一种基于离心雾化的新型热喷涂技术
朱有利，李占明，叶雄林，杜晓坤
装甲兵工程学院学报
引言：机械设备内孔零部件的腐蚀与磨损是影响其使用寿命和可靠性的重要原因。采用热喷涂技术在零部件表面沉积防腐和耐磨涂层是解决零部件腐蚀和磨损的十分有效的手段之一。但是，对于直径较小的内孔零部件来说，利用现有的各种热喷涂技术(如超音速火焰喷涂、等离子喷涂和电弧喷涂等)在其内表面上喷涂有效的涂层是十分困难的，这主要是因为现有的各种热喷涂喷枪尺寸较大，不易置人内孔工作，另外对于靠焰流或雾化气流对熔融粒子进行雾化和加速的各种喷涂技术来说，必须有足够的喷涂距离以保证粒子得到充分地加速。对于电弧和超音速火焰喷涂来说，喷涂距离一般在200mm以上。因此，采用现有的热喷涂技术对直径小于300mm的内孔零部件进行有效喷涂是十分困难的。即使对于深度较浅的内孔，由于不能保证正常的喷涂角度，也无法得到有效的涂层。解决这一问题的唯一途径是发展可靠的内孔热喷涂技术。
国外在上世纪90年代初开始研究该技术，其主要应用领域之一就是车辆和舰船发动机气缸/缸套内壁的热喷涂。比如，瑞士Sulze:Meteo公司已开发了旋转等离子内孔热喷涂技术，采用该技术可以在铝合金气缸内壁上直接喷涂金属、陶瓷和复合材料涂层。美国sandia国家实验室正在与通用汽车公司合作开发用于在发动机铝合金缸体上直接采用旋转热喷涂技术沉积铸铁涂层的技术，以期取代在气缸内孔上加装铸铁缸套和进行磨损缸套内壁的尺寸恢复技术。以上研究充分表明了开展该项技术研究的重要性和可行性。但是由于现有的几种内孔喷涂设备价格昂贵，且工艺复杂，很难在国内推广应用。基于以上考虑，笔者研究开发了离心雾化转移弧等离子喷涂技术，并对涂层性能进行了初步的分析研究。
摘要:研究开发了一种新型的热喷涂技术—离心雾化转移弧等离子喷涂技术(CAPAS)，阐述了该技术工作原理、设备以及熔融粒子的离心雾化机理。观察了采用该技术所制备的涂层微观组织结构，通过能谱仪对该涂层的成分进行了分析，并与传统的电弧喷涂涂层进行了比较。结果表明，采用CAPTAS技术制备的涂层具有和传统电弧喷涂涂层类似的扁平化层状结构，但粒子大、变形小、氧化物含量低。
关键词:离心雾化;转移弧;等离子;喷涂;涂层
1试验原理及设备
1.1试验原理
离心雾化转移弧等离子喷涂技术是在对旋转电极制粉技术和现有的内孔热喷涂技术进行深人研究的基础上，研制开发的一种全新的喷涂内孔零部件的方法。该技术的工作原理如图l所示。采用离心雾化转移弧等离子喷涂技术喷涂时，将喷涂材料制成棒材并作为消耗电极使用，由高速电机带动消耗电极高速旋转，并将消耗电极接电源的阳极，将非消耗电极接等离子电源的阴极，在消耗电极高速旋转的同时，利用它和非消耗电极之间产生的转移型等离子电弧将消耗电极的端部熔化，熔化的合金液滴在离心力的作用下，立即被高速甩出并发生雾化。雾化粒子在离心力加速的作用下高速喷射到工件表面，粒子到达工件表面后迅速扁平化并沉积在工件上。喷涂时，进给机构控制工件实现往复运动并且移动非消耗电极使之和消耗电极保持一定的距离，雾化粒子便可连续的沉积到工件内表面而形成涂层。相对于其它一些内孔喷涂技术，这种离心雾化转移弧等离子喷涂技术采用等离子电弧熔化系统和高速旋转机构，工艺成本低，而且喷涂孔径范围广，特别适用于小孔径的内孔喷涂。
1.2试验设备
离心雾化转移弧等离子喷涂技术所用设备主要包括如下几部分:等离子电弧熔化系统、消耗电极、高速旋转系统、冷却系统、控制系统。高速旋转系统主要由高速电机和专用夹具机构组成，通过高速电机带动消耗电极旋转产生离心力将熔化的金属甩出并雾化成微细的熔滴。高速电机旋转速度可以达到20000r/min。高速电机的速度通过变频器进行控制，实现不同速度的转换。
1.3离心雾化原理
在普通电弧喷涂中，作为衡量热喷涂工艺优劣的重要特征参数的粒子速度和雾化特性直接影响涂层的组织结构和性能。一般来说粒子速度越高涂层的结合强度越高、涂层孔隙率越低。因此希望粒子能够获得尽可能高的飞行速度。普通电弧喷涂的雾化模式为气流雾化;而离心电弧喷涂粒子的雾化模式为离心雾化，离心雾化转移弧等离子喷涂技术的粒子速度和雾化特性不同于普通电弧喷涂，因此研究其粒子速度和雾化特性，对于正确制定喷涂工艺、改善和控制涂层质量具有指导意义。
