热喷涂技术的现状和发展
周长华，张孝彬
材料科学与工程
摘要：本文综述了国内外热喷涂的发展历史、现状及其应用,并讨论了该领域中当前研究的热点问题。
关键词：热喷涂,发展状况,表面改性
一、概 论
热喷涂是为了改善基体材料的表面性质,利用某种热源把喷涂材料加热,并高速喷向基体材料表面,而形成各种所需的涂层的一种技术[1,2]。
热喷涂技术最早出现在本世纪初,是由瑞士人Scheep博士发明的。迄今已有80年历史。在这80多年历史中,尤其是自80年代至90年代,热喷涂技术得到了飞跃性的发展和推广应用[3]。突出表现在新型喷型喷涂热源如激光及电子束等热源的研制成功和应用[4],喷涂设备的计算机控制、高速氧燃料(HVOF)喷涂、热喷涂的喷水拆卸等技术使得热喷涂涂层向着高质量和精密化方向发展[5,6]。
二、常用喷涂方法的特点和应用范围
1 火焰喷涂
火焰喷涂是最早得到应用的一种喷涂方法[2]。它利用气体燃烧发出的热量进行喷涂。火焰喷涂具有设备简单,操作容易,工艺成熟,投资少等优点。但是火焰喷涂层组织为层状结构,含较多的氧化物和气孔,而且混有变形不充分的颗粒,使得涂层结合不够致密。而且火焰温度一般为3000℃,使得火焰喷涂只适用于低熔点的金属。
火焰喷涂主要用于机械零件、化工容器和辊筒表面制备耐蚀和耐磨涂层。
2 电弧喷涂
电弧喷涂是在两电极间施加一定电压产生电弧,用电弧产生的热量使金属焊丝熔化,熔化的熔滴在压缩空气的作用下喷向基体形成涂层。电弧喷涂涂层也是层状组织[2],但由于电弧能量密度高,熔化粒子加热温度高,粒子变形量足够大,所以涂层的结合强度高于火粉喷涂;但是电弧的高温使得合金元素的烧损和蒸发严重,导致涂层中的合金元素减少,影响了涂层的质量。近来由于药芯焊丝的使用使得这一情况得以解决[9],另外电弧喷涂的材料必须是导电的材料[7,8],因此只适用于喷涂金属及合金,而对陶瓷材料就无能为力。
3 等离子喷涂
等离子喷涂[3]是继火焰喷涂、电弧喷涂之后发展起来的一种新的喷涂技术,从等离子喷涂方法问世,至今有的30多年的历史,但工业应用则始于70年代。
等离子喷涂采用喷枪产生的等离子流将粉末加热和加速,在熔融或接近熔融的状态下喷向母材表面形成涂层。等离子弧产生的温度高达16000℃,喷流速度达300～400m/s,因而可以喷涂各种高熔点、耐磨、耐热涂层。用该法制备的涂层有较高的结合强度,气孔及夹杂少,因而涂层特性好,尺寸也易于控制,更适合于陶瓷材料的喷涂。选用惰性气体作介质[8,9],减少了粒子飞行过程中的氧化,因此等离子喷涂广泛应用于耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温涂层的制备。
三、新型喷涂方法
1 爆炸喷涂
爆炸喷涂[1,4]利用氧和可燃性气体的混合气,经电火花点燃,在喷枪中形成爆炸高温,加热喷涂材料,并利用爆炸波产生的高压把喷涂材料高速喷向基体表面而形成涂层。颗粒速度大,可达2,500ft/s,并产生冲击波。它使涂层更加致密、气孔率更底,而且冲击波的作用有利于残余应力的释放从而得到了高结合强度、高硬度、抗磨损的涂层。
2 高速氧燃料喷涂(HVOF)
HVOF产生于80年代[2,10]。燃料气和氧气在混合室内混合后送入燃烧室中并将其中压力调节到合适的程度,气体燃烧后的火焰可达大约4倍音速。此后,惰性气体将粉末送入燃烧室,以同样的高速喷向基体材料。HVOF喷涂涂层致密且表面光滑、孔隙率低、化学分解少、氧化物含量少,因而涂层具有很高度质量。超音速喷涂适合喷涂金属粉、合金粉、混合粉以及炭化物粉,特别适合于金属合金及粘结相的炭化物粉。
3 激光喷涂
采用激光作为热源进行喷涂[10,11],以及对涂层进行重熔处理,是新近发展的新技术。由于激光的能量密度极高,加热时间很短,因而熔池很薄,熔池内外存在着很大的温度梯度,一旦光束扫过以后,熔池靠自激迅速冷凝,可获得高达105～106k/s的冷却速度,使得组织充分细化,甚至出现非晶,使得涂层性能发生了很大变化,其耐磨、耐蚀、导电、导热、抗氧化、抗疲劳等性能都得到了很大的改善。目前激光喷涂主要用于航空航天部门。
