1 简介
因其灵活性与普遍适用性 热喷涂技术市场己在过去稳步增长 如今热喷涂仍未充分发挥其潜力，并将在未来有更大的市场发展。此项技术持续面对更具体和更多不同应用的需求。为适应这些需求 ,坚持不懈地提高质量标准与提供挑战性涂层应用 的解决方案 ,喷涂工艺与喷涂材料发展不会停歇 。限不能对大量的多种类的革新一一详细说明,本文将着重介绍喷涂工艺、材料、应用等领域的一些重要发展趋势以及不断显示其重要性的新出现的实时诊断系统。
2 市场情况
据估计,现在表面涂层的全球市场已被开发了约 2 7 0 亿欧元,还不到其全部潜能的巧%。作为表面涂层 的主要应用,光学、电子应用各 占超过 3 0 %的市场份额,数据存储系统涂层占了近 20%。而表面保护涂层即热喷涂工业的主要应用领域只占约 5%的市场份额。然而根据改善的涂层技术与增长需求,并考虑到成分、效率、系统使用寿命,以及健康环保的因素,表面保护的市份额有望在将来得到巨大增长 。当前最大的热喷涂市场在北美洲与欧洲,前者约 1 8 亿欧元( 3 7 % ),后者 1 4 亿欧元( 2 9 %),其次是 日本,7 亿欧元(巧 % )。但鉴于中国经济的增长最为迅速,这个情况将有所改变。中国有 1 3 亿人 口 ,国民生产总值每年增长 9.1% 有巨大的市场潜力。如果中国人均销售额达到北美洲、欧洲与日本 7 0 %的水平 ,将 占据全球热喷涂市场的 5 0 % 。因此,中国是热喷涂及热喷涂产品未来最重要的市场。
3.喷涂工艺技术
过去 1 0 年中,热喷涂表现了每年增长率为 5一1 0 %的迅速增长,的潜力。在过去2 0 年 ,热喷涂技术出现向高速喷涂发展的重要趋势 (图 1 )。由于致密、坚硬和耐磨耐腐蚀的金属基涂层系统的优越性能,引发了对高动力喷涂工艺及其工业应用的更多关注。同时由于满足喷涂涂层有效应用的相对较低 的粒子温度,高动力喷涂 (冷喷涂) 工艺可使涂层中氧化物含量最低。
为减少热能量 ,进一步降低高速氧燃料火焰 (H V O F) 喷涂中的材料反作用力,研发不同的方法并进行试验 。在其它方案中包括对喷嘴设计的修正[D o l 0 3 ] 以及分别使用遮蔽罩、增加燃烧室压力〔 Sc h 0 3 ]以及通过对燃烧室工艺过程中燃料类型与供应方法的选择,以
实现对火焰温度的优化控制 (图 2 )。由此衍生高速 “冷”喷工艺的想法,并得出相关冷气动力喷涂的新思路。该思路在过去 5一1 0 年间受到广泛关注,并在 2 0 0 3 年第一次在工业应
用 (C PU 散热片涂层 )。冷气动力喷涂领域的研究 目前集中于相关粒子在基体表面的高速碰撞中工艺和材料的建模与模拟上,溅片性能与相关影响为对冷喷工艺与其它材料系统的应用 以及开发新应用领域的核心知识。
对高动力喷涂工艺的发展也为该技术在内壁涂层 (I D s ) 的应用打开新的可能性 由于
部件不同的几何形状各 自具有特殊的气流条件与热负荷,不同的热喷涂工艺对这些几何形状组成的应用也需要分别评测。对该领域最广泛的研究是在汽车工业的铝发动机缸体的内壁涂层[ B a r o l,c o o 0 3 ]。根据材料的处理和可达到涂层性能的经验,以下三种喷涂工艺均具有重大潜力:大气等离子喷涂 (A PS )、电弧丝材喷涂与 H V O F 喷涂。但由于气体火焰产生
的巨大热能,对 H V O F 喷涂改造 以适应 ID 应用至今仍是很大挑战。通过最近在工艺和设
计上的创新以及对喷枪性能有 目的的操作,己建立运用 H V O F 工艺技术制备内壁涂层 的原
则 (图 3 ) [Ma t o 3 ]
