热喷涂技术及其应用

中海石油炼化有限责任公司材料表面工程技术之一热喷涂技术及其应用设备维修技术交流(二)-----欧阳健中海石油炼化有限责任公司目录一、前言1.材料表面技术概况2.材料表面技术分类3.热喷涂技术概况4.热喷涂涂层的性能二、先进热喷涂技术1.低压等离子喷涂2.高速火焰喷涂3.冷喷涂4.热喷涂工艺三.热喷涂技术应用1.防腐蚀涂层2.抗磨损涂层3.抗高温氧化和耐热腐蚀涂层4.热障涂层5.绝缘涂层6.尺寸恢复涂层石化行业的其它应用中海石油炼化有限责任公司一、前言1.材料表面工程技术概况众所周知,金属材料会与周围介质发生化学、电化学反应而遭受腐蚀.此外,金属表面受各种机械作用会也引起磨损.针对受损部位，可以运用材料表面工程技术中的表面镀膜、涂层、表面异种材质的扩渗，表面改性或几种的复合等方法，修补材料表面、改变材料表面的形态、化学成分、组织结构，获得所需要的结构和性能；现代表面技术已制备出了许多新材料、新器件，应用到如光、磁记录，液晶显示，太阳能材料，耐高温、耐磨的航空(燃气轮机)、火箭发动机等高新技术领域，是目前节能及节约资源的有效技术之一；工业部门越来越多地要求机械设备能在高参数(高温、高压、高速度和高度自动化)和恶劣的工况条件(如严重的磨损和腐蚀)下长期稳定的运行.表面处理技术就具有重大的技术和经济意义。而表面处理技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高.中海石油炼化有限责任公司2.材料表面技术的分类材料表面技术涂镀技术表面改性技术表面检测技术扩渗（气体、液体、固体）机械强化PVD(真空离子电镀)喷塑漆料热喷涂喷焊电镀、阳极氧化、化学镀CVD(化學蒸镀)三束改性(电子束、离子束、激光束)中海石油炼化有限责任公司热喷涂技术是表面防护和强化的技术之一,利用某种热源,如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态,然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面,与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。3.热喷涂技术概况中海石油炼化有限责任公司利用热源将涂层材料加热到熔融或者半熔融状态，借助焰流及高速气体将涂层材料粒子喷射到基体表面，获得沉积成具有某种特殊功能涂层。中海石油炼化有限责任公司热喷涂技术分类1)气体燃烧火焰喷涂：高速火焰喷涂、爆炸喷涂、粉末火焰喷涂、线、棒材火焰喷涂2)电弧喷涂：常规电弧喷涂、高速电弧喷涂3)等离子喷涂：大气等离子喷涂、低压等离子喷涂、水稳等离子喷涂、微弧等离子喷涂、三阴极等离子喷涂4)电热热源喷涂：线材电爆喷涂、冷喷涂中海石油炼化有限责任公司常用热喷涂喷枪等离子喷涂高速火焰喷涂粉末火焰电弧喷涂丝材火焰喷涂粉末丝材中海石油炼化有限责任公司热喷涂工艺温度要素热源种类温度（℃）丙烷-氧气2640天然气-氧气2735氢气-氧气2690乙炔-氧气3100电弧5000-6000等离子电弧≥10000中海石油炼化有限责任公司常用喷涂材料金属及其合金Fe、Al、Zn、Ni、Cu、Mo等各种金属及其合金；Ni3Al、TiNi等金属间化合物；Ti、Zr和Hf（系元素）碳化物；Cr、Mo和W（系元素）硼化物；V、Nb和Ta（系元素）氮化物金属基复合材料Ni/Co/Fe基合金+Al2O3、ZrO2等Ni/Co/Fe基合金+WC,TiC，Cr3C2等Al/Ni基材料+磨料陶瓷Al2O3、ZrO2、TiO2、Cr2O3氧化物；B4C、SiC、Si3N4、BN等有机材料聚醚、聚丙烯类共聚物、Al-Si+聚醚等中海石油炼化有限责任公司4.热喷涂涂层的性能1.化学成分由于涂层材料在熔化和喷射过程中，在高温下会与周围介质发生作用生成氧化物、氮化物，以及在高温下会发生分解，因而涂层的成分与涂层材料的成分是有一定的差异的，并在一定程度上影响涂层的性能。如MCrAlY氧化后会影响其耐蚀性，而WC－Co经氧化和高温分解后其耐磨性会降低。通过喷涂方法的选择可以避免和减轻这一现象的发生。