激光辅助热喷涂
Gerard Barbezat等
国外机车车辆工艺
摘 要:尽管热喷涂具有无可否认的优点,但它毕竟是一种很费时间的工艺,同时用于预处理待喷涂工件的一些溶剂和喷射介质,会造成生态环境的问题。很多金属重新氧化的时间非常短,这也给热喷涂带来了困难。Sulzer Metco公司提出的激光辅助喷涂工艺把待喷涂表面的清洁、活化及喷涂三个工序结合为一道工序。与传统工艺相比,该方法使工艺过程更快捷、更经济,对环境的污染也更小。
关键词:激光;热喷涂;预处理
1 引言
在零件上喷涂金属或陶瓷是工业界必不可少的工艺过程,近年来更显得越来越重要,例如可延长使用寿命的耐磨耐腐蚀涂层及可改变零件表面物理性能的涂层。在金属表面上进行热喷涂时,待喷涂零件的表面处理是最重要的工序之一,它对涂层的结合力具有决定性的影响。
2 预处理是一个既费时又费钱的工序
通常在喷涂前,要对待喷基体表面进行脱脂和喷砂清理,以避免表面残留的有机杂质与熔融的喷涂金属颗粒发生化学反应。该工序会产生各种问题。清理后,脱脂溶剂和喷砂砂子的处理费用很高,待喷表面会受到喷砂颗粒的污染。象钛合金、高强度钢这类具有高表面缺口敏感度的材料,喷砂后发生早期疲劳破坏。喷砂还受到待喷零件厚度的限制。喷射的砂子会损伤甚至破坏很薄的零件。在对铝合金等很活跃的材料进行喷涂前的表面处理时,还会碰到其它的困难:表面处理后被活化的表面会在100 ms的时间间隔内重新被氧化。最后,同样重要的是,脱脂和喷砂要花费宝贵的时间,相应的设备要占用场地。
3 单一操作工序
激光辅助热喷涂工艺——Protal把待喷基体的表面清理和热喷涂结合为单一的工序,不再需要传统的脱脂和喷砂清理工序。此外,不再需要处理喷砂造成的残余砂粒污染待喷表面、表面内应力、表面磨损及废砂的处理等问题。
该工艺的开发受到了位于法国Sevenans综合技术学院的Christian Coddet教授的启发。SulzerMetco公司担当了这个研究项目重要的协调员的角色,1996年在欧盟的资助下,Sulzer Metco公司与FIT Lausanne等合作者一起着手开发了Protal工艺。早在1998年就获得了第一批研究成果。现在Protal工艺已可投入商业应用。Sulzer Metco公司在全球范围内获得了该工艺的专利权和相应装备的市场占有权。
在Protal工艺中,待喷涂的基体表面采用高能激光脉冲进行清理。波长为1.064 mm、脉冲时间只有10 ns的激光束会迅速加热表面,以清除表面油脂层、氧化膜和最表层的基体原子,而零件内部不会受到明显的加热。激光束的光斑面积通常为18 mm×8 mm。能量密度为1.5 J/cm2的激光束只需1min就可处理1 m2的表面积。在这个过程中基体材料的表面也会被清除几个纳米的厚度。由该方法活化处理的基体表面就可进行高速火焰热喷涂或用等离子喷枪来喷涂金属或陶瓷材料。
4 涂层的化学结合力
待喷涂表面经喷砂后,由于表面粗糙度增加,使涂层与基体的机械结合力也增加。Protal工艺可使被激光清理、激活的基体表面光滑而清洁,有利于基体和喷涂材料的原子间各自形成化学或金属结合键。由此产生的涂层与基体间的结合力与传统方法很接近,甚至要更高一些。
5 铝材的单工序喷涂
只要很短的时间,纯铝或铝合金表面就会在空气中产生氧化膜。在很多场合下,铝的快速氧化由于能产生表面保护层而受到欢迎,但是这种保护层却会减少基体与热喷涂涂层间的结合力。在Protal工艺中,从待喷涂表面的清理到开始喷涂之间的时间间隔可以非常短。根据基体材料的不同,上述时间间隔达到100 ms就会减少基体与涂层之间的结合力,因此待喷涂表面经激光处理后必须立即进行喷涂。为此,激光镜头与等离子喷枪结合成机械手的一个组件,从而使表面清理与喷涂的时间间隔减少到20～40 ms,这是非常理想的。
6 在经济和生态环境方面的优点
Protal可称为绿色工艺。由于不再采用溶剂和喷砂作业,该工艺特别有利于环境保护。与传统工艺相比,Protal工艺的输入功率只有3 kW,减少了能量消耗。由于把脱脂、表面清理和喷涂结合成一个操作工序,大大节省了时间,同时整个工艺过程的速度也很快,因此提高了总的生产效率。
7 实测性能优越
通过EN582强度试验可知,采用Protal工艺处理的纯铝、纯钛基体,尽管表面粗糙度不高,它们和等离子喷涂层的结合力与传统的喷砂预处理后再喷涂的结合力很接近。
压痕试验可反映涂层与基体界面的韧性。如果在负荷不变的情况下,以裂纹的长度作为衡量的标准,该试验显示出新工艺与传统工艺的差别。采用Protal工艺预处理过的基体所产生的裂纹要比喷砂基体所产生的短得多。
8 喷涂和喷涂系统
自从1998年秋季开始,一套采用Protal喷涂工艺的装备一直在位于Wohlen的Sulzer Metco公司使用。该设备不仅用于研究目的,而且还用来完成生产任务。它在完成用户合同的同时也使我们获得了经验。这些经验为拓展市场和全能喷涂系统的商品化发挥了很大的作用。Protal工艺潜在的用途非常大,从气轮机叶片到电机零件,从印刷业、纺织业和造纸业到航空业和能源部门等许许多多的领域,可充分发挥Protal工艺的优越性。
9 工艺研究仍在继续进行
采用Protal工艺对涂层和基体间的相互作用及产生高结合强度的机理尚未完全澄清。迄今我们只知道冶金反应对这种结合强度是起到一定作用的。例如在纯铝基体上喷涂铜层时,已有证据表明,铜原子可渗透到基体表面200 nm的深度范围内。对这种冶金过程深入的理解将在开发Protal工艺的新工业用途中发挥决定性的作用,并因此进一步提高热喷涂在工业中的重要地位。
参考文献略
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