H V O F 技术的优化的成功范例引发了在其它热喷涂技术中的相似做法。在电弧丝材喷涂或大气等离子喷涂中着重于对喷嘴优化设计, 值n0 4,sw e0 4 ],此外还伴生其它工艺优化的设想。对大气等离子喷涂的重要开发之一是多弧 (多阴极 ) 喷枪的引入。传统的单弧等离子喷枪主要缺点是存在移动的阳极电弧斑点,导致相当多的的等离子弧波动 ,使粒子性质不稳定。要防止局部过热引起阳极毁坏,电弧需沿轴 向以一定方位角运动。为使弧运动最小并产生更均匀的等离子弧以提高粒子的稳定性 ,引入能产生多种弧的等离子发射机构(阴极)。由于具有多个电弧,每个电弧的热负荷减小,阳极电弧斑点的位置可 以保持长久不动。这样就产生非常稳定与均一的等离子弧,不仅对稳定的粉末处理和再现性良好涂层性能有益,也显著减少噪音散射。
4 喷涂材料
当前热喷涂材料的开发主要在纳米结构材料。纳米结构没有明确数字界限,但一般指结构在1一1 0 0 纳米的范围。这些结构可以由极为不同的类型组成,例如包含纳米碳化物等坚硬物质的软基体,或金属合成/弥散强化型材料 中包含在金属基的纳米氧化物。纳米结构也可 以是涂层呈现的纳米级结晶状结构。由于纳米晶体材料的较小晶粒及其导致的高界面/体积 比,超过 5 0% 的原子在界面上 。这么多数量的界面原子是纳米晶体材料具有特殊性能的主要原因。它们使涂层具有高耐磨性与防腐蚀性 。生产这种涂层的主要困难是对晶体生长的控制,因为热喷涂使喷涂材料暴露到某个温度时,会加快晶粒 的生长。最近研究的一个主要内容是纳米晶体陶瓷,如主要在等离子喷涂中采用的重要氧化物A 12O 3 、T I O :和 z r oZ 。采用这些材料的技术目的有很多,例如添加 F e ZO 3的纳米级 A 120 3/T I O Z已作为 自润滑涂层系统应用于在的柴油发动机上〔 Ma 0 4 ]。也在研究纳米级的 T i o :在光电系统的应用。当前对金属基材料的研究,如采用电弧丝材喷涂和 H V O F喷涂制备纳米涂层 ,也显示出很高的潜力,如硬铬替代涂层或进一步提高已存在的应用陶瓷性能上。
5.实时工艺诊断
热喷涂工艺非常复杂,对涂层工艺与涂层质量的控制在许多工业应用上十分重要。由于热喷涂艺相互间具有复杂的关联影响,只有采用实时工艺诊断系统来保证对涂层工艺的充分控制。热喷涂工艺中必须处理许多可选的过程变量 ,应测的数据与各种各样的噪音。目前,对喷涂工艺可变性影响只有初步的了解。对这些影响的研究采用高级诊断工具,对各个粒子和粒子流的飞行中粒子状态测量 以获取温度、速度、粒径等方面详细的信息。这些数据可关联到喷涂工艺参数与生成涂层性能上,对其相互依存性有了更好的理解,并可应用到工艺优化与涂层开发。不过,这些精密复杂的诊断工具如 T e ch n a r A u t o m a t i o n 公司的 D PV 2 0 0 0 虽然能够给 出十分详细的数据,但是相对较难操作,并往往需要相当长的时间来测量。这样,为保证涂层质量 ,实际上不需要获得粒子特征的详细信息,只要应用诊断系统容易使用,并特别适用于涂层质量监控。为达到此 目的,粒子流成像系统 (PF I )被带入市场。它不单独对每个粒子进行分析,而且很容易操作,并能迅速给出结果,对实际喷涂生产过程几乎不产生干扰。
6.总结
全球涂层市场距充分开发还很远,热喷涂有望显著增长其在全球市场的关联与份额。中国由于其经济的快速增长,即将成为热喷涂工业最重要的市场。热喷涂作为一项复杂且非常灵活的表面工程技术,必须面对不断增长 的在各类技术领域具有特殊要求的定制涂层系统。要实现这个很有挑战性的任务,不仅需要对现有工艺和涂层概念做 出最优化的开发,也需要创新和对开发新替代工艺和材料。最近该领域的发展已经具有巩固和开拓现有热喷涂技术市场,以及在将来开创新市场的潜力,例如先进的硬铬替代或 内壁涂层。在 H V O F 和等离子喷涂操作的稳定性和可控性 、工艺诊断以及例如纳米晶体陶瓷、钢铁或金属基合成物的纳米材料的生产和处理上有了重要进步。
参考文献略
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