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    了解熱噴涂:熱噴涂技術發展趨勢及特點
    發表時間:2022-03-16     閱讀次數:     字體:【

    熱噴涂技術是一種將涂層材料 (粉末或絲材)送入某種熱源(電弧、燃燒火焰、等離子體等)中熔化,并利用高速氣流將其噴射到基體材料表面形成涂層的工藝。熱噴涂涂層具有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫和隔熱等優良性能,并能對磨損、腐蝕或加工超差引起的零件尺寸減小進行修復,在航空航天、機械制造、石油化工等領域中得到了廣泛的應用。

    熱噴涂技術較早出現在 20 世紀早期的瑞士,隨后在前蘇聯、德國、日本、美國等國得到了不斷的發展,各種熱噴涂設備的研制、新的熱噴涂材料的開發及新技術的應用,使熱噴涂涂層質量不斷得到提高并開拓了新的應用領域。本文主要介紹火焰噴涂技術,等離子噴涂技術,超音速火焰噴涂技術,電弧噴涂技術,超音速電弧噴涂技術以及冷噴涂技術的研究現狀與發展,介紹了這些熱噴涂技術的研究發展與應用,并對熱噴涂技術的未來發展趨勢進行了展望。

    1 火焰噴涂技術

    火焰噴涂技術作為一種新的表面防護和表面強化工藝,在近 20 年里得到了迅速發展,已經成為金屬表面工程領域中一個十分活躍的分支。利用火焰為熱源,將金屬與非金屬材料加熱到熔融狀態,在高速氣流的推動下形成霧流,噴射到基體上,噴射的微小熔融顆粒撞擊在基體上時,產生塑性變形,成為片狀疊加沉積涂層,這一過程稱為火焰噴涂。在設備維修中,它被用來補償零件表面的磨損和改善性能。將自熔性合金材料的噴涂層重新加熱熔化一遍使涂層致密,性能提高,重熔后的涂層稱為噴焊層,這一過程稱為噴焊;鹧鎳娡堪磭娡坎牧系男螒B可以分為絲材火焰噴涂、粉末火焰噴涂、棒材火焰噴涂等;按噴涂焰流的形態又可分為普通火焰噴涂、超音速火焰噴涂、氣體爆燃式噴涂等。

    火焰噴涂技術的基本特點是:一般金屬、非金屬基體均可噴涂,對基體的形狀和尺寸通常也不受限制,但小孔目前尚不能噴涂;涂層材料廣泛,金屬、合金、陶瓷、復合材料均可為涂層材料,可使表面具有各種性能,如耐腐蝕、耐磨損、耐高溫、隔熱等:涂層的多孔性組織有儲油潤滑和減摩性能,含有硬質相的噴涂層宏觀硬度可達 450HB,噴焊層可達 65HRC;火焰噴涂對基體影響小,基體變形小,材料組織不發生變化;鹧鎳娡考夹g的缺點:噴涂層與基體結合強度較低,不能承受交變載荷和沖擊載荷;基體表面制備要求高;火焰噴涂工藝受多種條件影響,涂層質量尚無有效檢測方法。常用火焰噴涂方法有乙炔 - 氧焰粉末噴涂、乙炔-氧焰線材噴涂等。乙炔 - 氧焰粉末噴涂用的設備簡便可在現場施工適用于設備維修。

    2 等離子噴涂技術

    等離子噴涂是一種材料表面強化和表面改性技術,可以使基體表面具有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。等離子涂技術是采用由直流電驅動的等離子電弧作為熱源,將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態,并以高速噴向經過預處理的工件表面而形成附著牢固表面層的方法。等離子噴涂技術是繼火焰噴涂之后大力發展起來的一種新型多用途的精密噴涂方法,它具有超高溫特性,便于進行高熔點材料的噴涂,噴射粒子的速度高,涂層致密,粘結強度高等優點。由于使用惰性氣體作為工作氣體,所以噴涂材料不易氧化。目前隨著熱噴涂技術的飛速發展,熱噴涂技術的研究現狀與發展趨勢國際上等離子噴涂占有明顯優勢,并已開發出三陰極等離子噴涂、高能等離子噴涂、微弧等離子噴涂和懸浮等離子噴涂等多種新技術。

