热喷涂涂层工业应用(四)

点击数：849发布时间：2020-08-31 00:00:00　

8、电子工业的应用

金属-陶瓷复合材料结构是微电子工业基板材料的一种理想材料。在金属板（如科伐合金、铜、铝、钢）上热喷涂高介电常数的陶瓷涂层，具有高热导率的金属能将强电流所产生的热散发开，而陶瓷涂层则提供很好的介电绝缘性能。以铜板上喷涂Al2O3陶瓷涂层为例，其总热导率比在相同厚度铜板上烧结氧化铝层的总热导率高5倍，而传统作为介电导热的BeO的热导率仅较氧化铝涂层高1倍，故可通过适当减薄涂层厚度，用作集成电路板的介电散热。提高集成电路的功率。美国已能喷涂25mm×25mm的介电陶瓷涂层复合电路板，一批次生产可达5万件规模。

热喷涂技术是生产厚膜电路的有效方法，这种电路比印刷电路可承受较高的电流。其制造过程是：在非导电基体上（如塑料、陶瓷或玻璃等）喷涂金属。电路模型喷涂前需遮蔽，喷涂后腐蚀去不需要的部分即可。或用塑料注模法来制作，对塑料表面全部喷涂后，磨出凸出部分（多余涂层）则凹陷部分为所要的电路模型。厚膜电路常用的喷涂金属为铜、铝、锌和银，在制造电阻器、电容器和电感器方面已得到应用和发展。

在热处理后的玻璃上热喷涂铝等涂层已制成电加热板。在大型闸刀开关的接触面、1500A/60V直流电源开关导电触头上喷涂导电涂层，经2000次开关寿命试验证明：紫铜涂层制触头耐电蚀性最差；银或银钨合金涂层的触头耐电蚀性较好；等离子喷涂AgW或CuW涂层的触头各种性能均最佳。

锌涂层可提供高能级的电磁波衰减范围，可用于屏蔽电磁波和无线电频率的干扰（ENI/RFI），同时可清除静电放电火花。这方面的应用包括计算机终端装置、电子办公设施、感光电子设备等。

9、化学工业中的应用

化学工业中最大的问题是腐蚀，各种材料在不同腐蚀介质、腐蚀环境、腐蚀温度中形成的腐蚀机理也是千差万别的。热喷涂涂层抗腐蚀的作用是：将耐蚀性能优异的合金、陶瓷、塑料等材料在需保护的基体上形成一定厚度的涂层或多重涂层，再对涂层的微孔采用合适的封孔剂（环氧树脂、硅树脂、聚氨酯等）进行封闭，用隔离形式保护基体免受腐蚀。由于上述耐蚀材料形成涂层时，由于相变或部分元素烧损等原因，耐蚀性会略有下降。同时封孔剂的选配和封闭技术的差异，有时也达不到100%的封孔效果，故防蚀是一项系统而艰巨的工作，需要认真分析腐蚀原因，科学设计防腐涂层体系，仔细严格操作程序。

一般来说，用于大气常温环境下的耐蚀涂层，采用喷涂铝、锌、锌铝、不锈钢、铝青铜类合金涂层为加封孔形成复合防护体系即可耐20年以上的自然腐蚀。对于较严重的工业区大气环境，可采用喷涂镍基、钴基、Mo、塑料和陶瓷涂层加某些专用封孔剂进行局部防护。

镍、钴、铁基自熔性合金的喷涂重熔，形成的无孔致密焊层耐蚀性较好，几乎与整体同种材料的抗蚀性相当。火焰喷涂的塑料涂层会形成致密无孔的涂层，经高压电火花检漏仪进行检测确认无孔后，能用于塑料软化温度以下的多种腐蚀介质并存的工况条件，但其弱点是塑料不耐老化，使用寿命有限。氧化物陶瓷主要用于较强腐蚀介质，如醋酸、磷酸、氢氧化物以及各种盐类的腐蚀加磨损工况条件中，同时也耐数百度高温条件下的腐蚀介质侵蚀，但涂层的封孔材料和涂层设计需认真选配方能达到预期效果。由于该类涂层技术要求高，制造成本贵，仅在特殊工况下的关键零部件上局部应用，大面积现场采用不太现实。

