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热喷涂涂层材料的主要功能

        热喷涂" href="http://www.tgjxxz.com/repentu/" target="_blank">热喷涂涂层具有耐摩擦和润滑、热保护、抗氧化、抗腐蚀、导电和电绝缘、生物医用、化学催化、复合材料制备及部件修复等功能。概述如下:

        1.耐磨涂层是热喷涂技术的最大应用方面,通常具有高硬度、低气孔率、坚韧、与基体结合力强等优点。采用合适的组分,还可以减少摩擦。主要的喷涂材料有镍基合金和钴基合金、碳化物、硼化物、氧化物等。航空发动机是热喷涂涂层的最大应用市场。航空发动机叶片的凸台、密封部件加涂等离子喷涂碳化钨、氧化铝、硅藻土涂层,以提高耐磨和密封性能;燃烧室等部位采用耐热涂层保护。汽车工业的同步齿环和活塞环,通常采用火焰喷涂钼涂层。加涂耐磨涂层的钢铁工业、造纸工业的轧辊,可提高产品质量。采用氧化铝-氧化钛涂层的化纤工业的部件,可提高零件的耐磨性和消除静电。石化工业的磨环和轴套,加涂氧化铬、氧化铝-氧化钛涂层,解决了跑、冒、漏、滴等问题。耐磨涂层的主要用途和功能见表4(略)。

        2.隔热涂层

       隔热涂层,又称热障涂层,主要有氧化铝和CaO、MgO、Y2O3、CeO2和稳定的氧化锆组成。这些具有高的熔点和低导热系数的涂层,含有众多的气孔,体积气孔率在5%~30%之间。气孔的存在,进一步降低涂层的导热系数,提高涂层的隔热效果。

        为了提高氧化物隔热涂层与基体的结合力,通常用NiCr、NiAl、NiAlCrY各种金属涂层作为结合涂层。防热涂层主要用于火箭发动机和航空发动机燃烧室防热,也用于化工行业和冶金工业高温热保护。NiCrAlY-ZrO2涂层用于航空发动机叶片,可使叶片使用温度提高150℃,发动机的热效率提高1%。若能获得工业应用,效果甚大。

        为了减小涂层与基体金属的热应力,提高涂层的热冲击能力,近年来发展成功金属-陶瓷梯度涂层。此类涂层已在火车和汽车柴油机活塞顶上获得了试用,不仅提高了活塞的使用寿命,而且提高了柴油机的效率。

       汽车发动机的热喷涂市场潜力很大,可望在以后的十年内有大发展。美国汽车制造商都有积极的热喷涂涂层研究和发展计划,拟在汽车汽缸内衬和排气部位使用热障涂层,在活塞环、阀、凸轮、曲轴等部位使用耐磨涂层,这些涂层将提高部件的使用寿命和热效率。

       3.抗氧化和防腐蚀涂层

       抗氧化和防腐蚀涂层主要是金属和氧化物涂层,前者为NiCr、NiAl、NiAlCrY、WCoCr、Zn、Al和ZnAl的合金,后者主要为ZrSiO4、MgO-ZrO2、Al2O3涂层。MgO-ZrO2涂层具有极好的抗熔融钚和铀腐蚀能力,可防止熔炼过程中石墨坩埚的污染。氧化铝涂层浸渍有机树脂后,可用于化学工业冷凝器和其它装置的抗酸碱腐蚀。NiCrBSi和WC涂层具有良好的抗气蚀能力,可用于轮船螺旋桨的防气蚀。火焰喷涂的Zn、Al和Zn-Al合金涂层进行长效防腐十分有效,可用于电视铁塔、桥梁、水闸、输电铁塔、竖井井筒等大型工程。近年来,在电弧喷涂铝合金涂层表面加封孔剂,对舰船防腐取得了十分满意的效果。在海岸大桥钢结构表面喷涂铝合金防腐,能取代油漆,可以节省大量维修资金和人力。

        4.喷涂成型

        涂层是由熔化了的颗粒堆积而成,涂层具有一定的强度。采用热喷涂技术可制备异型和复杂形状的部件,这比常规方法更为经济、方便。采用真空等离子喷涂,以石墨作为模型,已制备出性能优良的钨和钼坩埚和管材。大功率等离子喷涂设备(100kw以上),用来喷涂氧化铝氧化锆材料,成功地制备厚为15mm的大尺寸制品,其经济性与实用性优于传统方法的陶瓷制品。此外,用等离子喷涂技术还可以制备颗粒、晶须、纤维补强的复合材料。

        5.医用生物材料

        热喷涂技术主要是等离子喷涂技术,它是制备医用生物材料的重要方法之一。金属具有较高的强度,可以制成各种形状的人工骨和人工齿根,但其生物相容性较差;陶瓷材料不与人体体液作用,脆性较大,使其作为生物材料受到一定的限制。发挥二者的优点,克服缺点,以金属材料(主要为钛合金)为骨架,在其表面喷涂生物玻璃、氧化物、羟基磷灰石等制成复合材料,已在临床上得到应用。

        6.其它功能涂层材料

        热喷涂光、电、磁陶瓷是热喷涂技术的又一重要研究、开发、应用领域。喷涂铝、铜金属是典型导电涂层。氧化铝、氧化锆涂层是很好的电绝缘材料,可用作磁流体发电机的通道壁材料。热喷涂氧化锆涂层具有较好的离子迁移性能,已成功地用作汽车传感器零件,亦用来作为氧传感器探头,测定钢水中的氧含量。

        从60年代开始研究热喷涂的光学材料和磁学材料,包括铁氧体、氧化物、碳化物、金属硬磁合金。等离子喷涂Sm/Co和NdB等材料,由于快速凝固,在沉积物中含有细颗粒,为磁性应用提供了特殊的优势。如非常小的磁畴,典型的P/M结构,提高了沉积物的磁性。

        热喷涂涂层的又一重要研究开发领域是制备节能材料。将ZrO2-TiO2-Nb2O5喷涂在电热元件表面,不仅将电热元件的辐射系数由0.72提高到0.85,而且辐射率向长波方向扩展,大大提高了电热元件的能量利用率。制碱工业和电解水制氢工业消耗大量的电力,若能降低电解槽中的氢、氧过电位,具有明显的节电效果。采用等离子喷涂技术,喷涂Ni-Al-MO涂层,再除去Al相,形成多孔的Ni-Mo涂层,可使电解室的电压降低0.2V,达到节电的目的。

        应当指出,热喷涂技术的另一重要研究课题是合成金刚石膜。金刚石膜具有极高的硬度,高的导热系数和禁带宽度大等特点,在新技术产业方面具有广泛应用。因此,世界各国的科技界与工业界采用各种方法合成金刚石膜。合成金刚石膜的主要方法有下列四种,即热丝化学蒸气沉积、等离子气相CVD法、燃烧火焰法和等离子喷涂法。其中受到广泛注意的是等离子喷涂技术。在低压等离子喷涂室中,注入CH4和H2,在基体材料表面沉积金刚石膜,金刚石膜的生长速率可达920微米/小时,是其它方法无法比拟的。

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