离心雾化转移弧等离子喷涂技术中粒子的雾化过程如图2所示，其雾化机制可简单的描述为:高速旋转的消耗电极端部在同轴的等离子电弧热源的作用下熔化，熔化的金属液体在离心力的作用下向消耗电极边缘移动，在消耗电极的边沿形成液膜，同时液膜的表面张力又阻碍它飞离消耗电极外缘，从而在消耗电极棒端面外缘形成一个环状液膜。随着不断熔化液体流人液膜上数量的增加，最后形成“蟒鲜状”液滴，液滴随着自身质量的增加，作用在其上的离心力也加大，如果离心力没有超出表面张力值，液滴就不能转变为球形并脱离消耗电极边缘，当表面张力与离心力相等时，具备了形成球形液滴的临界条件。
液膜在表面张力及离心力的综合作用下形成碎片，进而粉碎成微小的近似球形的颗粒。雾化粒子高速撞击到工件的表面形成涂层。离心雾化时液滴的理论直径d可由液滴的表面张力和离心力之间的平衡关系推出，液滴的初速度。就是液滴离开电极时的线速度:高速电弧喷涂:试验所使用的喷涂设备为CMD一AS一000型电弧喷涂系统和HAS毛2型高速电弧喷涂枪。喷涂电弧电压为34v、电流为160A。基体材料为45钢，喷涂前基体表面经喷砂预处理。喷涂材料为直径3mm的3crl3丝材。
2.2涂层制备及表征
制备完涂层后，从喷涂层试样上切割10*10*5mm的小块制备涂层截面金相试样，为便于测量，涂层厚度控制在0.5mm左右。对试样的横断面进行金相抛光处理，然后用Quanta200型扫描电子显微镜(SEM)观察涂层的显微形貌，用TRACORNorthern型能谱仪(EDAX)测定涂层中氧化物含量。
可知，低的熔化速率、高的旋转速度及大的消耗电极有利于获得细小的粒子。提高转速和增大消耗电极直径有利于提高粒子速度，显然，不同于传统的热喷涂技术，在离心雾化喷涂中，粒子速度的大小与粒子直径无关。
2试验材料及方法
2.1试验材料
离心雾化转移弧等离子喷涂系统:试验所用设备为装甲兵工程学院研制的CAPTAS一I型离心雾化转移弧等离子喷涂系统。喷涂电压l00v，电流140A，等离子气体为N2，气压0.65Mpa，旋转速度S000r/min。基体材料选厚度为8mm，内径为150mm的45钢圆筒。喷涂前，用24目棕刚玉喷砂对基体表面进行粗化处理。喷涂材料是直径为35mm的3Crl3棒材。
3结果及讨论
3.1涂层显微组织结构
通过扫描电镜对离心雾化转移弧等离子喷涂涂层和普通电弧喷涂涂层进行了观察(见图3)，可以看出与普通电弧相比，离心雾化转移弧等离子喷涂涂层致密，呈现出典型的热喷涂涂层层状结构。涂层无粗大孔隙和未变形金属颗粒。离心雾化转移弧等离子喷涂涂层的扁平化粒子尺寸明显大于普通电弧喷涂涂层，而且变形和飞溅现象较轻，这是由于离心雾化转移弧等离子喷涂中所产生的熔融粒子的尺寸较大，粒子飞行速度较低的原因造成的。粒子的大小与非消耗电极的旋转速度有着直接的关系，显然，通过进一步提高非消耗电极的旋转速度可以减小粒子的尺寸。但是，在基于离心雾化的喷涂工艺中，通过公式(2)可以看出，粒子尺寸对其飞行速度的影响与普通热喷涂工艺不同。在普通电弧喷涂中，常常通过改善雾化减小粒子直径，以提高粒子速度;而在离心雾化转移弧等离子喷涂中，粒子大小与速度无关。
3.2涂层氧化物含量
通过能谱仪对该涂层的成分进行了分析，通过对涂层的不同横截面进行面扫描，其能谱图及各主要元素的含量如图4和表1所示。结果表明，离心雾化转移弧等离子喷涂涂层中的氧含量为3.82%，而普通电弧喷涂涂层中氧的含量为12.91%，可见离心雾化转移弧等离子喷涂中氧化物含量明显低于传统电弧喷涂，其主要原因是:NZ作为等离子气体的保护作用;喷涂距离小，熔融粒子大，被氧化的时间短。
3.3可消耗电极熔化后的端部形貌
图5是离心雾化转移弧等离子喷涂消耗电极端部形貌照片，可以看出随着电流的增大，熔池逐渐变大，提高电流就会显著提高电极端部的熔化速率，提高喷涂效率;增加消耗电极的旋转速度，在熔融粒子固化前脱离消耗电极，提高粒子速度有着直接关系。选择合适的电流和旋转速度，改善涂层质量有很大影响。
4结论
(l)开发的新型离心雾化转移弧等离子喷涂系统，工作稳定，能应用于内孔径零部件的耐磨和防腐喷涂，预期在发动机气缸套内壁喷涂方面具有良好的应用前景。(2)离心雾化转移弧等离子喷涂的粒子速度和雾化特性不同于普通电弧喷涂，普通电弧喷涂的雾化模式为气流雾化，影响普通电弧喷涂雾化特性的主要因素有雾化气流以及电弧喷涂工艺参数、喷涂材料的热物理性能等；而离心电弧喷涂粒子的雾化模式为离心雾化，消耗电极直径、转速、电源功率以及保护气体的特性是影响离心电弧喷涂工艺的主要参数.(3)离心雾化转移弧等离子喷涂涂层呈现波浪状相互嵌合的层状组织结构明显；无粗大孔隙和未变形金属颗粒附着；涂层总的氧化物含量比普通电弧喷涂低。通过调整工艺参数可以获得高性能的涂层。
参考文献略
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