热喷涂技术的研究进展论文

热喷涂技术目前在国内已经得到了比较广泛的推广应用，近年来发展的趋势和特点是： 作为新型的实用工程技术目前尚无标准的分类方法，一般按照热源的种类，喷涂材料的形态及涂层的功能来分。如按涂层的功能分为耐腐，耐磨，隔热等涂层，按加热和结合方式可分为喷涂和喷熔：前者是机体不熔化，涂层与基体形成机械结合；后者则是涂层再加热重熔，涂层与基体互溶并扩散形成冶金结合。平常接触较多的一种分类方法是按照加热喷涂材料的热源种类来分的，按此可分为：①火焰类，包括火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂；②电弧类，包括电弧喷涂和等离子喷涂；③电热法，包括电爆喷涂、感应加热喷涂和电容放电喷涂；④激光类：激光喷涂。 1、火焰喷涂：火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。<1>；线材火焰喷涂法：是最早发明的喷涂法。它是把金属线以一定的速度送进喷枪里，使端部在高温火焰中熔化，随即用压缩空气把其雾化并吹走，沉积在预处理过的工件表面上。图1 丝材火焰喷吐的装置示意图图2 丝材火焰喷涂的原理示意图图1表示丝材火焰喷涂的装置。图2则是丝材火焰喷涂枪的剖面图，它示出了丝材火焰喷涂的基本原理。喷涂源为喷嘴，金属丝穿过喷嘴中心，通过围绕喷嘴和气罩形成的环形火焰中，金属丝的尖端连续地被加热到其熔点。然后，由通过气罩的压缩空气将其雾化成喷射粒子，依靠空气流加速喷射到基体上，从而熔融的粒子冷却到塑性或半熔化状态，也发生一定程度的氧化。粒子与基体撞击时变平并粘结到基体表面上，随后而来的与基体撞击的粒子也变平并粘结到先前已粘结到基体的粒子上，从而堆积成涂层。丝材的传送靠喷枪中空气涡轮或电动马达旋转，其转速可以调节，以控制送丝速度。采用空气涡轮的喷枪，送丝速度的微调比较困难，而且其速度受压缩空气的影响而难以恒定，但喷枪的质量轻，适用于手工操作；采用电动马达传送丝材的喷涂设备，虽然送丝速度容易调节，也能保持恒定，喷涂自动化程度高，但喷枪笨重，只适用于机械喷涂。在丝材火焰喷枪中，燃气火焰主要用于线材的熔化，适宜于喷涂的金属丝直径一般为～。但有时直径较大的棒材，甚至一些带材亦可喷涂，不过此时须配以特定的喷枪。<2>；粉末火焰喷涂法：它与丝材火焰喷涂的不同之处是喷涂材料不是丝材而是粉末。图3和图4分别为为粉末火焰喷涂装置和原理示意图。图3 粉末火焰喷涂的典型装置图4 粉末火焰喷涂的原理示意图在火焰喷涂中通常使用乙炔和氧组合燃烧而提供热量，也可以用甲基乙炔，丙二烯（MPS），丙烷，氢气或天然气。火焰喷涂可喷涂金属，陶瓷，塑料等材料，应用非常灵活，喷涂设备轻便简单，可移动，价格低于其他喷涂设备，经济型好，是目前喷涂技术中使用较广泛的一种方法。但是，火焰喷涂也存在明显的不足。如喷出的颗粒速度较小，火焰温度较低，涂层的粘结强度及涂层本身的综合强度都比较低，且比其他方法得到的气孔率都。此外，火焰中心为氧化气氛，所以对高熔点材料和易氧化材料，使用时应注意。为了改善火焰喷涂的不足，提高结合强度及涂层密度，可采用将压缩空气或气流加速装置来提高颗粒速度；也可以采用将压缩气流由空气改为惰性气体的办法来降低氧化程度，但这同时也提高了成本。2、爆炸喷涂爆炸喷涂：利用氧气和乙炔气点火燃烧，造成气体膨胀而产生爆炸，释放出热能和冲击波，热能使喷涂粉末熔化，冲击波则使熔融粉末以700～800m/s的速度喷射到工件表面上形成涂层。图5为爆炸喷枪示意图。图5 爆炸喷涂原理图爆炸涂层形成的基本特征，一般认为仍然是高速熔融粒子碰撞基体的结果。爆炸喷涂的最大特点是粒子飞行速度高，动能大，所以爆炸喷涂涂层具有：①涂层和基体的结合强度高，②涂层致密，气孔率很低，③涂层表面加工后粗糙度低，④工件表面温度低。爆炸喷涂可喷涂金属，金属陶瓷及陶瓷材料，但是由于该设备价格高，噪音大，属氧化性气氛等原因，国内外应用还不广泛。