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热喷涂技术.pdf

热喷涂技术

yunjia4495
2011-10-29 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《热喷涂技术pdf》,可适用于工程科技领域

表面工程实用技术丛书热喷涂技术与应用吴子健吴朝军曾克里王全胜编著机械工业出版社wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom本书系统地介绍了热喷涂技术及其应用内容包括热喷涂技术工艺方法、热喷涂涂层材料、涂层设计及制备、涂层性能检测试验方法、涂层应用实例、环境保护及安全防护等同时介绍了国内外热喷涂技术的最新成果。本书重点介绍了热喷涂技术的应用实用性强对涂层的设计、涂层材料的制造、涂层制备与应用具有较高的参考价值。本书可供表面工程技术人员、工人阅读使用也可供相关专业在校师生以及研究人员参考。图书在版编目(CIP)数据热喷涂技术与应用/吴子健等编著北京:机械工业出版社200510(表面工程实用技术丛书)ISBN7-111-17478-XⅠ热…Ⅱ吴…Ⅲ热喷涂ⅣTG174442中国版本图书馆CIP数据核字(2005)第112037号机械工业出版社(北京市百万庄大街22号邮政编码100037)策划编辑:陈保华责任编辑:白刚版式设计:霍永明责任校对:程俊巧责任印制:洪汉军北京京丰印刷厂印刷2006年1月第1版·第1次印刷1000mm×1400mmB5·1175印张·457千字00014000册定价:3300元凡购本书如有缺页、倒页、脱页由本社发行部调换本社购书热线电话(010)68326294封面无防伪标均为盗版wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom前言随着高新科学技术的应用工业生产技术水平不断地提高高速、高效、高质的运行模式已成为人们日益追求的目标对机械零部件的综合性能要求越来越高。提高材料的综合应用改善材料的表面性能使材料表面具有多重功能已成为广大科技工作者密切关注的课题。热喷涂技术是表面工程领域内赋予材料表面新功能最有效的技术之一。该技术具有学科的综合性、功能的广泛性、资源的再生性、方法的多样性和实施的灵活性因而广泛地应用在航空航天、交通运输、电力能源、石油化工、冶金矿山、机械制造、轻工纺织、生物功能等国民经济建设的各个领域发挥了巨大的作用。随着热喷涂技术的不断完善和成熟热喷涂技术已从单一零件的简单修复技术发展成为新产品零件制备过程中必不可少的制造技术从简单的工艺方法发展成为具有独立体系完整的热喷涂工业技术。该技术具有广泛的实用性和巨大的增效性。热喷涂技术的应用是指对在特殊环境(高温氧化、高温热障、摩擦磨损、磨损腐蚀、导电绝缘等)条件下使用的机械零部件、构件等进行表面失效分析研究选用具有相应功能性的涂层材料和制备工艺技术控制制备工艺过程进行涂层检测从而获得理想的功能涂层。本书的第1章、第5章、第6章、第7章由吴子健(钢铁研究总院)编写第2章由吴朝军(航天材料与工艺研究所)编写第3章由曾克里(矿冶研究总院)编写第4章由王全胜(北京理工大学)编写。全书由吴子健统稿。在编写过程中得到钢铁研究总院吕艳红、唐建新两位同志的帮助在此深表谢意。由于编者水平有限书中可能存在不足和错误之处恳请同行和读者指正望不吝赐教以臻完善。编者wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom目录前言第1章概述1……………………………………………………………………………………11热喷涂技术定义及原理1……………………………………………………………………111热喷涂技术定义1………………………………………………………………………112热喷涂技术原理2………………………………………………………………………12涂层结构3……………………………………………………………………………………13涂层残余应力4………………………………………………………………………………14热喷涂技术发展背景5………………………………………………………………………15热喷涂技术发展的主要方向9………………………………………………………………第2章热喷涂技术工艺方法12………………………………………………………………21热喷涂技术工艺方法分类12………………………………………………………………22热源概述12…………………………………………………………………………………221燃烧火焰12……………………………………………………………………………222电弧13…………………………………………………………………………………223等离子弧15……………………………………………………………………………23燃气火焰喷涂16……………………………………………………………………………231线材火焰喷涂17………………………………………………………………………232棒材火焰喷涂20………………………………………………………………………233粉末火焰喷涂22………………………………………………………………………234高速火焰喷涂25………………………………………………………………………235ACHVAF喷涂工艺30…………………………