热喷涂技术及陶瓷涂层
程正勇,程正翠,李江苏,许太吕
热处理
摘 要:本文介绍了热喷涂技术及其最新发展情况,重点介绍了在金属表面陶瓷涂敷方面的应用。
关键词:热喷涂;陶瓷;涂层
1 热喷涂技术概述
表面技术是材料科学领域的关键技术之一,而热喷涂技术是表面工程学的重要组成部分,它是一种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。
热喷涂的工艺方法有很多种(如图1),其中应用较广泛的方法有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂,近年来又发展了超音速喷涂(HVOF)技术。
表1给出了这几种热喷涂方法的典型特征参数。图2给出了这几种热喷涂的原理简图。火焰喷涂是通过火焰喷枪实现的,喷枪通过气阀分别引入乙炔、氧气或压缩空气,乙炔和氧气混合后在喷嘴出口处产生燃烧火焰,引入的粉状或棒状涂材在火焰中被加热熔化后,在焰流的作用下形成雾状小液滴被喷射到基体表面,从而形成涂层,(如图2(a)所示)。
电弧喷涂所用的涂材为两股线状材料,该线状材料由送丝轮自动导入,当在两线状材料之间通过大电流时将产生电弧,线状材料在电弧的高温作用下迅速熔化,并由压缩空气作用成小液滴被喷射到基体表面形成涂层,如图2(b)所示。
等离子喷涂适用于粉状涂材,等离子喷枪将电能转化为热能,产生高温高速的等离子焰流,其等离子焰流温度可高达50000℃,能将所有基质的喷涂材料熔化并沉积到基体表面,见图2(c)。
爆炸喷涂是利用可燃性气体与氧气混合物点火爆炸提供的能量,将粉体喷射到基体表面而形成涂层,示于图2(d)。
超音速火焰喷涂(图2(e))是热喷涂技术中的一种新兴技术,它的正式名称是高速氧—燃料喷涂(High Velocity Oxygen-Fuel,HVOF)。1982年,美国Browning Engineering公司的James A.Browning首次推出一种高速火焰喷枪,名为JET KOTE,它一出现便立即得到了人们的关注。这种喷涂方法因具有很高的粒子撞击速度,使得涂层结合强度、硬度、致密性、耐磨性都得到了改善,它为形成高质量的涂层提供了一种可靠的手段。经十余年来的发展,该技术已趋成熟并得到广泛应用。
对于确定的材料,提高喷涂层质量的途径主要有:提高粒子的热流密度(高的热能)和提高粒子的飞行速度(高的动能)。HVOF工艺的焰流温度一般为2760℃,对颗粒的加热是靠燃烧室内产生高压力和在喷嘴内停留较长时间来保证的。
根据流体力学原理设计的LAVAL喷嘴,使进入LAVEL管的亚音速气流出管时成为超音速流,另外,爆炸产生足够的激波,借助激波传递能量且诱发化学反应,使激波管中的可燃性混合气体连续不断地爆炸,引发爆震波,形成超音速气流。
HVOF喷枪就是根据这些原理设计而成的。它的关键构造是一个内部燃烧室(图3)。燃气或液体燃料以0.5~3.5MPa的高压,0.016m3/s的高流量注入燃烧室,点火后连续燃烧或爆炸,产生高速(4~5倍音速)、高温(2760℃)的焰流,与此同时,粉末或棒材被置入燃烧室,在焰流中被加热形成高温(1200℃)、高速(800m/s)粒子流轰击基体而形成涂层。
2 热喷涂技术在陶瓷涂层方面的应用
大多数陶瓷材料具有离子键或共价键结构,键
能高,原子间结合力强,表面自由能低,从而赋予了陶瓷材料具有高熔点、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热能力、热膨胀系数小、摩擦系数小等等特性;但与金属材料相比,其塑性变形能力差、对应力集中和裂纹敏感。显然,用陶瓷作为机械结构材料,其可靠性比金属材料差,机械加工困难,成本高。
然而,采用热喷涂技术,在金属基体上制备陶瓷涂层,能把金属材料的特点和陶瓷材料的特点有机地结合起来,获得复合材料结构。由于这种复合材料结构具有异常优越的综合性能,使得热喷涂技术迅速从高尖领域扩展应用到能源、交通、冶金、轻纺、石化、机械等民用工业领域。
2.1陶瓷涂层技术的特点
与整体结构陶瓷材料相比,陶瓷涂层技术具有如下特点:
2.1.1能有机地把金属材料的强韧性、易加工性等
和陶瓷材料的耐高温、耐磨和耐腐蚀等特性结合起来。
