摘要 涂覆技术是复合材料领域的研究热点,总结了现有的涂层制备技术,并在现有技术基础上提出了一种制备板-粉双层复合材料的新工艺爆炸压涂。爆炸压涂利用炸药爆轰产生的高压驱动金属板高速撞击涂层粉末,使粉末在得到压实的同时牢固地附着在金属板表面形成涂层。详细阐述了爆炸压涂的原理及实施方法,分析了爆炸压涂技术在涂层制备方面的优缺点,最后论述与展望了爆炸压涂的研究方向及及应用前景。
关键词 复合材料 涂层制备 爆炸加工 爆炸压涂
0 引言
板-粉双层复合材料一般是以金属板材为基体、以金属或陶瓷粉末为涂层构成的具有特殊性能的双层复合材料。在金属板材表面制备涂层可以在保留基体材料原有特性的同时,赋予材料耐磨、耐热、耐腐蚀、软磁、吸波等特性。比如在铜基体表面涂覆钨粉,在保留了铜基体良好的导电、导热特性的同时,还极大地提高了铜材的耐磨性[1,2]。另外涂层制备技术还可以将难以形成大型块体,只能呈粉末、薄片、细丝状的纳米、非晶材料涂覆在大块基体的表面,极大地扩展了纳米、非晶材料的应用领域[3]。由于可用作涂层的粉末材料种类繁多,而且可以通过调节粉末配比来调整涂层的性能,因此板-粉双层复合材料具有十分广阔的应用前景,可以满足当前石化、电子、电力、汽车、造船、航空航天等领域的特殊需求,在现代工业中具有十分重要的价值和意义[4]。
目前,板-粉双层复合材料的涂层制备技术主要有热喷涂、冷喷涂、激光熔覆等。本文对现有涂层制备技术进行了总结,并在现有爆炸加工技术的基础上提出了一种制备涂层的新技术)))爆炸压涂。对爆炸压涂技术进行了详细的介绍,论证了其可行性及应用前景。
1 现有涂层制备技术
1.1 热喷涂
热喷涂在现有涂层制备技术中工艺最成熟、应用最广泛,其主要包括火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂和爆炸喷涂等。热喷涂技术的原理是利用热源将粉末或细丝加热到熔融态或高塑性状态,在外加气体(一般为惰性气体)或焰流自身的推力下,雾化并高速喷射到基体表面,涂层材料的粒子与基体发生猛烈碰撞而变形、展平沉积于基体表面,同时急冷而快速凝固,颗粒逐层沉积形成涂层[5,6]。热喷涂的优点为[7]:(1)可以在各种基体上制备各种材质的涂层,包括金属、陶瓷、工程塑料、玻璃等。(2)操作灵活,可以喷涂各种规格和形状的基体。(3)涂层厚度范围宽,从几十微米到几毫米的涂层都能制备,而且容易控制。(4)喷涂效率较高,每小时可以喷涂几千克到几十千克。热喷涂的缺点为[8]:(1)孔隙率较高。热喷涂涂层的形成过程决定了涂层的结构特点,喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构,涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地存在一些孔隙和空洞。(2)涂层含氧化物杂质。热喷涂时粒子成熔融或半熔融态,很容易发生氧化,因此涂层中多含有氧化物杂质。(3)涂层晶粒尺寸增大。粉末要加热到熔融态,晶粒会变粗大。目前热喷涂已被用于陶瓷涂层[9]、非晶涂层[10,11]、纳米涂层[12,13]等的制备,还可用于磨损后零件的修复[14-16]。
1.2 冷喷涂
冷气动力喷涂技术简称冷喷涂技术,是指在常温或较低温度(不足以改变涂层粉末的晶相)下,利用高压气体在缩放喷嘴中形成的超音速气、固两相气流将涂层粉末击射到基板表面,在远低于喷涂材料熔点的温度下撞击基体,发生剧烈的塑性变形而形成涂层[17]。由于冷喷涂的温度较低,没有过多热量传到基板,克服了基体的高温变形,可加工非耐热或有限耐热基体工件。冷喷涂时晶粒不会长大,产生的涂层性能接近于初始涂层粉末材料性能。另外冷喷涂时未粘附的粉末变形较小,回收方便可再次利用,节约了喷涂成本。冷喷涂的不足是适合冷喷涂的粉末颗粒直径范围小,而且要具有一定的塑性[18]。
1.3 激光熔覆
激光熔覆技术是采用高能激光束在金属表面熔覆一层硬度高、热稳定性好、与基体形成冶金结合的复合涂层的工艺[19]。激光熔覆的优点为[20]:(1)激光加热迅速,基体温升很小,对基体的热影响小,基体的变形小。(2)激光能量便于控制,可以最大程度地保持覆层材料的优异性能。(3)激光器操作灵活,可以对基体进行选区熔覆。(4)适用范围广,几乎所有的金属或陶瓷材料都能激光熔覆到任何合金上。该技术的缺点是生产效率低,不适合制备大面积涂层,激光器设备昂贵,加工成本较高。
