摘要:介绍了热喷涂技术的发展、应用领域、分类及其各自的优缺点;综述了现今的热喷涂技术,并简要介绍了2项新兴的工艺技术——冷喷涂及甚低压等离子喷涂,它们将进一步扩展热喷涂工艺的潜力和应用范围。
关键词:热喷涂;电弧喷涂、火焰喷涂、等离子喷涂、新兴喷涂工艺;优点、局限性
前言
发明于20世纪初的热喷涂技术是一项成熟且不断拓展的材料沉积工艺。在当今广泛的商业应用中,各种各样的纯材料及其合金、陶瓷、玻璃、聚酯,甚至复合材料(如硬质合金)都可采用热喷涂工艺沉积到种类繁多的基体材料上。
热喷涂涂层可单独优化表面而不是整体材料的性能,这就使工程技术人员为达到材料性能和成本的目标而具备了相当大的灵活性。其工业应用范围囊括了从高技术的航空涡轮发动机和医疗植人物到工程机械、锅炉、锻压机械等用的重型设备(见图1)。
本文综述了现今的热喷涂技术,并简要介绍了2项新兴的工艺技术——冷喷涂及甚低压等离子喷涂,它们将进一步扩展热喷涂工艺的潜力和应用范围。
1哪些材料可用于热喷涂
原则上讲,任何可熔化的材料都可采用热喷涂沉积,甚至那些不熔化的材料也可与其他可喷涂的材料一起共同沉积。通过这一工艺,可以创立特性迥异的材料组合以及具有特殊性能的独特的显微结构。例如,在合适的条件下,金属可喷涂沉积在塑料、木材甚至纸质基体上(见图2A)。另一个实例是将铝金属与聚酯共同沉积以构成独特的复合涂层,它可在小型涡轮发动机的压气机叶片周围形成柔软、气密且耐磨的密封层(见图2B)。
某些热喷涂涂层必须在受控气氛中涂覆,但是大多数涂层可在大气环境中喷涂沉积。相比其他涂覆技术,如气相沉积工艺或电镀,热喷涂的沉积速率要高的多,通常约2~20kg/h,在某些特殊应用场合甚至可以达到更高的速率。
因此,将其用于大面积的喷涂是很划算的。如在船舶甲板、大型存储罐及桥梁上喷涂防腐涂层,或在磨损、损坏亦或加工不良的零部件表面堆焊数毫米厚的涂层用以尺寸修复。
热喷涂还可采用通常利用传统制造工艺,如祷造或机加工,难以加工或加工成型成本高昂的材料来喷涂成型接近最终形状的零部件。例如,可在已成型的棒材上喷涂成型,然后通过机械或化学的方法取下棒材,从而获得所需形状的零件。
2热喷涂的基本要素
如同“焊接”这一术语一样,“热喷涂”并不是表示一个简单的工艺,而是一类范围较广的工艺技术,它们有许多相同之处,但在某些重要方面也有不同之处。从本质上讲,并不存在整体上“最好的”工艺技术,针对某一特定应用场合,选择何种工艺取决于所要沉积的材料、作业要求、成本等因素。
在所有传统的热喷涂工艺中,所要沉积的材料的原料(粉料、线材或棒材)经加热并雾化后形成一束熔融或接近熔融的微滴射流。这些直径通常为10 -20 微米的微滴经高速气流加速后,喷射在目标表面上并迅速凝固(见图3A)。它与只在工件表面形成薄薄的一层液体的喷漆作业不同,每一个热喷涂的微滴都会在下一个微滴到达前凝固。这就形成了一种其特性与传统的锻造或铸造材料大不相同的分层的显微结构(见图3B)。
如图3B中的复合耐磨涂层所示,两种或多种不同的材料可以共同沉积,在沉积过程中,材料成分可以变化,从而形成具有特殊性能的混合、分层或分级的显微结构。
