超音速喷涂

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1、热喷涂技术之将来趋势-超音速喷涂技术摘要: 本文简要论述了热喷涂技术的概况，例如热喷涂设备构成，热喷涂的工作原理，热喷涂技术的特点； 着重简介了热喷涂技术中超音速喷涂技术的发展过程, 简述了超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、超音速电弧喷涂及冷喷涂等设备的构造和技术特点, 简介了超音速喷涂工艺及涂层特性, 展望了该技术在制备纳米涂层方面的应用及发展前景。核心词: 表面解决技术;热喷涂技术;超音速喷涂；超音速火焰喷涂；超音速等离子喷涂；超音速电弧喷涂;冷喷涂.1热喷涂技术概况众所周知,除少数贵金属外,金属材料会与周边介质发生化学反映和电化学反映而遭受腐蚀。 此外，金属表面受多种机械作用而引起的磨损

2、也极为严重。大量的金属构件因腐蚀和磨损而失效， 导致极大的挥霍和损失。 据某些工业发达国家记录, 每年钢材因腐蚀和磨损而导致的损失约占钢材总产量的1 %, 损失金额约占国民经济总产值的2-4%。 如果将因金属腐蚀和磨损而导致的停工、停产和相应引起的工伤、失火、爆炸事故等损失记录在内的话, 其数值更加惊人。 因此,发展金属表面防护和强化技术， 是各国普遍关怀的重大课题。随着尖端科学和现代工业的发展，各工业部门越来越多地规定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）下长期稳定的运营。因此，对材料的性能也提出更高规定。 采用高性能的高档材料制造整体设备

3、及零件以获得表面防护和强化的效果，显然是不经济的，有时甚至是不也许的。因此, 研究和发展材料的表面解决技术就具有重大的技术和经济意义。而表面解决技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高。热喷涂技术是表面防护和强化的技术之一, 是表面工程中一门重要的学科。所谓热喷涂， 就是运用某种热源,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, 然后借助焰流自身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到通过预解决的基体材料表面, 与基体材料结合而形成具有多种功能的表面覆盖涂层的一种技术。近年来,热喷涂技术在国民经济建设中所发挥的重大作用,越来越引起人们注重

4、。它作为表面技术一种重要构成部分,在国内国家“六五”至“九五”持续四个五年筹划重点推广应用中获得了明显成绩，获得了重大经济效益。目前,无论在设备、材料、工艺、科研等方面都在迅速发展与提高。从0月在宁波举办的“第十五届全国热喷涂技术经验交流会”上国内外专家的专项报告以及宣读的论文中可以看出,国内热喷涂技术近期发展的概况及特点是:设备方面(喷枪）向高能、高速度方向发展;材料方面向系列化、原则化、商品化方向发展,以保证多功能高质量涂层的需要;工艺方面向机械化、自动化方向发展。12 热喷涂设备虽然因热喷涂的措施不同其设备也各有差别,但根据热喷涂技术的原理,其设备都重要由喷枪、热源、涂层材料供应装置以及

5、控制系统和冷却系统构成。下图为热喷涂的设备配备图。 图一 热喷涂设备配备图1. 热喷涂材料目前实际应用中已实现工业化生产的喷涂材料有金属、合金和陶瓷等， 重要以粉末、丝材、棒材状态使用， 其中喷涂粉末占喷涂材料总用量的 %以上。 用作涂层的材料有:1.1 热喷涂用粉末纯金属粉末： ,Mo，Al，u,Ni，T，T，Nb 等。合金粉末： Al-i,i-Cr,i-N,N-Cr-，Cor-W,MCrAY(M=o、Ni、Fe），Co 基、i基、e 基自熔合金等。氧化物陶瓷粉末：Al2O，ZO2,Cr2O，TiO2等。碳化物粉末： C，Ti，Cr3C2 等。金属陶瓷粉末: WC-Co，C3C2-NiCr

