热喷涂系列综述之一:等离子喷涂
何洪泉,王峰,张兰
山东陶瓷
摘要:热喷涂技术是随着现代航空、航天技术的发展而发展起来的。由于涂层特别是陶瓷涂层具有耐磨、抗蚀、抗热冲击等优异性能,已广泛应用于航空、航天、军事、纺织、机械、电力、化工、生物工程等各个领域,是一项具有广阔应用前景的技术。本文简要概述了热喷涂技术,重点介绍等离子喷涂技术以及现状。
关键词:热喷涂;等离子喷涂;表面工程
1 热喷涂概述
表面技术是材料科学领域中的关键技术之一。热喷涂技术又是表面工程学的重要组成部分,它是一种材料表面强化和表面改性的技术,可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。热喷涂技术是采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧作为热源,将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态,并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。热喷涂技术主要用于对缺损部件的修复、高温、耐磨等部件的预保护、功能涂层的制备等,可使工件获得所需要的尺寸和性能。热喷涂技术是随着现代航空、航天技术的出现而发展起来的,研究和应用结果表明,热喷涂技术制备的纳米结构涂层性能优良,具有良好的应用前景。如美国海军已将热喷涂Al2O3-TiO2纳米涂层作为新型耐磨涂层应用于船舶和舰艇。纳米氧化锆热障涂层和纳米氧化铬耐磨抗腐蚀等陶瓷涂层正在研究中。热喷涂的工艺方法有很多种,其中应用较广泛的方法有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂(APS)、爆炸喷涂,近年来又发展了超音速喷涂(HVOF)技术。下面仅对等离子喷涂做一综述。
2 等离子喷涂
等离子体是一个广义的概念。自然界除了固、液、气3种物质形态外,还存在物质的第4态—等离子体。当气体电离度大于0·1%时,正离子和电子数量增多且相等,其空间电荷为零,呈中性状态。处于这种状态下的气体称为等离子体。等离子喷涂技术中所叙述的等离子体是指气体经过压缩电弧后形成的高温等离子体,亦称热等离子体。电弧有两种形态。一是自由电弧;一是压缩电弧。所谓等离子弧则是指压缩电弧。等离子弧与自由电弧的区别如表1所示[1]。
等离子喷涂是利用等离子火焰来加热熔化喷涂粉末使之形成涂层的。等离子喷涂工作气体常用Ar或N2,再加入5%~10%的H2,气体进入电极腔的弧状区后,被电弧加热离解形成等离子体,其中心温度高达15000K以上,经孔道高压压缩后呈高速等离子射流喷出。喷涂粉末被送粉气载入等离子焰流,很快呈熔化或半熔化状态,并高速喷打在经过粗化的洁净零件表面产生塑性变形,粘附在零件表面。各熔滴之间依靠塑性变形而相互钩接,从而获得结合良好的层状致密涂层。等离子喷涂是热喷涂技术最重要的一项工艺技术和方法。目前热喷涂粉末材料几乎都可以通过此法制备成涂层。等离子喷涂正在应用的有大气等离子喷涂、可控气氛等离子喷涂和液体稳定等离子喷涂方法,处于研究状态的有脉冲、射频感应耦合等几种等离子喷涂方法[3],反应等离子喷涂、用三阴极枪等离子喷枪喷涂及微等离子喷涂。
2·1 等离子喷涂的基本原理
等离子喷涂基本原理如图1所示。它是将非金属(或金属)粉末送入刚性非转移型等离子弧焰流中加热到熔化状态,并伴随等离子焰流高速喷射并沉积到预先经过处理过的工件表面上,从而形成一种具有特殊性能的涂层。
2·2 等离子喷涂的特点
(1)可以获得各项性能的涂层:由于等离子喷涂火焰温度和速度极高,几乎可以熔化并喷涂任何材料,形成的涂层结合强度较高,孔隙率低且喷涂效率高、使用范围广等很多优点,故在航空、冶金、机械、机车车辆等方面得到广泛的应用,在热喷涂技术中等离子喷涂占据着最重要的地位[2]。
(2)涂层平整光滑,可精确控制厚度。
(3)涂层孔隙率低,结合度高,涂层孔隙率可控制在1%~10%,结合强度可达60~70N/mm2。
(4)涂层氧化物和杂质含量少,与电镀、电刷、渗碳、渗氮相比,等离子喷涂层更厚、更硬、更具防腐效果。
(5)喷涂过程对基体的热影响小,基体组织不会发生变化:工件受热温度可控制低于250℃,因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金属材料上喷涂。
2·3 等离子喷涂的分类
等离子喷涂的主要类型如下:
2·3·1 大气等离子喷涂
大气等离子喷涂是用氩气、氮气、氢气作为离子气,经电离产生等离子高温射流,将输入的材料熔化或熔融喷射到工作表面形成涂层的方法。主要用于制备金属陶瓷、金属和陶瓷涂层。在此种喷涂方法的装置上,对喷涂枪和电流进行改进而发展了超音速等离子喷涂,它的等离子焰流能量密度更高、焰流速度更快,提高了涂层质量。等离子喷涂的涂层质量不仅取决于喷涂设备和喷涂材料的质量,更重要的是取决于所采用的喷涂工艺合理选择等离子喷涂工艺是确保涂层质量的重要措施之一。
2·3·2 可控气氛等离子喷涂