………………………………………24电弧喷涂31…………………………………………………………………………………241喷涂原理31……………………………………………………………………………242电弧喷涂设备31………………………………………………………………………243电弧喷涂技术特点34…………………………………………………………………244电弧喷涂的主要工艺参数35…………………………………………………………245高速电弧喷涂36………………………………………………………………………25等离子喷涂38………………………………………………………………………………251大气等离子喷涂39……………………………………………………………………252可控气氛等离子喷涂44………………………………………………………………253溶液等离子喷涂46……………………………………………………………………254高速等离子喷涂48……………………………………………………………………26冷气动力喷涂49……………………………………………………………………………wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom27爆炸喷涂54…………………………………………………………………………………28涂层重熔技术56……………………………………………………………………………281氧乙炔火焰重熔56……………………………………………………………………282感应重熔59……………………………………………………………………………29等离子喷焊59………………………………………………………………………………210激光熔覆与喷涂62…………………………………………………………………………第3章热喷涂涂层材料66……………………………………………………………………31热喷涂材料的分类66………………………………………………………………………32热喷涂材料的应用原理66…………………………………………………………………321打底涂层(过渡层)材料应用原理67…………………………………………………322耐磨涂层材料应用原理70……………………………………………………………323耐蚀涂层材料应用原理74……………………………………………………………324抗高温涂层材料的应用原理77………………………………………………………325热障涂层材料的应用原则80…………………………………………………………326尺寸恢复涂层材料的应用原理81……………………………………………………327可磨耗封严涂层材料应用原理82……………………………………………………328摩擦涂层材料应用原理83……………………………………………………………33热喷涂材料的生产工艺简介84……………………………………………………………331合金粉末的制备雾化工艺84……………………………………………………332复合粉末材料制备工艺87……………………………………………………………333陶瓷粉末89……………………………………………………………………………34热喷涂材料性能检测方法91………………………………………………………………341热喷涂线材的性能检测91……………………………………………………………342热喷涂粉末材料的性能检测91………………………………………………………35热喷涂材料特性对工艺性能的影响96……………………………………………………351热喷涂工艺对材料的基本要求96……………………………………………………352热喷涂材料选择的基本原则97………………………………………………………36热喷涂材料97………………………………………………………………………………361钎焊材料97……………………………………………………………………………362热喷涂线(棒)材102…………………………………………………………………363热喷涂粉末材料130……………………………………………………………………364自熔性合金粉末157……………………………………………………………………365陶瓷、金属陶瓷粉末189………………………………………………………………366塑料粉末200……………………………………………………………………………367复合粉末201……………………………………………………………………………368减摩自润滑复合粉末208………………………………………………………………369耐高温复合粉末209……………………………………………………………………3610热喷涂辅助材料211……………………………………………………………………Ⅴ目录wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom3611热喷涂材料的包装、储运和验收213…………………………………………………第4章涂层设计及制备215……………………………………………………………………41涂层设计的基本原理215……………………………………………………………………411热喷涂涂层设计的命名和表示方法216………………………………………………412零件工况分析216………………………………………………………………………413粘结底层材料选择217…………………………