熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展xxx公司熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展摘要：熱噴涂成為金屬表面科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)十分活躍的學(xué)科。本文闡述熱噴涂技術(shù)的工藝特點(diǎn)，以及對(duì)電熱爆炸噴涂、超音速火焰噴涂、超音速等離子噴涂、激光噴涂等新型熱噴涂技術(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用狀況，探討熱噴涂技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：熱噴涂；電熱爆炸噴涂；超音速火焰噴涂；超音速等離子噴涂；激光噴涂；引言磚瓦行業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展,對(duì)提高主要設(shè)備的金屬材料性能,拓寬它的功能,延長(zhǎng)設(shè)備中零部件的使用壽命提出了越來越高的要求。而當(dāng)前又面臨高性能結(jié)構(gòu)材料成本逐年上升的問題,為同時(shí)解決這兩個(gè)方面的問題,近年來金屬表面工程發(fā)展很快,尤其是熱噴涂技術(shù)獲得了巨大的進(jìn)展。熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱至溶化或半溶化狀態(tài)，并以一定的速度噴射沉積到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面形成涂層的方法。其能賦予材料表面一些特殊的性能，如提高耐腐蝕性、電絕緣性、耐磨減摩、抗高溫氧化性及電磁屏蔽吸收等功能。熱噴涂層材料可以是金屬、金屬合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料以及復(fù)合材料等，其涂層廣泛應(yīng)用于航空航大、石油化工、機(jī)械制造、冶金、交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域。熱噴涂成為金屬表面科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)十分活躍的學(xué)科。1熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)自1910年瑞士肖普博士發(fā)明了一種火焰噴涂裝置（即熱噴涂）以來，熱噴涂技術(shù)已有很大發(fā)展，尤其是20世紀(jì)80年代以來，熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用取得了很大的成就。與其他各種表面技術(shù)相比，熱噴涂技術(shù)有其自身的特點(diǎn)[1]：(1)由于熱源的溫度范圍很寬,因而幾乎可在各種基體上制備各種材質(zhì)的涂層，包括金屬,合金,陶瓷,金屬陶瓷,塑料以及由它們組成的復(fù)合物。因而能賦予基體以各種功能(如耐磨,耐蝕,耐高溫,抗氧化,絕緣,隔熱,生物相容,紅外吸收等)的表面。(2)噴涂過程中基體表面受熱的程度較小而且可以控制，基體溫度一般在30到200℃之間，因此對(duì)基材的組織和性能幾乎沒有影響,工件變形也小，熱影響區(qū)淺。(3)操作靈活?？蓢娡扛鞣N規(guī)格和形狀的物體，特別適合于大面積涂層，并可在野外作業(yè)。(4)噴涂操作的程序較少，施工時(shí)間較短，效率高，比較經(jīng)濟(jì)。(5)涂層厚度范圍寬。從幾十微米到幾毫米的涂層都能制備，且容易控制，噴涂效率高，成本低。噴涂時(shí)生產(chǎn)效率為每小時(shí)幾公斤到幾十公斤。但是，作為一種表面處理技術(shù)，它也存在許多不足之處，主要體現(xiàn)在熱效率低，材料利用率低、浪費(fèi)大和涂層與基材強(qiáng)度較低三個(gè)方面。[2]2熱噴涂技術(shù)的種類傳統(tǒng)的熱噴涂方法按熱源的不同，可分為燃燒法和電熱法，前者包括火焰噴涂、爆炸噴涂，后者包括電弧噴涂、等離子噴涂。近年來，隨著人們對(duì)涂層性能要求的進(jìn)一步提高，廣大科學(xué)工作者通過不斷創(chuàng)新，在原有基礎(chǔ)上發(fā)展了幾種新型的熱噴涂技術(shù)。下面將介紹電熱爆炸噴涂、超聲速火焰噴涂、超聲速等離子噴涂以及激光噴涂[2-4]。電熱爆炸噴涂電熱爆炸噴涂是繼火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂之后發(fā)展起來的一種新型噴涂技術(shù)。他是通過金屬導(dǎo)體沿軸向施加瞬間直流高電壓，在金屬內(nèi)部產(chǎn)生106A∕cm2到107A∕cm2的電流而爆炸，產(chǎn)生的沖擊波使得金屬粒子以極高的速度噴向基本表面，之后又在基體表面急劇冷卻，從而形成涂層。電熱爆炸噴涂可以實(shí)現(xiàn)涂層與基體的冶金結(jié)合，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。