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1.1 热喷涂技术基础

时间:2012-12-26 13:23:00  来源:热喷涂技术问答  作者:王海军

 1.什么是热喷涂技术?

热喷涂技术是指利用某种热源将欲喷涂材料迅速加热到熔融或半熔融状态,再经过高速气流或焰流将其雾化加速喷射到经预处理的工件表面上,形成喷涂层的一种表面加工方法。

2.热喷涂技术如何分类?

热喷涂根据不同的标准有不同的分类:

(1)按喷涂材料的性质不同,热喷涂可分为金属喷涂、陶瓷喷涂、塑料喷涂等。

(2)按喷涂材料的形状喷涂,热喷涂可分为粉末喷涂、丝材喷涂、棒状喷涂等。

(3)按喷涂热源的性质不同,热喷涂可分为气体燃烧火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、激光喷涂等。

3.热喷涂技术有哪些特点?

热喷涂技术特点很多,采用热喷涂技术制备的各种涂层,具有许多独特的优点。主要有以下几点:

(1)能够喷涂的材料范围特别广。包括各种金属及合金、陶瓷、金属陶瓷、金属间化合物,非金属矿物、塑料等几乎所有固态工程材料,因而能够制备各种各样的保护涂层和功能涂层,如耐磨、减摩自润滑、可磨耗密封、摩阻、耐蚀、抗氧化、耐高温、热障、绝缘、导电、超导、辐射、防辐射、屏蔽、抗干扰、波长吸收、催化及生物功能等涂层。

(2)能够在多种基体材料上形成涂层。这些材料包括金属、陶瓷、塑料基体、石膏、木材甚至纸板。被喷涂的基体材料范围十分广泛。

(3)一般不受工件尺寸和施工场所的限制。既可喷涂大型重型工件,又可喷涂小件、薄壁件;既可在工厂内施工,也可现场施工。

(4)沉积效率较高,特别适合沉积厚膜涂层。与电镀、化学镀、离子镀、气相沉积等技术相比,热喷涂的沉积效率较高、生产效率高,且涂层厚度能够控制,可从几十微米到几毫米,甚至更厚。

(5)对基体材料的热影响小。与热扩散渗镀、气相沉积、高温合成、烧结等工艺相比,除喷焊外,热喷涂对基体的热影响很小,基体受热温度一般不超过200℃,因而基体材料不会发生组织、性能变化,不会产生变形。

(6)调整涂层成分比较容易。可以通过调整涂层材料的种类、配比及涂覆工艺等,比较容易地实现涂层成分和涂层性能的调整。

(7)容易对制品进行局部强化或改性。能够在制品的局部进行喷涂,实现局部表面强化和改性。还可通过脱模,制造无基体的薄壁件、空心件和形状复杂的工件。

(8)节约贵重材料。在满足强度要求的前提下,基体材料可以选用较普通的材料代替贵重的整体材料,仅表面涂层使用贵重材料。

(9)方便维修。热喷涂操作灵活,工艺相对简便,适应性强,广泛应用于各种装备和部件的维修。涂层损坏后,可以除去重新喷涂修复,基体材料能够充分利用。

当然,热喷涂技术也有一些局限。

(1)结合强度不太高。热喷涂涂层与基体的结合主要为物理结合与机械结合,结合强度不太高,涂层耐高应力、冲击和重载性能较差。

但随着热喷涂技术的发展,爆炸喷涂、超声速火焰喷涂、超声速等离子喷涂、冷喷涂等使热喷涂涂层的结合强度得到了很大的提高。

(2)热喷涂涂层含有不同程度的孔隙和夹杂,片层状涂层结构导致涂层的各向异性这使涂层的力学性能、耐蚀、抗氧化、绝缘等性能都比较致密实体的同种材料要差。

当然,对任何技术都需要用辩证的观点分析判断。例如,热喷涂涂层的孔隙问题,对于防腐蚀、绝缘、耐高温等应用是缺陷,但用于气敏元件(如氧探测器)、可磨耗密封、催化、生物功能等涂层,则可获得意想不到的效果。在油润滑条件下,孔隙起到了很好的储油功能,使涂层具有更好的减摩润滑性能。

