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材料表面处理
发布者: 发布时间: 2015/10/16 阅读:491

摘要:介绍了热喷涂技 术的作用原理、工艺特点、分类。总结了热喷涂技术的应用 状况。探讨了新工艺、新材料在热喷涂技术中的应用前景。

关键词:热喷涂;表面处 理技术;新材料

1 概

高新技术的飞速发 展对提高金属材料的性能、延长仪器设备中零部件的使用寿命提出了越来越高的要求。而这两个方面的要求又面临高性能结构材料成本逐年上升的问题。近年来,表面工程发展很快,尤其是热喷涂技术获得了巨大的进展,为解决 上述问题提供了一种新的方法。热喷涂是一种通过专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上,形成一种特制薄层,以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的表面工程技术。

由于热喷涂技术可 以喷涂各种金属及合金、陶瓷、塑料及非金属等大多数固态工程材料,所以能制成具备各种性能的功能涂层,并且施工灵活,适应性强,应用面广,经济效益突出,尤其对提高产品质量、延长产品寿命、改进产品结构、节约能源 、节约贵重金属材料、提高工效、降低成本等方面都有重要作用。随着工业和科技的发展,人们对热喷涂技术提出了越来越高的要求,在已有的热喷涂工艺不断得到改进的同时,一些新的工艺也应运而生。目前,包括航空、航天 、原子能设备、电子等尖端技术在内的很多领域内热喷涂技术都得到了广泛的应用,并取得了良好的经济效益。

2  热喷涂工艺的历史

早在1910年,瑞士学者 Schoop受儿童玩耍铅丸玩 具枪的启发发明了第一个金属喷射装置——金属溶液式喷涂,当时命名“金属喷镀”。它是将低熔点金属的溶液注入经过加热的压缩空气气流中,使金属溶液雾化并喷射到基体表面形成涂层。这个装置虽然庞大,效率不高,但已 包含了热喷涂的基本原理和过程,开创了热喷涂技术领域。1913年Schoop提出了电弧喷涂的 设计,1916年实用型的电弧喷 枪。20世纪30年代英国研制成功 Schort粉末火焰喷枪,之 后出现了METCO-P型粉末火焰喷枪, 其他热喷涂专业公司也相应开发了一系列粉末火焰喷枪,也使这一热喷涂方法得到广泛应用。1943年美国METCO公司首次出版了《 金属喷镀》手册。20世纪40年代末,热喷涂技 术有了长足的进步。20世纪50年代末,由美国联 合碳化物公司研制成功燃气重复爆炸喷涂,用于制备高质量的碳化物和氧化物陶瓷涂层,并首先应用到航空工业中。60年代初,等离子喷 涂技术已在工业上应用。改变了热喷涂技术领域的面貌,大大扩充了喷涂材料和涂层应用的范围,解决了难溶金属材料和陶瓷材料的喷涂问题,并大幅度提高了涂层质量。20世纪70年代,热喷涂技术 向着高能、高速、高效方向发展,研制成功80KW高能等离子喷涂设 备、低压等离子喷涂设备和200KW液稳等离子喷涂设 备。20世纪80年代,热喷涂技术 又有了新的发展,突出表现在研制成功超音速火焰喷涂和将电子计算机应用于热喷涂装备中,从而使喷涂涂层向着更高质量和精密化方向发展。英国、美国形成巨大的热喷涂经济产业链条。

