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噴涂加工 SPRAY PROCESSING

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等離子噴涂陶瓷涂層工藝介紹

通過等離子噴槍(又稱等離子弧發(fā)生器)產(chǎn)生等離子焰流。噴槍的鎢電極(陰極)和噴嘴(陽極)分別接電源負(fù)極和正極(工件不帶電)，通過高頻火花引燃電弧，使供給噴槍的工作氣體(Ar或N2)在電弧的作用下電離成等離子體。

現(xiàn)廣泛用于鋰電池漿料行業(yè)，適用于各類鋰電行業(yè)設(shè)備、分散盤、螺旋軸螺旋攪拌機(jī)、粉碎機(jī)耐磨部件、罐體、筒體、錐形料斗、粉料機(jī)、送料機(jī)、電極制造設(shè)備、耐磨涂層。

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。

1.熱障涂層簡介???熱障涂層又稱隔熱或絕熱涂層（ThermalBarrierCoatings，英文簡稱TBC或TBCs），是指可以為零件提供有效隔熱、抗氧化和耐腐蝕作用，在高溫燃?xì)夂土慵w金屬之間產(chǎn)生很大的溫降，從而達(dá)到延長熱機(jī)零件壽命、降低冷卻要求以及提高熱機(jī)熱效率的涂層系統(tǒng)?；舅悸肥窃诮饘倩w表面噴涂一種熱導(dǎo)率或熱擴(kuò)散率非常低的涂層，要求該涂層在高溫?zé)崃鳝h(huán)境中工作時(shí)能夠承受很大的溫度梯度。?TBC的研究始于20世紀(jì)40年代，60年代后期開始用于JT8D發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，后來又用于JT9D發(fā)動(dòng)機(jī)，在JT9D發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)向葉片和一、二級(jí)渦輪葉片的地面耐久性試驗(yàn)表明：具有TBC的一級(jí)葉片歷經(jīng)2778次循環(huán)仍處于良好狀態(tài)，而無TBC的葉片，經(jīng)過1500次循環(huán)后，葉片緣板就產(chǎn)生了明顯破壞。美國ＧＥ公司采用改進(jìn)的等離子噴涂TBC，已使燃燒室的總壽命超過30000ｈ。???TBC通常由金屬粘結(jié)底層和陶瓷面層組成，金屬粘結(jié)底層的主要作用是將陶瓷面層牢固地粘結(jié)在基體金屬上，陶瓷面層則主要起隔熱和抗腐蝕作用，要求具有低的蒸氣壓、低熱導(dǎo)率、低的熱輻射率和高的熱發(fā)射率以及良好的耐熱疲勞能力或抗熱沖擊能力。???計(jì)算結(jié)果表明，采用0.25mm厚的氧化鋯熱障涂層，就可以使基體金屬溫度降低170℃左右，該值比在1965-1985年之間的20年中由于人類的不斷努力而使葉型合金承溫能力所得到的累積增量還要大。???TBC的應(yīng)用已經(jīng)取得了非常顯著的效果，不僅降低了制造成本和比油耗，減少了對(duì)冷卻空氣量的要求，還提高了葉片工作的持久性。據(jù)報(bào)道，在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一級(jí)渦輪葉片上噴涂一層厚度為0.25mm的陶瓷熱障涂層，就可使冷卻空氣量減少6%，比油耗改善13%，葉片壽命提高4倍。因此，TBC技術(shù)已廣泛應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域以提高熱效率，如各種燃?xì)廨啓C(jī)和內(nèi)燃機(jī)，在美國，許多航空發(fā)動(dòng)機(jī)和幾乎所有的陸用和船用燃?xì)廨啓C(jī)的熱端部件（包括火焰筒、旋流器、加力燃燒室、魚鱗板、燃料噴嘴、排氣管、點(diǎn)火板、燃燒室管路、火焰穩(wěn)定器、渦輪葉片等）也都采用了TBC技術(shù)，每年約有幾百噸的氧化鋯材料用在TBC上，并且其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。