………………………………………414热喷涂工艺选择220……………………………………………………………………415涂层结构设计222………………………………………………………………………416涂层制备工艺优化设计224……………………………………………………………42表面预处理229………………………………………………………………………………421概述229…………………………………………………………………………………422表面净化230……………………………………………………………………………423表面机械加工235………………………………………………………………………424遮蔽处理237……………………………………………………………………………425表面粗化238……………………………………………………………………………426粗化后的处理245………………………………………………………………………427预热处理246……………………………………………………………………………428新型PROTAL预处理工艺247…………………………………………………………43涂层制备248…………………………………………………………………………………431耐蚀涂层248……………………………………………………………………………432耐磨涂层252……………………………………………………………………………433可磨耗涂层262…………………………………………………………………………434热障涂层264……………………………………………………………………………435梯度功能复合涂层276…………………………………………………………………436纳米涂层277……………………………………………………………………………第5章涂层性能检测试验方法286…………………………………………………………51涂层物理性能检测286………………………………………………………………………511涂层显微结构分析286…………………………………………………………………512硬度检测286……………………………………………………………………………513结合强度检测289………………………………………………………………………514厚度检测299……………………………………………………………………………515孔隙率检测301…………………………………………………………………………52涂层耐腐蚀性能检测304……………………………………………………………………521耐腐蚀性能的评定方法304……………………………………………………………522大气暴露试验305………………………………………………………………………523盐雾试验306……………………………………………………………………………524二氧化硫工业气体腐蚀310……………………………………………………………525湿热腐蚀试验310………………………………………………………………………Ⅵ热喷涂技术与应用wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom526浸泡腐蚀试验311………………………………………………………………………53涂层耐磨性检测313…………………………………………………………………………531磨粒磨损试验313………………………………………………………………………532摩擦磨损试验315………………………………………………………………………533冲蚀磨损试验315………………………………………………………………………534疲劳磨损试验316………………………………………………………………………54涂层残余应力的检测316……………………………………………………………………541X射线衍射法317………………………………………………………………………542环状试样弯曲曲率法317………………………………………………………………55功能涂层检测317……………………………………………………………………………551热膨胀系数317…………………………………………………………………………552热导率的检测318………………………………………………………………………553热震试验320……………………………………………………………………………56涂层评价体系320……………………………………………………………………………第6章涂层应用实例322………………………………………………………………………61涂层功能323…………………………………………………………………………………611耐磨损涂层323…………………………………………………………………………612防腐耐蚀涂层324………………………………………………………………………613热障涂层324……………………………………………………………………………614可磨耗密封涂层324……………………………………………………………………615导电、绝缘涂层325……………………………………………………………………616生物功能涂层326………………………………………………………………………617热辐射节能辐射涂层326………………………………………………………………618再制造工程中的应用涂层327…………………………………………………………62