我国热喷涂技术应 用食欲20世纪40年代末,50年代开始制造线材 火焰喷枪和粉末气喷枪,发展了线材电弧喷涂,在上海组建了国内第一个专业化喷涂厂,研制出氧乙炔火焰丝喷涂和电弧喷涂装置,并对外开展喷涂业务。60年代初期研制成功 封闭式喷嘴固定式电弧喷涂枪和陶瓷粉末气喷涂枪。60年代末期开始研究 等离子喷焊技术,同时开始应用粉末火焰喷焊技术。70年代出现了品种和 型号较为齐全的喷涂设备和材料,但总的来说进展缓慢。1981年由国家经济委员 会、国家科学技术委员会主持在北京召开了首届全国热喷涂会议,会上宣布在国家经济委员领导下成立了“全国热喷涂协作组”。1991年,国家机电部武 汉材料保护研究所向国家民政部申请了“中国表面工程 协会热喷涂专业委员会”。经过二十年来的发展,在热喷涂领域,新设备,新材料,新工艺及新的应用技术不断涌现,形成了科研、设计、制造和施工准也队伍及推广应用网 络,为我国热喷涂技术的发展奠定了坚实的基础,可以预料,热喷涂技术在我国将会得到更加迅速的发展,在国民经济各个部门得到更广泛地推广应用。

3热喷涂工艺的原理 及特点

热喷涂技术是通过 某种热源将某些材料加热至熔融或半熔融状态,然后喷射到涂敷的基体表面,形成一层性能优于原来基体的涂层,从而使原工件具有更加优异的表面性能,或者是使工件获得一种或几种原来基体材料不具备的表面性能膜状组织。 喷涂层的形成包括喷涂材料的加热熔化阶段、熔滴的雾化阶段、粒子的飞行阶段和粒子的喷涂阶段。涂层与基体的结合一般认为有机械结合、扩散结合、物理结合和冶金结合。在使用放热型喷涂材料或采用高温热源喷涂时,熔融 态的喷涂材料粒子会与熔化态的基体发生焊接现象,形成微区的冶金结合,提高涂层与基体的结合强度。喷涂层内的粒子之间的结合以机械结合为主,而扩散结合、物理结合、冶金结合等也共同起作用。

自1910年瑞士肖普( Schoop)博士发明了一种 火焰喷涂装置(即热喷涂)以来,热喷涂技术已有很大发展,尤其是20世纪80年代以来,热喷涂 技术的应用取得了很大的成就。与其他各种表面技术相比,热喷涂技术有其自身的特点:

(1)可在各种基体上 制备各种材质的涂层,包括金属、陶瓷、金属陶瓷、工程塑料、玻璃、木材、布、纸等几乎所有的固体材料。

(2)基体温度低。基 体温度一般在30~200℃之间,变形小, 热影响区浅。

(3)操作灵活。可喷 涂各种规格和形状的物体,特别适合于大面积涂层,并可在野外作业。

(4)涂层厚度范围宽 。从几十微米到几毫米的涂层都能制备,且容易控制,喷涂效率高,成本低。喷涂时生产效率为每小时几公斤到几十公斤。

热喷涂作为一种表 面处理技术,它也存在许多不足之处,比如涂层存在结合力较低、孔隙率较高、均匀性较差且不易对涂层进行非破坏检查等问题,主要体现在热效率低,材料利用率低、浪费大和涂层与基材强度较低三个方面。

4热喷涂方法的种类

完成工件热喷涂的 一般工艺流程为:工件的表面准备-工件的喷涂 -工件的喷涂 后处理。整个过程除与设备类型有关外,还涉及喷涂材料、热源和喷射速度。喷涂材料包括金属、陶瓷和塑料等。热喷涂方法大体可分为火焰喷涂法、爆炸喷涂法、超音速喷涂法、电弧喷涂法、等离子喷涂法和激光喷涂法等。

(1)火焰喷涂法是目 前喷涂技术中使用较广泛的一种工艺。采用火焰喷涂法技术,可以制备各种纯金属、合金、陶瓷及塑料等涂层。

(2)爆炸喷涂法是一 项技术难度较大、工艺性能较强的新技术,也是一种高能喷涂方法。与一般火焰喷涂相比,必须提供足够高的气体压力,以产生高达5倍于音速的焰流( 1830m/S)。气体的消耗量 也很大,就氧气而言,通常是一般火焰喷涂的10倍。

(3)电弧喷涂法对各 种金属材料都能喷涂,大量地应用于防腐、耐磨等工程。目前,电弧喷涂法已经从一种粗糙的高喷涂率的技术演化为能以低成本生产具有高质量涂层的较为精密的手段。