如采用低压等离子喷涂可大大减少涂层材料的氧化，而高速火焰喷涂则可以防止碳化物的高温分解。2.孔隙度热喷涂涂层中不可避免地存在着孔隙，孔隙度的大小与颗粒的温度和速度以及喷涂距离和喷涂角度等喷涂参数有关。一般来说，温度及速度都低的火焰喷涂和电弧喷涂涂层的孔隙度都比较高，一般达到百分之几，甚至可达百分之十几。而高温的等离子喷涂涂层及高速的超音速火焰喷涂涂层则孔隙度较低。最低可达0.5％以下。3.硬度由于热喷涂涂层在形成时的激冷和高速撞击，涂层晶粒细化以及晶格产生畸变使涂层得到强化，因而热喷涂涂层的硬度比一般材料的硬度要高一些，其大小也会因喷涂方法的不同而有所差异。中海石油炼化有限责任公司热喷涂涂层的性能4.结合强度热喷涂涂层与基体的结合主要依靠与基体粗糙表面的机械咬合（抛描效应）。基材表面的清洁程度、涂层材料的颗粒温度和颗粒撞击基体的速度以及涂层中残余应力的大小均会影响涂层与基体的结合强度，因而涂层的结合强度也与所采用的喷涂方法有关。5.冷热疲劳性能对于一些在冷热循环状态下使用的工件，其涂层的抗冷热疲劳（或称热震）性能至关重要，如若该涂层的抗热震性能不好，则工件在使用过程中便会很快开裂甚至剥落。涂层抗热震性能的好坏主要取决于涂层材料与基体材料的热膨胀系数差异的大小和涂层与基体材料结合的强弱。中海石油炼化有限责任公司二、先进热喷涂技术及应用1.低压等离子喷涂（LPPS、VPS）在低压保护气氛下进行的等离子喷涂；涂层成分不受污染、结合强度高、涂层致密；设备主要包括真空系统、冷却和除尘系统、喷涂工作室、持枪机器人及与其联动的工件夹持系统、等离子喷涂系统、转移弧电源系统和控制系统。中海石油炼化有限责任公司低压等离子喷涂的特点在低压保护性气氛下工作，可防止氧、氮污染；等离子射流可到2000m/s，粒子速度可达300m/s，涂层致密；基体温度可达650℃，涂层应力较小，涂层能较厚；采用转移弧电清理，提高基体表面活性，提高了涂层与基体的结合；低压下等离子焰变粗变长，粉末受热均匀；喷涂在真空罐内进行，粉尘和噪音污染小；低压等离子喷涂要求较细的粉末；主要用于活性金属材料的涂层（如钛、锆、钨、钽及合金）及对成分要求严格，且要求结合强度高，孔隙率低的涂层（如MCrAlY系合金）的制备上。中海石油炼化有限责任公司低压等离子喷涂的应用生物涂层：人工种植体上的钛涂层；超合金涂层：在飞机发动机和大型地面燃机涡轮叶片上喷涂抗高温氧化MCrAlY超合金涂层以及热障涂层的过渡层；用作靶材的高纯度金属涂层；钨涂层：核聚变托克马克装置用反应内腔喷涂钨涂层。中海石油炼化有限责任公司真空等离子喷涂薄涂层技术工作压力在0.5-10mbar之间；涂层均匀、致密、沉积效率高；制备的涂层在5-50μm；涂层应力小，可以制备出厚的热障涂层(TBC)，Al2O3绝缘涂层和导电涂层；铝表面上制备Al2O3涂层，孔隙率1%，具有250-450KV/cm的击穿电压；Al2O3涂层中海石油炼化有限责任公司低压等离子喷涂的其它应用及前景在航空航天、电子、医学、能源有广泛的应用，特别是制备各种绝缘涂层、导电涂层、能量转换涂层、光学性能（反射、吸收、转移等）涂层、梯度涂层、催化涂层、隔热涂层、抗高温氧化及热腐蚀涂层等。中海石油炼化有限责任公司2.高速火焰喷涂（HVOF、HVAF）二十世纪80年代，出现了第一代HVOF设备Jet-Kote；粒子速度提高到400m/s以上；涂层结合强度大幅度提高，孔隙率大大降低；火焰温度3000℃，碳化物喷涂过程中分解小;采用航空煤油替代丙烷、丙烯和氢气等，降低了成本；近年出现了使用压缩空气替代氧气的HVAF设备，碳化钨涂层的性能更优。中海石油炼化有限责任公司HVOF特点氧化程度低，碳化钨失碳接近真空喷涂；孔隙率1%;强度接近烧结/铸造材料；高硬度、韧性好；优异的抛光性能；低应力，涂层厚度不受限制；生产效率高，金属20Kg/h，碳化钨30-40Kg/h；喷涂过程不积瘤。中海石油炼化有限责任公司采用HVOF涂层替代电镀硬铬传统电镀的缺限和制约：1)环保要求：Cr6+致癌，电镀废水污染环境。2)性能要求：不能满足工作温度高、耐磨的工况，存在氢脆。