熱噴涂技術(shù)發(fā)展概況的研究

1熱噴涂的定義和原理

熱噴涂是利用特定熱源將噴涂材料加熱至熔化或軟化后,借助其自身動(dòng)力或外加氣流將熔滴加速至一定的速度,進(jìn)而噴射到表面已經(jīng)過凈化或粗化的工件上最終形成表面涂層的一種工藝方法。其基本過程如圖1所示。

噴涂材料從進(jìn)入熱源到形成涂層,大體可分成4個(gè)階段:

(1）材料被加熱熔化。絲材端部被加熱后熔化,進(jìn)而形成熔滴:同時(shí)粉末則被熔化或軟化。

(2）絲材的熔滴在高速氣流作用下霧化成為微小顆粒后被加速,同時(shí)粉末材料則直接被氣流加速。

(3）高溫熔融的微粒進(jìn)入了飛行階段。微粒、粉末首先加速,然后隨著距離的增加而逐漸減速,與此同時(shí)與周圍的氣體發(fā)生反應(yīng),自身溫度逐漸降低。

(4）這些具有一定溫度及速度的微小顆粒與基材表面發(fā)生猛烈撞擊,大部分微粒產(chǎn)生劇烈變形和快速冷卻而在工件表面沉積,最終形成涂層。

噴熔一般包括一步法與兩步法,一步法即涂層在噴涂的過程中被加熱熔化,消除氣孔,提升其致密度:兩步法就是在噴涂后再通過加熱使涂層熔化。

2熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)和分類

熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面:

(1）在各種基體上制備各種材質(zhì)的涂層。熱噴涂的材料可以是金屬、陶瓷或金屬陶瓷以及工程塑料等:而熱噴涂的基材可以是陶瓷、金屬、金屬陶瓷、玻璃、工程塑料、石膏、布、木材、紙等幾乎所有的固體材料。

(2）由于基體表面在噴涂過程中受熱程度較小而且可控,所以噴涂可在各種材料上進(jìn)行,而且基材的組織和性能幾乎不受影響,工件變形較小。

(3）操作靈活、設(shè)備簡(jiǎn)單,既可大面積噴涂大型構(gòu)件,也可進(jìn)行特定的局部噴涂:既可以進(jìn)行室內(nèi)噴涂,也可在室外進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。

(4）噴涂操作程序簡(jiǎn)單,效率高,施工時(shí)間短,成本較低。熱噴涂方法一般可按照其熱源類型進(jìn)行分類,在此基礎(chǔ)上再按照不同形式的涂層材料形成一系列的熱噴涂方法,如圖2所示。

3熱噴涂技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)熱噴涂的應(yīng)用開始于20世紀(jì)40年代。20世紀(jì)60年代初期成功研制了陶瓷粉末氣噴涂槍和封閉式噴嘴及固定式電弧噴涂槍:中期研制了自熔性合金粉末制造技術(shù)和等離子噴涂設(shè)備:末期研究了等離子噴焊技術(shù),與此同時(shí)開始應(yīng)用粉末火焰噴焊技術(shù)。到了70年代陸續(xù)出現(xiàn)品種和型號(hào)比較齊全的噴涂設(shè)備和材料,但進(jìn)展較慢。近幾年,熱噴涂技術(shù)才開始獲得較快發(fā)展。1981年,在北京召開了首屆全國(guó)熱噴涂會(huì)議,會(huì)上成立了"全國(guó)熱噴涂協(xié)作組"。1991年,武漢材料保護(hù)研究所申請(qǐng)成立"中國(guó)表面工程協(xié)會(huì)熱噴涂專業(yè)委員會(huì)"。經(jīng)過十多年的發(fā)展,已基本形成了較為完善的熱噴涂設(shè)備和材料生產(chǎn)體系,產(chǎn)品門類比較齊全,各種熱噴涂方法也獲得了較為廣泛的應(yīng)用,解決了眾多產(chǎn)品質(zhì)量問題,并取得了顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益。

近幾十年來,熱噴涂技術(shù)的發(fā)展較為迅速,應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。噴涂材料層出不窮,設(shè)備水平也相繼得到提高,涂層設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面成為一個(gè)重要組成部分,質(zhì)保體系也初步建立,同時(shí)推動(dòng)了熱噴涂產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

3.1噴涂材料

熱噴涂材料的發(fā)展主要體現(xiàn)在兩方面,一是拓寬涂層應(yīng)用范圍,開發(fā)新的涂層:二是利用噴涂過程中的有利條件來減小缺陷,進(jìn)而提高涂層質(zhì)量。比如利用Ni、A1在熔融過程中產(chǎn)生的反應(yīng)熱量來提高顆粒溫度,進(jìn)而來提高涂層結(jié)合強(qiáng)度:開發(fā)出Ni-A1、NiCr-A1復(fù)合粉末或線材。

3.2噴涂設(shè)備

近年來,噴涂設(shè)備的開發(fā)與擴(kuò)展比較活躍。等離子噴涂設(shè)備推出了高達(dá)250kw的超大功率等離子噴涂設(shè)備,可生成681m/s(2馬赫）以上超聲速等離子焰流。各類超聲速火焰噴涂裝備也不斷出現(xiàn),如JP-5000噴槍可產(chǎn)生7倍的高速射流。同時(shí),噴涂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮提供極為方便的人機(jī)界面,通過工作人員的簡(jiǎn)單操作,就能完成大量復(fù)雜工作。

3.3研究和開發(fā)工作

由于影響涂層質(zhì)量、性能的因素比較多,大量研發(fā)工作將集中在工藝過程研究和涂層性能方面。此外,建立完善的熱噴涂相關(guān)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)體系及熱噴涂質(zhì)量保證體系,對(duì)推動(dòng)熱噴涂技術(shù)的發(fā)展也起著至關(guān)重要的作用。

4結(jié)論

(1）熱噴涂技術(shù)由于工藝靈活、適用范圍廣和可以大面積涂覆而得到了廣泛應(yīng)用。

(2）噴涂設(shè)備正趨向自動(dòng)化方向發(fā)展,即在控制技術(shù)上引入計(jì)算機(jī)控制,可對(duì)噴涂全過程中主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。在操作裝備上引入了機(jī)械手,可精確地重復(fù)極為復(fù)雜的操作。