2.1.2合理选择涂层材料和适宜的喷涂工艺,可以获得各种功能的表面强化涂层。
2.1.3对基体的选择可不受限制:用于热喷涂的基体材料可以是金属、陶瓷、水泥、耐火材料、石料、石膏等无机材料,也可以是塑料、橡胶、木材、纸张等有机材料。
2.1.4可以不受工件尺寸和施工场所的限制。
2.1.5涂层沉积速率快,厚度可控,工艺简单。
2.1.6陶瓷涂层的可加工性好,且涂层损坏后可再进行喷涂。
2.2陶瓷涂层技术的应用
热涂层技术的应用领域十分广泛,本文仅摘其要点予以概述:
2.2.1热障涂层(TBCs):航空发动机的关键部件是高温合金涡轮叶片和涡轮盘,这些受热部件处于高温、氧化和高速气流冲蚀等恶劣环境中。对于承受温度高达1100℃的燃气轮机部件,已超过了镍基高温合金使用的温度极限(1075℃),有效的解决办法是涂敷绝热性好的高熔点陶瓷涂层,称热障涂层。实验表明,采用MCrAlY合金作黏结底层,喷涂Y2O3部分稳定的ZrO2热障涂层,涂层质量良好,结合叶片冷却技术,可使发动机涡轮叶片承温能力提高约450℃。Brandl的研究表明,在高的氧分压环境下,运用HVOF技术制备的MCrAlY热障涂层的氧化速率比真空等离子体喷涂的氧化速率低得多。
热障涂层主要用于航空、舰船及陆用燃气轮机的受热部件,以及民用内燃机、增压涡轮、冶金工业用喷氧枪等器件。
2.2.2抗高温粘着磨损涂层:热处理炉辊、支承辊、烧结炉辊等高温辊子多在800~1200℃高温下运行,在这样的高温下,钢铁软化并在表面生成氧化铁鳞,当高温钢件在炉辊上运动时,就会因高温粘着而产生节瘤,进而在切应力作用下脱落为磨料,使钢件表面产生划伤等缺陷。
采用HVOF等喷涂技术,在高温炉辊表面喷涂特种陶瓷或金属陶瓷涂层,具有良好的耐高温、抗氧化、抗粘着、防节瘤和自清理净化功能,既可显著提高炉辊使用寿命,又能生产表面光洁质量优良的钢材。如热轧不锈钢带退火炉炉辊,喷涂含BN的金属陶瓷涂层,其耐高温磨损性能提高4倍以上。
冶金工业中,对在熔池内使用的金属制件如热浸镀槽内的沉没辊、稳定辊、熔池搅拌器、吹管等表面喷涂耐火陶瓷或金属陶瓷涂层,可有效地提高金属制件耐高温熔融或熔体侵蚀的能力。
2.2.3耐磨损/耐腐蚀磨损涂层:化工厂用高压往复式计量泵柱塞,采用喷涂Al2O3—TiO2复合涂层代替传统的镀铬工艺,其使用寿命提高了6倍,密封填料寿命提高了3倍。对于各种液压机的活塞杆、叶轮轴、磨环、电机轴头、各种轴及轴套、活塞环等。在低应力滑动磨损和磨蚀工况下,几乎所有原有镀铬的制品都可以用热喷陶瓷涂层代替。
表2给出了部分高温防护涂层和耐磨涂层的适用范围。
图4给出了采用了HVOF工艺喷涂的Al2O3-TiO2复合陶瓷涂层滑动磨损的特性。
2.2. 4功能涂层:等离子喷涂或HVOF喷涂YBaCuO、BiSrCaCuO超导陶瓷涂层都已应用成功,其临界电流密度高达105~106A/cm2,超导陶瓷涂层在磁屏蔽、微波元件、各类传输器、量子电子器件等方面显示出良好的应用前景。
在0.1mm的铁片上喷涂30μm的BaTiO3涂层,其介电常数超过了6000,已广泛应用于陶瓷片式电容器。等离子喷涂形成的Al2O3涂层在厚度不到1mm时,能够在1300℃的高温下耐电压2500V以上,满足了高温电绝缘的要求。
在钛合金基体上喷涂50~75μm羟基磷灰石等生物活性陶瓷,提供了良好的化学相容性,因此,可作为比较理想的人工骨骼材料加以利用。
3 结束语
热喷涂技术特别是超音速火焰喷涂(HVOF)的发展,极大地拓展了其应用领域,国外有些大型企业已将HVOF纳入生产规范;计算机在热喷涂过程中得到了广泛应用;具有闭路控制、自检反馈、智能分配等特性的喷涂系统将日趋完善;资料显示,国内外在喷涂设备上发展的特点是:高能、高焓、高速,以达到高质量涂层之目的;喷涂材料方面发展的特点:范围广、品种多、质量高、形成系列化、标准化、商品化;在喷涂工艺应用方面逐渐扩大应用领域。为此,加快我国热喷涂技术的应用研究,扶植培养相关产品和企业的发展,对于提高我国机电产品档次、增强企业市场竞争力,无疑具有重大意义。
参考文献略
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