热喷涂技术的分类及发展前景

点击数：1731发布时间：2022-07-13 00:00:00　

热喷涂技术的分类

传统的热喷涂方法按热源的不同，可分为燃烧法和电热法，前者包括火焰喷涂、爆炸喷涂，后者包括电弧喷涂、等离子喷涂。近年来，随着人们对涂层性能要求的进一步提高，广大科学工作者通过不断创新，在原有基础上发展了超音速火焰喷涂和超音速等离子喷涂。同时，又相继开发了激光喷涂、反应热喷涂和冷喷涂等工艺[3]。 表表表表1几种热喷涂技术的参数对比几种热喷涂技术的参数对比几种热喷涂技术的参数对比几种热喷涂技术的参数对比    喷涂方法 火焰温度℃ 粒子速度m/s 结合强度N/mm2 气孔率 % 喷涂效率Kg/h 相对成本 火焰喷涂 3000 30-180 8-12 10-30 2-6 1 爆炸喷涂 3000 800-1200 >70 0.1-1 1 4 高速火焰喷涂 2500-3100 500 70-110 <10 1-5 2-3 电弧喷涂 4000-6000 250 15-25 10-20 10-25 2 等离子喷涂 20000-30000 200-800 50-80 <10 2-10 4  2.1火焰喷涂 火焰喷涂技术作为一种新的表面防护和表面强化工艺 ,在近2 0年里得到了迅速发展 ,已成为金属表面工程领域中一个十分活跃的分支。火焰喷涂是利用可燃性气体比如乙炔、丙烷与氧气燃烧的火焰作为热源，将喷涂材料加热到熔化或接近熔化状态，辅助性气体比如氮气或压缩空气将其喷射到基体表面形成涂层[4]。 火焰喷涂技术的基本特点是：①一般金属、非金属基体均可喷涂，对基体的形状和尺寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能喷涂；②涂层材料广泛，金属、合金、陶瓷、复合材料均可为涂层材料，可使表面具有各种性能，如耐腐蚀、耐磨；耐高温、隔热等：③涂层的多孔性组织有储油润滑和减摩性能，含有硬质相的喷涂层宏观硬度可达450HB,喷焊层可达65HRC；④火焰喷涂对基体影响小，基体表面受热温度为200～250℃，整体温度约70℃～80℃，故基体变形小，材料组织不发生变化。 火焰喷涂技术的缺点：①喷涂层与基体结合强度较低，不能承受交变载荷和冲击载荷；②基体表面制备要求高；③火焰喷涂工艺受多种条件影响，涂层质量尚无有效检测方法。 在超音速火焰喷涂的基础上，美国Verstak A和Baranovski V相继开发了HVAF Arc和AC-HVAF。HVAF-Arc是一种集常规电弧喷涂和超音速火焰喷涂的一种新技术，工作原理图如下。采用燃料和空气混合气燃烧产生的超音速气流雾化电弧熔化的粒子并对粒子进行加速，使熔融的高速粒子喷射到基体表面形成致密的涂层。通过控制燃料和空气的比例，使用过量的燃料可以防止粒子在飞行过程中被氧化，提高涂层的质量[5]。 图1 HVAF Arc工作原理示意图  AC—HVAF(Activated Combustion HVAF)喷枪由主燃烧室和次燃烧室组成。主燃烧室包括混合腔、反应燃烧室、内喷嘴以及送粉嘴构成；次燃烧室主要由外喷嘴、次级燃料和压缩空气组成。喷涂粉末被轴向送入到燃烧室和喷嘴中加热加速[5]。其工作原理如图2所示 AC-HAVF是为制备高致密度、无氧化的金属和金属碳化物涂层而开发的，其显著特点是喷涂过程中粒子被加热但不熔化，而且喷涂粒子有很高的速度，制备的涂层有很强的耐磨性，低的残余应力以及较高的趁机效率