據(jù)美國Gorham先進(jìn)材料研究所的研究表明，未來TBC在柴油機(jī)中的應(yīng)用比例將會(huì)超過飛機(jī)工業(yè)。此外，TBC在汽車、摩托車上的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)大。而在瑞典，僅沃爾沃航空公司的一個(gè)分廠1997年就消耗了近10噸氧化鋯，與1995年相比，其消耗量翻了一番。???隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，航天、航空、燃?xì)獍l(fā)電、化工和冶金等眾多領(lǐng)域促進(jìn)了熱障涂層的研究與發(fā)展?，F(xiàn)今TBCｓ的應(yīng)用是非常廣泛的。高爐的送風(fēng)口和出渣口要在1100-1450℃下經(jīng)受高速煤粉的沖刷和鐵水的溶蝕，而應(yīng)用TBC作為耐熱防護(hù)涂層，則可使其使用壽命顯著提高；應(yīng)用TBC的新型霧化金屬噴嘴具有極佳的抗腐蝕和抗熱震性能，工作壽命長且對(duì)于保證超細(xì)粉末質(zhì)量有顯著作用；在汽車工業(yè)方面，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出氣口采用TBC的閥座可降低該部件的損耗；TBC也多用于以輕金屬鋁合金為基體材料的活塞式氣缸頂部和邊緣。一些專家預(yù)測(cè)，在未來10年，TBC將會(huì)用到更加廣闊的領(lǐng)域。???熱障涂層在技術(shù)上無疑具有很大的潛力和良好的發(fā)展前景，但也存在一些有待進(jìn)一步改進(jìn)的問題，主要有涂層附著力的控制、涂層失效機(jī)理的研究和涂層性能測(cè)定等，其中，?涂層附著力的控制是最為重要的問題。涂層的附著力，亦稱涂層的粘結(jié)強(qiáng)度或結(jié)合強(qiáng)度，是直接影響涂層使用性能的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)。涂層剝落是零件最主要的破壞形式，也是影響熱障涂層在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)上擴(kuò)大應(yīng)用的主要因素。導(dǎo)致涂層剝落的主要原因，一是粘結(jié)底層氧化；二是基體金屬與陶瓷涂層熱膨脹系數(shù)之間的差別，兩者之間存在著明顯的應(yīng)變不匹配。熱障涂層的發(fā)展過程，就是對(duì)這兩方面的問題進(jìn)行不斷改進(jìn)和提高的過程。??2．熱障涂層設(shè)計(jì)?熱障涂層的設(shè)計(jì)包括涂層成分選擇、涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及噴涂方法選擇等。?（1）成分選擇。?1、粘結(jié)底層。?典型的粘結(jié)底層材料為MCrAlX合金，其中，M是粘結(jié)底層基本構(gòu)成元素，一般為鐵族元素或高熔點(diǎn)金屬元素以及這些元素的組合，例如，Ni、Co、Fe、Ni-Co、Ni-Fe等；Ｘ表示活性金屬，是為了增加結(jié)合強(qiáng)度和提高涂層抗氧化性能而添加的元素，包括：Y、Hf、Sc、Ce、La、Th等較活潑的元素，最常用的是Y。?采用滲鋁工藝在粘結(jié)底層表面制備富鋁層，可以降低粘結(jié)底層的氧化速率，提高TBC使用壽命；在CoNiCrAlY中添加Re、Ta可以顯著改善粘結(jié)底層的抗氧化性能和力學(xué)特性。?2、陶瓷面層。?目前，TBC涂層中的陶瓷面層主要為完全穩(wěn)定或部分穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷。由于純氧化鋯晶體隨溫度變化存在不同的晶體類型，當(dāng)溫度超過1000℃時(shí)，會(huì)發(fā)生單斜晶體向四方晶體的轉(zhuǎn)化，并伴隨有7%的體積變化，而在隨后的冷卻過程中，單斜晶體結(jié)構(gòu)會(huì)得到恢復(fù)，而體積卻不能回復(fù)到原來狀態(tài)，即體積在加熱冷卻前后會(huì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)變，這種晶型轉(zhuǎn)變和體積變化，在遭受熱循環(huán)條件下，涂層內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，從而造成涂層早期開裂，甚至發(fā)生剝落失效。