冲击韧性好，抗腐蚀性、剥蚀性能强，以及良好浇注工艺性成为制作舰船等螺旋桨的首选。但螺旋桨作为舰船等大型海洋装备的推进设备，工作环境恶劣，在航行中需承受巨大力矩及海水的冲击、腐蚀，且因长年在海水中工作，受海生物等介质影响，常常产生腐蚀。发现螺旋桨有磨损、腐蚀或气蚀等表面损伤后应及时修复，否则，不仅会使舰船水动力性能下降，更严重的是它将加速螺旋桨的气蚀速度，一旦有了气蚀洞穴，该处将更容易产生和附着气泡，与光滑叶面和比，洞穴中的气泡将更加难于脱离叶面。对于铜质螺旋桨的损伤修复，一般使用与该螺旋桨材质相同的焊条或焊丝，通过气焊或氩弧焊方法进行修补。由于铜合金对应力腐蚀很敏感，焊前需预热，而焊后又必须进行消除应力的热处理，工艺难度大、条件艰苦。冷喷涂是近年来发展起来的一种新兴的表面工程技术，以压缩气体(N₂、He、混合气体或空气等)驱动金属粒子在完全固态下以极高的速度碰撞基板，使粒子发生强烈的塑性变形而沉积形成涂层的一种全新喷涂技术，它可以降低甚至完全消除传统热喷涂中氧化、相变、偏析、残余拉应力和晶粒长大等不利影响，适于制备Cu、Ti等氧化敏感材料涂层，涂层与基体结合强度好，且效率高。

目前，堆焊是铜质螺旋桨损伤修复常用的方法，使用堆焊技术修复的铜质螺旋桨有一些不可忽视的缺点。第一，在焊接的高温下，铜很容易氧化，造成塑性降低产生热裂纹。第二，焊接时合金元素容易蒸发，促使热裂纹、气孔、夹渣的产生。第三，铜在高温环境下过饱和氢的析出容易导致气孔的产生。第四，铜合金焊接后，在使用的过程中有应力腐蚀裂纹的趋向，产生“自裂”。另外，由于铜合金对应力腐蚀很敏感，焊前需预热，而焊后又必须进行消除应力的热处理，工艺难度大、条件艰苦。例如气焊时为防止热量流失过快，影响施焊，需要同时另加几把气焊枪进行整体预热，即使如此，堆焊修复也常因局部热输入量较大，发生过热，引起螺旋桨叶面的变形。非熔化极氩弧焊修复螺旋桨叶面，虽然不用气焊预热和保温即可施焊，但效率太低；熔化极氩弧焊虽然效率较高，但由于热输入较大，可能会导致变形，影响舰船螺旋桨尺寸和后续再加工。由于其表面腐蚀面积较大，需要整体进行修复，堆焊等传统方法修复难度较大。

技术实现要素：

针对舰船铜质螺旋桨表面腐蚀损伤严重，缺少有效修复方法难题，采用冷喷涂技术对其进行修复，解决常规修复方法中尺寸恢复效率低、热变形大、结合强度低等难题，实现船艇铜质螺旋桨表面腐蚀损伤的低应力、小变形、高性能修复，为提高铜质螺旋桨安全性能，延长其使用寿命；本发明提供一种用于铜质螺旋桨表面损伤修复的冷喷涂装置及方法，它能有效的解决背景技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于铜质螺旋桨表面损伤修复的冷喷涂装置，包括送粉器、送粉阀、超音喷射装置、高压气体供给机构、气阀和高压气体加热装置；所述送粉器通过管路与超音喷射装置连接；所述高压气体供给机构、高压气体加热装置和超音喷射装置依次通过管路连接；所述送粉器和超音喷射装置的管路上设有送粉阀；所述高压气体供给机构和高压气体加热装置之间的管路上设有气阀。

一种用于铜质螺旋桨表面损伤修复的冷喷涂方法，包括以下步骤：

步骤一，将镍铝青铜粉末加入至送粉器；

步骤二，调节超音喷射装置的喷嘴距镍铝青铜基体距离至20～40mm，设定送粉速率为30～50g/min，超音喷射装置的喷嘴水平移动速率为5～15cm/min；

步骤三，利用高压气体供给机构将工业用氮送粉气体增压至3～4MPa；

步骤四，开启高压气体加热装置将送粉气体预热至600～800℃；

步骤五，当送粉器加压、预热完毕后，打开送粉阀，粉末高速均匀喷出，喷射在镍铝青铜基体表面，形成涂层。

进一步，所述镍铝青铜粉末粒径需分布在20～40μm之间。

进一步，所述步骤二中，超音喷射装置的喷嘴距镍铝青铜基体距离最近为30mm。

进一步，所述步骤二中，送粉速率最佳为40g/min。

进一步，所述步骤二中，超音喷射装置的喷嘴水平移动速率最佳为10cm/min。

进一步，所述步骤三中，加压送粉气体压强为3.5MPa。

进一步，所述步骤四中，送粉气体加热后最佳温度为700℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.热变形小；金属材料在高于再结晶温度下进行的塑性形变过程叫做热变形；镍铝青铜的热变形温度为800～950℃，镍铜合金的变形温度为1050℃；可见，常用的铜合金材料的热变形温度都高于冷喷涂工作环境下的最高温度；所以在冷喷涂的过程中，铜质螺旋桨发生热变形的可能性较小；

