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中國的朝陽產(chǎn)業(yè)——金屬熱噴涂涂層技術(shù)

發(fā)布時(shí)間：

2020-08-11 22:12

來源：

金屬熱噴涂涂層技術(shù)

熱噴涂技術(shù)由于涂層材料廣泛、沉積速度快、靈活性高、易于自動(dòng)化加工、適應(yīng)性強(qiáng)，因此，已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明， 國外一臺(tái)先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要熱噴涂的零部件超過5000 個(gè)，熱障涂層已經(jīng)成為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一；另外，據(jù)國外關(guān)于高性能陶瓷涂層應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，熱噴涂陶瓷涂層在北美的高性能陶瓷制備市場(chǎng)中占了三分之二，這與國內(nèi)有報(bào)道稱熱噴涂所產(chǎn)生的產(chǎn)值約為表面技術(shù)所有產(chǎn)值的三分之一基本一致，表明熱噴涂技術(shù)已成為重要表面工程技術(shù)之一。

熱噴涂技術(shù)的發(fā)展史及“熱噴涂”一詞由來如下：

熱噴涂技術(shù)最早于1910年由瑞士肖普博士發(fā)明，當(dāng)時(shí)命名：“金屬噴鍍”，到了1943年美METCO首次出版《金屬噴鍍》手冊(cè)，隨后到1959年美METCO第七次出版改名《火焰噴涂》手冊(cè)，由于技術(shù)的進(jìn)步在，1973年9月10-14日在倫敦召開第七屆有關(guān)國際熱噴涂會(huì)議，改名“金屬噴涂”，但是在1979年9月27-10月1日在美Florida州一著名休養(yǎng)地Miami城召開第八屆國際熱噴涂會(huì)議，決定采用“熱噴涂”這一名詞，這就是“熱噴涂”名詞的由來。

熱噴涂在不同年代誕生了不同方法和使用用途的技術(shù)：

1910年：線材火焰噴涂技術(shù)；線材火焰噴涂廣泛用于機(jī)械部件和化工容器、輥筒表面制備耐蝕、耐磨涂層。對(duì)噴槍噴嘴部分作適當(dāng)變動(dòng)后，也可用于噴涂塑料粉末。

20年代：電弧絲噴涂技術(shù)，特點(diǎn)如下：

1) 在鋼鐵構(gòu)件上噴涂特、鋁涂層，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行長效防護(hù)。

2）在鋼鐵件上噴鋁可防止高溫氧化。

3）在鋼鐵件上噴不銹鋼或其它耐磨金屬，用于耐磨蝕防護(hù)。

4）在機(jī)械零件上嘖涂碳鋼、青銅等材料，用于修復(fù)零部件。

5）在塑料制品上噴涂屏蔽涂層等。

6）用電弧噴鋁或噴鑄生產(chǎn)復(fù)合銅板。

50年代：爆炸噴涂和等離子噴涂技術(shù)

等離子弧焰流溫度高，適合噴涂高熔點(diǎn)材料。涂層密度可達(dá)85-98% ，結(jié)合強(qiáng)度高達(dá)35～70Mpa，噴涂質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于火焰噴涂層。主要用于：

1）耐磨、減磨涂層；

2）耐蝕涂層；

3）抗高溫氧化、抗高溫氣流沖刷、熱障涂層；

4）制造金屬、陶瓷類高烙點(diǎn)復(fù)合材料。

爆炸噴涂：

將粉末注入噴槍，同時(shí)引入氧—乙炔混合氣，點(diǎn)燃引爆氣體產(chǎn)生3300℃高溫，粉末被加熱并以2倍音速以上速度噴射到工件表面，形成～20mm直徑，～8μm厚的高結(jié)合強(qiáng)度和高致密度的涂層。整個(gè)涂層由小圓形薄片重疊而成。

1) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)鐵合金風(fēng)扇葉片阻尼臺(tái)上用爆炸噴涂0.25mn厚的WC，壽命提高10倍：

2）燃燒室的定位卡環(huán)上噴一層0.12mm厚Cr3C2 ，壽命提高7倍。

3)目前爆炸噴涂主要用于制備優(yōu)質(zhì)耐磨涂層。

60年代：自熔性合金粉末火焰、等離子噴涂和噴焊技術(shù)

80年代：超音速火焰噴涂技術(shù)