因此，需要在純ZrO2晶體中添加穩(wěn)定劑。???在純ZrO2晶體中添加穩(wěn)定劑后，經(jīng)燒結(jié)或熔融處理形成固溶體，獲得在熔點(diǎn)以下整個(gè)溫度范圍內(nèi)都穩(wěn)定的、膨脹系數(shù)很低的立方型穩(wěn)定ZrO2。但是，在高溫下，雖然全穩(wěn)定化立方晶ZrO2的膨脹和收縮是可擬的，但其線膨脹和收縮量都很大，對(duì)于提高抗熱震壽命并不利，因此，通常采用由單斜晶體和立方晶體混合結(jié)構(gòu)組成的部分穩(wěn)定氧化鋯，這種晶型結(jié)構(gòu)在高溫下，單斜晶體部分會(huì)發(fā)生體積收縮相變，而立方晶體部分則隨溫度升高發(fā)生體積膨脹，兩種變化相互抑制，從而使部分穩(wěn)定ZrO2具有比完全穩(wěn)定ZrO2更低的平均熱膨脹系數(shù)，具有更好的抗熱震性能。??在氧化鋯中添加的穩(wěn)定劑包括氧化鈣（CaO）、氧化鎂(MgO)、氧化釔(Y2O3)和氧化鈰(CeO)等。其中，CaO穩(wěn)定劑的加入量有5%、6%、8%、10%、15%和30%，隨著CaO含量的增加，涂層的硬度增加。CaO含量高達(dá)30%的涂層，硬度相當(dāng)高，具有很好的抗高溫顆粒沖蝕性能。但是，CaO穩(wěn)定的ZrO2涂層，若長期或周期性地暴露于1093℃以上的高溫環(huán)境中，CaO有擴(kuò)散出穩(wěn)定化ZrO2晶體之外的傾向，導(dǎo)致涂層使用溫度受到限制，只能在845℃以上、1093℃以下的高溫環(huán)境中長期使用，超過1093℃以上只能短期使用。MgO穩(wěn)定劑的加入量通常為20-30%時(shí)，此時(shí)，ZrO2在不同溫度下，特別是在高溫?zé)嵫h(huán)時(shí)能保持晶型穩(wěn)定。MgO穩(wěn)定的ZrO2，在1400℃以下，其平衡組織為四方相或單斜相加MgO，在熱循環(huán)過程中，MgO會(huì)從固溶體中析出，導(dǎo)致涂層熱導(dǎo)率增加，隔熱能力下降，廣泛應(yīng)用受到限制。而Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2，在高達(dá)1650℃下長期使用時(shí)，Y2O3也不會(huì)象CaO那樣向晶體外擴(kuò)散，其化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性均優(yōu)于CaO部分穩(wěn)定的ZrO2和MaO部分穩(wěn)定的ZrO2，是一種性能優(yōu)異的使用溫度最高的熱障涂層材料。其添加量有6-8%、13%和20%，前兩種是部分穩(wěn)定ZrO2，后一種是完全穩(wěn)定ZrO2，對(duì)熱障涂層來講，部分穩(wěn)定的氧化鋯具有更好的抗熱震性能，因此，6-8%氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯就成為熱障涂層中陶瓷面層的首選材料。???近年來，關(guān)于Y2O3、Nd2O3、Sc2O3等部分穩(wěn)定劑(PSZ)的研究發(fā)現(xiàn)：在快速冷卻條件下，在ZrO2陶瓷層中存在部分或全部“非轉(zhuǎn)變”的四方相t′，盡管仍為介穩(wěn)相，但在1100-1200℃高溫循環(huán)條件下不分解為平衡的四方相和立方相。而6-8%Y2O3-ZrO2(YSZ)涂層則在1100-1200℃下，t′相不發(fā)生分解。在CeO-Y2O3-ZrO2中，t′相的穩(wěn)定性優(yōu)于8%YSZ，但抵抗含V、S等腐蝕介質(zhì)燃?xì)獾男阅茌^差，而Sc2O3-Y2O3-ZrO2(SYSZ)具有高溫下(1400℃)更高的t′相穩(wěn)定性和抗熱鹽腐蝕能力。??（2）涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。??