2 爆炸压涂技术
爆炸压涂是利用炸药爆轰产生的高压驱动金属板高速撞击涂层粉末,使粉末在得到压实的同时牢固地附着在金属板表面,制备板-粉双层复合材料的加工工艺。爆炸压涂与上述涂覆技术有着本质上的不同,现有涂覆技术一般是粉末高速运动撞击基体形成涂层,而爆炸压涂是粉末静止不动,基体高速运动撞击粉末实现涂覆。另外现有的涂覆技术都需要专用设备,如喷涂机、激光器等,而爆炸压涂不需要任何专用设备[21]。
爆炸压涂是在粉末爆炸压实技术基础上提出的。采用圆管法进行爆炸压实试验时,圆管内的粉末不但被压实,而且与外面的钢管牢固地结合在一起,这为爆炸压涂技术提供了实验基础。爆炸压涂是爆炸压实、爆炸焊接和爆炸喷涂技术的结合。爆炸压涂实验装置(如图1所示)与爆炸焊接的装置较为相似。金属板在炸药爆轰驱动下向下高速运动,经过一段距离的加速后撞击下方粉末,粉末在得到压实的同时与金属板产生牢固的结合,在金属板表面形成致密、均匀的粉末涂层。爆炸压涂过程可以分为4个阶段:(1)炸药爆轰。
金属板上表面平铺的炸药由雷管起爆后,随着爆轰波的传播炸药依次爆轰,形成高温、高压的爆轰产物。(2)金属板飞行。高速膨胀的爆轰产物驱动金属板向下加速飞行,板与粉末之间的间隔距离可以调节金属板的加速时间,金属板的飞行速度最高可达8000m/s。(3)板粉结合。金属板下表面与粉末接触时,高速撞击产生的高压超过了金属板和粉末材料的动态屈服强度,金属板表层和粉末上层颗粒发生绝热剪切变形,局部熔化凝固后在板-粉交界面形成了牢固的结合。(4)粉末压实。在金属板与粉末结合的同时,金属板的高速撞击在粉末中产生了高压冲击波,在冲击波的作用下粉末颗粒之间相互碰撞、挤压、摩擦,颗粒表层熔化凝固后消除了粉末颗粒间的孔隙,使粉末结合在一起,形成了致密的粉末涂层。
爆炸压涂虽然是3项爆炸加工技术的结合,但又与三者有着本质上的不同:爆炸焊接是板与板之间的结合[22,23],而爆炸压涂是板与粉末之间的结合;爆炸压实是使粉末结合成块体材料,主要关心粉末的压实密度[24,25],而爆炸压涂不但使粉末得到压实,还要实现粉末与金属板基体的结合;爆炸喷涂是驱动粉末高速运动,而爆炸压涂是粉末静止,驱动金属板高速运动。另外爆炸喷涂需要专用设备,1次只能在金属板表面形成小面积(几平方厘米)的薄涂层(厚度几十微米)[26,27]。而爆炸压涂不需专用设备,可以一次性形成大面积(几平方米)的厚涂层(厚度几毫米)。由此可见,爆炸压涂确实是一项全新的爆炸加工技术。
3 爆炸压涂技术的特点
爆炸压涂作为一项新兴的爆炸加工技术,在制备板-粉双层复合材料方面具有以下优点。
(1)由于炸药能够驱动大面积金属板高速运动,所以爆炸压涂可以一次性地制备大面积板-粉双层复合材料,生产效率高。
(2)爆炸压涂不需要专用设备,工艺简单,操作方便,生产成本较低。而且根据材料性能的不同,可以很方便地调整爆速、炸药厚度、间隙、粉末厚度等主要工艺参数,具有很好的灵活性。
(3)金属板速度可以在500~8000m/s范围内调整,最高可以产生几十吉帕的压力,所以爆炸压涂技术几乎可以将任何塑性或脆性粉末材料制备成致密的涂层。
(4)粉末中传播的冲击波压力较高,可以将松散粉末压实到接近100%的理论密度,因此涂层中的孔隙率很低,涂层致密质量好。
(5)爆炸压涂在常温下进行,爆轰的瞬时性使得爆炸压涂过程只有几毫秒,粉末颗粒表层熔化后能够急速冷却下来,这种快熔快冷性可以避免粉末发生氧化、晶化或晶粒长大,可以显著减少粉末中氧化物杂质的形成,更重要的是非常适合制备非晶或纳米涂层。
爆炸压涂的缺点是噪音大,自动化程度低,另外压涂基体只能为塑性板状材料,不能进行选区喷涂。
4 结语
作为一项新兴的爆炸加工技术,爆炸压涂与现有的涂层制备技术相比,具有低温、快熔快冷等优点,非常适合制备大面积的非晶、纳米涂层。爆炸压涂的研究工作应该从新材料制备和压涂机理2方面展开。新材料研究方面,应该利用爆炸压涂的特点来制备具有耐磨、耐腐蚀、耐高温、软磁或吸波等优异性能的新型复合材料,特别是制备现有常规技术难以获得的、具有极高要求的热障材料、吸波材料等。压涂机理研究应该从炸药驱动飞板运动规律、粉末的中高压状态方程、塑性颗粒绝热剪切变形等方面展开。随着研究的深入与技术的成熟,爆炸压涂技术有望制备出性能更为优异的板-粉双层复合材料。
参考文献略
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