机械工业中的应用实例327…………………………………………………………………621水利机械(钢结构桥梁等)327………………………………………………………622轻工机械329……………………………………………………………………………623交通运输机械332………………………………………………………………………624通用机械334……………………………………………………………………………63石化工业中的应用实例335…………………………………………………………………64冶金工业中应用实例337……………………………………………………………………65能源工业中的应用实例342…………………………………………………………………66国防工业中应用实例345……………………………………………………………………67其他方面的应用349…………………………………………………………………………671生物工程领域的应用349………………………………………………………………672快速成形制造技术中应用349…………………………………………………………第7章环境保护及安全防护351……………………………………………………………71生产场地有害因素351………………………………………………………………………Ⅶ目录wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom711易燃爆危险气体351……………………………………………………………………712回火燃爆352……………………………………………………………………………713金属粉尘燃爆352………………………………………………………………………714非金属粉尘352…………………………………………………………………………715有害气体及烟雾353……………………………………………………………………716噪声及弧光353…………………………………………………………………………717灼伤及触电354…………………………………………………………………………72安全防护355…………………………………………………………………………………721通风除尘355……………………………………………………………………………722噪声、弧光防护357……………………………………………………………………73设备安全防护357……………………………………………………………………………731气体的安全使用357……………………………………………………………………732回火防止器的使用358…………………………………………………………………733气管的使用358…………………………………………………………………………734空气净化装置、送粉器、喷涂设备的使用359………………………………………74人身安全防护359……………………………………………………………………………741眼睛防护360……………………………………………………………………………742呼吸防护360……………………………………………………………………………743噪声防护361……………………………………………………………………………744皮肤防护361……………………………………………………………………………75热喷涂设备的安全操作362…………………………………………………………………附录热喷涂技术相关国家标准目录365……………………………………………………参考文献366…………………………………………………………………………………………Ⅷ热喷涂技术与应用wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom第1章概述11热喷涂技术定义及原理111热喷涂技术定义随着高新科学技术的应用工业生产技术水平不断地提高高速、高效、高质的运行模式已成为人们日益追求的目标对机械零部件的综合性能要求越来越高。提高材料的综合应用、改善材料的表面性能已成为广大科技工作者密切关注的课题。热喷涂技术是表面工程领域内表面改性最有效的技术之一。国家标准GB/T187192002《热喷涂术语、分类》中定义:热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法赋予基体表面特殊功能的目的。热喷涂技术涂层形成原理如图11所示。随着热喷涂技术的发展各种热喷涂技术层出不穷现代热喷涂技术已不仅仅停留在“热”字上了。近年来发展起来的冷气动力喷涂技术(见第2章24节)是对热喷涂技术的补充和扩展已成为现代热喷涂技术重要组成部分。可以说热喷涂技术是正在迅速成长的新技术其中部分涂层制备工艺技术已纳入先进制造技术。图11热喷涂技术涂层形成原理热喷涂技术应用十分广泛选择不同性能的涂层材料和不同的工艺方法可制备减摩耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化、热障功能、催化功能、电磁屏蔽吸收、导电绝缘、远红外辐射等功能涂层。涂层材料几乎涉及到所有固态工程材料包括wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom金属、金属合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料、金属塑料及它们的复合材料和其他非金属无机材料广泛应用于航空航天、冶金、能源、国防、石油化工、机械制造、交通运输、轻工机械、生物工程国民等经济各个领域。