先进热喷涂材料的选择及应用研究
牛振兴，解念锁
机械与电子
摘要：热喷涂技术的核心是优质、高效、低消耗的表面改性, 涂层材料的创新是获得高质量涂层的关键。文章分析了热喷涂涂层材料选择应该遵守的原则; 论述了先进热喷涂材料在航空航天工业、机械工业等领域的应用新进展。
关键词：热喷涂材料http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/repentu/20120914/1347588345484.html; 选择原则; 应用领域
1.引言
随着高新技术的应用, 工业生产技术水平不断提高, 高速、高效、高质的运行模式已成为人们日益追求的目标, 对机械零部件的综合性能要求越来越高。众所周知, 材料表面工程技术对于新兴工业发展的贡献是巨大的, 因为任何工业的发展都会对材料提出新的要求, 而这些要求往往可以通过表面处理来实现。热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态, 并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法, 赋予基体表面特殊功能。热喷涂技术的核心是优质、高效、低消耗的表面改性, 达到赋予基体材料表面特殊功能及新的应用。热喷涂技术的发展主要是新技术的发现、材料的创新、涂层质量控制软件体系、涂层制备基础理论研究和检测技术等诸方面。随着工业技术的发展, 人们对零部件的表面性能要求越来越高,这些都促进了热喷涂技术的发展。目前, 能源工业愈来愈受到重视, 表面工程技术对能源工业的贡献具有重要的经济意义, 提高材料的综合应用、改善材料的表面性能已成为广大科技工作者密切关注的课题[1]。
大部分机件的损坏发自表面, 应用表面热喷涂技术进行修复特别受到重视, 修复会使部分废旧机件再生, 节材效果是显然的。因此, 加强先进热喷涂材料的研究, 优化先进热喷涂材料的选择及应用, 在使零件、构件的表面延缓腐蚀、减少磨损、延长疲劳寿命[2], 对于节约材料、节约能源、促进绿色制造技术的应用和发展[3], 以及在在制备先进功能涂层等方面具有重要的现实意义。
2.热喷涂材料的选择原则
热喷涂技术的发展是建立在热喷涂材料和热喷涂设备共同发展的基础上。热喷涂材料作为涂层的原始材料, 在很大程度上决定了涂层的物理和化学性能。只有对涂层材料有比较完整、系统、全面、深刻的认识和理解, 才能优选出合适的涂层材料种类, 满足热喷涂工艺和涂层使用功能的要求, 真正做到合理选材[1][4]。热喷涂涂层材料的选择原则, 首先必须满足功能要求, 要依据使用工况条件或设计的涂层性能指标参数, 选择涂层材料的功能, 如耐高温、耐磨、耐蚀、自润滑、绝缘、耐热震、热辐射涂层材料等。二是要满足热喷涂工艺的需要[1]。热喷涂材料与基体材料应有良好的性能匹配关系, 对基体材料具有良好的润湿能力, 与基体材料有比较接近的热物理性能, 如热膨胀系数、热导率等, 与基体材料有合理的电化学性能组合等; 粉末状热喷涂涂层材料的流动性、粒度和粒度分布应满足特定热喷涂工艺的要求, 保证粉末的干燥、清洁; 热喷涂用线材必须保证线径均匀, 表面光洁, 无油污,要综合考虑线材的直径、表面质量, 粉末的粒度、流动性、松装密度等;热喷涂材料在高温火焰流中具有良好的热稳定性或化学稳定性, 不会发生氧化、挥发而变质, 不会发生有害的晶型转变。三是涂层材料的生产方法、材料的价格、材料的毒性、材料对环境的影响评价等。热喷涂材料的毒性、易燃性、爆炸性等必须符合安全卫生和环境保护的要求;热喷涂材料不会与基体材料发生有害的化学反应。对于高硅铸铁、硅钢等基体材料, 由于其表面形成一层致密的 Si02薄膜, 如果喷涂碱性氧化物陶瓷如 MgO·Al2O3, 就会发生有害的化学反应; 同样的道理, 在碱性玻璃基体表面上就不能喷涂酸性氧化物类陶瓷涂层。