熱噴涂涂層材料的選擇

正確地選擇涂層材料是確保所需涂層性能的關(guān)鍵性工作。在選擇涂層材料時(shí)，首先要考慮工件工況條件和涂層需具備的性能，還要考慮工件的材質(zhì)、批量、經(jīng)濟(jì)性以及擬采用的熱噴涂方法。根據(jù)涂層的功能，涂層大體可分為耐腐蝕涂層、耐磨損涂層、減摩與封嚴(yán)涂層、耐高溫?zé)嵴贤繉印⒔^緣或?qū)щ娡繉?、尺寸修?fù)涂層等。

經(jīng)表面涂層后的工件在使甩中引起失效的原因往往不是單一因素引起的，所以在滿足工況條件要求和涂層性能之間不一定存在簡(jiǎn)單關(guān)系。應(yīng)該詳細(xì)分析工況條件，并根據(jù)參考文獻(xiàn)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)對(duì)涂層結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)、力學(xué)等性能進(jìn)行綜合考慮，從而確定一種或幾種涂層材料。

耐磨損涂層是表面涂層技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。雖然涂層硬度與耐磨損性能之間有一個(gè)粗略關(guān)系，但硬度并不能完全代表表面涂層的耐磨性。因?yàn)椴煌哪p類型對(duì)材料性能要求是不一樣的，而且在磨損的同時(shí)常伴有沖擊、腐蝕、疲勞和溫度等影響。

表面涂層材料的選擇不能盲目地追求高性能或高價(jià)格的涂層材料，造成不必要的浪費(fèi)，材料價(jià)格的高低更不能作為選擇涂層材料好壞的標(biāo)準(zhǔn)，相反應(yīng)在滿足工作條件要求的前提下，盡可能采用價(jià)廉的涂層材料，在批量生產(chǎn)時(shí)尤為重要。例如，能用鎳基合金涂層材料就不用鉆基合金涂層材料。

在選擇表面涂層材料時(shí)，一般可按照下列步驟進(jìn)行：

(1) 分析工況條件和零件性能，了解失效原因及對(duì)涂層性能的要求；

(2) 列出可供選擇的涂層材料；

(3) 分析待選材料與基體材料的相容性及能夠采用的熱噴涂方法；

(4) 必要時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；

(5) 綜合考慮使用壽命、成本和工廠條件，確定涂層材料；

(6) 確定表面涂層方法并制定涂層工藝。

下面簡(jiǎn)要介紹目前常用的涂層性能，為正確選擇噴涂工藝提供參考。

一般地說(shuō)，采用熱噴涂層的主要目的有以下幾種：

(1) 耐腐蝕涂層；

(2)耐磨損涂層；

(3) 減摩與封嚴(yán)涂層；

(4) 耐高溫?zé)嵴贤繉樱?/span>

(5) 絕緣或?qū)щ娡繉樱?/span>

(6) 尺寸修復(fù)涂層等等。

不同的目的應(yīng)采用不同的涂層。

1、耐腐蝕涂層

耐腐蝕涂層材料的選擇比較復(fù)雜。零件的工作狀態(tài)、工作溫度、工作環(huán)境和各種腐蝕介質(zhì)都增加了對(duì)涂層材料的要求。腐蝕環(huán)境可能是水溶液、氣體或各種化學(xué)介質(zhì)，還可能具有寬廣的溫度范圍。在有燃?xì)獯嬖诘臈l件下，燃燒的氣體或未燃燒的燃料也可能在適當(dāng)?shù)臏囟认屡c其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成很復(fù)雜的腐蝕環(huán)境。防腐蝕的機(jī)理基本上有三種：

（1） 排斥腐蝕環(huán)境。這主要是依賴于涂層不滲透腐蝕介質(zhì)，并不與腐蝕介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

（2）防止電化學(xué)腐蝕。也就是利用基體金屬和涂層材料的性質(zhì)，知道它們的氧化-還原電位，從而決定涂層對(duì)基體是陰極還是陽(yáng)極，以及其電極電位如何等。涂層和基體材料若匹配不當(dāng)就可能造成電化學(xué)腐蝕，下表列出了某些金屬元素在25oC時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位。