112热喷涂技术原理热喷涂技术工艺方法很多各有特点。无论何种工艺方法喷涂过程中形成涂层的原理和涂层结构基本一致。热喷涂形成涂层的过程一般经历四个阶段:喷涂材料加热溶化阶段、雾化阶段、飞行阶段、碰撞沉积阶段。图12为各种热喷涂工艺方法热源温度和焰流速度分布简图。图12各种热喷涂方法热源温度和焰流速度分布简图(1)加热溶化阶段当喷涂材料为线(棒)材时喷涂过程中线材的端部连续不断地进入热源高温区被加热溶化形成溶滴当喷涂材料为粉末时粉末材料直接进入热源高温区在行进的过程中被加热至溶化或半溶化状态。(2)雾化阶段线(棒)材在喷涂过程中被加热溶化形成溶滴在外加压缩气流或热源自身气流动力的作用下将线(棒)材端部溶滴雾化成微细溶粒并加速粒子的飞行速度当喷涂材料为粉末时粉末材料被加热到足够高温度超过材料的熔点形成液滴时在高速气流的作用下雾化破碎成更细微粒并加速飞行速度。(3)飞行阶段加热溶化或半溶化状态的粒子在外加压缩气流或热源自身气流动力的作用下被加速飞行。粒子飞行过程中喷涂粒子首先被加速随着飞行距离的增加而减速。图13为等离子喷涂工艺过程中喷涂粒子沿喷嘴轴向飞行速度分布示意图。2热喷涂技术与应用wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom图13等离子喷涂工艺过程中粒子沿喷嘴轴向飞行速度分布示意图(4)碰撞沉积阶段具有一定温度和速度的喷涂粒子在接触基体材料的瞬间以一定的动能冲击基体材料表面产生强烈的碰撞。在碰撞基体材料的瞬间喷涂粒子的动能转化为热能并传递给基体材料在凹凸不平的基材表面上产生形变。由于热传递的作用变形粒子迅速冷凝并伴随着体积收缩其中大部分粒子呈扁平状牢固地粘结在基体材料表面上而另一小部分碰撞后经基体反弹而离开基体表面。随着喷涂粒子束不断地冲击碰撞基体表面碰撞变形冷凝收缩填充连续进行。变形粒子在基体材料表面上以颗粒与颗粒之间相互交错叠加地粘结在一起而最终沉积形成涂层。形成涂层的过程如图14所示。图14涂层形成的过程示意图12涂层结构涂层结构与被喷涂材料的组织结构有明显的差异。这是由于工艺方法的不同而引起的。从热喷涂涂层形成的原理可知涂层结构是由无数变形扁平的粒子相互交错呈波浪式堆积而成的层状结构。这是由于喷涂过程中溶化或半溶化状态3第1章概述wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom粒子与喷涂工作气体及周围环境气氛进行化学反应使得喷涂材料经喷涂后会出现表面氧化物。同时变形扁平粒子的相互叠加产生搭桥效应不可避免地在涂层中出现小部分孔隙。因此涂层的典型结构是由变形扁平微细的涂层材料堆积而成的层状结构且中间夹带着部分气孔和氧化物。气孔和氧化物的多寡决定于喷涂工艺方法和喷涂工艺参数。在热喷涂工艺方法中高能高速等离子喷涂、低压和可控气氛等离子喷涂、高速火焰喷涂、冷气动力喷涂等方法可有效地控制减少和消除氧化物夹杂、气孔的产生改善涂层结构和性能。涂层的结合包含涂层与基体表面的结合(就是通常所说的涂层结合强度)和形成涂层颗粒与颗粒之间的内聚力(即涂层自身结合强度)。一般来说涂层自身结合强度高于涂层与基体的结合强度但属于物理化学结合。这种物理化学结合包含以下几种方式:(1)机械结合喷涂粒子撞击基体表面产生变形、镶嵌、填补、咬合在基体材料表面上与基体材料形成机械式锚合作用。大部分涂层结合以这种结合方式存在。(2)物理结合颗粒对基材表面的结合是由范德华力或次价键组成的结合。(3)冶金化学结合冶金化学结合比机械结合和物理结合的结合强度要大得多。它由三部分组成:范德华力(在洁净的基体表面上涂层粒子与基材表面的接触处粒子之间其原子间距达到原子、分子距离时所形成分子间的引力)、化学键力(涂层原子与基材原子或者涂层粒子之间的原子距离达到原子晶格常数的数值时所形成的化学键的结合力)和微扩散力(涂层粒子中的元素和基体材料中的元素在一定的条件下相互扩散作用)是涂层材料和基体材料表面出现扩散和合金化的一种结合类型包括在结合面上形成金属间化合物或固溶体。在同一试件的涂层上以上三种结合方式有可能同时存在但以机械结合为主。13涂层残余应力由于涂层材料和基体材料之间组织结构的不同和物理性能的差异涂层中会留下残余应力。涂层残余应力主要有组织应力和热应力。组织应力是由于涂层材料与基体材料组织结构的不同或经热喷涂工艺处理后涂层材料产生组织转变使涂层体积发生变化而导致涂层中存在组织应力。热应力在涂层形成过程中当熔融态颗粒撞击基体材料表面在产生变形的同时急速冷却而凝固粒子凝固过程中体积收缩而产生微观收缩应力此应力积聚造成涂层整体的残余应力。涂层中的残余应力是由喷涂工艺方法、喷涂条件、涂层材料与基体材料之间物理性能差异造成的。4热喷涂技术与应用wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom涂层中的残余应力是热喷涂涂层最典型的特点之一大多数残余应力是以拉应力存在。残余拉应力影响涂层的使用性能限制了涂层厚度。工艺上采取很多措施是为了消除和减少残余应力。14热喷涂技术发展背景腐蚀和磨损是造成材料和零部件失效的主要原因。据有关资料报介绍发达国家每年由腐蚀和磨损所造成的经济损失约占国民经济总产值的4%~5%而全世界每年生产的钢材约有1/10变成铁锈。