(3)热能利用率比较低。占热喷涂技术主体地位的等离子喷涂却只有10%~40%的热能被用于熔化涂层材料;而等离子喷涂陶瓷涂层的沉积效率依据喷涂材料的不同,通常在30%~80%间变化,特别是喷涂工件时,沉积效率低。这些都使得热喷涂涂层的成本相对较高。在保证涂层质量的前提下努力降低成本是热喷涂工作者始终努力的目标。

(4)热喷涂粒子呈线性飞行的特性,在遮蔽的凹腔、复杂型面、细长内孔、盲孔等部位很难制备质量合格的涂层。

(5)热喷涂的工作环境有噪声、粉尘、热和弧光辐射等问题,现场人工操作时,必须采取相应的劳动保护与环境保护措施。但随着计算机控制技术、机器人技术等先进技术的应用,这些问题有所减少。

4.热喷涂的工艺过程有哪些步骤?

除了火焰喷熔和等离子弧粉末堆焊外,其他各种喷涂工艺方法制备的涂层形成机理基体上是相同的。都是通过热源的加热,使喷涂材料加热至熔融、半熔融或高塑性状态,处于上述状态的微颗粒高速撞击在基体表面上产生变形,形成了“盘碟”形状。后来的颗粒将碰撞在已经粘附在基体上的颗粒,它们将形成扁平状,并互相镶嵌,淬冷后逐渐形成涂层。因此各种工艺的工序流程是大体相同的,基体上包括基体的准备与制备。因此,各种工艺的工序流程是大体相同的,基本上包括基体的准备与制备、基体的预处理、喷涂施工、涂层后处理及精加工等步骤。

5.涂层与基体的结合机理有哪些?

1)机械结合

机械结合是指具有一定功能的熔融状粒子撞击到经粗化处理的基材表面时,铺展成扁平状的液态薄片并紧贴基材表面的凹凸点上,在冷凝时收缩咬住凸点(或称抛锚点),形成机械结合。机械结合是热喷涂涂层与基体结合的最主要形式。

2)微冶金结合

在喷涂放热型喷涂材料时,熔融微粒到达基材表面后,放热反应可维持几微秒,基材表面微区内接触温度可高达基材的熔点,因此,有可能使熔融粒子与基材形成微区冶金结合,提高涂层与基材间的结合性能。

3)扩散结合

当熔融的喷涂材料高速撞击基材表面形成紧密接触时,由于变形、高温等作用,在涂层与基材间有可能产生微小的扩散,增加涂层与基材间的结合强度。如,在碳钢基材上喷涂镍包铝复合粉末时,发现结合层由Ni-Al-Fe等元素组成,厚度约为0.5~1µm

4)物理结合

当基材表面极其干净或进行活化处理后,基材与涂层间充分润湿形成分子间作用力。

喷涂层与基体之间结合以机械结合为主,某些情况下会产生微冶金结合、扩散结合、物理结合。

6.热喷涂中的喷涂与喷熔有哪些区别?

1)工件受热情况不同

喷涂无重熔过程,工件表面温度始终可控制在250℃以下,一般不会产生变形和改变工件的原始组织。这对喷修工件形状复杂、薄壁、长袖及一些重要机件是有利的。喷熔要使粉层熔化,重熔烧结工件温度可达900℃以上,容易引起应力和变形,多数工件会发生退火及不完全退火。

2)与基材表面结合状态不同

喷涂与基材表面的结合,以机械咬合为主,也有微小的显微焊合,结合强度不高;一般为20MPa~65MPa。喷焊是通过粉层熔化与基材表面形成冶金结合,结合强度一般可达343MPa~441MPa

3)所使用粉末不同

喷熔所用的粉末必须是自熔性的合金粉末,而喷涂所使用粉末不受限制。

4)喷层结构不同

喷熔层均匀致密,一般认为无孔隙而喷涂层具有一定孔隙。

5)承受载荷性能不同

喷涂层不能承受冲击载荷和较高的接触应力,适用于各种面接触配合。喷熔层结合强度大,可承受冲击载荷,可用于线接触等场合,能承受较高的接触应力。

7.如何选择喷涂与喷熔?

当工件承受负载大,尤其是承受冲击负荷,要求涂层有很高的结合强度或工件在腐蚀介质中使用,或要求涂层致密的情况下,以采用喷熔为宜。

当工件尺寸精度要求很高和不允许变形或不允许改变它原有的淬火组织,而且这些工件不受冲击负荷或只承受轻微的冲击负荷,对结合强度要求不是很高时,宜采用喷涂方法。

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