超音速火焰噴涂

燃料氣體（氫氣、丙烷、丙烯或MAPP）和助燃劑（02）以一定的比例導(dǎo)入燃燒室內(nèi)混合，爆炸式燃燒，高溫燃?xì)饨?jīng)燃燒室上部燃燒頭內(nèi)的四根傾斜噴管進(jìn)入銅噴嘴，粉末由送粉氣（Ar或者N2）定量沿燃燒頭內(nèi)碳化物中心套管送入高溫燃?xì)庵?，由高溫高速燃?xì)鈳С鰢娮?，高速噴嘴到工件上形成涂層，整個(gè)噴槍由循環(huán)水冷卻。

90年代：激光熔覆技術(shù)

我國熱噴涂技術(shù)是從五十年代開始的，當(dāng)時(shí)由吳劍春和張關(guān)寶在上海組建了國內(nèi)第一個(gè)專業(yè)化噴涂廠，研制氧乙塊焰絲噴及電噴裝置，并對(duì)外開展金屬噴涂業(yè)務(wù)。我國熱噴涂技術(shù)起步較早，50年代就發(fā)展了絲材電弧噴涂；60年代某些軍工部門開始研究等離子噴涂：70年代出現(xiàn)了品種和型號(hào)較為齊全的噴涂設(shè)備和材料，但總的來說進(jìn)展緩慢，只是到了近些年才獲得了較快的發(fā)展。

典型的熱噴涂系統(tǒng)

熱噴涂基本過程演示

涂層的結(jié)構(gòu)

熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)：

熱噴涂技術(shù)在應(yīng)用上已由制備裝飾性涂層發(fā)展為制備各種功能性涂層，如耐磨、抗蝕、抗氧化、隔熱、導(dǎo)電、絕緣、減摩、潤滑、防輻射等涂層。

熱噴涂既可用于修復(fù)，又可用于制造。由于涂層材料的性能優(yōu)于基體，用其對(duì)零件表面進(jìn)行涂覆，能使產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅度提高。

優(yōu)點(diǎn)：

（1）基材及涂層材料廣泛。

（2）基體溫度低。

（3）操作靈活。

（4）涂層厚度范圍寬。

缺點(diǎn)：

（1）熱效率低。

（2）材料利用率低，浪費(fèi)大。

（3）涂層與基材結(jié)合強(qiáng)度低

涂層材料的選擇：

（1）熱噴涂材料最好有較寬的液相區(qū)，較寬的液相區(qū)可以使涂層材料的熔滴在較長時(shí)間內(nèi)保持液相。

（2）熱穩(wěn)定性好，在高溫焰流中不升華，不分解。材料在熱噴涂溫度下如果易于分解，則不適用于熱噴涂。

（3）噴涂材料在熔融狀態(tài)下應(yīng)和基材有較好的浸潤性，以保證涂層與基材之間有良好的結(jié)合性能。

（4）與基材有相近的熱膨脹系數(shù)，以防止因膨脹系數(shù)相差過大產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。

涂層形成過程：

（1）噴涂材料被加熱到熔融狀態(tài)。

（2）噴涂材料被霧化成微小熔滴并高速撞擊基體表面，撞擊基體的顆粒動(dòng)能越大和沖擊變形越大，形成的涂層結(jié)合越好。

（3）熔融的高速粒子在沖擊基材表面后發(fā)生變形，冷凝后形成涂層。

熱噴涂的工藝流程包括：

（1）表面預(yù)處理

（2）熱噴涂

（3）后處理

（4）機(jī)加工等

基材表面預(yù)處理：

(1）凈化處理：清除表面污垢。

(2）粗化處理：提高涂層與基體之間的結(jié)合牢度。

粗化處理可提高涂層結(jié)合強(qiáng)度的理由是：

1）提供表面壓應(yīng)力：

2）提供與涂層顆?；ユi機(jī)會(huì)；

3）增大結(jié)合面積；

4）凈化表面。

熱噴涂已成為耐磨涂層制備的重要方法而廣泛應(yīng)用于各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域， 涂層的多孔層狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其耐磨服役行為與同類塊體顯著不同，最重要的特點(diǎn)在于載荷的影響。在低應(yīng)力服役條件下，熱噴涂涂層表現(xiàn)出良好的耐磨損性能，但應(yīng)力高于某一水平時(shí)，由于發(fā)生裂紋沿沉積粒子界面加速擴(kuò)展而加速磨損， 特別是在沖蝕、空蝕、微動(dòng)、疲勞、磨料磨損條件下，使得涂層材料的潛力僅能發(fā)揮10%~30%。因此，建立涂層組織結(jié)構(gòu)、性能、服役條件、服役效能之間系統(tǒng)關(guān)系的基礎(chǔ)研究，通過建立數(shù)據(jù)庫以指導(dǎo)耐磨涂層的設(shè)計(jì)與使用，將是充分發(fā)揮材料潛力、提高熱噴涂涂層服役效能、實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源與能源的重要途徑。