熱障涂層結(jié)構(gòu)主要為雙層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)三種。?雙層結(jié)構(gòu)由噴涂在高溫合金基材上的陶瓷面層(多為ZrO2基陶瓷)和粘結(jié)底層(多為MCrAlY型)構(gòu)成，陶瓷面層主要起隔熱抗氧化作用；粘結(jié)底層主要起增加陶瓷面層與基體的結(jié)合力、提高熱膨脹系數(shù)匹配容限以及抗氧化等作用。雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層由于結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，是目前獲得廣泛實(shí)際應(yīng)用的熱障涂層。?多層結(jié)構(gòu)主要是為了減小陶瓷面層和金屬粘結(jié)底層之間的熱膨脹不匹配性而在兩者之間加入中間層，或是為了進(jìn)一步提高熱障涂層的抗氧化性能，在陶瓷面層和金屬粘結(jié)底層之間添加一薄Al2O3層，但該層的加入對(duì)熱震性能改善不大，且工藝復(fù)雜，涂層重復(fù)性、可靠性略差。???梯度結(jié)構(gòu)熱障涂層是指從金屬粘結(jié)底層到陶瓷面層之間的化學(xué)成分、顯微組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能制備成沿涂層厚度方向呈梯度連續(xù)變化。該結(jié)構(gòu)提高了涂層與基體的粘結(jié)強(qiáng)度和涂層的內(nèi)聚強(qiáng)度，具有理想涂層設(shè)計(jì)的高溫性能，抗熱震性能優(yōu)于雙層涂層，但在實(shí)際制備中獲得的是多層階梯狀結(jié)構(gòu)，且制備技術(shù)復(fù)雜，仍處于實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)研究階段。?（3）噴涂方法選擇。?由于ZrO2陶瓷材料的熔點(diǎn)較高(2760℃)，熱導(dǎo)率低(約為1.0-2.0W/mK)，在第二章所述的熱噴涂工藝方法中，除電弧噴涂、冷氣動(dòng)力噴涂、高速火焰噴涂、氧乙炔火焰重熔和中頻感應(yīng)重熔技術(shù)以及等離子噴焊工藝方法不能用于制備ZrO2陶瓷涂層外，其它熱噴涂工藝方法均可以用來制備。???但是，隨著涂層性能要求的提高，熱障涂層的制備基本以等離子噴涂方法為主。但在實(shí)際應(yīng)用中，或受限于條件，或?yàn)榱私档统杀荆ＷC性能，常采用不同的熱噴涂工藝方法。根據(jù)制備熱障涂層運(yùn)用單一設(shè)備還是多種設(shè)備，可將熱障涂層制備工藝分為單一制備工藝和復(fù)合制備工藝兩種。???單一制備工藝是指熱障涂層粘結(jié)底層和ZrO2陶瓷面層采用同一種噴涂方法進(jìn)行制備的工藝，包括：大氣等離子噴涂工藝、低壓等離子噴涂工藝、真空等離子噴涂工藝、爆炸噴涂工藝、高速等離子噴涂工藝等。?復(fù)合制備工藝是指熱障涂層粘結(jié)底層和ZrO2陶瓷面層分別采用不同的噴涂方法進(jìn)行制備的工藝，包括：①真空+大氣等離子復(fù)合噴涂工藝，熱障涂層粘結(jié)底層采用真空等離子噴涂工藝制備，而ZrO2陶瓷面層采用大氣等離子噴涂工藝制備；②高速火焰+大氣等離子復(fù)合噴涂工藝，熱障涂層粘結(jié)底層采用高速火焰噴涂，ZrO2面層采用大氣等離子噴涂；③高速火焰+高速等離子復(fù)合噴涂工藝，粘結(jié)底層采用高速火焰噴涂，ZrO2面層采用高速等離子噴涂等。????為解決等離子噴涂TBC存在的高氣孔率和裂紋引起的抗氧化性和涂層壽命降低的問題，國內(nèi)外針對(duì)激光制備TBC方法在激光表面重熔和激光熔覆兩個(gè)不同的領(lǐng)域開展了廣泛的應(yīng)用探索研究。激光法制備TBC工藝有兩種，即激光一次熔覆法和激光二次熔覆法。激光一次熔覆法制備TBC屬于新領(lǐng)域，近十年才有研究報(bào)導(dǎo)。主要有預(yù)置法和送粉法。