热喷涂技术的现状和发展
王 黎，徐焱慧
砖瓦
摘要：文章介绍了热喷涂工艺的特点,喷涂方法的种类及其技术以及热喷涂技术的应用概况,并对热喷涂技术的发展方向给予了展望。
关键词:热喷涂，涂层，热喷涂粉末
0 引言
砖瓦行业技术的飞速发展,对提高主要设备的金属材料性能,拓宽它的功能,延长设备中零部件的使用寿命提出了越来越高的要求。而当前又面临高性能结构材料成本逐年上升的问题,为同时解决这两个方面的问题,近年来金属表面工程发展很快,尤其是热喷涂技术获得了巨大的进展。热喷涂是一种用专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上,形成特制薄层,以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的新兴材料表面科学技术。[1, 2]由于采用热喷涂技术,可以使基体材料在耐磨性、耐蚀性和绝缘性等方面的性能得到改善。因此目前,包括航空、航天、原子能设备、电子等尖端技术在内的几乎所有领域内,热喷涂技术都得到了广泛的应用,并取得了良好的经济效益。[3]热喷涂成为金属表面科学领域中一个十分活跃的学科。
1 热喷涂工艺的特点
热喷涂技术从上世纪初开始出现到现在已有几十年的历史了,热喷涂工艺、设备、喷涂材料以及施工都有了突飞猛进的发展,从早期制备一般装饰性和防护性表面,发展到制备各种功能的功能性涂层;由旧件的修复工艺发展成新产品的强化工艺;由单一涂层发展到多层的包括产品失效分析、涂层设计、工艺设计和施工以及质量检测和控制在内的系统工程,成为像铸、锻、焊、热处理一样的、独立的热加工工艺。
热喷涂技术的基本特点是它具有真正的叠加效果。也就是说,多种成分及变量在同时作用和正在应用时所产生的效果,远远比这些成分或变量在单独状况下所产生的效果要大。[4]热喷涂技术与其他各种表面技术相比,有其自身的特点:a.几乎适用于各种材料对零件表面的喷涂,如金属、陶瓷、金属陶瓷、玻璃、有机化合物等。b.零件的尺寸大小及形状不受限制,均可以对其表面进行喷涂。c.被喷涂的零件表面受热的影响小,不易变形。d.工艺操作程序简单、效率高。e.被喷涂零件的材质广泛,可以是金属、陶瓷和其他非金属等。.f喷涂厚度较易控制。g.可赋予普通材料以特殊的表面性能。h.成本低,经济效益显著。
但是,作为一种表面处理技术,它也存在许多不足之处,比如涂层存在结合力较低、孔隙率较高、均匀性较差等问题。此外,对于较小的制品,喷涂效率较低,也很不经济。
2 热喷涂方法的种类及其技术
热喷涂是将喷涂材料加热熔化并雾化,然后高速喷射到基材表面,形成具有足够粘着强度的所需涂层的工艺,完成工件热喷涂的一般工艺流程为:工件的表面准备→工件的喷涂→工件的喷涂后处理。整个过程除与设备类型有关外,还涉及喷涂材料、热源和喷射速度。喷涂材料包括金属、陶瓷和塑料等。热源主要有氧燃料火焰、直流电弧等离子和激光等几种。粉粒的速度决定着热喷涂层的密度,粉粒速度越快,涂层越致密。基于这些因素,大体上可以把热喷涂方法分为火焰喷涂法、爆炸喷涂法、超音速喷涂法、电弧喷涂法,等离子喷涂法和激光喷涂法等。
2. 1 火焰喷涂法
火焰喷涂法是最早的一种喷涂方法,它利用氧和可燃性气体的燃烧火焰,把焊丝、焊棒或热喷涂粉末状的喷涂材料加热,使其在熔融或接近熔融的状态下喷向基体材料表面而形成涂层。火焰喷涂具有设备简单、工艺成熟、操作灵活、投资少、见效快等优点。采用火焰喷涂法技术,可以制备各种纯金属、合金、陶瓷及塑料等涂层,是目前喷涂技术中使用较广泛的一种工艺。
火焰喷涂法依涂层材料的外形又分为熔丝法、熔棒法和热喷涂粉末法三种类型。熔丝法应用能够形成丝材的各种金属和合金作为喷涂材料。熔棒法以陶瓷(氧化铝、氧化铬等)制成棒状作为喷涂材料,而那些不易制成丝材(铝锌合金、自熔合金等)的合金粉和低熔点的陶瓷粉,则以采用热喷涂粉末法为宜。
2. 2 爆炸喷涂法
