陶瓷喷涂,碳化钨喷涂,超音速喷涂
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热喷涂技术的发展和应用资料解读

发布时间:2019-03-21    点击次数:次   
热喷涂是一种迅速发展的表面强化新工艺新技术。 它采用专用设备, 利用各种热源将金属 或非金属材料加热到熔化或半熔化状态,用高速气流将其吹成微小微粒并到机件表面,形成覆盖涂层,以提高机件耐磨、耐蚀、耐热等性能。热喷涂技术早出现在上世纪早期的瑞士,随后在苏联、德国、日本、美困等圉得到了不断的发展,各种热喷涂设备的研制,新的热喷涂材料的开发,新技术的不断应用,使热喷涂涂层质量得到了不断的提高,并不断开拓新的应用领域。目前,以火焰喷涂、超音速喷涂、电爆喷涂 、电容放电喷涂 、等离子喷涂为代表的热喷涂技术与设备,以及一系列喷涂喷焊粉末新材料,各种热喷涂技术趋于成熟,喷涂装置日益完善,不仅能喷金属 、合金 、陶瓷,还能喷涂塑料和复合材料。近几年来电子计算机在等离子喷涂系统中的应用,使热喷涂技术达到了相当完善的地步,不仅使应用范嗣大为扩展 ,而且使涂层质量有了质的飞跃。热喷涂技术不仅涉及到材料学 、 表面物理化学、流体力学、传热学、等离子物理等,还涉及到机械,计算机和新材料等学科,是一门交叉边缘学科。  
热喷涂技术简介
热喷涂技术是通过某种热源将某些材料表面加热至熔融或半熔融状态,然后到涂敷的基体表面,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。其喷涂温度、熔滴对基体表面的冲击速度及形成涂层的材料构成了喷涂技术的核心。温度和速度取决于不同的热源和设备。在一定的温度范围内,温度越高、速度越大,越有利于形成优异的涂层;喷涂材料的可选择性,是热喷涂技术的另一种优势,正是这三种要素,以及其他多项可控的影响因素,使热喷涂成为真正的具有叠加效果的独特技术,它可以设计出所需的多种多样的改性表面,从而在机械维修、航天和生物工程等高技术领域得到广泛应用。
2. 热喷涂基本原理
2. 热喷涂原理
热喷涂过 程一般可分为以下四个步骤 ( 图 )。  
)材料加热:喷涂线材或粉末进入热源高温区域,被加热熔化或软化 ;  
2)材料雾化:熔化或软化的喷涂材料形成的熔滴 ,在外加压缩气流或热源 自身射流的作用下 雾化成微细熔滴向前;
3)飞行: 微细熔滴被加速形成粒子流 ,在 介质 中飞行运动速度逐渐减小;
4)涂层形成:粒子流在基材表面发生碰撞、变形、凝固和堆积,形成涂层。热喷涂涂层是南无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起而形成的层状组织结 构 。
3. 热喷涂技术分类与特点
  20世纪末,热喷涂技术的发展十分迅速,并迅速被推广使用。980年到2000年,热喷涂市场的变化见表。到20世纪末,等离子喷涂仍然居主导地位。值得注意的是,高速火焰喷涂(HVOF)迅速发展,将占据25%的市场比例,居第二位。电弧喷涂技术,由于经济性好、涂层性能比火焰喷涂层优越,将部分代替火焰喷涂技术上升到第三位。
表 主要热喷涂方法的应用比例
年份 火焰喷涂 电弧喷涂 等离子喷涂 高速火焰喷涂
980年 39% 6% 55% -
2000年 2% 5% 48% 25%
()火焰喷涂
火焰喷涂是早得到应用的一种喷涂方法。它以氧气-燃气火焰作为热源,喷涂材料以一定的传送方式送入火焰,并加热到熔融或软化状态,然后依靠气体或火焰加速到基体上。火焰喷涂根据喷涂材料的不同,又可分为丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂和棒材火焰喷涂几种。火焰喷涂具有设备简单,操作容易,工艺成熟,投资少等优点。新型火焰喷涂枪可以喷涂各种金属、陶瓷、金属加陶瓷的复合材料、各种塑料粉末材料的涂层。尽管等离子和HVOF/HVAF超音速以及爆炸喷涂的涂层优于常规火焰喷涂,但由于投资大、操作控制系统复杂、设备笨重、无法现场施工,应用范围受到极大限制,在在防腐和维修市场难以推广普及,新型火焰喷涂设备与技术和超音速电弧喷涂设备与技术在防腐和修复市场中永远是主要技术力量。

粉末火焰喷涂的原理示意图
(2)电弧喷涂