2．2电弧喷涂

2.2.1电弧喷涂的概念及特点 电弧喷涂是将两根被喷涂的丝或线状导电材料作自耗性电极, 利用它们之间产生的电弧能量近熔化电极材料, 用高速压缩空气雾化并将其喷射到基材上的一种热喷涂方法[6]。  图3电弧超音速喷涂的示意图 电弧喷涂以电弧为热源, 因此要求喷涂的材料必须能导电, 通常只能是金属材料。不导电的陶瓷材料就难于进行电弧喷涂, 这是其应用上的最大局限性, 但是电弧喷涂具有其突出的优点, 归纳起来有如下几点： （1）获得的涂层与基材的结合强度较高, 一般为火焰喷涂涂层的1.5-2.5倍。这是因为熔粒温度高、喷涂粒子变形量大的原因。在某些情况下如在钢基材上进行电弧喷铝时还可在界面上产生微区扩散的冶金结合组织, 使涂层结合强度大大提高。 (2) 喷涂效率高。喷涂效率指单位时间喷涂的金属重量, 它随电弧电流增大而增大电弧喷涂的效率可以比线材火焰喷涂的效率提高2-6倍。 (3) 能量利用率高。等离子喷涂的能量利用率为4%-12%, 火焰喷涂为5%-13%, 而电弧喷涂高达57%-67%。 (4) 经济效益好。与所有其它热喷涂方法相比, 电弧喷涂的成本最低, 其设备简单, 投资费用不到等离子喷涂法的1/3。由于能量利用率高以及我国的电能要比氧和乙炔等原料便宜得多等原因, 其操作成本可达到仅为火焰喷涂的1/10。 (5) 容易实现自动化。 (6) 安全。使用电和压缩空气, 不用氧气、乙炔等易燃气体, 其安全性大大提高。

2.2.2电弧喷涂的应用 80年代以前由于电弧喷涂技术的缺点, 包括线材的熔端易产生积垢, 使喷涂颗粒大小悬殊喷涂粒子在雾化空气中严重氧化、涂层质地不均, 喷涂效率虽高也只能算作一种较粗糙的应用技术。但是80年代以后随着技术和设备的渐渐完善，电弧喷涂在市场需求前景令人乐观，在一些方面起着重要的作用。 1.重大件的修复：轴类零件修复、造纸烘钢的修复、航天发动机的修复。航空发动机。过去一直用等离子喷涂法, 现在, 电弧喷涂已经打人航空这一热喷涂的主要市场并取得了巨大经济效益。 2.耐磨涂层：如在铝制的圆形制动盘外喷涂铁基材料并注射石墨粉可获得耐磨的复合涂层。 3.特殊功能涂层：例如电磁屏蔽涂层。在塑料机壳表面电弧喷Zn或Cu/Ni能起到屏蔽效果,后一种抗电磁干挠效果极好且稳定, 还能隔热、阻燃、耐磨、耐冲击力。 4.填平和修补焊缝缺陷美国TAFA公司和通用汽车公司合作开发了电弧喷涂在这方面的应用技术。美国福特公司应用这种技术每年节约了不少成本[6]。 2.3等离子喷涂 2.3.1等离子喷涂的概念及特点 常规状态下原子是呈电中性的,气体在常温状态下也是不导电的,但是如果外界通过改变条件给予气体分子或原子分子以相当的能量时,就会造成电子脱离原子成为自由电子而带正电荷,这就是所谓的气体产生电离的现象,这也就是等离子喷涂的等离子体和等离子弧的产生原理。 等离子喷涂是一种材料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。 等离子喷涂是通过等离子喷枪来实现的，喷枪的喷嘴和电极分别接电源的正极和负极，喷嘴和电极之间通入工作气体，借助高频火花引燃电弧，电弧将气体加热并产生电离，产生等离子弧，气体热膨胀由喷嘴喷出产生等离子流，送粉气管将粉末送人等离子射流中，被加热到熔融状态，在由等离子射

热喷涂技术的发展前景

在我国，热喷涂技术是一门新兴的材料保护技术，因其具有工艺灵活，施工方便，适应性强，生产效率高和涂层种类多样等特点，可用于零件的修复、材料表面的防护、以及赋予材料表面新的性能等，在材料加工和材料科学的地位变得非常重要。 数据表明：1976年美国国家标准局公布：1975年全国腐蚀损失700亿美元，相当于国民经济总产值4％，磨损断裂损失每年预计1400亿美元。英国：1971年仅不列颠岛磨损为13．65英磅。瑞士：1969年仅对二百万辆汽车统计，损失5亿克朗。我国：1981年腐蚀为100．150亿元人民币，1980年对十个大化工企 业统计，腐蚀直接经济损失为3．97％。煤碳部每年磨损腐蚀为17亿元(其中磨损8亿元，腐蚀为9亿元)。冶金部1989年统计，由于磨损腐蚀所造成的损失，目前采用热喷涂技术挽回只占可节约值的6．9％[12]。 从上述数据看，继续广泛深入地推广应用热喷涂技术，有重大的潜在社会效益和相当可观的经济效益，推广应用该项技术意义重大。