爆炸喷涂法是一项技术难度较大、工艺性能较强的新技术,它利用氧和可燃性气体(乙炔等)的混合气体,经点火后在喷枪中形成爆炸高温(温度在3300℃以上),加热喷涂材料(微细热喷涂粉末),并利用爆炸波产生的高压,把喷涂材料高速地喷向基体表面而形成涂层。颗粒速度大,是爆炸喷涂区别于火焰喷涂的主要特点。爆炸喷涂的最大特点是涂层非常致密,气孔率很低(1% ~2% ),与零件基体金属结合性强,表面平整。可以喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷材料。尽管它具有很多优点,但仍因其设备价格高、噪音大,属氧化性气氛等原因,国内外使用还不广泛。[5]
2. 3 超音速火焰喷涂法
超音速火焰喷涂法又叫高速火焰(HVOF)热喷涂,是本世纪80年代才出现的一种高能喷涂方法。与一般火焰喷涂相比,在设备工艺必须提供足够高的气体压力,以产生高达5倍于音速的焰流(1830 m/s)。气体的消耗量也很大,所以需要庞大的供气系统,就氧气而言,通常是一般火焰喷涂的10倍。
HVOF技术成功的一个主要原因是在没有过分加热粒子的情况下就能极为有效地加速粒子活动。[6]超音速火焰喷涂设备产生的焰流速度可高达2400m/s。该工艺由于具有较高的冲击能量,所以涂层气孔率低(小于1% )、涂层表面较光滑、热喷涂粉末颗粒有高的喷涂速度(1020m/s)、较高的沉积率(27kg/h)。由于热喷涂粉末颗粒在高温中停留时间短,所以涂层中含氧化物量较低、化学成分和相的组成具有较强的稳定性,改善了颗粒的结合状态、涂层与基体表面的结合强度高,它可得到比爆炸喷涂层更厚的涂层,残余应力也得到改善。但它的中心温度不如等离子弧高。
2. 4 电弧喷涂法
电弧喷涂法是在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧,电弧产生的热使金属焊丝逐步熔化,熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面形成涂层。在电弧喷涂的过程中,雾化的颗粒速度最高可达180~335m/s,电弧最高温度可达5000℃。[5]它的优点是:喷涂效率高(相对其他喷涂工艺而言);质量易保证;其熔化喷涂的涂层结合强度高于一般火焰喷涂;能源利用率高(对等离子喷涂而言);设备投资低;对各种金属材料都能喷涂,大量地应用于防腐、耐磨等工程。目前,电弧喷涂法已经从一种粗糙的高喷涂率的技术演化为能以低成本生产具有高质量涂层的较为精密的手段。
2. 5 等离子喷涂法
等离子喷涂技术是继火焰喷涂、电弧喷涂之后大力发展起来的喷涂新技术,近几年在我国发展较快,应用也相当普遍。等离子喷涂是采用等离子喷枪产生的等离子喷流,把数微米至数十微米的金属陶瓷等单一或者混合热喷涂粉末加热和加速,在熔融或接近熔融的状态下喷向母体材料的表面而形成涂层。有以Ar、He、N2、H2等气体作为工作气体的气体等离子喷涂,还有把水分解成氧和氢而作为工作气体的平均等离子喷涂。
等离子喷涂产生的温度可达16000℃,喷流速度达300~400m/s,因而可喷制各种高熔点、耐磨、耐热的涂层。该涂层具有较高的结合强度,涂层特性好,尺寸也容易控制,尤其适合陶瓷材料的喷涂。[7]国内外已有数百种材料用等离子进行喷涂,所得的涂层具有抗蚀、抗氧化、耐磨损擦伤、助滑、助粘结、防辐射和绝热等功能。
等离子喷涂是热喷涂工艺中万能的工艺,这是因为其工艺温度最高,喷涂过程可以在不同的气氛和不同的压力下实现。目前已发展到空气、低压(或真空)、空压、惰性气体以及水下环境的应用,[8, 9]对环境的适应能力强是等离子喷涂的最大优点之一。等离子喷涂法主要有大功率等离子喷涂、低压(或真空)等离子喷涂和水稳等离子喷涂等几种方法。
2. 6 激光喷涂法
激光喷涂是近几年才出现的一种喷涂新工艺。它的原理是把焊丝顶端(或热喷涂粉末)用高能密度的激光束加热、熔融,再用喷出的高压气体使熔融部分粒子化,并喷向基体表面而形成涂层。喷涂环境的气氛可以选择在大气气氛下,也可在惰性气氛或真空状态下进行喷涂。激光喷涂的特点是:喷涂所获得的涂层结构与原始热喷涂粉末相同;可以喷涂大多数材料,范围从低熔点的涂层材料到超高熔点的涂层材料;涂层的气孔率即使在采用焊丝制备时,也比用等离子法喷涂热喷涂粉末时制备的涂层气孔率低。[3]
3 热喷涂技术的应用
由于热喷涂技术能延长零部件的使用寿命,可以节约大量的贵重材料和加工工时;它的设备投资少、效率高、操作简便;而且涂层具有各种特殊性能,所以它在国民经济中的各个领域中具有广泛的应用。
