热喷涂技术原理及其应用

热喷涂技术原理及其应用1热喷涂技术原理及其应用摘要：对于一些超薄零件，在其表面喷涂具有高强度、硬度较高耐磨性的陶瓷涂层，增加零件的耐磨性。热喷入技术是制备涂层的主要方法，目前正迅速应用到民用工业领域。本文主要介绍了热喷涂工艺的特点、喷涂方法的种类及其技术以及热喷涂技术的应用概况,并对热喷涂技术的发展方向给予了展望。关键字：表面工程热喷涂涂层火焰喷涂1绪论磨蚀和磨损是造成材料和零部件失效的主要原因。据有关资料介绍，发达国家每年由腐蚀和磨损所造成的损失约占国民经济总产值的4%～5%，而全世界每年生产的钢材约有1/10变成铁锈。我国每年由腐蚀和磨损造成的经济损失已达数亿人民币。随着现代科学技术和现代工业发展，对各种设备零件的表面性能提出了更高的要求，特别是在一些特殊条件下工作的零件表面的耐磨性、耐蚀性及高温氧化性等。因此改善材料表面性能，不仅可以有效地延长零件的使用寿命、节约资源，更有利于社会的发展[1]。表面工程是21世纪工业发展的关键技术之一，表面技术分为表面改性技术、薄膜技术和涂层技术三大类，而热喷涂技术是表面工程领域中十分重要的技术，约占表面工程技术的1/3，是国外50年代发展起来的一项机械零件修复和预保护的新技术。它可以使各种机械设备车辆的零部件使用寿命延长。使报废的零部件“起死回生”。从学科上讲，热喷涂技术是一个涉及金属学、高分子学、表面物理、表面化学、流体力学、传热学、等离子物理及计算机等学科的交叉边缘科学[2]。热喷涂技术有两大突出特征:一是喷涂粉末的成分不受限制,可根据特殊要求予以选择；二是热喷涂过程中工件温度可保持在100-260℃,从而减少了变形氧化和相变等,使材料本身的性能不被破坏或损失，这些特征以及热喷涂涂层所具热喷涂技术原理及其应用2备的耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、绝缘、隔热等特殊功能,使热喷涂技术得到迅速发展。在选择一种涂层技术时应该考虑到涂层技术的经济性和技术性能，要在整个系统中考虑到表面涂层或其他表面改性和处理的方法，要知道表面要求的功能、服务环境、基材（合金、热处理等）所处理表面的性能，必须考虑到涂层自身的技术问题和经济性，涂层的使用寿命和优点，而不仅仅是涂层的生产成本。涂层可以对材料表面性能（耐磨性、耐蚀性、耐热性等）进行强化或再生，起到保护作用，并对因磨损腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复。同时，还可以赋予材料表面以特殊性能（电、光、磁等）。现在生产实际中应用比较广泛的方法主要有火焰喷涂法（包括线材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂等）、等离子弧喷涂和电弧喷涂。基于热喷涂市场的巨大潜力及其社会效益和经济效益，在世界范围内，热喷涂技术受到极大关注。热喷涂技术是是表面工程的重要组成部分，与其他表面技术相比，热喷涂技术具有诸多优点：1.涂层的基体材料几乎不受限制，如金属材料、无机材料（玻璃、陶瓷）、有机材料（包括木材、布、纸类）等；2.基材性能不变化，除火焰喷熔工艺外，喷涂过程中基材受热温度低，不发生组织性能变化、变形小；3.施工对象的尺寸和形状不受限制，因此适用于不同领域，小至塞规、大至钢结构桥梁；4.喷涂厚度可在较大范围内变化。5.涂层材料种类广泛，如金属及其合金、陶瓷、塑料以及它们的复合材料；目前，热喷涂技术已经越来越受到人们的重视。国外学者预测，在20世纪末全世界的热喷涂市场每年将超过30亿美元[3]。2热喷涂技术热喷涂技术是材料科学领域内表面工程学的重要组成部分，它是一种表面强化和表面改性技术。它是1910年由瑞士的MUSe-hoop发明的，历经90多年，热喷涂技术原理及其应用3热喷涂是（粉末或线杆）经热源（火焰或电弧）加热至融化或半融化态，用高压气流令其雾化并喷射于工件上，塑态雾化金属粒子以很高速度打到工件表面成片层状结构堆积成涂层[4]。通过金属基体表面喷涂一涂层使金属具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。热喷涂技术主要用于高温、耐磨、耐腐蚀等部件的预保护、功能涂层的制备及对失效部件的修复等根据热热源来分，热喷涂有4种基本方法：电弧喷涂；火焰喷涂；等离子喷涂和特殊方法。火焰喷涂就是以气体火焰为热源的热喷涂。目前，火焰喷涂按火焰喷射速度分为：火焰喷涂，火焰冲击喷涂（爆炸喷涂）及超音速火焰喷涂3种。电弧喷涂是以电弧为热源的热喷涂。等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂。等离子喷涂涂层的特征直接取决于到达基底的粉末颗粒的参数。因此,几年来,发展了许多不同的技术来测量颗粒尺寸、速度和温度分布。涂层与基体的结合机理目前尚无公认的定论，通常认为有以下几种：机械结合；物理结合；微扩散结合；冶金结合[5]。1.机械结合飞向基材的熔融粒子撞击基材表面形，铺展成扁平状的液态薄片覆盖并紧贴基材表面的凸凹点上，在冷凝时收缩咬住凸点，形成机械结合。2.