超音速火焰噴涂高速氧燃料噴涂由于燃燒火焰的速度是音速的數(shù)倍，目視可見焰流中明亮的“馬赫節(jié)”，又稱作超音速火焰噴涂。超音速火焰噴涂是在20世紀(jì)80年代研發(fā)成功的，與常規(guī)火焰噴涂不同的是超音速火焰噴涂采用特殊設(shè)計(jì)的燃燒室和噴嘴，驅(qū)動(dòng)大流量的燃料并用高壓氧氣助燃，從而獲得了極高速度的燃燒焰流。其主要是采用高壓水冷的反應(yīng)腔和細(xì)長(zhǎng)的噴射管，將燃料和氧氣送入反應(yīng)腔燃燒，產(chǎn)生高壓火焰。燃燒火焰被噴射管壓縮并加速噴射。噴射粉末可以用高壓軸向送入或從噴射管側(cè)面送入。另一種方法是將燃料和氧氣通過高壓噴射，在噴嘴外燃燒，噴射粉末用高壓氣體從噴嘴內(nèi)軸向送入火焰中，然后通過嘴外空氣罩中的壓縮氣體將燃燒火焰壓縮、加速，并將熔融的粉末噴向基板。其中，由于用此種方法射流速度高，焰流溫度比爆炸噴涂低，適合碳化物涂層，而且獲得的涂層最高密度可達(dá)理論密度的%，強(qiáng)度達(dá)70MPa以上。涂層雜質(zhì)少，涂層殘余應(yīng)力小，有些情況下可得到設(shè)計(jì)的殘余應(yīng)力，因此可噴涂較厚涂層，且噴涂效率高。但是，燃料消耗大，成本比較高。超音速等離子噴涂超音速等離子噴涂就是利用非轉(zhuǎn)移型等離子弧與高速氣流混合時(shí)出現(xiàn)的“擴(kuò)展弧”得到穩(wěn)定聚集的超音速等離子焰流進(jìn)行噴涂的一種方法。噴涂槍是等離子發(fā)生器，其性能的好壞直接關(guān)系到涂層質(zhì)量、噴涂成本、噴涂效率以及整臺(tái)設(shè)備的性能，是超音速等離子噴涂設(shè)備中最為關(guān)鍵的部件。而超音速等離子噴槍設(shè)計(jì)的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在超音速等離子射流的實(shí)現(xiàn)、送粉方式及整體結(jié)構(gòu)、水路、氣路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)從試驗(yàn)型到實(shí)際應(yīng)用型的轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)于工業(yè)應(yīng)用的需要。激光噴涂激光噴涂是近十年來出現(xiàn)的一種噴涂新工藝。它就是把高密度能量的激光束朝著接近于零件的基體表面的方向直射，基體同時(shí)被一個(gè)輔助的激光加熱器加熱，這時(shí)，細(xì)微的粉末以傾斜的角度被吹送到激光束中。粉末熔化粘結(jié)到基體表面，形成了一層薄的表面涂層，與基體之間形成良好的結(jié)合。噴涂環(huán)境的氣氛可以選擇在大氣氣氛下，也可在惰性氣氛或真空狀態(tài)下進(jìn)行噴涂。激光噴涂不僅使獲得的涂層結(jié)構(gòu)與原始粉末相同，而且可以噴涂大多數(shù)材料，范圍廣，覆蓋低熔點(diǎn)到超高熔點(diǎn)的涂層材料。3熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用由于在機(jī)械裝備中應(yīng)用的材料大多為鋼材,所以做好防腐工程和提高機(jī)械零件的耐磨性能非常重要。對(duì)于長(zhǎng)期暴露在戶外大氣的鋼鐵結(jié)構(gòu)件，采用噴涂鋁、鋅及其合金涂層，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的刷油漆方法，實(shí)行陰極保護(hù)進(jìn)行長(zhǎng)效大氣防腐，近年來得到了迅速發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)有幾十個(gè)專業(yè)噴涂廠從事這方面工作，噴涂面積每年達(dá)幾百萬平方米以上。這項(xiàng)技術(shù)不僅在國(guó)內(nèi)大量推廣應(yīng)用，而且在援外工程中也得到了較好的推廣應(yīng)用。熱噴涂層應(yīng)用于腐蝕介質(zhì)中，特別是強(qiáng)介質(zhì)腐蝕，以前未能突破，其主要原因是封孔劑未能解決。近年中國(guó)已研制成功了聚酯型、有機(jī)聚合物型、樹脂型、塑料型、膠粘劑型等幾十種型號(hào)的封孔劑，適用于酸、堿、鹽及有機(jī)物的腐蝕環(huán)境，其使用溫度80～350℃。采用陶瓷涂層、氧化物涂層或金屬或合金涂層，根據(jù)不同介質(zhì)，選用適當(dāng)?shù)姆饪讋?，已在許多化工腐蝕介質(zhì)中應(yīng)用，效果良好。該系列封孔劑已獲專利并獲國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)。這些封孔劑的研究成功，使熱噴涂技術(shù)在化工防腐工程中的應(yīng)用有了新進(jìn)展。同時(shí)，隨著中國(guó)熱噴涂技術(shù)的發(fā)展與提高，對(duì)噴涂層質(zhì)量要求也愈來愈高。近年由于超音速火焰噴涂技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)已先后從國(guó)外引進(jìn)近十幾臺(tái)設(shè)備，在各工業(yè)部門發(fā)揮著重要作用。