我国每年由腐蚀和磨损所造成的经济损失已达数千亿元人民币。材料是人类文明发展的物资基础也是人类文明发展的重要标尺。现代工程对材料性能的要求往往是多重性的有时甚至是矛盾的。许多工程结构部件既要求很高的强韧性同时要求具有很高的表面硬度和耐磨性(材料的强韧性和表面硬度是相矛盾的)既要求很高的高温强度又要求具有良好的隔热性。飞机发动机燃烧室内壁要求材料具有良好的隔热性外壁又要求良好的散热性对工程材料的双重性要求越来越重要。这些材料的特殊性能要求往往是发生在材料工作的表面。表面工程技术领域最关键技术之一喷涂技术就是在不改变基体材料性能的基础上赋予材料或零部件表面特殊功能性能达到提高综合性能的目的是制备复合材料最有效工艺技术之一。图15表示SulzerMetco公司热喷涂设备、材料销售和热喷涂技术发展状况。图15SulzerMetco公司热喷涂设备、材料销售和热喷涂技术发展状况5第1章概述wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom热喷涂技术的发展可以分为三个阶段:第一阶段是简单的热喷涂工艺第二阶段是热喷涂技术第三阶段是形成完整的热喷涂工业体系。(1)第一阶段热喷涂工艺在1910年瑞士工学博士MUSchoop发明了世界上第一个金属喷涂装置金属溶液式喷涂。它是将低熔点金属溶液注入到经过加热的压缩空气气流中在压缩气流动力的作用下使金属溶液雾化并加速喷射沉积到基体表面上形成涂层。其装置原理如图16所示。图16金属溶液热喷涂装置1压缩气体2压力表3加热管4喷头5坩埚6喷嘴7抽风管8工件这是世界上最早的热喷涂装置虽然装置庞大、效率低但包含了热喷涂技术的基本原理和喷涂过程开创了热喷涂技术这一新领域。此后Schoop致力于喷涂装置的改进使喷涂材料加热与雾化破碎同时进行于1912年研制成功线材火焰喷涂枪使热喷涂工艺第一次得到实际应用产生了线材火焰喷涂技术。1913年Schoop提出了电弧喷涂枪的设计并于1916年研制成实用型电弧喷涂枪制备钢结构长效防腐涂层将热喷涂技术真正用于生产实践。线材火焰喷涂和电弧喷涂作为主要的热喷涂方法在20世纪30年代得到了发展。美国Metco金属喷涂公司成立后相继研究出用空气涡轮送丝的E型系列喷枪和用电动机送丝的K型系列喷涂枪。用于钢铁结构件的喷锌、喷铝长效防护涂层。英国成功研制出Schoet粉末火焰喷枪尔后Metco研制出MetcoP型粉末火焰喷涂枪。从此世界各国各喷涂专业公司也相应研究开发了一系列粉末火焰喷涂枪对热喷涂技术进行了大量的研究和应用推广使得热喷涂技术有了长足的发展并取得很大的成绩。从20世纪20~30年代开始热喷涂技术就大量地用于船舶、钢结构、水闸门等钢铁产品的长效防护。美、英、德、法、日等工业发达国家都制定了热喷涂相应的技术标准许多数据都报导了在不同使用环境条件下不同涂层材料体系6热喷涂技术与应用wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom和涂层厚度的防护涂层体系与防护涂层寿命指标的选择建议。美、英、德等国家从20世纪50年代开始用了10~20年的时间大力推广该项技术。(2)第二阶段热喷涂技术随着喷涂技术的发展新的涂层材料不断地出现。20世纪50年代初研制出自熔性合金粉末材料随后出现了粉末火焰喷焊技术。自熔性合金粉末材料的研究成功对热喷涂技术在工业领域内的应用起到了有力的推动作用。将热喷涂技术由原来的表面防护与修复发展到机械零部件的表面强化不仅用于废旧零件的修复同时也用于新品零件的预保护强化涂层的制备开创了热喷涂技术应用的新领域。20世纪50年代末期美国联合碳化物公司研制成功燃气重复爆炸喷涂技术用于制备高质量碳化物涂层和氧化物陶瓷涂层并首先应用到航空工业中。燃气爆炸喷涂粒子速度高可制备出十分优秀的碳化物金属陶瓷涂层但温度较低对制备氧化陶瓷涂层依然存在不如人意的地方。随着航空事业的发展对航空发动机的性能要求越来越高发动机零件不仅要有高温强度并且必须具备高温隔热的性能以达到提高有效利用发动机热效率的目的。陶瓷热障涂层是提高航空发动机热效率的关键技术之一。基本原理是陶瓷具有高的熔点和低的热导率同时陶瓷涂层含有一定的孔隙率能够将发动机和燃气轮机的高温部件与高温燃气隔离开来因而陶瓷涂层成为很好的高温隔热涂层材料。为解决陶瓷涂层的应用美国Plasmadyne公司和Metco公司相继成功研究出等离子喷涂设备、工艺成套技术从此开拓了等离子喷涂应用技术。等离子喷涂技术的应用有效地改变了热喷涂技术领域的面貌解决了难熔金属材料和陶瓷材料的喷涂技术问题提高了涂层的结合强度和降低涂层空隙率大幅度地提高了涂层质量促进热喷涂复合材料的迅速发展在制备特殊涂层功能方面开辟了新的应用领域极大地加速了热喷涂涂层材料的开发和扩展了涂层技术的应用范围。到20世纪60年代等离子喷涂技术已在工业中得到十分广泛的应用成功地应用于飞机发动机零部件热障涂层的制备并取得十分显著的成效。60年代中期美国联合碳化物公司又研究成功等离子喷焊技术补充和扩展了热喷涂技术的内涵。至此热喷涂技术已包含了氧乙炔火焰喷涂、喷焊电弧喷涂燃气爆炸喷涂等离子喷涂、喷焊等工艺技术方法从设备、工艺、涂层材料到应用形成了较为完整的热喷涂技术体系。随着工业技术的发展人们对高速、高效、高质的不断追求对零部件的表面性能要求越来越高这些都促进了热喷涂技术的发展。