喷雾造粒在热喷涂中的应用研究
程汉池,栗卓新,汤春天
2009全国粉末冶金学术会议
摘要：制备适合热喷涂的粉末是热喷涂技术的一个关键问题，喷雾造粒是一种较成熟的热喷涂粉末制备技术，尤其是大颗粒纳米结构喂料。本文结合热喷涂用粉末的物性要求，探讨喷雾造粒工艺对粉末物性及涂层质量的影响，综述喷雾造粒技术在热喷涂中的应用研究。
关键词：热喷涂粉末，喷雾造粒，粉末物性
1前言
热喷涂作为一种表面改性技术，依据所选材料及喷涂方法的差异，所得涂层具有耐磨损、抗氧化、电导与电阻、抗大气和浸渍腐蚀、耐化学腐蚀、隔热耐高温、恢复尺寸、机件间隙控制等功能。在航空航天、冶金、电力、机械等众多领域应用广泛，近年来得到快速发展。
常用的热喷涂粉末有合金粉末和陶瓷粉末等。此类粉末的制备方法很多，不同制备方法得到的粉末物性差异很大，如用化学共沉淀法、碳酸法、喷雾造粒法制备的PSZ一3Y热喷涂粉末在粒度分布、颗粒形貌和流动性等物性方面有明显差别，而粉末物性对热喷涂工艺和涂层质量将产生显著影响。
通常原始粉末按照颗粒尺寸可分为纳米级(1一lOOnm)、亚微米级(100nm-1um)和微米级(1um以上)，其中纳米级和亚微米级粉末不能直
接用于热喷涂，需要进行粉末颗粒的尺寸增大处理，即通过二次造粒改善粉末物性后用于热喷涂。
热喷涂粉末的二次造粒方式有多种，如用水溶性胶体作粘结剂的普通造粒法，通过热压球磨破碎处理的烧结造粒法等。其中喷雾造粒法是一种先进成熟的方法，具有成本低、适用性广、成分与粒度易于控制的特点，可满足热喷涂粉末对物性的要求。
制备适合热喷涂的大颗粒喂料是热喷涂技术的一个关键问题，本文结合热喷涂工艺对粉末物性的要求，探讨喷雾造粒工艺对粉末物性及涂层质量的影响，并以若干实例综述喷雾造粒技术在热喷涂中的应用。
2热喷涂用粉末物性
热喷涂粉末的优点在于它不受线材成型工艺的限制，生产成本低，来源广，各组分之间可按任何比例调配，使所制涂层具有特殊性。喷涂粉末要满足涂层的成份和性能要求、喷涂工艺要求，因而应具有合适的粉末物性。
粉末物性是制定热喷涂工艺参数的重要依据之一。影响热喷涂工艺的粉末物性主要有粒度大小、形状、分布、比表面积、吸附性、流动性等。热喷涂送粉工序中，热喷涂粉末粒度过小，流动性就差，而导致送粉困难；粒度过大，粉末在高温热流中熔化不完全，对于陶瓷粉末的径向送粉等离子喷涂而言，粒度分布过宽，必然有部分粉末不会充分经过等离子束流高温区，而出现粉末受热不均现象。
2．1粒度
粒度是衡量热喷涂粉末颗粒大小的技术指标，热喷涂粉末粒度大小和范围要合适，才能保证粉末具有合适的松装密度和流动性，为获得高质量涂层做好准备。
热喷涂粉末颗粒一般用目来衡量，超细粉用“m单位来表征。在粉末样品中用正负号和目数来表征粉末的粒度，如一120+300目表示粉末粒度小于120大于300目，目数越大粉末越细。热喷涂粉末应满足一定的粒度要求。用于火焰喷涂的金属粉末一般小于120目，常用的是一180+320目；等离子喷涂的陶瓷粉末粒度一般是一140+320目或一500+300目；适于HVOF的粉末粒度一般在15～53um，较细的粉末粒度也在5-25um，有些HVOF设备可实现10um以下超细粉体的喷涂。
2．2松装比重
松装比重又称松装密度，其物理意义是干粉末自然流入容器后，质量与体积之比，单位是g／cm3。松装比重的大小除了与粉末的成分有密切关系外，还与粉末的形状、表面质量有关。同一种合金粉末，松装比重的数值大一些的质量较好。若松装比重过小，说明粉末颗粒的表面有疏松的氧化层，或粉粒形状不规则。
2．3流动性
流动性是指热喷涂粉末的流动能力，是衡量粉末热喷涂工艺性的重要指标之一。通常采用霍尔流量计(Hallflowmeter)测量粉末流动性，单位是s／509，其物理意义是509的某种粉末流经具有一定孔径的标准漏斗所需要的时间S。流动数值越小说明粉末的流动性越好，流动性好易实现均匀送粉，流动性差容易堵塞送粉通道。
合金粉末的流动性一般较好，约为20-45s／50g。陶瓷粉末流动性一般较差，约为50～120s／50g，有的甚至在霍尔流量计中出现起拱现象，不自流，无流动性，在热喷涂送粉器中通常采用振动或搅拌实现强制送粉。
热喷涂粉末要具有良好的流动能力，以便在送粉通道中顺畅流动与均匀送粉。球形热喷涂粉末是一种新型喷涂粉末，不仅流动性好，而且涂层性能极佳。粉末颗粒的球形性不好、表面氧化和表面吸潮都会降低粉末的流动性，应选择合适的粉末成分和制粉工艺以获得理想的粉末颗粒形貌。
2．4含氧量
对于合金粉而言，含氧量也是一个较重要的物性指标。粉末中所含的氧元素一般是以氧化物的形式存在，这是由于热喷涂粉末在制造过程中，金属元素不可避免地受到轻微的氧化。氧化愈严重，含氧量愈高。热喷涂粉末中所含氧化物是有害成分，导致涂层中产生气孔、夹杂。对含氧量要严格限制。合金粉末的含氧量一般小于0．2％。
3 喷雾造粒
3．1工作原理
喷雾造粒是把液体或溶液通过喷嘴液化成雾滴，再通过干燥或冷却制备颗粒材料的造粒技术。在喷雾时，液态进料(液体、胶质液、膏状物、乳化液、泥浆液或熔融物)弥散在气体中通过热量传递或质量传递(或者两个传递过程同时进行)而生成固体颗粒。颗粒生成的机理包括液态进料形成小滴而硬化成固体颗粒、液料沉敷在已有的粒核表面而形成固体颗粒、许多小粒子在喷入的粘结剂作用下粘聚在一起而形成团粒等翻。雾化颗粒呈球形或椭球形。用于热喷涂粉末造粒的喷雾技术主要有喷雾干燥法、熔融喷雾冷却法、喷雾热分解法。典型喷雾造粒原理、结构简图(图1、2)和工艺流程(图3)如下。(图略)
3．2工艺参数
如上所示，喷雾造粒过程可分为喷雾过程、雾气接触过程、干燥或冷却过程和产品收集过程。喷雾造粒设备可分为喷雾装置、干燥器或惰气冷却装置、产品收集装置及气体清洁装置。喷雾装置是控制雾滴尺寸的关键，主要有4种类型：旋转喷嘴、高压喷嘴、气动喷嘴和超声波喷嘴。不同喷嘴形成的雾滴尺寸数据见表1。表略
喷雾雾滴尺寸及产品尺寸不仅与喷嘴类型有关，还与溶液性质如溶液粘度、浓度、表面张力、进气温度、压力有关。
参考文献 略
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