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现代表面技术


现代表面科学技术作业
—热喷涂表面处理技术

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摘要:本文重点介绍了热喷涂技术的作用原理、工艺特点、分类。总结了热喷涂技术的应
用状况。探讨了新工艺在热喷涂技术中的应用前景。

关键词:热喷涂;表面处理技术;新工艺

1 前言
近 3

0 多年来人们对传统表面技术进行了一系列改进、复合和创新, 使大量的现代表面技 术涌现出来,在各个工业部门、农业、生物、医药以及日常生活中有着广泛而重要的应用。 表面技术的应用所包含的内容十分广泛,可以用于耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰等, 也 可以是光、电、磁、声、热、化学、生物等方面的应用。表面技术所涉及的基体材料不仅是 金属材料,也包括无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料。表面技术的种类很多,把这 些技术恰当地应用于构件、零部件、元器件以及各种材料,可以获得巨大的效益。 现代高新技术的飞速发展对提高金属材料的性能、 延长仪器设备中零部件的使用寿命提 出了越来越高的要求。 而这两个方面的要求又面临高性能结构材料成本逐年上升的问题。 近 年来,表面工程的快速发展,尤其是热喷涂技术获得了巨大的进展,为解决上述提供了一种 新的方法。 热喷涂是一种通过专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上, 形成 一种特制薄层,以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的表面工程技术[1-2]。 由于热喷涂技术可以喷涂各种金属及合金、 陶瓷、 塑料及非金属等大多数固态工程材料, 所以能制成具备各种性能的功能涂层, 并且施工灵活, 适应性强, 应用面广, 经济效益突出, 尤其对提高产品质量、延长产品寿命、改进产品结构、节约能源、节约贵重金属材料、提高 工效、降低成本等方面都有重要作用。随着工业和科技的发展,人们对热喷涂技术提出了越 来越高的要求, 在已有的热喷涂工艺不断得到改进的同时, 一些新的工艺也应运而生。 目前, 包括航空、航天、原子能设备、电子等尖端技术在内的很多领域内[3]热喷涂技术都得到了广 泛的应用,并取得了良好的经济效益。

2 热喷涂工艺的原理
热喷涂技术是通过某种热源将某些材料加热至熔融或半熔融状态, 然后喷射到涂敷的基 体表面,形成一层性能优于原来基体的涂层,从而使原工件具有更加优异的表面性能,或者 是使工件获得一种或几种原来基体材料不具备的表面性能膜状组织[4]。 喷涂层的形成包括喷 涂材料的加热熔化阶段、熔滴的雾化阶段、粒子的飞行阶段和粒子的喷涂阶段。涂层与基体 的结合一般认为有机械结合、扩散结合、物理结合和冶金结合。在使用放热型喷涂材料或采 用高温热源喷涂时, 熔融态的喷涂材料粒子会与熔化态的基体发生焊接现象, 形成微区的冶 金结合,提高涂层与基体的结合强度。喷涂层内的粒子之间的结合以机械结合为主,而扩散 结合、物理结合、冶金结合等也共同起作用。

3 热喷涂工艺的特点
自 1910 年瑞士肖普(Schoop)博士发明了一种火焰喷涂装置(即热喷涂)以来,热喷
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涂技术已有很大发展,尤其是 20 世纪 80 年代以来,热喷涂技术的应用取得了很大的成就。 与其他各种表面技术相比,热喷涂技术有其自身的特点: (1)可在各种基体上制备各种材质的涂层,包括金属、陶瓷、金属陶瓷、工程塑料、玻 璃、木材、布、纸等几乎所有的固体材料。 (2)基体温度低。基体温度一般在 30~200℃之间,变形小,热影响区浅。 (3)操作灵活。可喷涂各种规格和形状的物体,特别适合于大面积涂层,并可在野外作 业。 (4) 涂层厚度范围宽。 从几十微米到几毫米的涂层都能制备, 且容易控制, 喷涂效率高, 成本低。喷涂时生产效率为每小时几公斤到几十公斤。 热喷涂作为一种表面处理技术,它也存在许多不足之处,比如涂层存在结合力较低、孔 隙率较高、均匀性较差且不易对涂层进行非破坏检查等问题,主要体现在热效率低,材料利 用率低、浪费大和涂层与基材强度较低三个方面。

