熱噴涂技術的應用與發(fā)展

熱噴涂技術的應用與發(fā)展

一、多種方法下的噴涂熱噴霧技術是利用光源將混合材料加熱至融化或半乳化，并以一定速度將混合材料積累到預處理的基質(zhì)表面形成涂層的方法（見圖1）。熱噴涂有多種工藝方法,如等離子噴涂、電弧噴涂、火焰噴涂和爆炸噴涂等。熱噴涂技術應用十分廣泛,選擇不同性能的涂層材料和不同的工藝方法,可制備熱障、可磨耗封嚴、耐磨密封、抗高溫氧化、導電絕緣以及遠紅外輻射等功能涂層。涂層材料幾乎涉及到所有固態(tài)工程材料,包括金屬、金屬合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料及其他的復合材料。熱噴涂技術廣泛應用于航空航天、冶金、能源、石油化工、機械制造、交通運輸、輕工機械以及生物工程等國民經(jīng)濟各個領域。二、航天熱噴涂技術現(xiàn)代航天技術是包括運載火箭、人造地球衛(wèi)星、載人飛船、空間站以及空間探測器等的一項綜合系統(tǒng)工程技術。其中運載火箭是航天技術的基礎,也是我國發(fā)展較為成熟并具有國際先進水平的一項技術,因此熱噴涂在航天領域的應用主要指在運載火箭方面的應用。運載火箭是在導彈的基礎上發(fā)展的,一般由2~4級組成。每一級都包括箭體結構、推進系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng),末級有儀器艙,內(nèi)裝制導與控制系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)和發(fā)射場安全系統(tǒng)。級與級之間靠級間段連接。有效載荷裝在儀器艙的上面,外面套有整流罩。三、熱噴涂技術熱噴涂技術的進步在很大程度上得益于20世紀世界航空工業(yè)的空前發(fā)展,航天工業(yè)在時間上遲于航空工業(yè),航空領域應用較為成熟的熱噴涂技術如熱障涂層,可磨耗封嚴涂層自然就轉而應用于航天領域中。我國航天領域熱噴涂技術的應用開始于20世紀50年代末,當時是用氧乙炔火焰噴涂Al2O3涂層用于導彈鼻錐部位的熱防護,以后為噴涂金屬W和ZrO2等高熔點材料,自行研制成功等離子噴涂設備,并于70年代初將等離子噴涂的W和ZrO2涂層用于我國某發(fā)動機燃燒室和噴管延伸段上。70~80年代,隨著METCO公司熱噴涂設備的引進和長征3號火箭研究項目的啟動,熱噴涂技術在航天領域的應用進入第一個快速發(fā)展期,期間利用熱障涂層、耐磨封嚴涂層等熱噴涂技術解決了許多關鍵性技術難題,獲得很好的應用。90年代以來,一方面我國航天工業(yè)空前發(fā)展:航天載人工程、戰(zhàn)術和戰(zhàn)略導彈的批量生產(chǎn)等都對熱噴涂技術提出了更高的要求;另一方面熱噴涂技術本身也取得了重大進展,如高速火焰噴涂技術的出現(xiàn)和成熟應用,爆炸噴涂技術的推廣,超音速和大功率等離子設備的問世等使得近十幾年來熱噴涂在航天領域的應用進入了第二個快速發(fā)展期。1.熱障涂層材料(1)熱障涂層熱障涂層(ThermalBarrierCoatings簡稱TBC)最早用于航空領域,是現(xiàn)代航空發(fā)動機的關鍵技術之一,目前應用的TBC涂層采用雙層涂層結構:MCrAlY結合底層+YPSZ(Y2O3/ZrO2)工作面層,其基本原理是基于陶瓷材料具有化學穩(wěn)定好、高的熔點和低的導熱系數(shù),陶瓷涂層含有一定數(shù)量的孔隙率。