6、等。塑料粉末: 尼龙, 聚乙烯，聚苯硫醚等。1.3热喷涂用丝材A、,Zn,Al-n 合金，巴氏合金,不锈钢,Ni-Al丝等。.33 热喷涂用棒材l2,Cr2O,r2等。 14 热喷涂工艺流程热喷工艺过程如下：工件表面预解决 工件预热 喷涂 涂层后解决1.1 表面预解决为了使涂层与基体材料较好地结合，基材表面必须清洁及粗糙， 净化和粗化表面的措施诸多, 措施的选择要根据涂层的设计规定及基材的材质、形状、厚薄、表面原始状况以及施工条件等因素而定。净化解决的目的是除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油渍、油漆及其她污物，核心是除去工件表面和渗入其中的油脂。 净化解决的措施有, 溶剂清洗法、蒸汽清洗法、

7、碱洗法及加热脱脂法等。粗化解决的目的是增长涂层与基材间的接触面， 增大涂层与基材的机械咬合力， 使净化解决过的表面更加活化,以提高涂层与基材的结合强度。 同步基材表面粗化还变化涂层中的残存应力分布，对提高涂层的结合强度也是有利的。粗化解决的措施有喷砂、机械加工法(如车螺纹、滚花)、电拉毛等。其中喷砂解决是最常用的粗化解决措施,常用的喷砂介质有氧化铝、碳化硅和冷硬铸铁等。喷砂时,喷砂介质的种类和粒度、喷砂时风压的大小等条件必须根据工件材质的硬度、工件的形状和尺寸等进行合理的选择。对于多种金属基体,推荐采用的砂粒粒度约为160号砂,粗砂用于结实件和重型件的喷砂，喷砂压力为0.50.7pa,薄工件易

8、于变形，喷砂压力为0.30.4Ma。特别值得注意的一点是，用于喷砂的压缩空气一定要是无水无油的,否则会严重影响涂层的质量。喷涂前工件表面的粗化限度对大多数金属材料来说.5- mRa 就够了。随着表面粗糙度的增长涂层与基体材料的结合增强,但是当表面粗糙度超过10Ra 后，涂层结合强度的提高限度便会减低。对于某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、NiAl、Nr 及铝青铜等。粘结底层的厚度一般为.08-018m。1.4. 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

9、体的结合强度;减少因基材与涂层材料的热膨胀差别导致的应力而导致的涂层开裂。 预热温度取决于工件的大小、形状和材质,以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素，一般状况下预热温度控制在60 12 之间。1.4.3 喷涂采用何种喷涂措施进行喷涂重要取决于选用的喷涂材料、工件的工况及对涂层质量的规定。例如,如果是陶瓷涂层，则最佳选用等离子喷涂；如果是碳化物金属陶瓷涂层则最佳采用高速火焰喷涂;若是喷涂塑料则只能采用火焰喷涂；而若要在户外进行大面积防腐工程的喷涂的话，那就非灵活高效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂莫属了。总之,喷涂措施的选择一般来说是多样的，但对某种应用来说总有一种措施是最佳的。预解决好的工件要在尽量

10、短的时间内进行喷涂，喷涂参数要根据涂层材料、喷枪性能和工件的具体状况而定, 优化的喷涂条件可以提高喷涂效率、并获得致密度高、结合强度高的高质量涂层。44 涂层后解决喷涂所得涂层有时不能直接使用, 必须进行一系列的后解决。用于防腐蚀的涂层,为了避免腐蚀介质透过涂层的孔隙达到基材引起基材的腐蚀,必须对涂层进行封孔解决。 用作封孔剂的材料诸多，有石腊、环氧树脂、硅树脂等有机材料及氧化物等无机材料, 如何选择合适的封孔剂, 要根据工件的工作介质、环境、温度及成本等多种因素进行考虑。对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件,为了提高涂层的结合强度，要对喷涂层进行重熔解决（如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等