3. 1 在航空航天工业上的应用
在航天发动机上现已大量地采用了热喷涂涂层,以期解决磨损、风蚀、热保护和间隙调整等问题。例如,过去最早报道过的JT9D,就有600多处使用了热喷涂涂层。[10]目前,甚至有的新型发动机中, 1000~3000个部件均采用了热喷涂技术。
3. 2 在机械工业中的应用
由于在机械装备中应用的材料大多为钢材,所以做好防腐工程和提高机械零件的耐磨性能非常重要。实践证明,使用热喷涂技术可以收到很好的应用效果。[11]长江葛洲坝过船闸闸门、江苏淮安市三河闸闸门、山东德州地区官家闸闸门和北京三家店拱河闸闸门从1996年开始采用电弧火焰喷涂涂层防护,自此改变了每2~3年必须大修的状况,并节约60 d/次,增加通航船艘400~500只/年,至今仍使用正常。胜利油田将其大型贮油罐(表面积800 m2)的表面喷涂Al涂层,获得了较好的对海洋及大气的防腐蚀效果。海南上坡糖厂采用火焰喷涂技术在其压缩榨辘轴轴颈上喷涂耐磨层,修复尺寸,每根节省2000多元,效益显著。
上海喷涂机械厂用等离子喷涂对机床进行维修,使机床寿命提高了1~2倍。
3. 3 在生物医学工程上的应用
热喷涂在生物医学工程方面的应用已逐渐成熟,如在钛合金(TC4)人工关节(髋关节、膝、肩关节及骨盆等)表面上喷涂陶瓷涂层,既解决了金属材料在人体生物液中易产生腐蚀的问题,亦解决了陶瓷材料在单独成型时易产生的脆弱问题。热喷涂使陶瓷与关节金属之间具有一定的结合强度,使表面具有耐磨性好、化学性稳定、生物相容性好、有利于骨质细胞的长入,同时也改变了传统手术中采用骨水泥来固定的情况,现已为全国各大医院使用。
4 热喷涂技术的发展方向
4. 1 开发新型喷涂设备和喷涂材料
目前,热喷涂技术正在发展中,还有许多亟待解决的问题。然而这些问题的解决大都紧紧围绕着提高涂层质量这一首要要求,即主要提高涂层的结合强度和致密度,开发多种热喷涂新设备和新材料。
4. 2 加强热喷涂系统工程的研究
从未来的发展趋势看,热喷涂系统工程的研究将越来越受到人们的重视。目前许多国家都加强了对热喷涂系统工程的研究,即从失效分析入手,通过对表面预处理,喷涂设备、喷涂材料及喷涂工艺的优化,制定出热喷涂实施工艺计划。[2]
4. 3 重视热喷涂技术的理论研究
热喷涂技术是一个涉及多学科,诸如金属学、陶瓷学、高分子科学、表面物理学、表面化学、流体力学、传热学、等离子物理学等学科的边缘科学,又是一项适用性很强的基础工艺。它受高温、高速、非均匀性等多参数影响的高温动态过程影响,影响因素多而复杂。因此,给热喷涂技术基础理论的研究带来了很大困难。
针对这种情况,各国十分重视热喷涂技术的理论研究。目前,对热喷涂技术的研究正从实验性工艺技术向着有坚实理论的基础工艺发展。例如,以现代物理化学概念和该过程的热物理为基础建立了等离子喷涂时材料相互接触作用和涂层形成理论。当然,这些理论无论从深度上还是系统性上都是远远不够的。
4. 4 开发热喷涂技术应用的新领域
热喷涂技术与其他学科相互交叉渗透形成了新的表面处理工艺,例如,热喷涂与热处理工艺的结合出现了炉内烧结重熔和高频感应重熔涂渗工艺;与电镀工艺的结合产生镀涂工艺和涂镀工艺;与铸造工艺结合出现了烧结喷熔和电火花烧结工艺等。采用新的能源,出现了激光重溶和电子束重熔等。[3]由此可见,热喷涂技术应用的新领域有待于进一步进行探索和开发。
4. 5 大力推进计算机在热喷涂工艺中的应用
目前。热喷涂技术基本上还处于工艺性的阶段,涂层质量主要依靠经验和严格的规程来保证。但是这种状况由于计算机技术的应用,正在迅速的改变着热喷涂技术的面貌。预测在未来的10年里,在热喷涂材料和工艺继续发展的同时,热喷涂设备和工艺将普遍实现自动化操作,小型计算机的自动化设备将普遍得到应用,并出现许多大型的计算机集中控制和机器人操作的无人化热喷涂车间及自动化生产线。在热喷涂过程的动态测量和控制,涂层质量的动态无损检测技术和热喷涂基础理论的研究等方面,都可能出现重大的突破,这个突破的实现将使热喷涂技术发生质的飞跃,使这种工艺性的技术发展成为比较成熟的基础工艺科学。
参考文献略
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