我国热喷涂粉末材料的应用与发展现状
于月光,曾克里,宋希剑等
机械工人热加工
内容导读：我国热喷涂粉末的发展情况如何？我国目前热喷涂粉末材料有多少种？本文有详细介绍。
在热喷涂材料和热喷涂设备的共同发展推动下，我国的热喷涂技术得到了迅速的发展。国家“十一五”期间，热喷涂粉末材料和技术在许多国家项目（尤其是军工项目）中得到了广泛的应用，并且越来越多的工业领域对热喷涂技术有强烈的了解和应用需求的意愿。在SULZER METCO、PRAXAIR、GTV 等国外著名公司和国内科研院所、生产厂家的共同努力下，随着新的热喷涂工艺的不断涌现，热喷涂材料也走过了一个不断探索、更新、完善、再探索的发展过程。目前在国内市场上可得到的热喷涂材料种类繁多、品种齐全，热喷涂粉末有数百种，各类线材近百种，棒材数十种。成分包括金属、合金、金属陶瓷、陶瓷和塑料等，功能包括耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化、隔热、封严及恢复尺寸等。在现有产品的基础上，我国热喷涂粉末材料的研究和发展呈现出以下方面的特点。
一、具有更高性能的新材料品种不断涌现
1. 底层涂层材料
对于航空发动机热端部件，在高温下将承受巨大的热冲击，因而涂层一方面要有保持较高的隔热性能，同时更要进一步提高涂层结合性能。国内外使用的热障涂层的面层较多使用的是氧化钇部分稳定的氧化锆等氧化物陶瓷，底层材料多为M C r A l Y 合金，这些材料多以热喷涂粉末状态进行低压等离子（或H V O F ）喷涂。目前，国内出现了一种新的热障涂层，采用N i A l W 基合金作为底层材料，并以N i A l W 合金与氧化物陶瓷共同组成“金属－陶瓷”面层材料，工作温度为9 5 0 ℃。这种底层与面层材料的配合使用在国内外尚属首次。这种新型的底层材料在镍铝基合金的基础上，适当添加了W、Mo、Ti 等合金元素，具有极高的结合强度（等离子喷涂工艺，40 ～60MPa ），可作为其他陶瓷涂层的底层材料。
2. 耐磨损涂层材料
耐磨损是热喷涂涂层的一项重要的工程性质。耐磨涂层用于一些具有相对运动的磨损零件上，抵抗磨料磨损、粘着磨损和冲蚀磨损等。主要材料有W C 、C r3C2、Al2O3/TiO2等。在＜5 5 0 ℃的工作温度下，通常采用W C 作为耐磨硬质相，在传统C o - W C 系列的基础上，P R A X A I R 公司推出了W-121 、W124、W129 新型耐磨涂层粉末，该材料流动性更好，碳化物的分布更均匀、细小，喷涂沉积效率提高； SULZER METCO 公司推出了WC10Co4Cr（Sulzer Metco 5849）、WC 12Co 35(Cr3C2/20(Ni 20Cr))（Sulzer Metco 5860），这些材料的耐磨性、耐蚀性和韧性均得到了良好的平衡。H V O F 工艺喷涂的C o C r - W C 粉末，已经成功地应用于航空发动机等零部件，是镀硬铬的理想替代涂层。在550～900℃的工作温度区间，通常采用Cr3C2作为耐磨硬质相，它在金属型碳化物中抗氧化能力最强，常温硬度和高温硬度都相当高，以耐热N i C r 合金为粘结相，构成了一系列的喷涂粉，在市场上常见的有：Cr3C27(Ni 20Cr)、Cr3C220 (Ni 20Cr)、Cr3C25(Ni 20Cr)、Cr3C230(Ni 20Cr) 、Cr3C239(Ni 20Cr)、Cr3C250(Ni 20Cr)等。
3. 热障涂层材料
传统的热障涂层一般由M C r A l Y 合金作为打底层，氧化钇部分稳定的氧化锆（Y S Z ）作为工作面层，工作温度在1200℃以下。在1200℃以上时，相变加剧，易烧结，氧传导率高，过渡层金属易被氧化，导致涂层的严重破坏。但随着现代高性能航空发动机、火箭发动机等的迅速发展，热端部件要求工作在1 2 0 0 ℃以上的更高温度下，需要有新的热障涂层来满足这些更高的性能要求。La2Zr2O7的热膨胀系数略低于Y S Z，但作为补偿，它的弹性模量较低，在2 0 0 0 ℃以下的工作温度下不发生相变，状态稳定，因此，该材料预计可以作为一种在更高温度下使用的新型热障涂层材料，国外（尤其是德国）科研人员在这方面进行了较为深入的研究，并有大量科技文献报道，国内科研院所也开始了研究工作。
4. 耐高温热腐蚀材料
抗高温涂层材料一般同时具备抗高温氧化、抗高温腐蚀及抗高温磨损性能。抗高温氧化涂层一般用于高于550 ℃的氧化腐蚀环境中，目前常用的材料有N i 基和C o基合金，一些氧化物、碳化物陶瓷同时应用于高温氧化环境中。合金材料除了抗高温氧化、腐蚀，主要用于功能陶瓷涂层的中间结合层外，同样用于磨损零件的修复。如燃气轮机的导向叶片、阀座、活塞杆、密封室、轴承和轴套等。最典型的耐高温热腐蚀涂层材料是NiCr-Cr3C2（如1 3 7 5 V M ），涂层采用H V O F 工艺制备，该材料作为电站锅炉“四管”的防护涂层在国外已经得到了普遍应用，应该说是解决锅炉“四管”热腐蚀问题的最理想方案，但它的问题是材料和喷涂成本高，现场操作较困难。目前，国内的科研院所正在研究将H V O F 设备及送粉器进行适当改造，制成锅炉“四管”防护涂层专用的H V O F 系统，以方便现场操作。这方面的工作已取得了相当好的成效，预计很快将会得到推广。在钢铁冶金行业，日本T O K A L O 公司将热喷涂已成功地应用于连铸连轧工序中的炉内退火辊、炉底输送辊、导辊及热镀锌沉没辊等工件，所用涂层材料均为金属陶瓷复合粉。如高温（工作温度约1 1 0 0 ℃）退火辊，采用MCrAlY+ Al2O3材料，爆炸喷涂工艺制备涂层，已经取得了很好的效果；镀锌沉没辊过去采用Co-WC 和C oCr-WC 系列粉末，现在日本的F U J I M I 公司开发了含硼化物的复合粉，W C 、C o 、C r 及硼化物（W B 、M o B2），W C是耐磨组分，Co 作为粘结剂，占5% ～15%，Cr 与Co 形成固溶体，抗高温氧化，硼化物对熔融锌有抗蚀性，在锌液中有稳定性，该材料在国外已用于生产，国内企业正在研究中。
未完待续
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