爆炸喷涂研究的现状及趋势
摘要：爆炸喷涂是目前制备高质量涂层的最好喷涂技术。本文详细介绍了爆炸喷涂的原理、特点及爆炸喷涂涂层的发展现状，并对爆炸喷涂涂层发展趋势作了推测，提出纳米涂层是爆炸喷涂涂层的新的发展方向。
关键词：爆炸喷涂；耐磨涂层；热障涂层；纳米涂层
20世纪50年代初期，美国联合碳化物公司利德分公司发明了粉末爆炸喷涂（简称爆炸喷涂）技术，申请了专利，并于1953年投入生产。但他们只在本公司内为用户提供制备涂层的服务，而不出售该技术和设备，并且至今没有发表过关于该技术的任何论文。到上世纪60年代，前苏联乌克兰科学院材料研究所和焊接研究所开始研究爆炸喷涂技术，并研制出一系列的爆炸喷涂设备。由于此技术有一定的危险性，且技术难度大，所以其它国家没有进行该技术的研究。90年代苏联解体后，乌克兰科学院与中国钛得公司合作开发产品，使该技术公开化。俄罗斯、乌克兰材料所和焊接所开始向外出售该技术和设备。1970年，我国的航天部六二一所也成功研制出了爆炸喷涂设备，但由于性能与乌克兰的设备相差较大，所以国内使用的爆炸喷涂设备大多是从乌克兰和俄罗斯引进的。目前约有近10台爆炸喷涂设备在国内开始使用。
爆炸喷涂技术研制成功后，因其涂层比其它喷涂方法得到的涂层质量高得多，所以得到了人们的广泛认可。一般认为，爆炸喷涂是当前热喷涂领域内最高的技术。最初一直应用于航天和核工业等军事领域，并逐渐向民用品发展，目前已应用到钢铁工业、能源工业、汽车工业等部门。
1 爆炸喷涂的原理及特点
爆炸喷涂是利用气体爆炸产生高能量，将喷涂粉末加热加速，使粉末颗粒以较高的温度和速度轰击到工件表面形成涂层。喷涂时，先将一定压力、比例的氧气和乙炔由进气口通入水冷喷枪内腔，然后由供粉口将粉末送入，接着火花塞点火，氧气和乙炔的混合气体燃烧并爆炸，产生高温高速气流，将粉末加热，并以高速（超过音速约3倍）撞击到基材表面，形成涂层，通入氮气清理枪管，为下一次喷涂做准备。如此重复进行。图1为爆炸喷涂实验装置的示意图。
图1 爆炸喷涂实验装置示意图
爆炸喷涂与其它喷涂工艺相比有很多优点：1) 爆炸喷涂涂层结合强度高、致密、孔隙率低。喷涂时，由于粉末颗粒迅速被加热、加速，半熔粉末对基体的撞击力大，所以涂层结合强度高，喷涂陶瓷粉末可达70MPa，喷涂金属陶瓷粉末可达175MPa，涂层致密，孔隙率<2%；2) 工件热损伤小。爆炸喷涂是脉冲式喷涂，热气流对工件表面作用时间短，因而工件的温升不高于200℃，不会造成工件变形和组织变化；3) 涂层均匀、厚度易控制。爆炸喷涂每次喷涂形成的涂层厚度约为0.006mm，所以涂层的厚度均匀、易控制，工件加工余量小；4) 涂层硬度高、耐磨性好。涂层材料相同时，爆炸喷涂形成的涂层硬度更高、耐磨性更好，硬质合金涂层硬度可达1100HV；5) 爆炸喷涂可用微机控制，易于实现自动化。
但是爆炸喷涂也存在着一些缺点：1) 产生的噪音大（高达180dB），需要在专用的隔音间中进行，并由设在隔音室外的微机控制，喷涂时产生粉末飞散现象，使爆炸喷涂的使用受到一定的限制；2) 爆炸喷涂频率为2-10次／s，每次只能形成约φ25mmX0.006mm的涂层，效率较低；3) 爆炸喷涂的喷涂粉末从喷枪中喷出，只能以直线行进，所以喷涂受基材形状限制较大，对于形状复杂的工件很难喷涂。
2 爆炸喷涂涂层研究
爆炸喷涂因其涂层的质量高，受到了各行业广泛的认同和欢迎，国内外都做了大量的研究。现在，爆炸喷涂已在能源工业、汽车工业、纺织工业、钢铁工业及造纸行业等部门内得到了快速的发展和应用。它在许多材料上成功应用，其涂层材料的研究也得到了发展，较成功的涂层主要有耐磨涂层和热障涂层。
2.1 爆炸喷涂耐磨涂层