某些金屬元素在25oC的水溶液中的標(biāo)準(zhǔn)電極電位。

（3）抑制腐蝕作用。通過(guò)使用化學(xué)腐蝕抑制劑作為噴涂層的密封劑可以起到某些防護(hù)作用。這種方法是多孔狀噴涂層用腐蝕抑制劑飽相或用無(wú)機(jī)密封劑填充。使用較薄的涂層就能達(dá)到完全排斥腐蝕環(huán)境的要求。在某些情況卞，耐腐蝕金屬也可以作為防腐蝕涂層，但大多數(shù)是采用氧化物陶瓷作為防腐蝕涂層。

耐腐蝕涂層主要有如下幾種：

(1) 耐大氣腐蝕涂層

這類涂層耐下述條件的腐蝕，金屬或合金暴露在戶外或室內(nèi)的大氣中，但是不能浸漬在液體中，涂層在大氣中能抵抗風(fēng)、雨、陽(yáng)光和其他氣候變化條件的腐蝕。所有的質(zhì)量評(píng)定都以戶外暴露獲得的結(jié)果為依據(jù)。在戶外使用的涂層在室內(nèi)也能很好地使用。

這類涂層有：

a. 耐工業(yè)氣氛的涂層。這種涂層能承受具有煙塵或化學(xué)煙霧 (如大城市和重工業(yè)區(qū)等) 的惡劣氣氛。

b. 耐海洋氣氛腐蝕的涂層。這種涂層能承受海洋附近或具有鹽霧條件下的腐蝕，這種氣氛中具有大量的鹽分而且是潮濕的。

c. 耐農(nóng)村大氣腐蝕的涂層。農(nóng)村大氣中雖然沒(méi)有工業(yè)煙霧和海洋性氣候的鹽霧，但含有少許的污染物。

(2) 耐浸漬腐蝕涂層

浸漬腐蝕是金屬或其涂層暴露在液體中并且是全部或部分、或二者交替地受到浸漬，防腐蝕涂層必須能夠耐液面以上或液面以下環(huán)境的腐蝕。這類涂層有如下幾種：

a. 耐食用淡水的涂層。這種涂層耐淡水，并且不能改變水的化學(xué)成分，以免不適于食用。

b. 耐非飲用淡水的涂層。這種涂層耐非飲用淡水，水溫不超52oC，PH值為5～10。

c. 耐熱淡水涂層。這種水系非飲用水，水溫在52～204 oC，PH值為5～10。

d. 耐鹽水腐蝕涂層。這種涂層可以全部或部分浸在靜止的或運(yùn)動(dòng)的食鹽水或海水中。

e. 化學(xué)和食品工業(yè)使用的涂層。這種涂層能耐諸如油、燃料和溶劑等的化學(xué)作用，并且能耐各種食品的腐蝕，但不能改變食品的化學(xué)成分和味道。

上述兩種耐腐蝕涂層可以采用電弧噴涂 (包括高速電弧噴涂)或火焰噴涂鋅或鋁來(lái)制備。

(3) 耐化學(xué)腐蝕涂層

這類涂層能承受各種酸、堿、鹽類的溶液、蒸汽和固體的腐蝕。這類涂層主要是各種鐵基、鎳基和鉆基合金、自熔性合金、有色金屬，氧化物陶瓷，碳化鉻和碳化鎢等金屬陶瓷。由于熱噴涂層都有一定的孔隙率，所以，各種涂層必須進(jìn)行填充密封處理。密封劑本身也必須耐化學(xué)介質(zhì)的腐蝕。

2、耐磨損涂層

零件磨損通常都伴隨著溫度升高，其原因或是由于摩擦引起的或是與工作環(huán)境有關(guān)。一般情況下，耐磨涂層應(yīng)用在遭受撞擊磨損的條件下或腐蝕環(huán)境中。因此，作為耐磨涂層必須堅(jiān)硬、不易破碎，而且具有一定的耐熱和耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕的性能。許多碳化物、氮化物、氧化物、鎳基或鉆基合金都具有這些性能。