11、静压等）, 使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致密涂层。有尺寸精度规定的,要对涂层进行机械加工。 由于喷涂涂层具有与一般的金属及陶瓷材料不同的特点， 如涂层有微孔,不利于散热;涂层自身的强度较低，不能承受很大的切削力；涂层中有诸多硬的质点,对刀具的磨损不久等,因而形成了喷涂涂层不同于一般材料的难于加工的特点。因此必须选用合理的加工措施和相应的工艺参数才干保证喷涂层机械加工的顺利进行和保证达到所规定的尺寸精度。1.5 热喷涂技术的特点从热喷涂技术的原理及工艺过程分析，热喷涂技术具有如下某些特点。1 由于热源的温度范畴很宽，因而可喷涂的涂层材料几乎涉及所有固态工程材料，如金属

12、、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料以及由它们构成的复合物等。因而能赋予基体以多种功能(如耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、绝缘、隔热、生物相容、红外吸取等）的表面。2 喷涂过程中基体表面受热的限度较小并且可以控制,因此可以在多种材料上进行喷涂(如金属、陶瓷、玻璃、布疋、纸张、塑料等)，并且对基材的组织和性能几乎没有影响,工件变形也小。3.设备简朴、操作灵活， 既可对大型构件进行大面积喷涂，也可在指定的局部进行喷涂;既可在工厂室内进行喷涂也可在室外现场进行施工。4.喷涂操作的程序较少，施工时间较短,效率高,比较经济。随着热喷涂应用规定的提高和领域的扩大, 特别是喷涂技术自身的进步,如喷涂设备的日益高能和精良

13、,涂层材料品种的逐渐增多、性能逐渐提高, 热喷涂技术近十年来获得了飞速的发展， 不仅应用领域大为扩展, 并且该技术已由初期的制备一般的防护涂层发展到制备多种功能涂层;由单个工件的维修发展到大批的产品制造;由单一的涂层制备发展到涉及产品失效分析、表面预解决、 涂层材料和设备的研制、选择, 涂层系统设计和涂层后加工在内的喷涂系统工程;成为材料表面科学领域中一种十分活跃的学科。并且在现代工业中逐渐形成象铸、锻、焊和热解决那样的独立的材料加工技术。成为工业部门节省贵重材料、节省能源、提高产品质量、延长产品使用寿命、减少成本、提高工效的重要的工艺手段， 在国民经济的各个领域内得到越来越广泛的应用。总体上

14、来说,热喷涂技术正朝着高能高速喷涂的方向发展, 并且超音速喷涂已成为某些发达国家竞相研究的热点， 并形成了超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、超音速电弧喷涂及冷喷涂等几种重要技术。.1 超音速喷涂技术发展概况超音速火焰喷涂涉及超音速氧气火焰喷涂(HVO F: gh VlocityO y-Fuel) 和超音速空气火焰喷涂(HVA: H ih Veloiy A rFue) 两种。该技术及设备在上世纪80 年代初期一方面由美国SS 公司的rowning. . A公司研制成功, 至今已经历了 个发展阶段 1 。第一代的O 喷涂系统以“ET 2KO TE”为代表, 第二代超音速火焰喷涂系统以1989年浮现

15、的TopGun, iamod-和CS (Cntinuou Detonai ray gun） 为代表, 第三代超音速火焰喷涂系统以25000 喷涂系统为代表。第一、二代设备的功率偏小, 粒子速度偏低, 涂层的整体性能不够抱负。第三代在设计上有了较大改善, 使粒子飞行速度大幅度提高，涂层质量明显改善。国内西安交通大学在这方面开展的研究较多 。由于HV系统使用气体燃料和氧气助燃剂， 故生产成本很高。例如J2500， 典型工艺参数需氧气流量为0. 948 m3 in, 每瓶氧气只能维持5 6 mi 3 。为此,美国、英国、日本等国又研制了HVF系统,使用压缩空气替代价格昂贵的纯氧气做助燃气体， 且喷枪采用气冷方式。除了大幅度减少成本外， 喷涂温度可以控制在较低范畴内, 是热喷涂技术上的一项革新 4 。沈阳工业大学、装甲兵工程学院均已研制成功了自己的HVAF系统5 。超音速等离子喷涂技术采用非转移型等离子弧与高速气流混合时浮现的“扩展弧”得到稳定汇集的超音速等离子焰流。它保存了一般空气等离子喷涂的长处, 并且喷涂速度有明显提高。1986 年美国B