超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、燃气爆炸喷涂技术在抗腐蚀涂层中应用，可制备结合强度高（50~100Mpa），孔隙率极低（≤1.5%）的优质涂层，并获得很好的应用效果。

涂层封孔剂方面的研究进展不完全统计，我国研制成功并实施应用的达近百种。其中绝大部分用于常温、弱介质环境涂层封孔。用于恶劣工况环境的封孔剂据资料介绍，目前已有20多种可用于包括王水在内的介质环境涂层封孔，其中5种可在200℃以上长期使用，耐温最高达500℃，有10种封孔剂可用于食品及医药行业。作为封孔剂材料均应具有以下特点。

1. 耐反应原料、中间反应物及最终产品的腐蚀。

2. 耐上述各种物质的溶解。

3. 抵御上述各种物质的应力开裂倾向。

热喷涂涂层体系在化学腐蚀领域中的应用实例见表4-72。

表4-72中反应釜搪瓷内衬修补技术已申请专利，用于酸碱盐及有机物80~350℃腐蚀

环境中的封孔剂已形成聚酯型、有机聚合物型、树脂型和胶粘剂型等系列，并获得国家专利及发明奖。图4-86为等离子喷涂Cr2O3涂层用于化工反应釜搅拌轴运动部位，涂层厚度达0.3~0.4mm，用耐350℃有机硅封孔剂封孔，使用效果满足工况技术要求，形成固定工艺要求。

表4-72 热喷涂涂层在腐蚀介质中的应用

10、生物医疗器件中的应用

随着人类生活质量的提高，人类平均寿命延长，对人工骨骼的需求量日增。据统计，1984年美国使用人工关节情况为：髋关节11万件，膝关节：6.5万件，肩、指及其他关节：5万件。1990年资料报道，美国每年使用8.8万只全膝关节。1997年全世界人工关节预测显示：全髋关节40万件，全膝关节20万件，踝/肘/肩关节70万件，手指关节60万件。

我国人口众多，占世界总人口的四分之一，按1997年全世界人工关节预测，我国每年需髋关节10万件，由于我国经济发展不平衡，医疗和康复的整体水平与发达国家还有相当差距，随着现代化的逐步实现，生物功能材料在我国开发应用的市场前景十分广阔。

传统的人工骨骼是采用不锈钢1Cr18Ni9Ti和合金Ti-6Al-4V制作。植入人体后存在耐体液腐蚀性不强，与肌肉细胞组织不亲合而产生积水，关节运动部件抗磨损性差等问题。

目前典型的应用是以强度高韧性好的Ti-6Al-4V合金作基材，表面喷涂羟基磷灰石类陶瓷涂层（HA）。该类结构具有以下特点。

（1）人工骨骼采用复合材料结构设计，对生物体无毒，适于体内安全使用。

（2）羟基磷灰石涂层与骨骼材料成分相近，对生物体和细胞有良好的适应性和亲和性无副作用。

（3）表面涂层及复合结构设计耐人体体液腐蚀。

（4）陶瓷涂层表面耐长期运动过程中的磨损。

（5）钛合金基体具有人体运动所必须承受的强度、韧性等力学性能。

（6）喷涂层的多孔性和粗糙度表面，有利于生物体组织在人工骨骼表面的生长与亲和。

更细致的工作是在钛合金与面涂层之间，制备Ti 或Al2O3、ZrO2等生物惰性中间过渡层。目的是：1.屏蔽体液通过涂层与钛合金的接触，避免钛合金的V等金属离子渗入生物肌体引起的“中毒”现象；2.是中间过渡层的采用能提高羟基磷灰石涂层与基体的粘结强度达到50%~100%。