因而使熱障涂層成為很好的高溫隔熱材料。它能把高溫部件與高溫燃氣隔離開來,僅0.20~0.40mm厚的熱障陶瓷涂層,就能使金屬零件表面的溫度降低200~300℃,并使熱端部件免受燃氣腐蝕和沖蝕。(2)應用實例等離子噴涂的熱障涂層在航天領域應用最為廣泛?；鸺l(fā)動機噴管延伸段內(nèi)壁在工作時承受1500℃以上高溫焰流的沖蝕,時間長達幾十秒至上百秒,一般采用等離子噴涂熱障涂層進行防護(見圖2),涂層結構:MCrAlY結合底層+YPSZ(Y2O3/ZrO2)工作面層?；鸺夐g段材質(zhì)一般為鋁合金,內(nèi)壁裝有許多測試儀器,為減輕重量內(nèi)壁采用化銑工藝銑成網(wǎng)格形狀,最薄處僅有1.2mm,發(fā)射過程中級間段短時承受幾千度的高溫,內(nèi)壁需做防熱處理否則瞬間燒毀(見圖3)?；鸺l(fā)射車發(fā)射臺架發(fā)射時承受高溫焰流的沖蝕也可以通過噴涂熱障涂層進行防護(見圖4)。我國載人航天工程也應用了熱障涂層技術,飛船逃逸系統(tǒng)的關鍵部件柵格翼大面積使用了等離子噴涂Al2O3涂層(見圖5)。2.可磨耗涂層材料特點(1)可磨耗封嚴涂層可磨耗封嚴是指壓縮氣體在高速旋轉機械(壓縮機、燃氣輪機等)的旋轉葉片與殼體之間獲得理想的流動間隙?？赡ズ拿芊馔繉又饕糜诤娇铡⒑教斓膲簹鈾C、渦輪的間隙控制,達到提高整機效率、降低能耗、簡化設計、延長使用壽命的目的。一般對可磨耗封嚴涂層的性能要求如下:(1)耐高溫氧化(不同溫度段:<400℃,<550℃,<850℃,900~1000℃)。(2)耐高溫燃氣沖蝕,受2~3倍音速的高溫燃氣沖蝕涂層無剝落。(3)涂層質(zhì)軟,易刮削,受300m/s線速度的葉片端部刮削而不損傷葉片尖部,涂層本身呈碎屑而無剝落。(4)涂層多孔,具有良好的耐熱震性和絕熱性。(5)高溫化學性能穩(wěn)定,高溫使用條件下,與金屬基體或結合底層不發(fā)生有害化學反應。(6)刮削面光滑,不影響氣流的導向和流動特性。常用的可磨耗涂層材料見表1。(2)應用實例可磨耗封嚴涂層在航天領域的應用主要集中在巡航導彈上。巡航導彈推進系統(tǒng)包括助推器和主發(fā)動機。助推器通常采用固體或液體火箭發(fā)動機。主發(fā)動機通常采用渦輪噴氣發(fā)動機和小型渦輪風扇發(fā)動機,而這兩類發(fā)動機在原理上與航空發(fā)動機相同,所以可磨耗密封涂層的應用部位和材料種類與在航空發(fā)動機上的應用相類似(見圖6和圖7)。3.等離子涂層技術在動環(huán)表面的應用,主要分為3個步驟(1)耐磨、密封涂層熱噴涂技術可以噴制高質(zhì)量的金屬氧化物(陶瓷涂層)和金屬碳化物涂層(硬質(zhì)合金涂層),這兩類涂層能夠滿足多種工況條件下的對耐磨和密封的要求,耐磨、密封涂層用于一些具有相對運動的磨損零件上,抵抗磨料磨損、粘著磨損、沖蝕磨損等。主要噴涂材料有:Cr2O3、Al2O3/TiO2、WC/Co、Cr3C2/NiCr等。金屬氧化物涂層采用等離子噴涂;金屬碳化物涂層現(xiàn)都采用高速火焰噴涂;氧乙炔噴焊工藝制備的鎳基或鈷基自熔合金涂層也是一種很好的耐磨、密封涂層。(2)應用實例等離子噴涂的金屬氧化物陶瓷涂層在運載火箭的動密封系統(tǒng)中應用較多。長征3號火箭三級采用的是氫氧發(fā)動機,最初研制氫氧發(fā)動機時,其渦輪泵動密封是一項關鍵技術。經(jīng)研究試驗,采用了在動環(huán)表面等離子Cr2O3涂層的技術方案解決了動密封難題;氫氧泵軸軸向密封也采用等離子Cr2O3涂層技術;某型號油缸密封套采用了等離子噴涂Al2O3涂層技術(見圖8~11)。