总之当前热喷涂方法向着高能高速的方向发展,现将几种主要热喷涂方法列表比较如表1。
四、当前热喷涂技术需要解决的主要问题
1 进一步提高涂层质量
用各种方法制得的涂层,与整体材料相比虽然有不少优点,但往往与基体材料结合较差,改善涂层性能、特别是涂层与基体的结合强度的主要措施有以下几种:
(1)开发新的涂层材料[6,12,13]。例如美国用BC52、BC51取代MCrA1Y可以改善涂层剥落现象;我国洛阳工学院田保红等人在喷涂材料中添加微量的稀土元素不仅使基体强韧化改善了熔敷层组织致密性,同时也改善了涂层的耐磨性。稀土资源在我国含量丰富,有着广阔的应用前景。
(2)利用梯度涂层代替传统的涂层[14]。涂层剥落很大一部分是由于基体和涂层热膨胀系数差别太大,导致两种材料结合界面热应力太大,造成涂层剥落或开裂。因此日本科技研究所和日本东北大学共同提出了“梯度功能材料”的概念旨在通过两种材料之间组成连续过渡,消除两种材料直接结合引起的性质突变,从而缓和了热应力。
日本东北大学利用等离子喷涂技术喷涂ZrO2/8Y2O3陶瓷粉末和Ni-Cr-A1-Y合金粉末,形成二层或三层涂层,明显提高了涂层的耐热疲劳性。我国武汉交通科技大学[15]利用单片机应用系统控制输送,等离子喷涂制备了ZrO2隔热涂层,很好的实现了成分连续过渡。
2 改进喷涂设备和材料,降低喷涂成本
热喷涂成本的高低直接影响着其推广应用[7]。一方面喷涂材料成本很高,另一方面材料利用率很低。以等离子喷涂为例,其沉积率只有50%,甚至更低;另外喷涂设备造价很高,特别是高能喷涂设备,而且目前喷涂的热利用率也不高,在等离子喷涂中只有3%～5%用于融化涂层材料。
这表明:研制适当的喷涂设备提高热利用率,或用常规设备代替高能设备,以及开发低成本工艺条件下的优质涂层材料有着重要意义。在这方面中国科学院金属研究所[6]利用超声雾法化制备了一种快凝Ni-Mo-Cr-B合金微晶粉末,使用常规的等离子喷涂法即可将该粉末沉积在金属基体上并形成非晶;浙江大学铸工研究所[17]利用微束等离子弧部分代替了激光,获得了非晶涂层,非晶态与晶态相比在电学、磁学、电化学和力学性能等方面有着较大的优越性,因此,非晶的获得大大提高了材料的耐磨和耐腐蚀性。
3 利用数模预测涂层性能
虽然发表了不少对于涂层设计以及热喷工艺的选择和改进有指导意义的理论性研究,但由于影响热喷涂涂层质量的因素很多,目前热喷涂技术还处于工艺性阶段,大部分研究是基于实验的。由于影响涂层质量的因素很多,在实验中不可能全部包括,即使忽略一些次要因素,其工作量也大得惊人,而且会耗费大量实验器材。因此建立适当的数模,预测涂层性能,优化工艺参数对于指导实验和生产实践有着重要意义。
由于目前涂层材料的许多物性参数的数据库尚未建立,国内外这方面大部分计算仅限于温度场和流场的分析。近来俄罗斯科学院等离子喷涂实验室[16]建立了等离子喷涂气孔的预测模型,获得了较好的效果;国内武汉工大沈强等人测定了不同配比复合材料的物性参数利用有限元对材料残余应力和工作应力进行了计算并优化取得了满意的结果。
4 提高标准化和可靠程度
目前各种热喷涂设备还缺少统一的工业标准[5],涂层材料的标准也少而且不统一,对涂层质量的评估分析方法也不标准,这使得实验结果带有很大的主观性,所有这些都影响着实验结果的可靠性和重现性,直接影响了热喷涂技术的推广和交流。
5 推广计算机在热喷涂技术中的应用
计算机除了在数值模拟方面可以对热喷涂过程进行离线仿真外,还可以用于对热喷涂的工艺参数进行在线动态调整,提高工艺参数的控制精度,从而提高涂层质量。目前国外已有了不少程序控制的等离子喷涂设备以及机械手[3,8],并已逐步商业化;国内这方面的研究始终得到了国家的重视,一直是“七五”、“八五”计划的重点项目。
五、结束语
随着新型喷涂设备和喷涂材料的开发,涂层机理的进一步研究,各种规范标准的制定以及计算机技术的不断推广应用,热喷涂技术将不断的完善和提高,其应用范围也将不断扩大。
参考文献略
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