热喷涂技术现状与发展
吴涛，朱流，郦剑
国外金属热处理
引：热喷涂技术是通过某种热源将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态,然后喷射到被涂敷的基体表面,形成一层性能优于原基体材料的涂层,从而使工件具有更加优异的表面性能,或者使工件获得具有一种或几种原基体材料所不具备之表面性能的膜状组织。热喷涂技术作为表面工程的一个重要组成部分,随着工业和科技的发展,应用愈益广泛,同时也对热喷涂技术提出了越来越高的要求。这使得已有的热喷涂工艺不断得到改进,并且一些新的工艺也应运而生。
摘 要：介绍了爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、超音速等离子弧喷涂、冷喷涂等喷涂技术的原理、特点等,并介绍了热喷涂的应用及发展趋势。
关键词：热喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/，原理，应用，热喷涂粉末，等离子喷涂
1 热喷涂方法
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,后者包括电弧喷涂及等离子喷涂。近年来,随着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,又相继开发了爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、超音速等离子弧喷涂和冷喷涂[1]等工艺。本文主要介绍一些较新的热喷涂方法。
1.1 爆炸喷涂
1·1·1 爆炸喷涂的发展
气体爆炸喷涂最早是由美国联合碳化物公司利德分公司发明的,当时简称为D-GUN,并于1952年3月申请专利,1965年公开报道[2~4]。前苏联乌克兰科学院材料研究所于1968年公开发表关于气体爆炸喷涂的文章。气体爆炸喷涂自问世以来,一直属于保密内容。1970年,航天部六二一所研制成功了爆炸喷涂设备,但由于性能相差较大,故目前国内的爆炸喷涂设备大多是从乌克兰和俄罗斯引进的[5]。
1·1·2 爆炸喷涂的原理
爆炸喷涂是利用气体爆炸产生的高能量,将喷涂粉末加热、加速,使粉末颗粒以较高的温度和速度轰击工件表面而形成涂层。喷涂时,先将一定压力、比例的氧气和乙炔由进气口通入水冷喷枪内腔,然后由供粉口送入粉末,接着火花塞点火,氧和乙炔的混合气体燃烧并爆炸,产生高温高速气流,将粉末加热,并以高速(超过音速约3倍)撞击到基材表面,形成涂层,然后通入氮气清理枪管,为下一次喷涂做准备。如此重复进行[6、7]。图1为爆炸喷涂实验装置示意图[8]:
1·1·3 爆炸喷涂的特点
爆炸喷涂时,粉末温度可以达到4 000℃,同时粉末颗粒以极高的速度撞向基体,因此爆炸喷涂与其它喷涂工艺相比有很多优点[9]:①爆炸喷涂涂层结合强度高、致密、孔隙率低。喷涂时,由于粉末颗粒迅速被加热、加速,半熔粉末对基体的撞击力大,所以涂层结合强度高,喷涂陶瓷粉末可达70 MPa,喷涂金属陶瓷粉末可达175 MPa,涂层致密,孔隙率<2%。②工件热损伤小。爆炸喷涂是脉冲式喷涂,热气流对工件表面作用时间短,因而工件的温升不高于200℃,不会造成工件变形和组织变化。③涂层均匀、厚度易控制。爆炸喷涂每次喷涂形成的涂层厚度约为0·006 mm,所以涂层的厚度均匀、易控制,工件加工余量小。④涂层硬度高、耐磨性好。涂层材料相同时,爆炸喷涂形成的涂层硬度更高、耐磨性更好,硬质合金涂层硬度可达1 100 HV[10]。⑤爆炸喷涂可用微机控制,易于实现自动化。然而,爆炸喷涂也存在着一些缺点:①产生的噪音大(高达180 dB),需要在专用的隔音间中进行,由设在隔音室外的微机控制。此外,喷涂时产生粉末飞散现象,使爆炸喷涂的使用受到一定的限制。②爆炸喷涂频率为2~10次/s,效率较低。③爆炸喷涂的喷涂粉末从喷枪中喷出,只能以直线行进,故受基材形状限制较大,对于形状复杂的工件很难喷涂。
1.2 超音速火焰喷涂
1·2·1 超音速火焰喷涂的发展
超音速火焰喷涂(High Velocity Oxy fuel,简称HVOF)是20世纪80年代初在普通火焰喷涂的基础上发展起来的一种新型热喷涂技术。被称为Jet_Kote的世界上第1台超音速火焰喷涂系统是由美国Browning Engineering Co.于1982年发明制造的[11]。
1·2·2 超音速火焰喷涂的原理