喷涂涂层的特性与性能受到许多工艺参数的影响,如原料的质量、特定的喷涂工艺、气体成分和流量、沉积速率、大气环境、涂层厚度、基体的表面状况和几何尺寸、基体温度以及喷枪与基体之间的距离等等,凡此种种,不一而足。近年来,随着喷涂设备和作业方法的改进,如采用了经优化的喷枪结构、更好的原料、先进的工艺监控系统、高度自动化的闭环控制器以及机器人喷涂设备等等,使得喷涂涂层的整体一致性和质量有了长足的进步。
3 一些具有重大商业意义的喷涂技术
与焊接技术相似,具有重大商业意义的热喷涂工艺可归纳为电气和氧燃气两大类。常用的电气类热喷涂工艺(见图4A)包括空气等离子喷涂、低压等离子喷涂和电弧喷涂。这些工艺采用与许多焊接电源相似的电压较低、电流较高的直流电源。
大多数常用的氧燃气喷涂工艺(见图4B)包括粉末火焰喷涂、线材火焰喷涂和髙速氧燃气喷涂(HVOF)。大多数这类系统采用的燃料是气体,如乙炔、MAPP气(丙炔丙二烯混合气体)或天然气,但是某些高能系统则使用液态煤油。助燃物通常为氧气,但是某些系统采用压缩空气。如同不同的焊接工艺一样,每种热喷涂工艺都有其独特的优势和局限性。因此,针对某一特定的应用场合,须谨慎选择最佳的工艺。
等离子喷涂是最通用且使用范围最广的热喷涂工艺之一。等离子喷枪在结构与构造上与等离子割炬相似,而且工作的基本原理也大致相同(见图5)。
图4某些具有商业重要性的电气(A)和氧燃气(B)热喷涂工艺。低压等离子喷涂往往在减压惰性气体的真空室中涂覆。高速氧燃气(HVOF)射流中明亮的念珠状特性是源于超声波气流的菱形激波熔化最难熔的金属或陶瓷。因此,相比其他作业温度较低的喷涂工艺,等离子喷涂工艺可沉积的材料种类要多得多。
等离子喷涂常常在大气环境中作业,故称为空气等离子喷涂(APS)。对于许多喷涂作业来说,空气中的氧气并不会损害涂层的特性和性能。例如,在喷涂氧化陶瓷热障涂层以保护关键的涡轮发动机零件如叶片和燃烧室时便是如此。
很显然,在大气环境中喷涂的金属会与空气中的氧气发生反应,沉积的涂层会含有某种程度的氧化物杂质,在许多用途中,这是可以接受的。但若要求杂质较少的优质涂层时,也可在惰性气氛(常常是在减压惰性气氛的真空室)中实施等离子喷涂。这种方式称为低压等离子喷涂(LPPS)或真空等离子喷涂(VPS)。
电弧喷涂在业内很受欢迎,因为它是成本最低的喷涂工艺之一,且具有较高的沉积率。采用该工艺时,在由喷涂材料制成的两根金属丝的端部引发电弧,端部开始熔化,熔融金属在压缩空气或其他气体的气流中雾化形成微滴射流。随着金属丝端部的熔化,新的金属丝持续进给以保持稳定的电弧。因此,原料金属丝实际上是熔化电极。其主要的局限性是只能沉积呈丝材状的导电金属。但是某些金属陶瓷复合涂层可采用粉芯丝材,即填充陶瓷硬质颗粒的空心金属丝材进行电弧喷涂。
粉末和丝材火焰喷涂工艺是热喷涂行业中的低成本的主流技术,只是其喷涂原料的形式有所不同。取决于所用的燃烧气体和作业参数,其最高火焰温度约为2 500T ~3 000T。因此,采用火焰喷涂装置无法沉积较难熔化的金属和陶瓷。不过,这类工艺适用于范围较广的材料,而且是许多商业应用所选择的工艺。