从经济性考虑, 在喷涂原材料成本差别不大的条件下, 在所有热喷涂工艺中, 电弧喷涂的相对工艺成本最低, 且该工艺具有喷涂效率高、涂层与基体结合强度较高、适合现场施工等特点, 应尽可能选用电弧喷涂工艺。四是要结合喷涂材料类型[1]。喷涂材料类型为喷涂陶瓷材料, 特别是氧化物陶瓷材料或熔点超过 3000℃的碳化物、氮化物陶瓷材料时, 应选择等离子喷涂工艺; 喷涂材料类型为喷涂碳化物涂层, 特别是 WC- C0、Cr3C2- NiCr 类碳化物涂层, 可选用高速火焰喷涂工艺[2], 涂层可获得良好的综合性能; 喷涂材料类型为喷涂生物涂层时, 宜选用可控气氛或低压等离子喷涂工艺[4]; 喷涂材料类型为喷涂金属或合金材料, 可优先选择电弧喷涂工艺。
3.先进热喷涂材料的应用新进展
高科技的发展对机件质量的要求越来越高, 要求具有高耐磨、高耐蚀、抗高温及各种特殊功能, 而常规的表面涂层材料不能满足要求;机器的微型化, 使零件的表面问题更加复杂。随热喷涂技术的发展, 新的涂层材料、新喷涂工艺技术和新的应用领域不断地涌现。涂层质量很大程度上依赖于喷射熔滴的速度, 提高热喷涂射流和喷涂粒子的速度已成为当前国际热喷涂技术发展的新趋势, 相继出现了爆炸喷涂、高速活性燃气火焰喷涂(HVAF)、高速电弧喷涂、活性电弧喷涂、高速等离子喷涂、三阴极内送粉等离子喷涂、溶液等离子喷涂(SPS)、冷气动力喷涂(CGDS)等新技术, 这些新技术促进了新材料的发展, 为先进热喷涂材料的应用开辟了新的领域。一是新型热障涂层材料在航空航天领域的应用。高速燃气喷涂或低压等离子喷涂 MCrAlY 结合底层, 等离子喷涂 Y203/ZrO2工作涂层,从而获得双层涂层。涂层总厚度≥O.3mm, 具有良好的抗热冲击性能。航天工业中首先遇到的问题是高热源、高焰流和超高温, 这对材料提出了十分苛刻的要求。不仅要承受 2000- 3300℃的高温, 还要同时经受巨大的热焰流的冲击。飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿, 由于其具有几十倍的音速, 与大气层摩擦, 将产生巨大热量, 使头部发表面温度高达 4000- 5000℃以上。对于如此高的温度, 只能依靠各种形式的隔热涂层、防火涂层和烧蚀涂层。隔热防火涂层是热导率低的氧化物,如氧化铝、氧化锆、氧化钍等, 这些涂层保护基体金属具有足够的强韧性。这类涂层已在航空发动机、火箭和导弹喷管、推力室、发射台以及宇宙飞船和洲际导弹的头部仅有隔热涂层还解决不了问题, 因此, 又研究了烧蚀涂层。二是多种复合工艺技术已联合使用, 形成高性能梯度功能材料涂层。梯度功能材料是指沿着某一方向其物理、化学、生物、力学等单一或复合性能发生连续变化, 以适应不同环境, 实现某种特殊功能的先进材料[5]。梯度复合涂层可以取代铜及其合金制作炼钢用氧枪喷头、连铸机的结晶器、电阻焊电极和电触头等材料, 以提高构件的使用寿命[6]。采用高速火焰喷涂或爆炸喷涂技术, 涂层厚度≥O.5mm, 由于 Al2O3弥散在高温合金 MCrALYTa 中, 涂层具备十分优异的耐高温氧化和高温磨损性能。使用寿命达国外同类产品性能指标。高速火焰喷涂制备结合底层, 有效地控制结合层的含氧量, 等离子喷涂制备工作面层; 等离子喷涂或火焰喷涂预置涂层, 激光照射重熔制备完全致密的陶瓷涂层, 达到改变涂层组织性能的目的。
三是纳米涂层(纳米先驱溶液、纳米团聚体粉末)材料的应用。近年来, 随着纳米技术的发展与应用, 纳米 Y203/ZrO2涂层已开始在航空发动机导向叶片上应用, 实验室抗热震性能由常规涂层的几十次提高到数百次, 具有十分良好的应用前景。
参考文献略
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