以Jet_Kote为例,HVOF的基本原理如图2所示:通过接口氧气与可燃性气体(如氢气、丙烷或丙烯等)在燃烧室混合并点燃,剧烈膨胀的气体受水冷喷嘴的约束形成超音速高温火焰流,粉末由氮气经粉末送入口送到燃烧室中心的粉末通道,经火焰流加速可以达到超音速,然后以极高的速度喷射到基体表面。在HVOF技术中,喷枪是产生稳定的高速火焰的必要保证,是保证涂层质量的关键。HVOF喷枪主要由三部分组成:供空气与燃料混合后燃烧的燃烧室,将焰流加速到超音速的Laval喷嘴和使喷涂材料粒子得到充分加热、加速的等截面长喷管。
1·2·3 超音速火焰喷涂的特点
HVOF喷涂由于具有较高的加热温度和超音速的喷射速度,因此和爆炸喷涂一样有高的结合强度,低的孔隙率,高的硬度,超细的组织,高的耐磨性以及光滑的表面。同时,HVOF喷涂又有其特点:①粉末颗粒在火焰流形成后加入,粉末氧化少,与基体的粘接性好。②粉末颗粒在高温中停留时间短,粉末化学成分变化和相转变少。③HVOF可以进行连续喷涂,工作效率高。但是,HVOF也存在不足,在喷涂过程中枪管很容易堵塞。
1.3 超音速等离子弧喷涂
1·3·1 超音速等离子弧喷涂的发展
超音速等离子弧喷涂是1986年Browning Engineering公司继HVOF喷涂之后推出的又一项新技术,该技术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优点。
1·3·2 超音速等离子弧喷涂的原理
超音速等离子弧喷涂的基本原理见图3:主气(氩气)流量较少地由后枪体输入,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,从喷嘴射出稳定的、集聚的超音速等离子射流,喷涂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。
1·3·2 超音速等离子弧喷涂的特点
超音速等离子弧喷涂与爆炸喷涂及HVOF喷涂相比,其主要特点在于具有极高的热源温度(等离子弧温度高达16 000℃)和功率,因此能够在短时间内将陶瓷粉末加热到其熔点以上,得到高质量的涂层。
1.4 冷喷涂
1·4·1 冷喷涂的发展
上世纪80年代中期前苏联科学院西伯利亚分部理论和应用机械研究所的科学家,在用示踪粒子进行超音速风洞试验时,发现当用作测速的示踪金属颗粒的速度超过某一临界值时,即发生粒子不断在基体靶材表面沉积的现象。思路开阔的科学家萌发了由固态粒子沉积涂层的方法,由此在1990提出了冷喷涂的概念。
1·4·2 冷喷涂的原理
冷喷涂全名冷空气动力喷涂法(CGDS: Cold Gas Dynamic Spray)。是指当具有一定塑性的高速固态粒子与基体碰撞后,经过强烈的塑性变形而发生沉积形成涂层的方法。试验发现,要使高速固态粒子在基体表面沉积,粒子的速度需要超过某一临界值,该临界速度与金属材料种类有关,一般认为在400~500 m/s。与热喷涂技术相比,冷喷涂中的粒子属于低温而高速,低温指粒子的温度一般远低于材料的熔点,即以完全固态碰撞基体表面,而传统的热喷涂需要粒子在完全熔化状态,或在半熔化的液固两相状态下沉积涂层;高速则指粒子速度一般达到500~1 000 m/s的状态。因此,冷喷涂实际上可以认为是粒子温度与速度分别向低温与高速进一步拓展而发展起来的新型热喷涂方法。冷喷涂的工作原理如图4所示:
1·4·3 冷喷涂的特点
冷喷涂作为新型涂层制备工艺,其主要特点源于粒子的低温。由于一般冷喷涂采用的加速气流的温度低于600℃,并且粒子速度非常快,因此,可以避免粒子在加速与加热过程中发生的物理化学反应,如避免金属材料喷涂过程中的氧化,获得成分纯净的涂层;对于受热后发生分解的材料可以避免分解;采用亚稳态结构的材料如纳米结构材料制备涂层时,可避免晶粒的长大而将材料本身的结构移植到涂层。由于材料在喷涂过程中不发生显著的物理化学变化,材料可以回收再利用。其次,由于高速粒子经过剧烈塑性变形实现沉积,涂层组织致密,并在涂层产生较大的压应力,可以制备厚涂层。因此,该方法对于制备成分与组织结构控制要求较高的金属涂层具有很大的潜力。
冷喷涂的主要缺点是适用于喷涂的粒子直径范围比较小。
1.5 激光熔覆
1·5·1 激光熔覆的发展
早在上世纪70年代末,美国AVCO公司就汽车发动机许多易磨损件进行了激光熔覆技术的研究,而后英国的Rolls_Royco公司用激光熔覆技术解决了燃气轮机叶片的磨损问题。大功率激光器和宽带扫描装置的出现,带动了激光熔覆技术的迅猛发展。在各类激光束处理中,激光熔覆是一种新的涂层表面改性技术,可以在低性能廉价钢材上制备出高性能的合金钢表面,以降低材料成本,节约贵重稀有的金属材料,降低能源消耗,提高金属零件的使用寿命。我国激光熔覆技术的研究始于上世纪80年代初,近年来研究工作十分活跃,由于这一新技术具有巨大的发展潜力,并能产生较大的经济效益,因此,世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。