3)电镀工艺沉积速度慢；电镀的工件尺寸受镀槽尺寸的限制。高速火焰喷涂优势：特点热喷涂镀铬涂层厚度均匀，可以很厚有限制化学溶液控制不需要严格工件尺寸限制无有机动性好差现场修复能力强差中海石油炼化有限责任公司HVOF涂层和硬铬层的性能比较涂层性能WC-12CoCr3C2-25NiCr硬铬镀层显微硬度HV1100-1400900-1200800-1000表面粗糙度,微英寸140-170180-20040-50研磨光洁度Ra,微英寸101016-32干磨粒磨损率0.20.21.0干磨粒磨损比51511:1最高工作温度，℃538816427中海石油炼化有限责任公司HVOF的应用轴承、转子叶轮安装面的修复等中海石油炼化有限责任公司HVOF的应用造纸压光辊、钢铁张力辊、输送辊、炉底辊水力发电站水轮机部件等。油浆泵、砂浆泵、烟气轮机等。中海石油炼化有限责任公司3.冷喷涂技术粒子在喷涂过程中加热到１００～６００℃，但没熔化，同时被超音速气流加速，喷射到基体表面，粒子产生锻焊作用而沉积在基体表面的技术；原理：加热到一定温度的高压气流经拉瓦尔管加速产生超高音速的束流，该束流将粉末粒子加速到数倍音速，撞击到基体表面，通过固态塑性变形而形成涂层。中海石油炼化有限责任公司冷喷形成良好涂层的基本条件粒子的速度要达到临界速度；基体与喷涂材料粒子都要有一定的塑性变形的能力。材料临界速度值(m/s)Cu560Fe620Ni620Al680中海石油炼化有限责任公司冷喷涂涂层的微观结构中海石油炼化有限责任公司部分冷喷涂涂层的性能材料条件杨氏模量（GPa）屈服强度（MPa）极限强度（MPa）应变（%）块体207593170.3喷涂1583003000.0002镍热处理1252073040.0956块体110220喷涂103266铜热处理104195块体65.58315218喷涂24124106061铝热处理519115718块体30喷涂142HastyalloyC热处理块体41喷涂98CoNiCrAlY热处理中海石油炼化有限责任公司冷喷涂涂层的优点涂层致密，且涂层成分基本上与粉末保持一致；涂层残余应力低，涂层厚度基本不受限制；涂层具有稳定的相结构；工件温度低，热影响小；涂层具有锻造结构，其硬度高于同样成分的块体材料；涂层是形变组织，特殊处理后可得到纳米结构组织；沉积的斑点大小可以调节，省去遮挡工作；设备运行成本低；工作环境好，无高温辐射、噪音低；几乎所有金属和合金都可以进行喷涂。中海石油炼化有限责任公司4.热喷涂工艺热喷工艺过程如下：工件表面预处理工件预热喷涂涂层后处理1.表面预处理为了使涂层与基体材料很好地结合,基材表面必须清洁及粗糙.净化处理的目的是除去工件表面的所有污垢,方法有溶剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法等.粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接触面,增大涂层与基材的机械咬合力,使净化处理过的表面更加活化,以提高涂层与基材的结合强度.粗化处理的方法有喷砂、机械加工法(如车螺纹、滚花)、电拉毛等。其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法，常用的喷砂介质有氧化铝、碳化硅和冷硬铸铁等。多数工件表面的2.5－13mRa就够了。对于一些与基材粘结不好的涂层材料,还应选择一种与基体材料粘结好的材料喷涂一层过渡层,称为粘结底层,常用作粘结底层的材料有Mo、NiAl、NiCr及铝青铜等.粘结底层的厚度一般为0.08－0.18m。中海石油炼化有限责任公司2.预热预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气,提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度,以提高涂层与基体的结合强度；减少因基材与涂层材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂.预热温度取决于工件的