    (1)三陰極等離子噴涂。三陰極等離子噴槍由 3個陰極和由幾個被絕緣的環體串聯組成的噴嘴組成,只有離陰極相對遠的一個環體作為陽極工作。由于從三個陰極到同一個陽極產生的三個獨立電弧的長度穩定不變,三束等離子射流在匯流腔內匯聚成一束主等離子流,形成空心管狀射流從噴嘴噴出,從而產生了穩定的等離子噴射。與傳統的等離子噴槍相比,這種噴槍的等離子噴射的穩定性有明顯改善,可以進行均質粉末加工,并有較高的沉積率和送粉率。

    (2)高能等離子噴涂。高能等離子噴涂是為滿足陶瓷材料對涂層密度和結合強度以及噴涂效率的更高需求而開發的一種高能、高速的等離子噴涂技術,其特點是在電弧電流與普通大氣等離子噴涂相當的條件下,利用較高的工作電壓提高功率,并采用更大的氣體流量來提高射流的流速。高能等離子噴涂工藝采用高能等離子噴槍進行噴涂。高能等離子噴槍采用獨特的設計方法拉長了等離子弧,提高了工作電壓,降低了工作電流,減少了陰陽極的損耗,提高了噴嘴的使用壽命。等離子弧中存在 3 個菱形馬赫錐,具有較高的射流速度。高功率等離子噴涂系統能夠穩定工作在 200 kW 左右,等離子弧具有極高的熱能和速度,可為沉積優質涂層提供充足的功率。

    (3)微等離子噴涂。微等離子噴涂的特點是具有層流等離子射流、功率低、基體受熱低、噪聲小,可在極薄的基體上進行噴涂。這種噴涂方法的功率雖低但能量集中,其束斑直徑小,所以仍可噴涂各種材料,特別適宜制備小零件及薄壁件的精密涂層且該設備重量輕適合于現場的維修工作。

    (4)懸浮式送粉等離子噴涂。懸浮式送粉等離子噴涂是一種采用液料送粉方式,可直接噴涂納米粉末且可以形成超薄納米涂層的新型噴涂技術。懸浮等離子噴涂采用液料為介質,使用分散劑將粒子分散在液料中行成懸浮液,通過液料送粉器將懸浮液送入到等離子弧中,液料溶劑迅速蒸發,溶劑中的粉末被等離子弧加熱熔化噴射到基體上形成涂層。這種方式克服了噴涂粒子半徑的限制,不僅實現了非團聚的納米粉末直接進行噴涂,而且可制備涂層厚度較薄的超薄涂層。

    (5)反應等離子噴涂。反應等離子噴涂是對真空等離子噴涂進一步改進的結果,該方法在真空等離子噴涂過程中在噴嘴出口處的等離子射流中加入反應氣體(如 N2),反應氣體與加熱中的噴涂顆粒相互作用進而得到新的生成物。用這種方法可以獲得 TiN涂層,這是靠噴涂鈦粉和注入 N2反應后得到的。TiN具有高熔點、高硬度、耐磨損、耐腐蝕等特點并且還具有優良的導電性和超導性。

    (6)真空等離子噴涂。真空等離子噴涂(又叫低壓等離子噴涂)是在氣氛可控的,真空的密封室內進行噴涂的技術。因為工作氣體經過等離子化后,是在低壓氣氛中邊膨脹體積邊噴出的,所以噴流速度是超音速的,而且非常適合于對氧化高度敏感的材料。

    (7)氣穩等離子噴涂。氣穩等離子噴涂的原理是由等離子噴槍(等離子弧發生器)產生等離子射流(電弧焰流)。噴槍的電極(陰極)和噴嘴(陽極)分別接整流電源的正、負極,向噴槍供給工作氣體(Ar、N2等),通過高頻火花引燃電弧。電弧將氣體加熱到很高的溫度,使氣體電離,在熱收縮效應、自磁收縮效應和機械效應的作用下,電弧被壓縮,產生非轉移性等離子弧。高溫等離子氣體從噴嘴噴出后,體積迅速膨脹,形成高溫高速等離子射流。送粉氣流推動粉末進入等離子射流后,被迅速加熱到熔融或半熔融狀態,并將等離子射流加速,形成飛翔基材的噴涂離子束,陸續撞擊到經預處理的基材表面,形成涂層。大氣等離子噴涂用氬氣、氮氣、氫氣作為等離子氣。