电弧喷涂是率、高质量、低成本的一项工艺,是目前热喷涂技术中受重视的技术之一。电弧喷涂是将2根被喷涂的金属丝作为自耗性电极,分别接通电源的正负端,在喷枪喷嘴处,利用两金属丝短接瞬间产生的电弧为热源熔化自身,借助压缩空气雾化熔滴并使之加速,到基体材料表面形成涂层。
电弧喷涂具有如下优点:① 热效率高、对工件的热影响小。一般火焰喷涂的热效率只有5%~5%,电弧喷涂将电能直接转化为热能熔化金属,热能利用率可高达60%~ 70%。电弧喷涂时不形成火焰,因而在喷涂过程中工件始终处于低温,避免了工件热变形;② 可获得优异的涂层性能。电弧喷涂技术可以在不使用贵重底材的情况下得到较高的结合强度,采用适当的喷前粗化处理方法,喷涂层与基本结合强度可达普通火焰喷涂层的 2倍以上。使用2根成分不同的金属丝还可以制备出假合金涂层,以获得具有独特综合性能的涂层;③ 生产率高。电弧喷涂的生产效率正比于喷涂电弧电流,当电弧电流为300 A时,喷涂锌为30kg/h,喷涂铝为0kg/h,喷涂不锈钢为5kg/h,为火焰喷涂的3倍以上;④ 经济性好。电弧喷涂能源利用率高,而且电能的价格远远低于燃气价格,施工成本为火焰喷涂的l/0以下,设备投资为等离子喷涂的/3以下。
电弧喷涂技术的应用已经在各行各业取得了显著成效。利用电弧喷涂在钢铁构件上喷涂锌、铝涂层,可对钢构件进行长效防腐防护,例如我国地区由于高温、高湿、高盐雾,船舶腐蚀严重,中修舰船的钢结构应用电弧喷涂铝合金涂层防腐,经5年考核效果明显,测算预计寿命可提高到5a以上。山西晋山煤矿、河南铁王沟煤矿等井筒钢结构进行电弧喷涂防腐防护,预计寿命在 30a以上。电弧喷涂作为一种优质的修复技术,在机械零件上喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料,用于修复已磨损或尺寸超差的部位,已在机械维修和机械制造业得以应用。采用该技术修复造纸烘缸、修复大马力发动机曲轴也已取得明显成效;制备装饰涂层和功能涂层也是电弧喷涂技木应用的另一重要领域,例如在电容器上喷涂导电涂层,在塑料制品上喷涂屏蔽涂层,在内燃机零件上制备热障涂层,在石头、石膏等材料上喷涂铜、锡、铝等金属进行装饰等等。
(3)等离子喷涂
等离子喷涂是热源为等离子焰流(非转移等离子弧)。由放电弧产生的电弧等离子体温度可达20000K。加热喷涂材料(粉)到熔融或高塑性状态,并在高速等离子焰流(工作气体为氮气和氢气或氩气和氢气)载引下,高速撞击到工件表面形成涂层。
等离子喷涂是采用非转移弧为热源,喷涂材料为粉末的喷涂方法。近十几年来等离子喷涂发展很快,目前已开发出大气等离子喷涂、可控气氛等离子喷涂、溶液等离子喷涂、等喷涂技术,等离子喷涂已成为热喷涂技术中的重要的一项工艺方法,这些新技术在工业生产上的应用日益显示出优越性和重要性。等离子喷涂的喷涂材料范围广,涂层组织细密,氧化物夹渣含量和气孔率都较低,气孔率可控制到2%~5%,涂层结合强度较高,可达60MPa以上。该喷涂技术主要用于制备质量要求高的耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温和特殊功能涂层,已在航空航天、石油化工、机械制造、钢铁冶金、轻纺、电子和高新技术等领域里得到广泛应用。
(4)高速火焰喷涂(HVOF)和其他喷涂技术
高速火焰喷涂目前主要指超音速火焰喷涂[8],有时人们也将爆炸喷涂认为是高速火焰喷涂的一种。高速火焰喷涂技术,将燃气(丙烷、丙稀或氢气)和氧气输入并引燃于燃烧室,借助于气体燃烧时产生的高温和高压形成的高速气流,加热熔化喷涂粉末并形成一束高速喷涂射流,在工件上形成喷涂层。高速火焰喷涂的特点:气体燃烧膨胀形成的热气流使喷涂粒子达到极高的飞行速度。火焰速度为音速的2倍以上,而喷涂熔粒的速度可达 300~000m·s;喷涂粉粒在火焰中加热时间长,受热均匀,能形成良好的微小熔滴;喷涂粉粒主要在喷涂枪中加热,离开喷枪后飞行距离短,因而和周围大气接触时间短,在喷涂过程中几乎不和大气发生反应,喷涂材料不受损害,微观组织变化小,这对喷涂碳化物材料特别有利,可避免分解和脱炭。
基于以上特点,高速火焰喷涂获得的涂层光滑,致密性好,结合强度高。涂层空隙率可小于0.5%,结合力可达00MPa以上。被广泛用于制备高致密性、高结合强度、低孔隙率要求的涂层。例如喷涂WC-2%Co,涂层几乎没有气孔,而且硬度高,加工后可达镜面。但是,由于高速火焰喷涂的设备及喷涂材料等成本太高,不适合我国国情,限制了其在我国的应用。同样,爆炸喷涂和激光喷涂也是由于这个原因限制其推广应用。