目前世界上应用最成功的爆炸喷涂是美国联合碳化物公司林德分公司1955年取得的专利，其设备及工艺参数至今仍然保密。中国于1985年左右，由中国航天工业部航空材料研究所研制成功爆炸喷涂设备,就Co/WC涂层性能来看，喷涂性能与美国联合碳化物公司的水平接近。在爆炸喷涂中，当乙炔含量为45%时，氧-乙炔混合气可产生3140℃的自由燃烧温度，但在爆炸条件下可能超出4200℃，所以绝大多数粉末能够熔化。粉末在高速枪中被输运的长度远大于等离子枪，这也是其粒子速度高的原因。3、超音速喷涂为了与美国碳化物公司的爆炸喷涂抗争，上世纪60年代初期，美国人发明了超音速火焰喷涂技术，称之为Jet-Kote,并于1983年获得美国专利。近些年来，国外超音速火焰喷涂技术发展迅速，许多新型装置出现，在不少领域正在取代传统的等离子喷涂。在国内，武汉材料保护研究所,北京钢铁研究总院，北京钛得新工艺材料有限公司等也在进行这方面研究，并生产出有自己特色的超音速喷涂装置。图6 超音速火焰喷涂枪燃料航空煤油与助燃剂（O2）以一定的比例导入燃烧室内混合，爆炸式燃烧，因燃烧产生的高温气体以高速通过膨胀管获得超音速。同时通入送粉气（Ar或N2），定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃气中，一同射出喷涂于工件上形成涂层。在喷涂机喷嘴出口处产生的焰流速度一般为音速的4倍，即约1520m/s，最高可高达2400m/s（具体与燃烧气体种类，混合比例，流量，粉末质量和粉末流量等有关）。粉末撞击到工件表面的速度估计为550-760m/s，与爆炸喷涂相当。Jet-Kote法之所以能有这么高的速度，关键在于按流体力学的原理合理设计制造了一个喷嘴，称之为Laval管的膨胀管。图7 Laval管由流体力学知：对一维可压缩流体，则有：ds/s=(M²-1）dv/v其中：S―管器截面积；M=v/v声（马赫数）； V－流体速度由式中我们看出：当V>v声，即M>1时，则dv与ds符号相同，即随管道截面积变大（ds为正）时，流体速度也增大。当V<v声，即M<1时，则dv与ds符号相反，即随管器截面积变小（ds为负）时，流体速度亦增大。所以，只要管子设计合理，则流体在速度低时，只要经过足够压缩，即可在管器某一截面（如AB）达到声速，过了这一截面后，将获得超音速。超音速喷涂法具有如下的特点：①粉粒温度较低，氧比较轻（这主要是由于粉末颗粒在高温中停留时间短，在空气中暴露时间短的缘故，所以涂层中含氧化物量较低，化学成分和相的组成具有较强的稳定性），但只适于喷涂金属粉末、Co-Wc粉末以及低熔点TiO2陶瓷粉末；②粉粒运动速度高。③粉粒尺寸小（10～53>；μm）、分布范围窄，否则不能熔化。④涂层结合强度、致密度高，无分层现象。⑤涂层表面粗糙度低。⑥喷涂距离可在较大范围内变动，而不影响喷涂质量。⑦可得到比爆炸喷涂更厚的涂层，残余应力也得到改善。⑧喷涂效率高，操作方便。⑨噪音大（大于120dB），需有隔音和防护装置。 1、电弧喷涂：电弧喷涂：在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧，因电弧产生的热使金属焊丝逐渐熔化，熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成涂层。电弧喷涂按电弧电源可分为直流电弧喷涂和交流电弧喷涂。直流：操作稳定，涂层组织致密，效率高。交流：噪音大。电弧产生的温度与电弧气体介质、电极材料种类及电流有关（如Fe料，电流280安，电弧温度为6100K）。但一般来说，电弧喷涂比火焰喷涂粉末粒子含热量更大一些，粒子飞行速度也较快，因此，熔融粒子打到基体上时，形成局部微冶金结合的可能性要大的多。所以，涂层与基体结合强度较火焰喷涂高～倍，喷涂效率也较高。电弧喷涂还可方便地制造合金涂层或“伪合金”涂层。通过使用两根不同成分的丝材和使用不同进给速度，即可得到不同的合金成分。电弧喷涂与火焰喷涂设备相似，同样具有成本低，一次性投资少，使用也方便等优点。