磨损是材料失效的三种主要形式之一，而且是避免不了的，每年因磨损造成的经济损失是非常惊人的。据资料统计，美国1981年因磨损造成的损失约1000亿美元。我国没有做过具体的统计，但我国材料的耐磨性与国外先进材料的耐磨性相比还有一定的差距，磨损带来的损失也是巨大的。最初只靠发展结构材料来提高材料的耐磨性能，但结构材料的发展已接近极限，不能满足更高的耐磨要求，喷涂技术的发展为解决材料的磨损问题带来了新的途径。自20世纪60年代末，各国都对耐磨涂层展开了研究。一方面，不断地发展新的喷涂技术，爆炸喷涂因其涂层结合强度高、致密度高、对工件无热影响性及涂层均匀、表面光洁度好等优点，成为高质量耐磨涂层主要的制造技术。另一方面，不断地开发新的涂层材料，目前常用的耐磨涂层主要有：碳化钨涂层、碳化铬涂层、氧化铝涂层、碳化钛涂层等。
（1）碳化钨涂层碳化钨是一种常用的耐磨涂层材料，具有较高的硬度和优异的耐磨粒磨损性能，其硬度仅次于金刚石。喷涂碳化钨时，由于温度较高，WC容易分解，使涂层的结合强度和致密度大大降低。随着复合工艺的发展，采用钴将碳化钨包覆起来，制成钴包碳化钨粉末。钴的包覆减小了碳化钨的氧化和分解，爆炸喷涂钴包碳化钨试验表明，涂层的主要组成相为WC、W和Co，只有极少量碳化钨发生分解产生W2C相。钴的温度较低，在高温下钴熔化，喷涂时增强了涂层与基体及涂层自身的结合强度，涂层的致密度增大，气孔率下降（<2%），而且提高了涂层的冲击韧度，降低了涂层的摩擦系数，提高了涂层的耐磨性。但是钴的含量过高，将使涂层的硬度和耐磨性能下降。常用的碳化钨涂层多是WC-12Co、WC-17Co和WC-25Co。不过碳化钨的抗氧化性较差，所以只适用于低温（<500℃）、非腐蚀性环境下耐磨、耐擦伤涂层。目前碳化钨涂层主要用于提高航空航天发动机叶片、主动齿轮及一些传动件和轴类等部件的耐磨性能。
（2）碳化铬涂层碳化铬呈灰白色、斜方晶系（菱面体），熔点为1895℃。常用的碳化铬粉末为Cr3C2-25NiCr复合粉末，是由75%的Cr3C2和25%的镍铬合金（80Ni-20Cr）复合而成的。碳化铬的硬度较高，在高温环境下具有较好的耐磨损、抗氧化及耐擦伤性能，常用于喷涂腐蚀性环境下耐高温磨损涂层（<900℃）。国内外都对这种涂层的制备工艺及涂层的性能做了全面的研究，并将其与等离子喷涂的碳化铬涂层的性能做出了比较，发现爆炸喷涂的碳化铬涂层比等离子喷涂的碳化铬涂层具有更少的缺陷、更高的结合强度和更好的耐高温磨损性能。但碳化铬的硬度很高，在实际使用中虽提高了涂层的耐磨性，却使摩擦副产生了严重的磨损。为了解决这个问题，龙彦辉等采用了向碳化铬涂层中加入润滑剂（CaF2）的办法。虽然降低涂层的硬度和结合强度，但同时也减小了涂层的摩擦系数，提高了涂层的塑性变形能力，从而降低了碳化铬和摩擦副的磨损量。由于碳化铬的耐磨耐腐蚀性能，其涂层在石油和化工工业中得到了广泛使用，如在油泵柱塞和化工阀芯喷涂碳化铬涂层，使其寿命提高了数倍。
（3）氧化铝涂层氧化铝在自然界中自然资源丰富，价格低廉，具有多方面的优良性能，是使用最广的高熔点氧化物材料。氧化铝呈白色，有多种同质异晶体，常见的有α-Al203和γ-Al203两种。α-Al203为六方结构，密度为3.95g／cm3，是各种同质异晶体中最稳定的结构，其稳定温度可达熔化温度。γ-Al203为立方结构晶型，密度为3.47／cm3，是低温形态的氧化铝结晶，在1200℃以上就开始单向转化为高温型α-Al203，并使体积收缩13%。喷涂中所使用的氧化铝粉末是用高纯氧化铝形成的α-Al203经熔炼粉碎后获得的。氧化铝在一定高温条件下具有优良的力学性能和化学性能，在1700-1800℃高温时具有较强的抗气体腐蚀作用（除了氟），在1900℃以下的强氧化性气氛或强还原性气氛中很稳定，氧化铝还有良好的耐磨损、电绝缘性能。由于氧化铝的优良性能，常用来制备高温下要求隔热、耐磨、绝缘的涂层。目前氧化铝涂层广泛应用于曲轴、凸轮轴等表面耐磨耐腐蚀涂层的制备。
2.2 爆炸喷涂热障涂层