4.等離子噴涂技術的特點熱噴涂成形技術是指用熱噴涂方法將某種材料噴涂在預制好的坯形表面或被封閉物表面形成一定厚度和形狀涂層的過程,一般坯形物需去除掉,而被封閉物則借助涂層包裹于其中。可用于噴涂成形的熱噴涂工藝主要是等離子噴涂、低壓等離子噴涂和電弧噴涂。電弧噴涂成形技術生產(chǎn)效率高、成本低、操作簡單、噴涂前工件不需預熱,噴涂時只有很少的熱量傳至工件,所以工件可維持較低的溫度(一般不超過65℃),不易發(fā)生變形,在較短的時間內(nèi)能牢固地噴涂高達10mm厚的金屬涂層面。等離子噴涂成形技術涂層材料選擇廣泛,可以噴涂各種金屬材料和非金屬陶瓷材料,噴涂效率高;工藝穩(wěn)定性好,含氧量低,涂層組織致密,力學性能較電弧噴涂好。低壓等離子噴涂用來噴涂成形一些由稀有金屬材料或易氧化材料制成的零部件,低壓條件下成形的涂層面,涂層致密潔凈,結合強度高。圖12和圖13是噴涂成形的一個實例,圖12顯示的是在多層疊加的鎳網(wǎng)表面火焰噴涂的鎳合金涂層,厚度為4~5mm,中間的鎳網(wǎng)是被封閉物,而鎳合金涂層構成了外圓表面的包裹層,圖13是加工成形后的產(chǎn)品。圖14是低壓等離子噴涂成形的發(fā)動機噴管。四、/zro2的熱性能隨著熱噴涂技術的不斷進步和我國航天事業(yè)的快速發(fā)展,相信熱噴涂技術在航天領域的應用將會更加廣泛深入。(1)熱障涂層自20世紀60年代工程化應用以來,在材料體系方面不斷改進,目前已發(fā)展至第4代,即:MCrAlY結合底層+YPSZ(Y2O3/ZrO2)工作面層。為滿足發(fā)動機熱端部件更苛刻的隔熱要求,國內(nèi)外研究者在新隔熱材料體系方面進行了大量研究并取得了一些進展。研究發(fā)現(xiàn)稀土氧化物CeO2可以改善ZrO2的穩(wěn)定性,同時顯著降低ZrO2材料的熱導率,由此設計出新型雙陶瓷層TBC涂層系統(tǒng):MCrAlY結合底層+YPSZ(Y2O3/ZrO2)中間層+CeYSZ(CeO2/Y2O3/ZrO2)工作頂層。CeYSZ涂層具有優(yōu)良的熱屏蔽性能,而韌性好的YPSZ涂層則能承受熱疲勞沖擊。這種雙層陶瓷TBC涂層顯示出優(yōu)良的耐熱震性能,存在實際應用的可能。納米結構的YPSZ制備的涂層具有結合強度高、抗熱震性能好,初期導熱率低的優(yōu)點,目前已在航空發(fā)動機導向葉片上成功應用,航天領域已應用于巡航導彈某部件上。為進一步提高熱障涂層抗高溫氧化性能,MCrAlY底層采用高速火焰工藝噴涂也是目前TBC涂層制備的新趨勢。研究表明:La2Zr2O7熱導率為1.1~1.5W/mK,低于傳統(tǒng)的YPSZ材料,在室溫至2500K溫度范圍內(nèi),其熱穩(wěn)定性好,抗燒結性能好,氧擴散率低,是一種非常有前途的新型熱障涂層材料。(2)可磨耗封嚴涂層方面不斷有新的需求和進展,其中SulzerMetco公司在此領域處于世界領先,不斷有新的研究和應用成果發(fā)布。SulzerMetco公司開發(fā)的數(shù)種NiCrAl-hBN-聚酯涂層材料顯示出良好的綜合性能,在此材料體系中,聚酯在涂層工作時燒損而增加可磨耗性,Ni基合金保證了在高溫使用時的抗沖蝕性和自身的強度,BN在高溫時有較好的自潤滑性,避免葉尖與涂層之間的粘著。在此基礎上,SulzerMetco公司還陸續(xù)開發(fā)出CoNiCrAlY-hBN-聚酯和YS