由于使用環(huán)境、工作溫度和磨損條件的不同，磨損的情況比較復(fù)雜，歸納起來(lái)有如下4種情況：

(1) 粘著磨損    這種耐磨涂層主要作為軟軸承和硬軸承表面使用。

a. 軟軸承表面。這種涂層可以使?jié)櫥瑒┲袛y帶的磨料粒子嵌入涂層內(nèi)，也能使軸承表面的基準(zhǔn)線變形。軟軸承成本較低，但必須進(jìn)行很好的潤(rùn)滑，否則磨損速度太快。

b. 硬軸承表面。這種涂層可以用作高耐磨和硬軸承材料，能耐磨料磨損，減少劃痕和劃傷，可用于高負(fù)荷低速度的硬軸承表面上。

(2) 磨料磨損

a. 耐磨料粒子磨損的涂層。這種涂層能耐滑動(dòng)表面之間的外來(lái)粒子的切削和劃槽作用，故涂層的硬度大于外來(lái)磨料粒子的硬度。在高溫下使用的涂層，其工作溫度為540~845oC，在低溫下使用的涂層，其工作溫度在540 oC以下。

b. 耐硬面磨損的涂層。這種涂層能耐硬面或含有硬磨料的軟面滑動(dòng)磨損。涂層需光滑以減小磨損程度，還應(yīng)具有適當(dāng)?shù)哪Σ料禂?shù)。在高溫下使用的涂層，其工作溫度為540~845oC，在低溫下使用的涂層，其工作溫度在540oC以下。在低溫使用的耐硬面磨損的涂層中，還包括耐纖維和紡織線磨損的涂層。

(3) 表面疲勞磨損

a. 耐定向運(yùn)動(dòng)磨損的涂層。這種涂層能承受在軌道上滑動(dòng)、滾動(dòng)或撞擊引起的磨損，并足以承受連續(xù)的撞擊磨損。

b. 耐無(wú)定向運(yùn)動(dòng)磨損的涂層。這種涂層能耐相互接觸的表面發(fā)生小量位移引起的振動(dòng)摩擦，由于接觸摩擦系統(tǒng)無(wú)定向運(yùn)動(dòng)，涂層的磨損是很難預(yù)料的，振動(dòng)是這類磨損中最常見(jiàn)的現(xiàn)象。這種涂層也分為高溫下使用和低溫下使用的兩類。

c. 耐氣蝕涂層。這種涂層能夠承受由于液體流的空穴造成的機(jī)械沖擊磨損，并具有韌性高、耐磨和耐腐蝕性能。

(4) 沖蝕磨損

這種涂層耐尖銳和堅(jiān)硬粒子的沖蝕。這些粒子由氣體或液體傳遞并以一定速度運(yùn)動(dòng)。當(dāng)粒子的沖蝕角度小于45o時(shí)，粒子沿表面飛行而產(chǎn)生磨料磨損。這時(shí)對(duì)涂層硬度的要求是主要的，當(dāng)粒子的沖蝕角度大于45o時(shí)，涂層的韌性則是主要的。這種涂層也有在高溫和低溫條件下使用的兩種類型。

3、機(jī)械零件間隙控制涂層（可磨耗密封涂層）

由氣體在壓力之下驅(qū)動(dòng)的機(jī)器其機(jī)械效率取決于轉(zhuǎn)子的密封能力，密封能力高可以減小或防止氣體的泄漏，因此，要求轉(zhuǎn)子與定子之間具有非常緊密的配合間隙。由于轉(zhuǎn)動(dòng)零件在工作條件下可能延伸或膨脹，而與靜止零件發(fā)生碰撞，所以，要制造具有緊密間隙的機(jī)器是很困難的，但使用可磨耗密封層即可解決這一問(wèn)題。方法是在靜止零件上噴涂一層可磨耗封嚴(yán)層，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的零件，使涂層形成緊密尺寸配合的密封通道。

典型的可磨耗涂層用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)匣和渦輪機(jī)匣上。涂層應(yīng)有足夠厚度，以使發(fā)動(dòng)機(jī)裝配時(shí)，轉(zhuǎn)子葉片和機(jī)匣之間互相搭接。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，葉片頂端與涂層磨擦，磨去一些涂層，形成通道，而葉片本身不受損傷，由于涂層適應(yīng)葉片徑向和軸向移動(dòng)，每個(gè)葉片的頂端都能在涂層中獲得最佳密封。在設(shè)計(jì)可磨耗涂層時(shí)，必須解決兩個(gè)根本對(duì)立的要求，即涂層不僅是可磨耗的，而且必須耐氣流的沖刷和粒子的沖蝕。因此有必要比較涂層的可磨耗性能相抗浸蝕性能，以及耐熱性能和抗化學(xué)腐蝕性能。下表給出了幾種常用的可磨耗密封涂層材料及性能。