航空航天业的迅速发展，对发动机性能提出了越来越高的要求，要求有较高的涡轮前温度。国外先进的发动机，在20世纪70年代涡轮前温度高达1600k以上，90年代达到1900k左右。过去为了解决这个难题，主要是靠发展高温合金，并在高温合金研究上取得了一定的成功。但高温合金的研制不仅困难很大，而且进展缓慢，靠发展高温合金的方法已满足不了发展的要求，所以需要利用在高温部件上喷涂热障涂层来降低基体合金温度。氧化锆涂层就是典型的热障涂层。
氧化锆的熔点较高，导热系数低，是较好的热障涂层材料。氧化锆具有两种主要的同质异晶体：低温型单斜晶和高温型四方晶。在高温下，这两种晶型会发生转变，并附带着体积突变，所以喷涂纯氧化锆会发生涂层开裂和剥落。为解决这个问题，常在氧化锆中加入适量的氧化钇（Y203）等氧化物，来稳定氧化锆，避免涂层的开裂和剥落。一般采用ZrO3-8Y2O3(部分稳定)和ZrO2-20Y2O3（稳定）等涂层。另外，氧化锆涂层和高温合金基体的热膨胀系数相差很大，高温工作时易产生较高的热应力，使涂层剥落，因此常将氧化锆涂层做成双层结构，在基体上先喷涂一层底层，然后再喷涂氧化锆涂层。
对于氧化锆涂层的制备，多年以来一直主要用等离子喷涂和电子束物理气相沉积。但是等离子喷涂制备的热障涂层，涂层呈层状结构，结合强度不高，喷涂过程基体温升较高，易使组织发生变化。而且涂层表面粗糙度大，涂层中含有气孔和未熔颗粒，易使涂层产生裂纹及降低热障性和耐高温腐蚀性。电子束物理气相沉积得到的涂层，工艺复杂，沉积率低，不易制备较厚的涂层。利用爆炸喷涂的氧化锆涂层均匀、致密度高、结合强度高，其硬度约为等离子喷涂层的两倍，抗高温氧化性更高。
3 爆炸喷涂的发展趋势
爆炸喷涂的高质量涂层已得到广泛的认可，但爆炸喷涂涂层仍然存在问题，涂层和基体的热膨胀系数不同，容易造成涂层的开裂和剥落。发展梯度涂层，虽然可使涂层之间及涂层和基体的膨胀系数差缩小，降低热膨胀产生的热应力，但难度挺大，发展十分缓慢。另外随着工业的发展，对涂层性能的要求越来越高，需要发展性能更高的涂层。
近年来，纳米技术得到飞速发展。纳米材料的前景是广阔的，但目前由于技术原因，除了少数几个方面（如烧结纳米结构WC-Co制造石油和钻探领域中的刀头），总的来说还处在纳米粉体的研究和制备阶段。喷涂技术为纳米材料的研究和应用提供了一个新的发展方向，其中爆炸喷涂尤为适合喷涂纳米材料。纳米微粒的熔点和晶化温度均比常规粉体低得多。采用等离子喷涂方法，容易使纳米微粒长大而失去纳米材料的特性。超音速喷涂虽然可保持微粒的纳米尺寸，涂层的结合强度和致密度与爆炸喷涂相当，但设备的投资大，且束流周沿的低速低温微粒的直径是爆炸喷涂的5-10倍，涂层性能均匀性不如爆炸喷涂，对工件造成的热损伤也比爆炸喷涂大。爆炸喷涂纳米粉末时，由于粉末尺寸较小，粉末颗粒更容易被加热到熔化状态，可以提高涂层与基体的结合强度，涂层的致密度也将大大提高。同时粉末颗粒撞击到工件表面时，将急剧冷却，避免了纳米颗粒的长大，保护了涂层的纳米特性。
许多试验表明，纳米材料与传统材料相比，纳米材料的力学性能可得到显著变化，材料的强度和硬度可得到成倍的提高。一般，纳米材料的硬度随着粒径的减小而增长。采用纳米微粒进行喷涂可以提高涂层的硬度和耐磨性，提高涂层的结合强度和致密度。试验证明，纳米结构涂层的耐磨性与传统粉末涂层相比提高了3-8倍。而且纳米微粒的热膨胀系数可调，可将不同热膨胀系数材料连接，降低涂层与基体的热膨胀系数的差距，是解决涂层开裂和剥落的一个新的方向。另外，纳米热障涂层导热系数远低于传统热障涂层，国外认为纳米热障涂层有可能把高压涡轮叶片的使用温度提高260℃，因此可以说纳米热障涂层将是热障涂层的发展趋势。
随着粉体技术、纳米技术和爆炸喷涂技术、设备的发展，爆炸喷涂的应用领域将逐渐拓宽。相信，不久爆炸喷涂纳米涂层将成为喷涂技术发展的主流，对我国的经济的发展发挥越来越重要的影响。
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