    3 超音速火焰噴涂技術的原理與應用

    超音速火焰噴涂(簡稱 HVOF)是 20 世紀 80 年代初在普通火焰噴涂的基礎上發展起來的一種新型熱噴涂技術。它是利用氫、乙炔、丙烯、煤油等做燃料,用氧氣作助燃劑,在燃燒室或特殊的噴嘴中燃燒,產生高達 2000~3000℃、2100 m/s 以上速度的超音速燃燒火焰,同時將粉末送進火焰中,產生熔化或半熔化的粒子,高速撞擊在基體表面上沉積形成涂層,其超音速火焰制備的涂層比普通火焰噴涂或等離子噴涂制備的涂層結合強度更高更致密。HVOF 發展非常迅速,從 1982 年美國的James.A. Browning 開發出超音速火焰噴涂裝置 Jet KoteI 以來,僅 10余年 HVOF 工藝及裝置取得了長足的進展,其優異的涂層質量及與自動控制系統的結合使用,代表了現代熱噴涂技術發展的方向。超音速火焰噴涂是近年來國際上發展較快的一種熱噴涂工藝。它的特點是:焰流速度極快,可達到 2200 m/s,這要比其他熱噴涂工藝的焰流速度快 5~10 倍。由于速度快,粉末粒子攜帶強大的動能打擊在基體上,使涂層致密度極高可達到 98% ~99.8%,而其他熱噴涂工藝只達到 80% ~90%。高速度帶來的另一個好處是:在粒子打擊基體的瞬間,動能幾乎全部轉化為熱能,使粒子再一次獲得加熱的機會,部分地補償了焰流溫度的不足。

    超音速火焰由于受燃燒焰流溫度的限制,與等離子熱源相比速度高而溫度低(約為 3000℃)、對于 WC-CO 系硬質合金,可以有效地抑制 WC 在噴涂過程中的分解,涂層不僅結合強度高、致密,而且可以較大限度地保留粉末中的硬質耐磨 WC 相,因此涂層耐磨損性能優越與爆炸噴涂層相當大幅度超過等離子噴涂層,也優于電鍍硬鉻層與噴焊層,目前已獲得了廣泛的發展。

    4 電弧噴涂技術

    電弧噴涂具有生產效率高,成本低,工件受熱小等優點,在高效防腐、維修、設備制造和特殊功能涂層的制備方面應用廣泛,在熱噴涂中占有重要的地位。但是與等離子噴涂和超音速火焰噴涂相比,普通電弧噴涂的涂層質量較低,結合強度約 20 MPa ,孔隙率3%~10%,限制了電弧噴涂的應用。近年來,高能高速噴涂成為熱噴涂發展的重要方向特別是粒子速度受到普遍關注。粒子速度對涂層質量有決定性的作用,熱噴涂涂層質量的改善往往是粒子速度提高的結果。與等離子噴涂、超音速火焰噴涂相比,普通電弧噴涂粒子速度較低,由此可見粒子速度成為制約電弧噴涂發展的重要因素。為了提高電弧噴涂的粒子速度、改善霧化效果,人們采用了多種方案。二次霧化將粒子速度提高到約 200m/s,與普通電弧噴涂 100 m/s 相比粒子速度有了明顯的改善,但與超音速火焰噴涂 800 m/s 相比差距仍然較大。將火焰噴涂與電弧噴涂結合,利用高速燃氣加速電弧噴涂的粒子,這種方式噴涂設備結構復雜,成本相對較高,還降低了系統的安全性,使用受到一定的限制。普通電弧噴涂涂層質量較低,而涂層的使用環境越來越苛刻,因此其應用在工業中受到限制。

    5 超音速電弧噴涂技術

    在超音速火焰噴涂(HVOF)技術基礎上,相繼開發了超音速電弧噴涂技術(HVAF-Arc)和超音速空氣燃料火焰噴涂(HVAF)。超音速電弧噴涂技術是一種集成常規電弧噴涂和超音速火焰噴涂的新型噴涂技術。采用燃料和空氣的混合氣燃燒產生的超音速射流,霧化電弧熔化的粒子并對粒子進行加速,使熔融的高速粒子噴射到基體表面形成致密的涂層。通過控制燃料和空氣的比例,使用過量的燃料可以防止粒子在飛行過程中被氧化,提高涂層的質量。超音速空氣燃料火焰噴涂噴槍由主燃燒室和次燃燒室組成。主燃燒室包括混合腔、反應燃燒室、內噴嘴以及送粉嘴構成;次燃燒室主要由外噴嘴、次級燃料和壓縮空氣組成。噴涂粉末被軸向送入到燃燒室和噴嘴中加熱加速。超音速火焰空氣噴涂是為制備高致密度、無氧化的金屬和金屬碳化物涂層而開發的,其顯著特點是噴涂過程中粒子被加熱但不熔化,粒子的表面溫度保持在低于其熔點100~200℃,而噴涂粒子具有很高的速度,速度可達700~850m/s。超音速空氣燃料火焰噴涂制備 WC 涂層具有很強的耐磨損性能、低的殘余應力以及較高的沉積效率。