但是，电弧喷涂的明显不足，喷涂材料必须是导电的焊丝，因此只能使用金属，而不能使用陶瓷，限制了电弧喷涂的应用范围。近些年来，为了进一步提高电弧喷涂涂层的性能，国外对设备和工艺进行了较大的改进，公布了不少专利。例如，将甲烷等加入到压缩空气中作为雾化气体，以降低涂层的含氧量。日本还将传统的圆形丝材改成方形，以改善喷涂速率，提高了涂层的结合强度。2、等离子喷涂：等离子喷涂：包括大气等离子喷涂，保护气氛等离子喷涂，真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。<1>；等离子的形成（以N2为例）图8 等离子体发生过程示意图。0°k时，N2分子的两个原子程哑铃形，仅在x,y,z方向上平动；大于10°k时，开始旋转运动；大于10000°k时，原子间产生振动，分子与分子间碰撞，则分子会发生离解变为单原子：N2+Ud——>N+N 其中 Ud为离解能温度再升高，原子会发生电离： N+Ui——>N++e 其中 Ui为电离能气体电离后，在空间不仅有原子，还有正离子和自由电子，这种状态就叫等离子体。等离子体可分为三大类：①高温高压等离子体，电离度100%，温度可达几亿度，用于核聚变的研究；②低温低压等离子体，电离度不足1%，温度仅为50～250度；③高温低压等离子体，约有1%以上的气体被电离，具有几万度的温度。离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于热平衡。热喷涂所利用的正是这类等离子体。<2>；喷涂原理：图9 等粒子喷涂原理等粒子喷涂是利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，与自由电弧项比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。按接电方法不同，等离子弧有三种形式：①非转移弧：指在阴极和喷嘴之间所产生的等离子弧。这种情况正极接在喷嘴上，工件不带电，在阴极和喷嘴的内壁之间产生电弧，工作气体通过阴极和喷嘴之间的电弧而被加热，造成全部或部分电离，然后由喷嘴喷出形成等离子火焰（或叫等离子射流）。等粒子喷涂采用的就是这类等离子弧。②转移弧：电弧离开喷枪转移到被加工零件上的等离子弧。这种情况喷嘴不接电源，工件接正极，电弧飞越喷枪的阴极和阳极（工件）之间，工作气体围绕着电弧送入，然后从喷嘴喷出。等离子切割，等离子弧焊接，等离子弧冶炼使用的是这类等离子弧。③联合弧：非转移弧引燃转移弧并加热金属粉末，转移弧加热工件使其表面产生熔池。这种情况喷嘴，工件均接在正极。等离子喷焊采用这种等离子弧。进行等粒子喷涂时，首先在阴极和阳极（喷嘴）之间产生一直流电弧，该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体，并从喷嘴喷出，形成等离子焰，等离子焰的温度很高，其中心温度可达30000°k，喷嘴出口的温度可达； 15000～20000°k。焰流速度在喷嘴出口处可达1000～2000m/s，但迅衰减。粉末由送粉气送入火焰中被熔化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，喷射到基体材料上形成膜。图10 等离子焰流温度分布<3>；等粒子喷涂设备：等离子喷涂设备主要包括：①喷枪：实际上是一个非转移弧等离子发生器，是最关键的部件，其上集中了整个系统的电，气，粉，水等。②电源：用以供给喷枪直流电。通常为全波硅整流装置。③送粉器：用来贮存喷涂粉末并按工艺要求向喷枪输送粉末的装置。④热交换器：主要用以使喷枪获得有效的冷却，达到使喷嘴延寿的目的。⑤供气系统：包括工作气和送粉气的供给系统。⑥控制框：用于对水，电、气、粉的调节和控制。<4>；等粒子喷涂工艺：在等粒子喷涂过程中，影响涂层质量的工艺参数很多，主要有：①等离子气体：气体的选择原则主要根据是可用性和经济性，N2气便宜，且离子焰热焓高，传热快，利于粉末的加热和熔化，但对于易发生氮化反应的粉末或基体则不可采用。