2.孔隙率低；堆焊技术虽然经过多年的发展，是一项较为成熟的表面损伤修复技术；但镍铝青铜堆焊过程中，有很多因素会导致气孔的产生，气孔的产生会降低堆焊修复层的致密性和塑性，造成气孔周围应力集中，导致修复层裂缝的产生；冷喷涂的粉末粒子小于50μm，使用本方法制备的镍铝青铜涂层孔隙率约为2％，孔隙率水平较低；

3.机械性能优良；冷喷涂过程中，采用本发明中冷喷涂装置及方法制备的镍铝青铜涂层平均显微硬度为290.7 HV0.2，镍铝青铜基体的平均显微硬度为185.4HV0.2，涂层显微硬度提高了57.2％；同时，冷喷涂镍铝青铜涂层的摩擦性能较好；镍铝青铜基体在空气中平均摩擦系数为0.228，在3.5％NaCl溶液中平均摩擦系数为0.226，涂层在空气中平均摩擦系数为0.155，在3.5％NaCl溶液中平均摩擦系数为0.158；这说明，无论在空气环境中还是腐蚀环境中，涂层的耐磨性能均优于基体。

4.良好的冷喷涂镍铝青铜涂层表面应平整致密，没有肉眼可见的明显孔洞和裂痕。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中涂层与镍铝青铜基体摩擦显微硬度关系图；

图3为本发明中涂层与镍铝青铜基体磨损率关系图；

图4为本发明中涂层与镍铝青铜基体摩擦系数关系图；

附图标记中：1.送粉器；2.送粉阀；3.超音喷射装置；4.高压气体供给机构；5.气阀；6.高压气体加热装置；7.涂层；8.镍铝青铜基体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种用于铜质螺旋桨表面损伤修复的冷喷涂装置，包括送粉器1、送粉阀2、超音喷射装置3、高压气体供给机构4、气阀5和高压气体加热装置6；所述送粉器1通过管路与超音喷射装置3连接；所述高压气体供给机构4、高压气体加热装置6和超音喷射装置3依次通过管路连接；所述送粉器1和超音喷射装置3的管路上设有送粉阀2；所述高压气体供给机构4和高压气体加热装置6之间的管路上设有气阀5。

一种用于铜质螺旋桨表面损伤修复的冷喷涂方法，包括以下步骤：

步骤一，将镍铝青铜粉末加入至送粉器；

步骤二，调节超音喷射装置的喷嘴距镍铝青铜基体距离至20～40mm，设定送粉速率为30～50g/min，超音喷射装置的喷嘴水平移动速率为5～15cm/min；

步骤三，利用高压气体供给机构将工业用氮送粉气体增压至3～4MPa；

步骤四，开启高压气体加热装置将送粉气体预热至600～800℃；

步骤五，当送粉器加压、预热完毕后，打开送粉阀，粉末高速均匀喷出，喷射在镍铝青铜基体表面，形成涂层。

进一步，所述镍铝青铜粉末粒径需分布在20～40μm之间。

进一步，所述步骤二中，超音喷射装置的喷嘴距镍铝青铜基体距离最近为30mm。

进一步，所述步骤二中，送粉速率最佳为40g/min。

进一步，所述步骤二中，超音喷射装置的喷嘴水平移动速率最佳为10cm/min。

进一步，所述步骤三中，加压送粉气体最佳为3.5MPa。

进一步，所述步骤四中，送粉气体加热后最佳温度为700℃。

相较于传统的堆焊修复技术，本发明的用于铜质螺旋桨表面损伤修复的冷喷涂方法具有以下优点：

1.热变形小；金属材料在高于再结晶温度下进行的塑性形变过程叫做热变形；镍铝青铜的热变形温度为800～950℃，镍铜合金的变形温度为1050℃；可见，常用的铜合金材料的热变形温度都高于冷喷涂工作环境下的最高温度；所以在冷喷涂的过程中，铜质螺旋桨发生热变形的可能性较小；

2.孔隙率低；堆焊技术虽然经过几十年的发展，是一项较为成熟的金属修复技术；但是堆焊过程中，有很多因素会导致气孔的产生，气孔的产生会降低焊接接头的严密性和塑性，造成气孔周围应力集中，导致焊接裂缝的产生；冷喷涂的粉末粒子小于50μm，使用本方法制备的镍铝青铜涂层孔隙率约为2％，孔隙率水平较低；

3.机械性能优良；冷喷涂过程中，本方法制备的镍铝青铜涂层平均显微硬度为290.7 HV0.2，镍铝青铜基体的平均显微硬度为185.4HV0.2，涂层显微硬度提高了57.2％；同时，冷喷涂镍铝青铜涂层的摩擦性能较好；镍铝青铜基体在空气中平均摩擦系数为0.228，在3.5％NaCl溶液中平均摩擦系数为0.226，涂层在空气中平均摩擦系数为0.155，在3.5％NaCl溶液中平均摩擦系数为0.158；这说明，无论在空气环境中还是腐蚀环境中，涂层的耐磨性能均优于基体。

4.良好的冷喷涂镍铝青铜涂层表面应平整致密，没有肉眼可见的明显孔洞和裂痕。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。