    6 爆炸噴涂技術

    爆炸噴涂是在特殊設計的燃燒室里,將氧氣和乙炔氣按一定的比例混合后引爆,使料粉加熱熔融并使顆粒高速撞擊在零件表面形成涂層的方法。爆炸噴涂的特點是粒子飛行速度高,動能大,所以爆炸噴涂涂層具有以下特點:涂層和基體的結合強度高;涂層致密,氣孔率很低;涂層表面加工后粗糙度低;工件表面溫度低。在爆炸噴涂中,當乙炔含量為45 %時,氧-乙炔混合氣體可產生3140℃的自由燃燒溫度,但在爆炸條件下可能超過4200℃,所以絕大多數粉末能夠熔化。粉末在高速槍中被輸運的長度遠大于等離子槍,這也是其粒子速度高的原因。爆炸噴涂可噴涂金屬、金屬陶瓷及陶瓷材料,但是由于該設備價格高,噪音大,屬氧化性氣氛等原因,國內外應用還不廣泛。爆炸噴涂的特點:爆炸噴涂的特點就是以突然爆炸的熱能加熱融化噴涂材料,并利用爆炸沖擊波產生的高壓把噴涂粉末材料高速噴射到工件基體表面形成涂層,其主要優點如下:可噴涂的材料范圍廣,從低熔點的鋁合金到高熔點的陶瓷;工件熱損傷;涂層的厚度容易控制;爆炸噴涂涂層的粗糙度低;噴涂過程中,碳化物及碳化物基粉末材料不會產生碳分解和脫碳現象;氧氣的消耗少,運行成本低。

    7 冷噴涂技術

    熱噴涂技術的冷噴工藝是 20 世紀 80 年代中期開發的,但只在近年來才受到愈來愈多的關注。冷噴原理是噴涂材料不再加熱融化,而是只加熱到約500℃或稍高一些的中等溫度,通過高速噴涂粒子撞擊基體表面時產生塑性變形來構成涂層。冷噴過程中,高壓熱氣體,通常為氮氣氦氣或它們的混合物,通過拉瓦爾噴嘴被加速到超音速,噴涂材料以粉末形式注入氣流并噴向基體,噴涂粒子超過一定速度就可在沖擊過程中產生致結合牢固的密性涂層。冷噴工藝需要高的氣壓(>315 MPa)和高的氣流量(>90m3/h)。根據設備情況,氣體溫度可加熱到約800℃,粒子速度可達1000 m/s 以上。冷噴涂層有如下特點:涂層致密度高,噴涂材料氧化程度低,基體吸收的熱量少,噴涂材料形變大,相及成分穩定。然而正是以上提到的冷噴工藝特點,噴涂粉末尺寸分布和噴涂材料特性對于冷噴工藝比對其它工藝影響更大,在某種程度上,粒子的延展性是獲得致密涂層的關鍵。冷噴涂是一種金屬噴涂工藝,但是它不同于傳統熱噴涂工藝(例如超速火焰噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂等傳統熱噴涂技術),它不需要將噴涂的金屬粒子融化,所以噴涂基體表面產生的溫度不會超過150℃。冷噴涂的理論基礎是:壓縮空氣加速金屬粒子到臨界速度(超音速),金屬粒子直擊到基體表面后發生物理形變,金屬粒子撞扁在基體表面并牢固附著。

    8 結束語

    熱噴涂技術由于具有極大的優勢而被廣泛的應用在工程領域中。介紹火焰噴涂技術、等離子噴涂技術、超音速火焰噴涂技術、電弧噴涂技術、超音速電弧噴涂技術以及冷噴涂技術的研究發展現狀和應用等,并介紹這些熱噴涂技術的研究發展與應用。熱噴涂技術將能夠開發出新型的技術,從而能夠制備性能優越的涂層,所以熱噴涂技術將在工程領域得到更為廣泛的應用。

     
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