20世纪70~90年代热喷涂技术向着高能、高速、高效发展。美国metco公司20世纪70年代末开始逐步研究成功的80kVA高能等离子喷涂成套设备、可控气氛(低压或真空)等离子喷涂设备、JP2600系列燃气高速火焰喷涂设备联合碳化物公司成功推出Dgun喷涂工艺方法Stellite公司成功推出JetKote系列高速火焰喷涂设备、系列7第1章概述wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom等离子喷焊设备捷克国家材料保护研究所研制出200kVA水稳等离子喷涂成套技术美国TAFA公司研究推出8830、9000系列电弧喷涂设备和Plazjet250kVA高能高速等离子喷涂设备JP5000、JP8000燃油高速火焰喷涂设备加拿大NorthwestMettech公司和美国Metco公司研究成功AxialⅢ三电弧轴向送粉等离子喷涂系统极大地提高喷涂效率和涂层材料的沉积效率美国UniqueCoat公司推出的IntelliJetSB250、SB500系列高速活性燃气喷涂(HVAF)设备喷涂粒子速度可高到达900m/s俄罗斯成功推出活性高速电弧喷涂技术俄罗斯发明冷气动力喷涂技术以来德国林德公司已推出冷气动力喷涂成套设备技术。随着等离子喷涂及技术的应用等离子电弧的惰性和高温射流特性提供了更加广泛的涂层材料和涂层应用机会极大地丰富了热喷涂涂层材料(特别是高熔点陶瓷材料)的发展和涂层质量的提高。可控气氛等离子喷涂技术可控制喷涂工艺过程中的环境因素可得到真空、低压或惰性气体等环境条件制备的涂层密度超过98%涂层含氧量低于400×10-6。迄今为止航空发动机和燃气轮机的热端部件采用热喷涂技术的零件已达到6000多个其关键零部件的使用寿命提高3~4倍。如JT8发动机采用热喷涂技术后其大修期由原来4000h提高到16000h。等离子喷涂电弧温度高喷涂碳化物(WC/Co)等材料时不可避免地使碳化物分解产生脱碳涂层硬度指标下降而高速燃气喷涂技术正好弥补了这一缺陷。高速燃气喷涂技术如JP5000焰流速度高达2000m/s粒子速度高达700m/s涂层结合强度≥70MPaWC/Co涂层硬度高达1200HV具有十分优异的性能在许多应用领域已取代或部分取代等离子喷涂涂层。(3)第三阶段热喷涂工业体系从Schoop发明的第一个熔液喷涂装置到现在的计算机控制的等离子喷涂设备、高速燃气喷涂设备、冷气动力喷涂设备、机器手操作的喷涂设备喷涂设备已具备成套性、系列化、标准化。涂层材料由金属丝材到陶瓷棒材由金属粉末到金属陶瓷粉末、陶瓷粉末、塑料粉末以及它们的复合材料粉末已形成系列化和标准化。涂层应用领域从简单的长效防护、废旧零件的修复到再制造技术、新品零件的预保护强化已成为制造技术领域必不可少的重要工艺技术。涂层质量在线检测、喷涂热源温度场分布、喷涂粒子速度测量、在线诊断技术的应用极大地提高了涂层制备的稳定性和可靠性。涂层技术的应用已渗透到世界各国国民经济建设的各个领域。仅美国Metco公司和TAFA公司2001年产值分别达到32亿和35亿美元。国际间的合作与技术交流已逐步形成1965年在英国召开第一届国际热喷涂会议此后每2年举行一次2003年在日本召开了第18届国际热喷涂会议。我国应用热喷涂技术始于20世纪50年代初开始制造线材火焰喷枪和粉末气喷枪60年代研制成功封闭式喷嘴固定式电弧喷枪和陶瓷粉末气喷枪。氧乙炔火焰喷涂用于废旧零件的修复线材火焰喷涂技术用于大面积长效防护。19528热喷涂技术与应用wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom年对淮南电厂从田家庵到蚌埠的246座35kVA输电铁塔进行喷锌防护涂层至今完好这是国内热喷涂长效防护工程最典型的应用实例。20世纪60年代末期开始研制等离子喷焊技术同时开始应用粉末火焰喷焊技术。20世纪70年代等离子喷涂技术和等离子喷焊技术已基本成熟先后研制出DP50、GP80、HP2000、APS2000等离子喷涂设备和PH100、PH300、PH400、PH500系列等离子喷焊设备。等离子喷焊技术应用于阀门密封面和发动机进排阀密封面的制造在全国范围内已经完全普及对提高产品质量和制造业整体技术水平起到积极的推动作用。等离子喷涂技术广泛地应用于冶金、石化、航空航天、能源等领域取得十分显著的成效。20世纪90年代末成功研制出HT3200型燃油高速火焰喷涂设备和高速电弧喷涂设备。20世纪90年代前我国从事热喷涂技术的单位主要分布在各大专院校、研究院所承担喷涂设备、涂层材料、涂层工艺方法的研究与开发。经过连续三个五年计划的大力推广已经形成涂层技术研究、涂层材料生产、涂层应用完整的热喷涂技术体系并建立了全国性的热喷涂技术行业协会和热喷涂标准化技术委员会。各种热喷涂技术工艺方法广泛应用产品的制造解决了众多产品共性关键技术问题对提高制造业的整体技术起到了积极的促进作用并取得十分显著的经济效益。15热喷涂技术发展的主要方向热喷涂技术经过近一个世纪的发展从简单的工艺技术发展成为完整的工业体系已成为先进制造技术的重要组成部分。在成长和发展过程中由于专业和学科间的不断渗透、交叉、融合技术日趋系统化、集成化即发展成为集机械学、材料科学、热动力科学、高新技术和生物工程等专业为一体的新兴交叉学科在制造业领域成为完整的工业体系。热喷涂技术的核心是优质、高效、低消耗的表面改性达到赋予基体材料表面特殊功能的目的。