1·5·2 激光熔覆技术的原理
激光熔覆技术的实质就是将具有特殊性能(如耐磨、耐蚀、抗氧化等)的粉末先喷涂在金属表面上或同激光束同步送粉,然后使其在激光束作用下迅速熔化、扩展及快速凝固,在基材表面上形成致密的冶金结合层的一种表面改性技术。以同步送粉法为例,其实验装置如下图所示:
1·5·3 激光熔覆技术的特点
1)激光熔覆的冷却速度极快,发生非平衡凝固,熔覆层的组织细小,合金元素过饱和固溶度高。
2)激光熔覆层与基底冶金结合,结合强度高,基底对涂层的稀释率低。
3)可通过混合不同的熔覆材料进行涂层成分设计,得到不同性能的涂层。
4)可在低熔点的金属表面熔覆高熔点的合金及陶瓷涂层。
5)局部表层快速加热对基底或工件的热影响区小,基底或工件的热畸变小。
6)熔覆层的厚度可控,并可进行选区熔覆。
2 热喷涂技术的应用
由于热喷涂技术能延长零部件的使用寿命,可以节约大量的贵重材料和加工工时,其设备投资少、效率高、操作简便,而且涂层具有各种特殊性能,所以越来越引起人们的重视,目前已广泛应用于军事、航天以及国民经济的各个部门。
1)在机械工业中的应用
由于在机械装备中应用的材料大多为钢材,所以做好防腐工程和提高机械零件的耐磨性能非常重要。实践证明,使用热喷涂技术可以收到很好的效果[14]。长江葛州坝过船闸闸门、江苏淮阴地区三河闸闸门、山东德州地区官家闸闸门和北京三家店拱河闸闸门从1996年开始采用电弧火焰喷涂涂层防护,自此改变了每2~3年必须大修的状况,并节约维修时间60天/次,增加通航船400~500艘/年,至今仍使用正常。胜利油田将其大型贮油罐(表面积800 m2)的表面喷涂A1涂层,获得了较好的抗海洋及大气腐蚀的效果。上海喷涂机械厂用等离子喷涂对机床进行维修,使机床寿命提高了1~2倍。
2)航天工业上的应用
在航天发动机上现已大量采用热喷涂涂层,以解决磨损、风蚀、热保护和间隙调整等问题。例如,过去最早报道过的JT9D,就有600多处使用了热喷涂涂层[15]。目前,甚至有的新型发动机中,有1 000~3 000个零件采用了热喷涂技术。
3)在生物医学工程上的应用
热喷涂在生物医学工程方面的应用已逐渐成熟,如在钛合金(TC4)人工关节(髋关节、膝、肩关节及骨盆等)表面上喷涂陶瓷涂层,既解决了金属材料在人体生物液中易产生腐蚀的问题,又解决了陶瓷材料在单独成型时易产生的脆弱问题。热喷涂使陶瓷与关节金属之间具有一定的结合强度,使表面具有耐磨性好、化学性稳定、生物相容性好、有利于骨质细胞的长入,同时也改变了传统手术中采用骨水泥来固定的情况,现已为全国各大医院所采用。
3 热喷涂技术的发展方向
1)开发新型喷涂材料
近年来,在材料科学与工程领域,纳米材料成为热点。在热喷涂领域的纳米喷涂材料和纳米结构涂层也有了发展[16、17],但是大部分尚处于实验室研究阶段,投入生产尚需时日。
2)重视热喷涂技术的理论研究
热喷涂技术是一个涉及多学科,如金属学、陶瓷学、高分子科学、表面物理学、表面化学、流体力学、传热学、等离子物理学等学科的边缘科学,又是一项适用性很强的基础工艺。它受高温、高速、非均匀性等多参数的影响,影响因素多而复杂。因此,给热喷涂技术基础理论的研究带来了很大困难。针对这种情况,世界各国均十分重视热喷涂技术的理论研究。目前,对热喷涂技术的研究正从实验性工艺技术向着有坚实理论的基础工艺发展。
3)开发热喷涂技术应用的新领域
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。例如,热喷涂与热处理工艺相结合出现了炉内烧结重熔和高频感应重熔涂渗工艺,与电镀工艺相结合产生了镀涂工艺和涂镀工艺,与铸造工艺相结合出现了烧结喷熔和电火花烧结工艺等。采用新的能源,出现了激光重溶和电子束重熔等[18]。由此可见,热喷涂技术应用的新领域有待于进一步进行探索和开发。
4)大力推进计算机在热喷涂工艺中的应用
目前,热喷涂技术基本上还处于工艺性的阶段,涂层质量主要依靠经验和严格的规程来保证。但是,计算机技术的应用,正在迅速改变热喷涂技术的这种状况。预计在未来的10年里,在热喷涂材料和工艺继续发展的同时,热喷涂设备和工艺将普遍实现自动化操作,小型计算机的自动化设备将普遍得到应用,并出现许多大型的计算机集中控制和机器人操作的无人化热喷涂车间及自动化生产线。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,都可能出现重大的突破,从而使热喷涂技术发生质的飞跃,使这种工艺性的技术发展成为比较成熟的基础工艺科学。
图略
参考文献略
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