高速氧燃气喷涂(HVOF)可用于各种场合,但它是喷涂硬质合金耐磨涂层的首选工艺。这种工艺喷涂时的工作压力高于标准的火焰喷涂装置,它采用适合于音速或超音速气流的加长的喷嘴结构,可将喷涂颗粒加速至极高的速度(见图4B)。速度的升高可缩短原料粉末在炙热射流中的停留时间,从而有助于防止其过热和脱碳。高速微滴撞击工件表面时还具有喷丸的效应,故能生成具有低气孔率及有利的高残余压缩应力的致密涂层。高速氧燃气硬质合金涂层非常坚硬、耐磨和耐腐蚀,并可抛光至具有极好的表面粗糙度。长期以来,这些涂层一直用于控制涡轮发动机和其他领域的关键表面的磨损,如今已越来越多地被用于替代诸如飞机起落架支柱和大型液压缸等场合所用的硬镀铬工艺4工业热喷涂的应用与焊接十分相像,热喷涂工艺已广泛应用于主要行业中的许多场合,包括铁路、航空、发电、石化、汽车、船舶、生物医药、原料金属生产企业、造纸、纺织等等。热喷涂涂层的用途十分广泛,如抵御腐烛性环境、防止高温氧化、控制摩擦与磨损、堆焊修复磨损或损坏的零部件及赋予疏松材料特殊的表面特性。表1列举了许多热喷涂的用途,展示了现今所用材料、工艺和应用的多样性。
5热喷涂工艺的优势与局限性
热喷涂工艺的主要优势汇总如下:
单独优化表面而不是整体的性能;
较高的沉积速率,能覆盖较大的表面区域及涂覆较厚的涂层;
较宽的材料选择范围——任何可熔化的材料;
可组合特性迥异的材料;
创立独特的显微结构和特性;
具有成本和环境效益。
上述大多数优点早已得到确认,而其潜在的环境优势未曾被人们提及过。近年来,由于人们对电镀槽中危险化学品的处置及某些电镀作业中可能产生的有害蒸汽的忧虑,电镀行业受到越来越严格的监管。同样,某些化学气相沉积(CVD)工艺涉及到剧毒的气体,并可能产生危险的废物。
相比之下,大多数热喷涂作业的主要废物只有飞散的细粉,而这些细粉可用标准的集尘系统加以收集。在许多情况下,集尘系统中的这种粉末可出售给专业从事这类废料再处理的回收商。因此,热喷涂通常被视为一项环境友好型的涂覆技术。
与所有的工艺一样,热喷涂也有其局限性。其主要劣势列举如下:
主要局限于具有稳定的熔融相的材料;
喷射区域局限于喷枪直射范围内;
存在残余应力;
存在氧化物和气孔;
较差的传热性和导电性;
较低的延展性和抗拉强度。
上述局限性中的前两个是传统热喷涂工艺固有的基本特性。沉积不熔化材料的唯一途径是将其与其他可融化材料共同沉积。与喷漆一样,只能涂覆喷枪直射范围内的表面。
现在已有能涂覆管道和气缸内表面的特殊内径喷枪(如图4A所示的电弧喷涂装置),但其开口直径必须足够大,以便能容纳喷枪,而且与待喷涂表面之间留有足够的停枪距离。喷枪射流的覆盖尺寸随喷涂装置的不同而存在差异,但通常在1~50 cm范围内。类似于喷漆作业,通过重叠射流的覆盖范围就可涂覆较大的面积。
在某些应用场合,残余应力可能是一个重大问题,因为射流中的微滴凝固后,随着温度下降至室温,会产生收縮。这就会在涂层中形成残余拉伸应力,而且该应力随着厚度的增加而增加。较高的拉伸应力可能会导致涂层开裂或分离。幸运的是,通过选择合适的工艺及处理参数,可减轻甚至完全消除残余拉伸应力。例如,非常高的喷射速度所产生的喷丸效应可在沉积时改善涂层材料的残余应力状态。在沉积过程中,谨慎控制基体的温度也可降低不希望出现的残余应力。