技术的发展主要是新技术的发现、材料的创新、涂层质量控制软件体系、涂层制备基础理论研究和检测技术等诸方面。1)近年来随热喷涂技术的发展新的工艺技术和新的应用领域不断地涌现。涂层质量很大程度上依赖于喷射熔滴的速度提高热喷涂射流和喷涂粒子的速度已成为当前国际热喷涂技术发展的新趋势相继出现了爆炸喷涂、高速活性燃气火焰喷涂(HVAF)、高速电弧喷涂、活性电弧喷涂、高速等离子喷涂、三阴极内送粉等离子喷涂、溶液等离子喷涂(SPS)、冷气动力喷涂(CGDS)等新技术。这些技术的共同特点是大幅度提高了喷涂粒子的飞行速度降低了涂层孔隙率提高了涂层结合强度。高速等离子喷涂技术由于热源温度高、加热熔化效率高可喷涂高熔点的陶9第1章概述wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom瓷材料和超合金材料。与普通等离子喷涂比较高速等离子喷涂的射流速度超过5马赫喷涂粒子速度可达500m/s使得涂层更加致密硬度、韧性、结合强度更高。特别是制备高质量陶瓷涂层和金属陶瓷涂层具有其他喷涂技术不可替代的优势。三阴极内送粉等离子喷涂由三根平行的阴极将电弧一分为三将喷涂粉末通过喷枪轴线与电弧同轴方向送入电弧减少喷嘴局部过热的可能性增加电弧稳定性和喷嘴使用寿命延长粉末加热时间提高了沉积速率和粉末材料利用率沉积效率可高达90%涂层质量均匀、致密、结合强度高。溶液等离子喷涂是采用纳米先驱溶液或悬浮有纳米粒子的溶液为喷涂材料制备涂层的方法。有效地解决了纳米粉末材料输送的技术难题扩展了涂层材料的应用领域为纳米涂层制备、推动纳米涂层的实际应用提供了可能。HVAF高速活性燃气喷涂既具有高速火焰喷涂速度高的特点又具有控制和改变环境条件的能力。活性燃烧气体使用丙烷、乙烯或MAPP气体可产生还原性气氛有最好的动能和热能匹配喷涂粒子被加热到熔点以下而粒子飞行速度高达800m/s生产效率高喷涂WCCo材料可达30kg/h制备的金属合金和碳化物涂层含氧量非常低涂层十分致密可得到压应力或无应力涂层是制备厚涂层最有效的方法之一。高速活性电弧喷涂是在普通电弧喷涂的基础上被电弧熔化的涂层材料被丙烷空气燃烧所产生的高速气流雾化成细小微粒并二次加速得到高速飞行的粒子束流可有效地控制气流成氛得到还原环境所得到的涂层含氧量低、涂层致密、孔隙率低、结合强度高。冷气动力喷涂是由俄罗斯科学家在风洞试验中首次发现这一现象根据这一现象发明了冷气动力喷涂技术。它是利用高压、温度在260~760℃热气流将喷涂材料加速沉积到基体表面形成涂层的方法。超声速气体/粒子双相流、高压气流使粒径为1μm≤d≤50μm的粒子加速到450~1000m/s在固态下形成孔隙率低、含氧量低、残余应力低的涂层可完全保持喷涂材料原始成分。有文献表明:双相气流速度越大粒子的沉积效率越高。现在美国和德国已研制成功成套冷气动力喷涂设备。多种复合工艺技术已联合使用。高速火焰喷涂制备结合底层有效地控制结合层的含氧量等离子喷涂制备工作面层等离子喷涂或火焰喷涂预置涂层激光照射重熔制备完全致密的陶瓷涂层达到改变涂层组织性能的目的。2)新型工艺技术的发现与应用促进了新材料的发展。新型热障涂层材料在氧化锆涂层上使用新成分和氧化锆复合作为双层复合涂层纳米涂层(纳米先驱溶液、纳米团聚体粉末)材料、功能复合涂层材料、生物功能涂层材料、金属间化合物涂层材料、微晶或非晶涂层材料等的制备已成为人们日益关注的重01热喷涂技术与应用wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom点。3)在线控制质量保证体系。涂层质量与喷涂工艺方法及工艺参数有十分紧密的关系标准工艺参数的重现性和稳定性是保证涂层质量最基本环节。工艺参数变化影响因素诸多热功率的大小、热温度的分布、喷涂粒子的分布状况、粒子速度的高低均成为涂层质量的重要因素。在线质量控制检测喷涂热源温度场的分布、喷涂粒子的飞行速度及状态为优化并稳定涂层制备工艺参数获得优质涂层提供了基本保障。芬兰Oseir公司研制的SprayWatch热喷涂粒子监测系统是以CCD数字相机为基础而设计的适应大多数热喷涂工艺的检测。它能够方便地测量和监控喷涂过程中关键的工艺参数如:喷涂粒子的温度、飞行速度的状态、数量及分布喷涂束流的尺寸、位置和方向等。有望研究开发监测系统和喷涂设备联机形成在线控制、回馈、诊断、修正的新型智能热喷涂设备。4)涂层制备基础理论研究和涂层性能检测方法。采用神经网络、试验设计和其他优化方法来确定热喷涂涂层制备工艺参数与涂层性能之间的关系。研究建立喷涂粒子受热状况、运动形式与喷嘴出口处条件之间的数学模型涂层中残余应力形成模型热喷涂过程中粒子流、等离子射流所形成的涂层模型和基体热通量模型。喷涂过程中各种参数之间模型建立在理论上研究控制涂层质量的方法。通过采用光学显微镜、电子显微镜、X射线衍射、高速成像等检测技术研究涂层的显微组织特性分析喷涂参数对涂层结构和涂层性能的影响预测涂层使用性能。11第1章概述wwwgoldenbookcomwwwgoldenbookcom第2章热喷涂技术工艺方法21热喷涂技术工艺方法分类热喷涂技术根据所使用热源的不同主要分为燃烧法和电加热法两大类再依据使用的涂层材料形状、喷涂操作的气氛环境等特点可进一步细分为具体的工艺方法

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