4、耐高溫?zé)嵴贤繉?/span>

（1）耐高溫涂層  這類涂層能改善基體零件的高溫工作條件，并能承受高溫條件下的化學(xué)或物理分解作用或由于腐蝕造成的化學(xué)損壞。

（2）耐大氣氧化涂層。這種涂層能防止基體由于高溫氧化造成的損壞。涂層的熔點(diǎn)高于工作溫度，在工作溫度下具有低蒸氣壓。不要求涂層承受機(jī)械磨損。

（3） 耐氣體腐蝕涂層。這類涂層能保護(hù)基體使之免于暴露在高溫腐蝕氣體中。必須考慮到氣體與涂層發(fā)生反應(yīng)時(shí)，要防止形成吸附氧化物，或形成易碎的成分或穿透涂層侵蝕基體。不要求這種涂層具有承受機(jī)械沖擊或磨損的作用。

（4）耐高溫 (850oC以上) 沖蝕涂層。這類涂層能耐高溫同時(shí)也要能耐粒子沖蝕。在高溫下的高速粒子和高壓氣體形成各種惡劣環(huán)境，因此，涂層必須能承受由運(yùn)動(dòng)著的尖銳和堅(jiān)硬的粒子所造成的沖蝕。當(dāng)粒子的沖蝕角度小于45o時(shí)，粒子沿表面產(chǎn)生磨料磨損，故要求涂層具有高硬度；當(dāng)粒子的沖蝕角度大于45o時(shí)，要求涂層具有高的韌性。

（5）熱障涂層。這類涂層具有較低的熱傳導(dǎo)性能，此種熱障作用可以防止基體材料達(dá)到其熔點(diǎn)，也具有轉(zhuǎn)移輻射熱的作用。

（6） 耐熔融金屬侵蝕涂層  這類涂層能承受熔融金屬的腐蝕，并對(duì)熔融金屬不發(fā)生潤(rùn)濕作用。如耐熔融的鋅、鋁、鋼和鐵、以及銅等的涂層。

5、電絕緣和導(dǎo)電涂層

熱噴涂層也可以作為導(dǎo)電體使用，如印刷線路和爐子加熱元件的觸點(diǎn)。氧化物和有機(jī)塑料的熱噴涂層可作為電絕緣體?；w材料的電性能受到噴涂材料影響。噴涂材料一般應(yīng)根據(jù)材料的已知性能和它的使用狀態(tài)來(lái)選擇。

（1）導(dǎo)電涂層  這類涂層必須具有良好的導(dǎo)電性能和低電阻。

（2）介電涂層  這類涂層必須具有阻止電流通過(guò)的絕緣體作用。擊穿涂層的強(qiáng)度 (通常以單位長(zhǎng)度上的電壓表示) 和容許的電導(dǎo)是介電強(qiáng)度的表征參量。

（3）屏蔽涂層

a. 無(wú)線電頻率屏蔽涂層。這種涂層必須能接收干擾無(wú)線電頻率并將其傳導(dǎo)到大地，能對(duì)無(wú)線電頻率起屏蔽作用使超高頻通過(guò)。

b. 原子能屏蔽涂層。這類涂層通過(guò)阻止熱中子或 g 射線的通過(guò)，對(duì)射線起屏蔽作用。高原子密度的材料，如鉛和鋼能有效地屏蔽 g 射線。吸收中子較好的一些元素有硼、氫、鋰和鎘，其中以硼和硼化物最好，這種材料可以用熱噴涂的方法噴涂，并具有吸收熱中子的能力，而不產(chǎn)生大量的次級(jí)強(qiáng)烈的 g 射線。

06修補(bǔ)涂層

這些涂層可用于磨損的零件或加工不當(dāng) (如錯(cuò)誤的加工、毛料有缺陷等)零件尺寸超差的修復(fù)，涂層應(yīng)具有和基體材料相同的性能。零件的修復(fù)一般應(yīng)先進(jìn)行機(jī)械加工，達(dá)到適當(dāng)?shù)墓饣潭群笤賴娚昂蛧娡?。?duì)涂層性能的要求主要取決于使用，例如要求耐磨、耐腐蝕、耐熱或涂層材料與基體相同，等等。