4. 热喷涂技术的应用 
热喷涂的应用主要集中在以下几个方面:
) 在钢铁工业中的应用:在钢铁加工过程中,需要大量经过表面处理的辊类件,它们的好坏直接影响到产品的质量。
2) 在能源工业中的应用:主要是工业锅炉的防腐,水轮机过流部件抗汽蚀耐磨损喷焊,燃汽轮上的应用等。
3) 在造纸机械和印刷机械上的应用。
4) 在汽车行业中的应用:目前用于汽车部件有活塞环、气门摇杆、摇臂、、刹车片等,热喷涂技术在汽车行业中的应用是其向着大批量、自动化方向发展的标志之一。
5) 在生物工程、人工植入方面的应用:人们在利用人工关节提高人体机能方面取得了很大的进步,影响人工关节性能的一个主要问题就是关节与骨组织的结构结合。
近年来,热喷涂技术在冶金工业领域获得较大发展,尤其日本和德国这些,历来重视在汽车、冶金和能源等民用支柱产业中开发与应用这一技术。
5.   当前我国热喷涂技术特点
    腐蚀和磨损是造成材料和零部件失效的主要原因,据有关资料报导,发达每年由于磨损和腐蚀造成的经济损失约占国民经济总产值的4~5%,全世界每年生产的钢材约/0将变成铁锈。我国每年腐蚀、磨损造成的损失已达几仟亿元。所以热喷涂技术的推广应用在国民经济建设中越来越显得重要。当前,我国热喷涂技术已经发展到了一个崭新阶段,其喷涂工艺已从氧乙炔火焰金属粉末喷涂(焊)为主向高能、高速度先进设备方向发展;应用范围已从旧修利废为主向新产品预保护和强化方向发展。
5. 几种新工艺技术的应用
()爆炸喷涂、超音速喷涂(HVOF、HVAF)喷涂连铸机轧辊和炉底辊。采用上述两种工艺,上海、江苏、广东、山东、四川、湖北等地已经成功喷涂了连铸机轧辊和炉底辊,喷涂Cr3C2涂层和Al2O3、ZrO2陶瓷涂层取得了良好效果,已有许多成功实例。
(2)采用激光重熔、高频感应重熔、电子束重熔、大功率火焰重熔、炉中重熔工艺,已在伐门、石油行业各种柱塞,连铸机低温段各种轧辊(如450轧机输送辊)广泛应用,克服了以往的氧乙炔火焰重熔功率低、易变形等缺,保证了涂层质量,采用高频重熔技术生产的石油光杆已出口国外。
(3)电弧喷涂Ni-Cr-Ti(45CT)、Cr3C2 、Ni70/Cr30涂层已在电厂锅炉对流受热面上广泛应用,目前国内已有30多个电厂锅炉对流受热面上广泛应用,获得了较好效果。
(4)电弧及其它喷涂方法,喷涂304L、36L不锈钢材料、哈氏合金高耐蚀材料已在食品、化工容器中广泛应用,取代整体制作不锈容器,效果很好。
(5)超音速等离子喷涂已在军工及国防工业中发挥了重要作用。
(6)引进的HVOF、HVAF以及高能等离子喷涂设备正在攻克钢厂结晶管。
(7)TiB2、Al2O3/TiB2涂层正在攻克电介槽节能课题,同时也在攻克熔融金属腐蚀问题。
(8)棒材及陶瓷软线喷涂,正在为现场喷涂陶瓷及合金涂层服务,解决了一部分等离子,超音速现场不能喷涂的问题。
(9)锌、铝及其合金大面积长效防护涂层,已在国内重大工程中应用,如新建的长江大桥水闸门、大型管道、煤矿井筒等大型工程应用已百余例。
(0)冷喷涂技术正在兴起。
  冷喷涂技术(CGDS或HVPC简称:冷喷涂)是近年来发展起来的一门新兴表面工程技术,自95年以来,每年举办的热喷涂会议,关于冷喷涂方面的论文明显增多,冷喷涂技术已经成为热喷涂研究热点之一,其应用上已经得到世界各国科学界工业界重视。
5.2  目前国内热喷涂技术发展趋势
我国热喷涂技术发展现状无论从材料、设备、工艺、科研都提高很快,但与先进相比还有一定差距,但就发展趋势和应用方面的特点与国外比也是相吻和的。
6.   发展趋势
  目前,国内外的热喷涂设备正朝着高能、高速、发展的同时,轴向送粉技术、多功能集成技术和实时控制技术也将成为热喷涂设备的发展方向。设备的不断发展将使可喷涂材料的范围更广,制备纳米、非晶、导热、催化、导电、绝缘、超导、隐身等功能涂层将成为热喷涂研究的热点。利用各种在线监测技术确定粉末在喷涂过程中的流体动力学特征,建立喷涂粒子的温度场和速度场,深入理解涂层的形成过程,从而得出各个喷涂参数对涂层结构和性能的影响规律。采用各种先进的声、光、电无损检测技术,对涂层性能进行在线诊断,评估涂层质量和预测涂层寿命,是未来热喷涂涂层质量监控的重要研究方向。随着热喷涂技术的不断发展,热喷涂涂层必将更加广泛地应用到国民经济发展的各个领域中

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