(4)超音速等离子喷 涂

超音速等离子喷涂 的原理是将主气(氩气,流量较小)由后枪体输入,而大量的次级气(氮气或氮气与氢气的混合气)经气体旋流环的作用后,与主气一同从拉伐尔管形的二次喷嘴射出(钨极接负极,引弧时,一次喷嘴接正极),在初级气中经高 频引弧,而后,正极转接二次喷嘴,即在钨极与二次喷嘴内壁间产生电弧。在旋转的次级气的强烈作用下,电弧被压缩在喷嘴的中心并拉长至喷嘴外缘,形成高压的扩展等离子弧。大功率扩展的等离子弧有效地加热主气和次级气 ,从而获得从喷嘴射出的稳定的、集聚的超音速等离子射流。喷射粉末经送粉嘴加入超音速等离子流,获得很高的温度和动能,撞击在工件表面形成涂层。该方法主要特点在于具有极高的热源温度(等离子弧温度高达16 000℃)和功率,因此 能够在短时间内将陶瓷粉末加热到其熔点以上,得到高质量的涂层。它兼有等离子弧喷涂的加热温度高及气体爆炸喷涂和HVOF喷涂的喷涂材料飞 行速度快的特点。

(5)激光喷涂

作用原理是把焊丝 顶端(或粉末)用高能密度光束加 热至熔融,再用喷出的高压气体使熔融部分粒子化,并喷向基体表面而形成涂层。喷涂环境的气氛可以选择在大气气氛下,也可在惰性气氛或真空状态下进行喷涂。激光喷涂的优点:喷涂所获得的涂层结构与原始粉末相同;可以 喷涂大多数材料,范围从低熔点的涂层材料到超高熔点的涂层材料;涂层的气孔率即使在采用焊丝制备时,也比用等离子法喷涂粉末时制备的涂层气孔率低。

5热喷涂技术的应用

5.1喷涂耐腐浊涂层

采用热喷涂技术可 以喷涂耐各种介质腐蚀的保护涂层,如锌铝不锈钢镍合金蒙乃尔合金、青铜、氧化铝、氧化铬陶瓷涂层和塑料等。由于涂层的电极电位比钢铁高,因此,易在涂层孔隙处产生电化学腐蚀,故对应用于以下机械部件如柱塞泵的活塞 和活塞杆、液压油缸、蒸汽机机轴的密封部件、船舶尾轴、阀门等的涂层,必须封孔处理。陶瓷涂层用于防腐也必须经过封孔处理。目前,国内用得最成功的防腐涂层是锌、铝涂层。其技术已应用于大型桥梁、海洋钻井平台、水 利设施等。如英国普利茅斯Tamar公路大桥,从 1961年喷涂了0.08 mm厚的铝一锌复合涂 层,至今只重新喷涂过一次。此外,该工艺在化工、食品等行业也得到广泛应用,如葡萄酒厂低温发酵车间的发酵罐内壁采用火焰喷涂聚乙烯涂层,有效防止了罐壁的点蚀,控制了酒中铁离子的含量。

5.2喷涂耐磨涂层

热喷涂技术被成功 应用于喷涂机械零件耐磨涂层,延长零件的使用寿命或修复磨损失效的机械零件。美国Metco公司在中国小浪底 水电站中承担了水轮机耐浊涂层任务,共耗13吨喷涂材料。可使 水轮机叶轮寿命从3年提高到几十年。 在航空发动机中,采用可磨耗涂层能成功减小转予与机壳的间隙。

5.3喷涂耐高温涂层

热喷涂技术同样可 以改善机械零件的抗高温氧化性能。采用热障涂层隔离金属体与高温环境,可以有效保持金属构件的力学性能。例如人造卫星表面喷涂氧化氯涂层,在急剧热交变条件下,可保证其内部仪器始终在一定温度范围内可靠地工作。美 国在“探险者”喷涂氧化铝,其遮盖面积为卫星总面积的25%。