預(yù)置法是將部分穩(wěn)定的YPSZ與Ni基復(fù)合粉，預(yù)置在基材上，再采用CO2激光熔覆，獲得分層結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層，表面為致密的ZrO2陶瓷層，其下為Ni基合金過渡層，ZrO2陶瓷層的上部為等軸晶，中下部為柱狀晶，主要由t′相組成。送粉法是采用送粉裝置將部分穩(wěn)定的YPSZ與合金復(fù)合粉送入激光照射區(qū)域，利用激光將其熔覆在基材上，獲得了自動(dòng)分層的陶瓷層區(qū)域，均為柱狀晶組織，且基本由t′相組成。激光二次熔覆法是指首先在基體表面采用等離子噴涂ZrO2陶瓷層后再對(duì)其進(jìn)行激光熔覆處理的工藝，采用該工藝可以獲得表面光滑、連續(xù)、致密、無裂紋和孔隙等缺陷的陶瓷熔覆層，避免了送粉法激光熔覆工藝無法解決的裂紋問題。陶瓷熔覆層的組織為柱狀晶，其生長方向與基體垂直。激光二次熔覆法為制備高性能低成本TBC提供了可行途徑，但尚處于初步研究階段，高溫性能試驗(yàn)為空白，熔覆工藝參數(shù)、涂層分層組織、成分、形態(tài)、內(nèi)外成型質(zhì)量以及高溫性能等對(duì)涂層壽命的影響還有待進(jìn)一步深入研究。??近年來，采用電子束物理氣相沉積(ＥＢ-ＰＶＤ)法制備具有高抗熱震性能的TBC引起人們的關(guān)注。關(guān)于ＥＢ-ＰＶＤ熱障涂層的研究始于20世紀(jì)70年代，美國普惠公司于80年代取得突破，隨后，該技術(shù)在德國等國也獲得了成功應(yīng)用。ＥＢ-ＰＶＤ熱障涂層是采用高能電子束

本司承接水泥廠、電廠等風(fēng)機(jī)葉輪磨損位修復(fù)或新頁輪表面強(qiáng)化涂層，可延長葉輪的使用壽命長達(dá)幾倍。采用超音速噴涂碳化鎢修復(fù)方案，涂層致密，硬度高，耐磨性能強(qiáng)，延長工件的使用壽命。碳化鎢粉末涂層：碳化鎢（WC）是制造硬質(zhì)合金的主要原材料，有很高的顯微硬度。常用WC涂層的粉末有WC8%CO、WC12%CO、WC17%CO等。在WC中加不同比例的鈷主要是起粘結(jié)作用，以增加涂層的韌性，同時(shí)防止噴涂過程過碳的燒損，碳化鉻（Cr2C3）硬度高，有良好的抗高溫氧化和耐磨性能，使用溫度高達(dá)800℃。一般Cr2C3與Ni-Cr合金混合使用，主要用于高溫磨損部位。機(jī)械配件磨損位噴涂碳化鎢修復(fù)涂層工藝——碳化鎢耐磨涂層參數(shù)：加工工藝：→噴砂→預(yù)熱→打底→噴涂碳化鎢（厚度0.04～1.0㎜）→拋磨；加工方式：等離子/超音速火焰噴涂碳化鎢涂層性能指標(biāo)：硬度可達(dá)：HRC70~80結(jié)合強(qiáng)度：≥90MPa耐高溫：1200℃以上涂層厚度：0.04mm~1.0mm使用壽命：比傳統(tǒng)工藝提高了3～6倍加工范圍：直徑：幾十毫米到幾百毫米長度：幾個(gè)毫米到幾米都可加工

極片軋輥碳化鎢涂層??鋰離子電池極片制造一般工藝流程為：活性物質(zhì)，粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑等混合制備成漿料，然后涂敷在銅或鋁集流體兩面，經(jīng)干燥后去除溶劑形成極片，極片顆粒涂層經(jīng)過壓實(shí)致密化，再裁切或分條。輥壓是鋰電池極片最常用的壓實(shí)工藝，相對(duì)于其他工藝過程，輥壓對(duì)極片孔洞結(jié)構(gòu)的改變巨大，而且也會(huì)影響導(dǎo)電劑的分布狀態(tài)，從而影響電池的電化學(xué)性能。為了獲得最優(yōu)化的孔洞結(jié)構(gòu)，充分認(rèn)識(shí)和理解輥壓壓實(shí)工藝過程是十分重要的。輥壓工藝基本過程?圖1極片輥壓過程示意圖材料-設(shè)備-工藝-解決方案我們?cè)谕繉討?yīng)用方向積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，目前我們?cè)谠佻F(xiàn)著這些成功案例。我們將引領(lǐng)您完成涂層制造轉(zhuǎn)換過程，確保：快速生產(chǎn)啟動(dòng)；從材料、設(shè)備、工藝一應(yīng)俱全的、可靠的供應(yīng)解決方案；在您的現(xiàn)場(chǎng)或我們的技術(shù)中心進(jìn)行涂層試驗(yàn)；始終如一的涂層質(zhì)量和效率。