而爆炸噴涂技術(shù)由于粒子飛行速度可達(dá)800m/s以上，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)100MPa以上，孔隙率<1%，使其也在國(guó)內(nèi)進(jìn)一步得到應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)已安裝10臺(tái)以上。在生物醫(yī)學(xué)工程上的應(yīng)用熱噴涂在生物醫(yī)學(xué)工程方面的應(yīng)用已逐漸成熟,如在鈦合金人工關(guān)節(jié)，如髖關(guān)節(jié)、膝、肩關(guān)節(jié)及骨盆等表面上噴涂陶瓷涂層,既解決了金屬材料在人體生物液中易產(chǎn)生腐蝕的問題,亦解決了陶瓷材料在單獨(dú)成型時(shí)易產(chǎn)生的脆弱問題。熱噴涂使陶瓷與關(guān)節(jié)金屬之間具有一定的結(jié)合強(qiáng)度,使表面具有耐磨性好、化學(xué)性穩(wěn)定、生物相容性好、有利于骨質(zhì)細(xì)胞的長(zhǎng)入,同時(shí)也改變了傳統(tǒng)手術(shù)中采用骨水泥來固定的情況,現(xiàn)已為全國(guó)各大醫(yī)院使用。4熱噴涂技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)開發(fā)新型噴涂設(shè)備和噴涂材料目前,熱噴涂技術(shù)正在發(fā)展中,還有許多亟待解決的問題。然而這些問題的解決大都緊緊圍繞著提高涂層質(zhì)量這一首要要求,即主要提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度和致密度,開發(fā)多種熱噴涂新設(shè)備和新材料。為了滿足對(duì)材料多功能、高性能等的要求，多種材料的復(fù)合、納米材料、新型合金或非晶材料的使用成為熱噴涂材料發(fā)展的主要趨勢(shì)。為滿足生物醫(yī)學(xué)需要，開發(fā)了羥基磷灰石、氟羥基磷灰石等生物相容性好的熱噴涂材料。納米涂層材料也得到了應(yīng)用，但為了適應(yīng)熱噴涂工藝，一般將納米粉末團(tuán)聚成粒徑稍大的、可用于熱噴涂的粉末。重視熱噴涂技術(shù)的理論研究和熱噴涂系統(tǒng)工程的優(yōu)化熱噴涂技術(shù)是一項(xiàng)適用性很強(qiáng)的基礎(chǔ)工藝。它受高溫、高速、非均勻性等多參數(shù)影響的高溫動(dòng)態(tài)過程影響,影響因素多而復(fù)雜。目前,對(duì)熱噴涂技術(shù)的研究正從實(shí)驗(yàn)性工藝技術(shù)向著有堅(jiān)實(shí)理論的基礎(chǔ)工藝發(fā)展。例如,以現(xiàn)代物理化學(xué)概念和該過程的熱物理為基礎(chǔ)建立了等離子噴涂時(shí)材料相互接觸作用和涂層形成理論。因而要加大熱噴涂技術(shù)的理論研究力度，建立學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、企業(yè)等聯(lián)合集團(tuán)進(jìn)行深入、高效的研究。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)與完善，熱噴涂系統(tǒng)工程的優(yōu)化將越來越受到人們的重視。目前已有許多國(guó)家加強(qiáng)對(duì)熱噴涂系統(tǒng)工程的研究,即從失效分析入手,通過對(duì)表面預(yù)處理,噴涂設(shè)備、噴涂材料及噴涂等工藝的優(yōu)化,制定出熱噴涂實(shí)施工藝計(jì)劃。如現(xiàn)代等離子噴涂技術(shù)采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，大大減少了工作強(qiáng)度以及出錯(cuò)率。還有，監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展是近年來熱噴涂技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志，它將為提高熱噴涂涂層質(zhì)量提供有力的保障。大力推進(jìn)計(jì)算機(jī)在熱噴涂工藝中的應(yīng)用目前，熱噴涂技術(shù)基本上還處于工藝性的階段,涂層質(zhì)量主要依靠經(jīng)驗(yàn)和嚴(yán)格的規(guī)程來保證。但是這種狀況由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用,正在迅速的改變著熱噴涂技術(shù)的面貌。在熱噴涂材料和工藝?yán)^續(xù)發(fā)展的同時(shí),正在開發(fā)的各種熱噴涂的計(jì)算機(jī)仿真軟件將普遍得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)和自動(dòng)化。同時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)許多