4 热喷涂方法的种类
完成工件热喷涂的一般工艺流程为:工件的表面准备-工件的喷涂-工件的喷涂后处理。 整个过程除与设备类型有关外,还涉及喷涂材料、热源和喷射速度。喷涂材料包括金属、陶 瓷和塑料等。 热喷涂方法大体可分为火焰喷涂法、 爆炸喷涂法、 超音速喷涂法、 电弧喷涂法、 等离子喷涂法和激光喷涂法等。 (1)火焰喷涂法是目前喷涂技术中使用较广泛的一种工艺。采用火焰喷涂法技术,可以 制备各种纯金属、合金、陶瓷及塑料等涂层。 (2) 爆炸喷涂法是一项技术难度较大、 工艺性能较强的新技术, 也是一种高能喷涂方法。 与一般火焰喷涂相比,必须提供足够高的气体压力,以产生高达 5 倍于音速的焰流 (1830m/S) 。气体的消耗量也很大,就氧气而言,通常是一般火焰喷涂的 10 倍。 (3)电弧喷涂法对各种金属材料都能喷涂,大量地应用于防腐、耐磨等工程。目前,电 弧喷涂法已经从一种粗糙的高喷涂率的技术演化为能以低成本生产具有高质量涂层的较为 精密的手段[5]。 (4)超音速等离子喷涂 超音速等离子喷涂的原理是将主气(氩气,流量较小)由后枪体输入,而大量的次级气 (氮气或氮气与氢气的混合气) 经气体旋流环的作用后, 与主气一同从拉伐尔管形的二次喷 嘴射出(钨极接负极,引弧时,一次喷嘴接正极) ,在初级气中经高频引弧,而后,正极转 接二次喷嘴,即在钨极与二次喷嘴内壁间产生电弧。在旋转的次级气的强烈作用下,电弧被 压缩在喷嘴的中心并拉长至喷嘴外缘, 形成高压的扩展等离子弧。 大功率扩展的等离子弧有 效地加热主气和次级气,从而获得从喷嘴射出的稳定的、集聚的超音速等离子射流。喷射粉 末经送粉嘴加入超音速等离子流,获得很高的温度和动能,撞击在工件表面形成涂层。该方 法主要特点在于具有极高的热源温度(等离子弧温度高达 16000℃)和功率,因此能够在短
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时间内将陶瓷粉末加热到其熔点以上, 得到高质量的涂层。 它兼有等离子弧喷涂的加热温度 高及气体爆炸喷涂和 HVOF 喷涂的喷涂材料飞行速度快的特点[6]。 (5)激光喷涂 作用原理是把焊丝顶端(或粉末)用高能密度光束加热至熔融,再用喷出的高压气体使熔 融部分粒子化,并喷向基体表面而形成涂层。喷涂环境的气氛可以选择在大气气氛下,也可 在惰性气氛或真空状态下进行喷涂。 激光喷涂的优点: 喷涂所获得的涂层结构与原始粉末相 同;可以喷涂大多数材料,范围从低熔点的涂层材料到超高熔点的涂层材料;涂层的气孔率 即使在采用焊丝制备时,也比用等离子法喷涂粉末时制备的涂层气孔率低[7]。

5 热喷涂技术的应用
5.1 喷涂耐腐浊涂层
采用热喷涂技术可以喷涂耐各种介质腐蚀的保护涂层,如锌铝不锈钢镍合金蒙乃尔合 金、青铜、氧化铝、氧化铬陶瓷涂层和塑料等。由于涂层的电极电位比钢铁高,因此,易在 涂层孔隙处产生电化学腐蚀, 故对应用于以下机械部件如柱塞泵的活塞和活塞杆、 液压油缸、 蒸汽机机轴的密封部件、船舶尾轴、阀门等的涂层,必须封孔处理。陶瓷涂层用于防腐也必 须经过封孔处理。目前,国内用得最成功的防腐涂层是锌、铝涂层[8]。其技术已应用于大型 桥梁、 海洋钻井平台、 水利设施等。 如英国普利茅斯 Tamar 公路大桥, 1961 年喷涂了 0.08 从 mm 厚的铝一锌复合涂层,至今只重新喷涂过一次[9]。此外,该工艺在化工、食品等行业也 得到广泛应用, 如葡萄酒厂低温发酵车间的发酵罐内壁采用火焰喷涂聚乙烯涂层, 有效防止 了罐壁的点蚀,控制了酒中铁离子的含量[10]。