在大气环境中喷涂活性材料(见图6A)如金属时所形成的氧化物和气孔会导致出现较差的传导性以及延展性和强度低于传统的锻造和铸造材料的现象。实际上,在惰性气氛,特别是在如同低压等离子喷涂(LPPS)所采用的部分真空状态下实施喷涂作业可消除上述最后3项局限性。LPPS涂层通常具有极高的质量,其性能可媲美甚至超过同等的锻造或铸造材料。然而,这种优异的质量是用高代价换来的,因为LPPS设备价格高昂且结构复杂。所以,此类涂层仅限用于高价值且具有高风险后果的零部件,如涡轮发动机叶片和医疗植人物。在某些情况下,诸如气孔之类的局限性可能是一个优点。例如,气孔较多的陶瓷热障涂层具有较低的热传导性，其性能要好于气孔率非常低的类似涂层。
6发展前景良好的冷喷涂工艺
目前有两项新兴的热喷涂技术,它们与现今投人商业应用的任何工艺都不相同。第一项也是更成熟的工艺是冷喷涂。冷喷涂与所有先前的喷涂沉积技术有着根本的不同,它所用的粉末原料从不熔化,甚至在喷枪中都没有经过特别加热。这是一种完全固态的喷涂工艺。在喷涂过程中,直径通常为5 ~20 的精细粉末颗粒在超音速的压缩惰性气体气流中被加速至约500~1 000 m/s的高速。撞击时,这些高速颗粒迅速变形并与其下面的表面结合。该工艺非常类似于爆炸焊接,只是它在微观层面结合。
这种沉积工艺中的喷丸效应会形成可抑制开裂的压缩残余应力。而且,由于喷涂颗粒没有熔化,所以几乎未与大气中的氧发生反应而在涂层中形成氧化物,涂层材料的化学性质或相成分也未发生变化。
图6比较了采用空气等离子喷涂和冷喷涂工艺沉积的铜金属涂层的显微结构。2种涂层都是采用相同的原料粉末在大气环境中喷涂的,但是冷喷涂涂层的氧化物含量和气孔率要低得多,而且具有更高的传导性。事实上,冷喷涂铜涂层中的氧化物含量与原料粉末中的氧化物含量几乎相同。冷喷涂工艺的商业应用正在不断扩展,然而,这种工艺仅适用于韧性金属或其他以非常高的速度撞击基体时能迅速变形而不碎裂的材料。
7新型低压喷涂工艺的演化
第二项新兴工艺还远未达到成熟的阶段,但它具有与先前所知的任何喷涂工艺都不同的特点。这项技术有好几个变体,也正是因为这是一项新技术,喷涂业界还未确定其可被普遍接受的名称,在此,姑且称之为甚低压等离子喷涂(VLPPS)。VLPPS涂层可采用经特殊更改的低压等离子喷涂(LPPS)设备进行沉积。甚低压等离子喷涂与传统低压等离子喷涂的不同之处在于其涂层是在真空室的压力低于传统LPPS工艺约一个数量级而等离子功率级高于后者的状态下沉积的。
这种甚低压等离子喷涂(VLPPS)涂层的柱状显微组织与传统的热喷涂涂层截然不同,在置身于往往与热障涂层应用场合有关的反复的热循环环境下,它具有更好的耐久性。取决于特定的工艺变量,沉积可以以非常微细的熔融微滴、气相沉积或气相与微滴沉积混合的形式实施。尽管微滴沉积与传统的热喷涂相似,气相沉积则大不相同。
伴有气相沉积后,VLPPS不再局限于喷枪直射范围内。基体的背面(背对喷枪的一侧)甚至会出现沉积层。此外,与传统的热喷涂涂层分层的显微结构不同(见图4B和图7),VLPPS气相沉积工艺可产生类似于那些通常与可替代涂覆技术如物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)有关的柱状显微结构。虽然这些气相沉积的VLPPS涂层与PVD或CVD生成的涂层相似,但VLPPS的沉积速率要高出10倍以上。这项新技术可为热喷涂行业开拓全新的应用领域。
参考文献略
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