Ar气电离电位较低，等离子弧稳定且易于引燃，弧焰较短，适于小件或薄件的喷涂，此外Ar气还有很好的保护作用，但Ar气的热焓低，价格昂贵。气体流量大小直接影响等离子焰流的热焓和流速，从而影响喷涂效率，涂层气孔率和结合力等。流量过高，则气体会从等离子射流中带走有用的热，并使喷涂粒子的速度升高，减少了喷涂粒子在等离子火焰中的“滞留”时间，导致粒子达不到变形所必要的半熔化或塑性状态，结果是涂层粘接强度、密度和硬度都较差，沉积速率也会显著降低；相反，则会使电弧电压值不适当，并大大降低喷射粒子的速度。极端情况下，会引起喷涂材料过热，造成喷涂材料过度熔化或汽化，引起熔融的粉末粒子在喷嘴或粉末喷口聚集，然后以较大球状沉积到涂层中，形成大的空穴。②电弧的功率：电弧功率太高，电弧温度升高，更多的气体将转变成为等离子体，在大功率、低工作气体流量的情况下，几乎全部工作气体都转变为活性等粒子流，等粒子火焰温度也很高，这可能使一些喷涂材料气化并引起涂层成分改变，喷涂材料的蒸汽在基体与涂层之间或涂层的叠层之间凝聚引起粘接不良。此外还可能使喷嘴和电极烧蚀。而电弧功率太低，则得到部分离子气体和温度较低的等离子火焰，又会引起粒子加热不足，涂层的粘结强度，硬度和沉积效率较低。③供粉：供粉速度必须与输入功率相适应，过大，会出现生粉（未熔化），导致喷涂效率降低；过低，粉末氧化严重，并造成基体过热。送料位置也会影响涂层结构和喷涂效率，一般来说，粉末必须送至焰心才能使粉末获得最好的加热和最高的速度。④喷涂距离和喷涂角：喷枪到工件的距离影响喷涂粒子和基体撞击时的速度和温度，涂层的特征和喷涂材料对喷涂距离很敏感。喷涂距离过大，粉粒的温度和速度均将下降，结合力、气孔、喷涂效率都会明显下降；过小，会使基体温升过高，基体和涂层氧化，影响涂层的结合。在机体温升允许的情况下，喷距适当小些为好。喷涂角：指的是焰流轴线与被喷涂工件表面之间的角度。该角小于45度时，由于“阴影效应”的影响，涂层结构会恶化形成空穴，导致涂层疏松。⑤喷枪与工件的相对运动速度：喷枪的移动速度应保证涂层平坦，不出线喷涂脊背的痕迹。也就是说，每个行程的宽度之间应充分搭叠，在满足上述要求前提下，喷涂操作时，一般采用较高的喷枪移动速度，这样可防止产生局部热点和表面氧化。⑥基体温度控制：较理想的喷涂工件是在喷涂前把工件预热到喷涂过程要达到的温度，然后在喷涂过程中对工件采用喷气冷却的措施，使其保持原来的温度。近几年来，在等离子喷涂的基础上又发展了几种新的等离子喷涂技术，如：3、真空等离子喷涂（又叫低压等离子喷涂）真空等离子喷涂是在气氛可控的，4～40Kpa的密封室内进行喷涂的技术。因为工作气体等离子化后，是在低压气氛中边膨胀体积边喷出的，所以喷流速度是超音速的，而且非常适合于对氧化高度敏感的材料。4、水稳等离子喷涂前面说的等离子喷涂的工作介质都是气体，而这种方法的工作介质不是气而是水，它是一种高功率或高速等离子喷涂的方法，其工作原理是：喷枪内通入高压水流，并在枪筒内壁形成涡流，这时，在枪体后部的阴极和枪体前部的旋转阳极间产生直流电弧，使枪筒内壁表面的一部分蒸发、分解，变成等离子态，产生连续的等离子弧。由于旋转涡流水的聚束作用，其能量密度提高，燃烧稳定，因此，可喷涂高熔点材料，特别是氧化物陶瓷，喷涂效率非常高。 1、电爆喷涂：在线材两端通以瞬间大电流，使线材熔化并发生爆炸。此法专用来喷涂气缸等内表面。2、感应加热喷涂：采用高频涡流把线材加热，然后用高压气体雾化并加速的喷涂方法。3、电容放电加热：利用电容放电把线材加热，然后用高压气体雾化并加速的喷涂方法。 把高密度能量的激光束朝着接近于零件的基体表面的方向直射，基体同时被一个辅助的激光加热器加热，这时，细微的粉末以倾斜的角度被吹送到激光束中。图11 激光喷涂熔化粘结到基体表面，形成了一层薄的表面涂层，与基体之间形成良好的结合（喷涂环境可选择大气气氛或惰性气体气氛，或真空下进行）。