物理结合当高温、高速的熔融粒子撞击基材表面后，紧密接触的距离达到原子晶格常数范围时，就会产生范德华力而形成物理结合。3.扩散结合当熔融的喷涂材料高速撞击基材表面形成紧密接触时，由于变形、高温等作用，在涂层与基体间有可能产生微小的扩散，增加涂层与基材间的结合强度。4.冶金结合在喷涂放热型喷涂材料时，基材表面的微区内接触温度可达基材的熔点，就有可能使熔融粒子与基材间形成微区的冶金结合。近年来，热喷涂技术取得了很大进步，热喷涂的工艺和设备以及材料也都有了很快的发展。热喷涂技术原理及其应用42.1热喷涂材料的发展热喷涂材料的发展大致经历了三个阶段。以金属和合金为主的粉末和线材，主要包括铝、锌、镍、钴和铁等到自熔合金粉末，并先后发展了耐磨、耐高温、抗燃气腐蚀及隔离热等陶瓷和金属陶瓷涂层材料，使热喷涂技术开始从简易维修车间步入宇航和飞机等高技术产业领域[6]。70年代中期出现的一系列的复合粉和自粘结喷涂粉，80年代又出现了用于电弧喷涂的夹芯焊丝，其特征是材料成分与结构的复合，从而改进了喷涂工艺和涂层的性能。在各种新型、优质热喷涂技术不断涌现的情况下,热喷涂材料已成为制约热喷涂技术应用和发展的关键。热喷涂材料的分类和发展概况列于表2.11。通常按材料形态有喷涂粉、丝材、粉芯丝材等;按材料种类有金属及特殊金属材料、有机聚合物材料、陶瓷材料、生物材料;按涂层结构有纳米涂层材料、合金涂层材料、非晶态涂层材料以及由这些材料复合构成的复合涂层材料。目前,为了满足对材料多功能、高性能等的要求,多种材料的复合、纳米材料、新型合金或非晶材料的使用成为热喷涂材料发展的主要趋势。表2.11热喷涂材料概况TABLE2.11GENERALSITUATIONOFTHERMALSPRAYMATERIALS涂层材料单一材料系统材料复合材料现有材料金属或合金陶瓷（氧化物）高硬度金属多层热障涂层（TBC）铝基MMCS新开发材料聚合物铝化物纳米级晶体准晶体非晶体等双层涂层多层涂层梯度功能电子器件智能材料等FRP复合材料MMCSCMCS陶瓷材料因其优异的高温性能而成为热喷涂技术中常用的一种喷涂材料。表2.12列出部分陶瓷涂层的性能和应用情况。这类材料主要用于高温部件(发动机等)的腐蚀、氧化及磨损防护。WC基金属陶瓷涂层材料适宜于各种磨粒、冲蚀热喷涂技术原理及其应用5和滑动磨损的防护。下面是我们所用的陶瓷喷涂材料的简介。表2.12陶瓷材料涂层TABLE2.12CERAMICMATERIALCOATING涂层制备方法性能应用CrO2-SiO2陶瓷涂层大气等离子喷涂优异的防腐和抗氧化性能恶劣工况下防腐和抗氧化保护Cr3C2-(NiCr)金属陶瓷涂层空气等离子喷涂和爆炸喷涂等方法高温稳定性好、硬度高、热膨胀系数与钢接近,在高温各种载荷和速度下均表现出优异的抗磨性和摩擦系数稳定性高温抗氧化、磨损和腐蚀。如高温密封系统和汽轮机耐冲刷,高能铁道制动器部件WC-Co基金属陶瓷涂层(如WC-Co-Cr涂层)等离子喷涂较高的抗磨和抗腐蚀性能切削刀具TiC基复合涂层等离子喷涂高的合金稳定性和与金属相粘结性；高的抗氧化性切削刀具提高材料高温寿命和性能2.2热喷涂技术分类与特点热喷涂是利用热源将喷涂材料加热熔化或软化，靠热源的动力或外加的压缩气流，将熔滴雾化并推动熔粒成喷射的粒束，以一定的速度喷射到基体表面形成涂层的工艺方法[7]。一般认为，热喷涂过程经历4个阶段，即喷涂材料加热熔化阶段、熔滴雾化阶段、雾化颗粒飞行阶段和喷涂层形成阶段。根据所用的不同热源，热喷涂技术分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、高速火焰喷涂（HVOF）和其他喷涂技术等多种方法。热喷涂技术原理及其应用6（1）火焰喷涂火焰喷涂是最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喷射到基体上。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。（2）电弧喷涂电弧喷涂是高效率、高质量、低成本的一项工艺，是目前热喷涂技术中最受重视的技术之一。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，喷射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%～15%，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300A时，喷涂锌为30kg/h，喷涂铝为10kg/h，喷涂不锈钢为15kg/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/10以下，设备投资为等离子喷涂的1/3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，例如我国南海地区由于热喷涂技术原理及其应用7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15a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最重要的一项工艺方法，这些新