等离子喷枪置于密封舱室内,由机械手进行操作。将舱室抽至真空状态即为真空等离子喷涂(VPS),舱室为低压状态时称为低压真空等离子喷涂(LPPS),舱室的气氛也可以为惰性气氛或其它保护气氛。这种工艺特点由于低压或气氛可控,等离子焰流加长,粒子加热更充分,氧化减少,涂层的质量可以得到明显改善,并且扩大了热喷涂在沉积金刚石膜、超导体氧化物涂层方面的应用。
2·3·3 液稳等离子喷涂
该种方法喷枪采用水、乙醇、甲醇作为稳定液体,相应的产生氧化、中性或还原性的等离子体水稳等离子喷涂由于其功率大、成本低、喷涂速度高等优点已被广泛采用。气稳等离子喷涂(非转移弧)所能提供的温度通常为8000℃~14000℃,每公斤等离子气所产生的焓值大体为1~100MJ/kg。由于弧室壁的热载荷的限制,提供再高的温度或更大的热焓值将非常困难。水稳等离子弧则靠室壁蒸发而形成的,从而能够提供更高的温度及热焓。迄今,市场上可提供的水稳等离子喷涂设备,其功率可达120~200kW,最大温度可达50000℃,每小时可喷涂近100kg金属,30~60kg陶瓷粉[4]。由于这种喷涂方法的功率很大,所以特别适合喷涂高熔点的陶瓷材料。水稳等离子技术现已投入大规模的产业化生产,在美国、日本法国、德国、捷克和俄罗斯都得到了广泛的应用在我国,太原钢厂首先引进了一台水稳等离子喷涂系统,多年的生产实践证明了该水稳等离子设备的先进性和高效性。
2·3·4 反应等离子喷涂
反应等离子喷涂工艺是一种独特的利用等离子体的化学过程制造复合材料、陶瓷、金属间化合物等材料的涂层方法,如TiAl、Ti-TiC、Ti-TiN,Mo-MoSi2,MoSi2-SiC等。其工艺过程是:在热等离子源中,反应物(粉末状颗粒)和反应气体进入等离子焰流中,并在喷射向基体的过程中,颗粒表面形成化合物,到达工件表面和其它材料的颗粒产生化学反应形成涂层。尽管在等离子焰流中,反应物停留时间短,温度梯度大,但在反应喷涂期间用气体和固体可以合成碳化物、硼化物以及氧化物,使产品的质量和均匀性都能达到冶金方法的水平。已证实用该种方法能合成难熔金属碳化物、硼化物和氧化物,尺寸为0·005~0·5μm的微小颗粒的固体薄膜[5]。反应等离子喷涂工艺采用的气体有甲烷、丙烯、氮气、氧气、硅烷或硼烷。这种方法的研究刚刚开始,不久将用于生产。
2·4 等离子喷涂工艺选择
不管哪种喷涂方法都要进行复杂的工艺设计。首先要进行喷涂前的基体表面处理。实际中根据不同要求采用不同的表面处理方法。基体表面预处理方法种类见表2。
其次要进行喷涂粉末的选择。应根据被喷涂基体表面的工作条件和技术要求的不同,选择与其要求相适应的具有耐磨、耐高温、耐腐蚀、导电、绝缘、绝热和抗辐射等不同性能的粉末材料。所选择的粉末的热膨胀系数要尽可能与基体相近,同时所选的粉末流动性要好、球形好、粒度分布均匀。为了保证涂层质量还要进行工艺参数的选择,包括:工作气体、工作气体流量、送粉气体(一般用价格便宜的普氮)、送粉气体流量。此外电参数的选择也很重要,包括:功率选择(一般为30kW~60kW)、电压与电流、喷涂距离、喷涂角度、喷枪移动速度、工件温度和涂层应力控制等。最后要进行涂层后处理。等离子涂层主要有机械结合和冶金结合两种,以机械结合为主,涂层较致密,内应力也很大,因此涂层后加工一般采用磨削加工为主。这是因为磨削加工对涂层产生的应力要远小于车削加工。表3列出了等离子涂层各种材料的磨削参数[6]。
3 等离子喷涂现状
由于等离子喷涂几乎可喷涂各种材料,且工艺较简单,涂层与基体结合良好,故得到了广泛应用,可喷涂产品如:柱塞泵、阀门平板、密封耐磨件、轴类磨损件、活塞、气缸等其他防腐配件。另外等离子喷涂硅灰石涂层、硅酸二钙涂层以及W7T3、W3Z7、W7Z3 3种复合涂层都具有良好的生物活性,且与钛合金基体有较高的结合强度,是较有应用前途的骨替换候选材料[7]。
但喷涂工艺相关大量参数的控制较为复杂,成为等离子喷涂获得优质涂层的主要障碍。另外,还要对等离子喷涂的陶瓷涂层进行封孔处理[8]。过去研究的主要方面之一是提高喷枪性能,包括对电极烧蚀以及由流体动力性能和电弧性能引起的等离子射流不稳定性的研究。现在通过对湍流等离子射流的模型分析后认为,射流是由相互作用着的运动方向相反的冷热两部分流体组成的双流体系统。由于实验中观察到的等离子射流具有波动现象,故对等离子射流中温度场和速度场分布的实验数据和理论分析的比较还有一定困难。
目前研究的另一方向是研究涂层形成的过程,包括涂层间的结合、涂层与基体的结合、气孔率及未融粒子的控制等。这些研究的最终目标是为等离子喷涂的全过程控制及自动化奠定基础。
4 结语
等离子喷涂工艺的出现,推动了热喷涂技术的飞跃。但不得否认,HVOF(超音速喷涂)问世以来,它的传统优势正面临挑战。一个明显的问题是,过程的高温会使一些材料发生相变、分解或C、B等元素的损失,影响涂层性能,从而使一些重要的喷涂材料,如WC-Co和NiCr-Cr3C2等,正在成为HVOF最佳的选取对象,涉及到一些涂层的重要性能方面,如涂层的结合强度、内聚强度和致密度等,等离子喷涂已渐渐让位于HVOF工艺但就目前技术水平而言,等离子喷涂在实用上依然占据着热喷涂工艺中的重要地位。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