因此，热喷涂金属基生物陶瓷涂层的人工骨骼，是比较理想的人工骨骼材料，我国

众多研究单位和大专院校已先后在人体股骨，髋骨、肘关节、骨盆、人造牙齿等方面研究成功并用于临床。

11、机械工业与其他方面的应用

（1）液压陶瓷涂层活塞杆

热喷涂陶瓷和金属陶瓷涂层，不仅具有高的硬度，优异的耐磨性；而且摩擦系数低，能耗小；对密封填料的磨损小，涂层硬度和耐磨性不会因局部过热而降低。因此，在抗腐蚀磨损领域，热喷涂涂层正成为电镀硬铬技术强有力的竞争者和取代者。

大型水利工程及海洋开发用的液压油缸大型活塞杆，采用等离子喷涂Al2O3+TiO2陶瓷涂层代替镀硬铬，可达到高质量，长寿命，免维修。现已制造出长16m，重10t的超大型陶瓷涂层活塞杆及相应的液压油缸系统。涂层厚200~350μm，硬度900~1200HV，表面粗糙度Ra0.3~0.35μm。该设计涂层活塞杆运行总行程超过1200km之后仍保持完好状态。

在化工厂高压往复泵柱塞上应有Al2O3+TiO2涂层，其使用寿命比原镀铬柱塞提高6倍，密封填料的寿命也提高了3倍。目前，在低应力滑动磨损和腐蚀工况下工作的各种液压活塞杆柱塞、水轮机叶轮轴磨坏、电枢轴头、磨床轴、抗咬死轴套、活塞环、凸轮随动件等，几乎所有原用镀铬制品均可用热喷涂涂层取代。从而避免由镀铬带来的六价铬水污染和“氢脆”后果。

（2）拉丝轮

采用HVOF喷涂Co-WC和N iCrBSi涂层制造各种类型的拉丝机轮和塔轮，经适当的

处理，较原有拉丝轮提高寿命十几倍，现在我国已形成年产值近千万元的产业，在电线电缆行业，汽车橡胶工业得到推广应用，并保持较高的增长势头。

（3）喷涂成型

用热喷涂方法制备整体成型零件产品是一种快速喷铸制造方法。其特点在于根据产品特点要求调整和选配不同性能的喷涂材料灵活制备，具有独特的优势。

制造各种高熔点氧化物陶瓷成型产品，可采用水稳等离子喷涂和高能等离子喷涂技术进行。典型方法之一是：对金属模表面进行轻微喷砂处理后，再喷镀一层脱模剂薄涂层（如食盐），然后喷涂陶瓷涂层到达一定厚度，成形后的制品只需溶掉脱模剂（如水淋溶解食盐）即可获得净尺寸工件。如飞机雷达天线外罩，用氧化铝浆料铸模成形干燥后烧固，体积收缩率达8%~20%，而喷涂成型的Al2O3产品不变形，即使进行高温烧结处理，收缩率仅为3.7%。X射线天文望远镜镜罩支架（厚3.2mm，直径600mm，高240mm，环形），采用Al2O3+13%TiO2等离子喷涂成型后在900℃或1350℃一热处理，杨氏模量达70-126Gpa，圆柱度可控制在±15-70μm，满足要求。

用电弧喷涂工艺可直接在母模上制造工具，喷涂成型工艺快，相对成本低，通过适当控制工艺参数减少残余应力可得到精确尺寸产品，显著缩短从接订单到产品设计至实际投产时间，目前美国喷涂成型产品的生产达50万件/年。且涂覆材料从聚合物塑料至金属复合物尽有。现在正在开发将计算机引入该技术，不需要预先成型和模具，按计算机设计的模型并由其指令支配涂覆材料沉积路径，以形成准确尺寸和精确公差的三维复杂几何形状部件。从而使生产精细结构产品省去众多复杂的工艺过程和设备成为可能。