5.4喷涂功能涂层

热喷功能涂层广泛 应用在电器工业中。如喷涂屏蔽涂层于监测和控制汽车发动机排气中的氧含量和毒性化合物含量的探测仪,以保证其灵敏度。而热喷涂生物相容性涂层在生物医学方面则展示了良好前景。如喷涂羟基磷、氟羟基磷石等可与人体种 植体形成紧密结合,这种技术已应用于人工牙齿、人造骨头种植体上。

5.5喷涂成型

采用热喷涂制造机 械零件是近年迅速发展起来的特殊制造技术。例如,采用电弧喷涂制造冲压塑料和皮革制品件模具、等离子喷涂陶瓷或耐火喷嘴、雷达整流、高温炉元件,以及纤维增强钛合金复合材料发动机部件等。在模具制造方面,西安交通 大学将热喷涂与RP快速成型技术相结 合,制造出了锌基合金模具。但是,用喷涂成型法制造的零件具有孔隙度高、机械强度差和大部分需后处理的缺点,此项技术还待完善。

6热喷涂技术的发展 方向

6.1 开发新型喷涂材料

近年来, 在材料科学与工程 领域,纳米材料成为热点 。在热喷涂领域的纳米喷涂材料和纳米结构涂层也有了发展,但是大部分尚处于 实验室研究阶段,投入生产尚需时日 。

6.2 重视热喷涂技术的 理论研究

热喷涂技术是一个 涉及多学科,如金属学、陶瓷学 、高分子科学、表面物理学、表面化学、流体力学、传热学、等离子物理学等学科的边缘科学,又是一项适用性很 强的基础工艺。它受高温、高速、非均匀性等多参数的影响,影响因素多而复杂 。因此,给热喷涂技术基础 理论的研究带来了很大困难。针对这种情况,世界各国均十分重视热喷涂技术的 理论研究。目前, 对热喷涂技术的研 究正从实验性工艺技术向着有坚实理论的基础工艺发展。

6.3 开发热喷涂技术应 用的新领域

热喷涂技术与其他 学科相互交叉渗透形成了新的表面处理工艺。例如, 热喷涂与热处理工 艺相结合出现了炉内烧结重熔和高频感应重熔涂渗工艺,与电镀工艺相结合 产生了镀涂工艺和涂镀工艺,与铸造工艺相结合 出现了烧结喷熔和电火花烧结工艺等。采用新的能源,出现了激光重溶和 电子束重熔等。由此可见,热喷涂技术应用的 新领域有待于进一步进行探索和开发。

6.4 大力推进计算机在 热喷涂工艺中的应用

目前,热喷涂技术基本上 还处于工艺性的阶段,涂层质量主要依靠 经验和严格的规程来保证。但是,计算机技术的应用 ,正在迅速改变热喷 涂技术的这种状况。预计在未来的 10 年里, 在热喷涂材料和工 艺继续发展的同时,热喷涂设备和工艺 将普遍实现自动化操作,小型计算机的自动 化设备将普遍得到应用,并出现许多大型的 计算机集中控制和机器人操作的无人化热喷涂车间及自动化生产线。在热喷涂过程的动态测量和控制,涂层质量的动态无 损检测技术和热喷涂基础理论的研究等方面,都可能出现重大的 突破,从而使热喷涂技术 发生质的飞跃,使这种工艺性的技 术发展成为比较成熟的基础工艺科学。

7结语

目前,热喷涂技术与其他学科相互交叉渗透形成了新的表面处理工艺,计算机技术的应用 ,使得在热喷涂材料和工 艺继续发展的同时,也使热喷涂设备和工艺实现自动化。但在实际过程中,尤其是在高温、高速、非均匀性等参数的影响下,喷涂质量的控制还比较困难,还需重视热喷涂技术的 理论研究。在热喷涂过程的动态测量和控制,涂层质量的动态无 损检测技术和热喷涂基础理论的研究等方面,都出现了重大的突破,使这种工艺性的技 术发展成为比较成熟的基础工艺 科学。对陶瓷,纳米等材料的继续深入研究,热喷涂技术定会有更好的应用前景。

 

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