5.2 喷涂耐磨涂层
热喷涂技术被成功应用于喷涂机械零件耐磨涂层, 延长零件的使用寿命或修复磨损失效 的机械零件。美国 Metco 公司在中国小浪底水电站中承担了水轮机耐浊涂层任务,共耗 13 吨喷涂材料。可使水轮机叶轮寿命从 3 年提高到几十年[11]。在航空发动机中,采用可磨耗 涂层能成功减小转予与机壳的间隙[12]。

5.3 喷涂耐高温涂层
热喷涂技术同样可以改善机械零件的抗高温氧化性能。 采用热障涂层隔离金属体与高温 环境,可以有效保持金属构件的力学性能。例如人造卫星表面喷涂氧化氯涂层,在急剧热交 变条件下,可保证其内部仪器始终在一定温度范围内可靠地工作。美国在“探险者”喷涂氧化 铝,其遮盖面积为卫星总面积的 25%。

5.4 喷涂功能涂层
热喷功能涂层广泛应用在电器工业中。 如喷涂屏蔽涂层于监测和控制汽车发动机排气中 的氧含量和毒性化合物含量的探测仪, 以保证其灵敏度。 而热喷涂生物相容性涂层在生物医 学方面则展示了良好前景。如喷涂羟基磷、氟羟基磷石等可与人体种植体形成紧密结合,这 种技术已应用于人工牙齿、人造骨头种植体上[13]。

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5.5 喷涂成型
采用热喷涂制造机械零件是近年迅速发展起来的特殊制造技术。 例如, 采用电弧喷涂制 造冲压塑料和皮革制品件模具、等离子喷涂陶瓷或耐火喷嘴、雷达整流、高温炉元件,以及 纤维增强钛合金复合材料发动机部件等[14]。在模具制造方面,西安交通大学将热喷涂与 RP 快速成型技术相结合,制造出了锌基合金模具 [15]。但是,用喷涂成型法制造的零件具有孔 隙度高、机械强度差和大部分需后处理的缺点,此项技术还待完善。

6 热喷涂技术的发展方向
随着技术的不断改进与完善, 热喷涂的应用领域不断拓展。 如现代等离子喷涂技术采用 计算机控制系统,大大减少了工作强度以及出错率;大功率等离子喷涂技术的出现,使等离 子喷涂的沉积效率进一步提高,喷涂功率已达 200kW;轴向送粉的三阴极等离子喷枪和高 频等离子系统的发明,使喷涂材料受热均匀、喷涂质量更高。为了喷涂发动机气缸内壁等部 件,开发出了旋转等离子喷涂装置[16]。在喷涂钛合金涂层时,通过高频等离子喷涂过程中 氮气与钛合金反应,形成钛合金一氮化钛复合涂层,极大地提高了钛合金涂层的耐磨性能。 低压等离子热喷涂技术是热喷涂与热处理的结合, 根据所采用的能源的不同, 出现了激光重 熔和电子束重熔俐、微等离子热喷涂的工艺[17]。监控系统的发展是近年来热喷涂技术进步 的重要标志,它将为提高热喷涂涂层质量提供有力的保障。目前,正在开发各种在线测量装 置, 如自我诊断监控的智能热喷涂系统已经出现。 此外, 热喷涂的计算机仿真软件也己出现, 并在实践中得到应用[18]。

7 结语
目前, 热喷涂技术与其他学科相互交叉渗透形成了新的表面处理工艺, 计算机技术的应 用,使得在热喷涂材料和工艺继续发展的同时,也使热喷涂设备和工艺实现自动化。但在实 际过程中,尤其是在高温、高速、非均匀性等参数的影响下,喷涂质量的控制还比较困难, 还需重视热喷涂技术的理论研究。 在热喷涂过程的动态测量和控制, 涂层质量的动态无损检 测技术和热喷涂基础理论的研究等方面, 都出现了重大的突破, 使这种工艺性的技术发展成 为比较成熟的基础工艺科学。对陶瓷,纳米等材料的继续深入研究,热喷涂技术定会有更好 的应用前景。

参考文献
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