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热喷涂基本概念及分类

 一.热喷涂的基本概念

  热喷涂技术是表面工程学的重要组成部分,它是一种材料表面强化和表面改性的新技术,可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能,理论上可在任何固体物质上进行热喷涂并形成热喷涂涂层,涂层材料可以是金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料以及它们的复合物等。

  热喷涂是利用某种热源将涂层材料加热到熔融或半熔融状态,同时借助于焰流或高速气体将其雾化,并推动这些雾化后的粒子喷射到基体表面,沉积成具有某种功能的涂层技术。近年来热喷涂技术的内容得到了扩展,即对于一些材料粒子被气流加速的过程中,使其速度达到或超过临界速度,但未被加热到熔融或半熔融状态,由于粒子在达到沉积面时会将高的动能变为材料粒子变形及热能使得基体和粒子之间或粒子和粒子之间形成良好的结合,即所谓的"冷喷"技术也纳入到了这个技术领域之中了。

  二.热喷涂技术的形成及发展

  热喷涂技术是在1908年由瑞士的肖普(schoop)博士发明(首创)并用雾化装置进行喷涂试验的。在1913年制作出世界首台丝材喷枪,并在其后逐渐完善和得到应用。1920年,日本人去瑞士考察后,发明了以交流电为热源的电弧热喷涂装置,但因交流电不稳定,效率低,涂层质量差等原因,这种交流电弧热喷涂技术及装置未能得到实际的推广和应用。后来德国改用直流电源后,电弧喷涂才有了真正的实用价值,1938年,美国研制成功了电弧丝材喷枪,其后又研制出粉末氧-乙炔火焰喷枪。1953年,当时的西德研制出自熔性合金粉,这是喷涂材料发展的一次重大突破,(是粉末喷涂材料从单一金属向合金材料发展,从低熔点材料向高熔点材料发展,从低耐磨性向高耐磨性发展的里程碑)。上世纪50年代后期,美国又相继研制出爆炸喷涂和等离子喷涂,满足了当时航空、导弹等尖端技术对涂层性能的需要。上世纪60~70年代,是喷涂材料发展十分活跃的时期,美国、加拿大、瑞士、西德、比利时等国分别研制生产出系列的复合粉、多种自熔合金粉、陶瓷粉、金属陶瓷粉和自粘结复合粉等,这其中包括以Ni-AL为基础的放热型复合粉,这些材料的出现以及材料生产技术的不断完善,使得喷涂材料更加齐备和商品化,满足了当时,直到今天人们在这方面的需求。

  我国的热喷涂技术及工程应用早在上世纪50年代初就开始了丝的电弧热喷涂(据资料报道,就在江浙一带的高压输电钢结构塔上喷涂Zn涂层防腐,至今仍在起着防腐蚀的作用)。

  60年代在某些军工部门,主要是航空部门开始研究等离子;70年代由于一些大国对我国的限制,为了满足国防的特殊需求,我国的一些科研单位以研制生产Ni 包Al、Co包WC粉末热喷涂复合材料始,先后生产出品种和型号较为齐全的材料和设备;80年代初,北京矿冶研究总院首先研制出系列的自粘一次喷涂粉末。81年末,由当时的国家经委和国家科委联合召开了我国首届热喷涂技术推广会。在此次会上,由国家经委和国家科委联合下文。(经技〔1981〕489号),成立了全国热喷涂协作组。同时,在其后的"六五"、"七五"、"八五"和"九五"连续四个"五年计划"中,将热喷涂技术作为国家重点推广项目并给予政策和经费支持,据称,在国家的"十一五"中,热喷涂技术研发和应用也列入许多单项工程上并得到国家的支持。在经我国相关工程技术单位半个世纪的不懈努力,特别是在81年末由国家经委和科委主持召开的首届热喷涂(焊)技术交流推广会后,我国的热喷涂技术才得以迅速的发展,目前,热喷涂技术已在我国的各工业领域得到更加广泛应用。

  三.热喷涂技术特点

  热喷涂技术从上世纪初开始出现到现在已有近百年的历史了,热喷涂工艺、设备、喷涂材料以及施工都有了突飞猛进的发展,从早期制备一般装饰性和防护性表面,发展到制备各种功能的功能性涂层:由废旧件的修复工艺发展成新产品的强化工艺;由单一涂层到多层的包括产品失效分析、涂层设计、工艺设计和施工,以及质量检测和控制在内的系统工程,成为像铸、锻、焊、热处理一样的独立的热加工工艺。

  热喷涂技术的基本特点是它具有真正的叠加效果,也就是说,多种成份及变量在同时作用和正在应用时所产生的效果,远远比这些成份或变量在单独状况下所产生的效果要大,热喷涂技术与其他各种表面技术相比,有其自身的特点:

  ⑴几乎适用于各种材料对零件表面的喷涂,如金属、陶瓷、金属陶瓷、玻璃、有机化合物等。

  ⑵喷涂时,受零件的尺寸大小及形状限制条件少。

  ⑶被喷涂的零件表面受热的影响小,不易变形。

  ⑷工艺操作程序简单,效率高。

  ⑸被喷涂零件的材质广泛,可以是金属、陶瓷和其他非金属等。

  ⑹喷涂厚度较易控制。

  ⑺可赋予普通材料以特殊的表面性能。

  ⑻成本低,经济效益显著。

  四.热喷涂分类

  按国家标准GB/T1872-2002颁布的分类方法,其分类为按热喷涂材料类型分类,按操作方法分类和按热源分类三种分类方法。

  1.按热喷涂材料类型分类

  可分为以下各类:

  --线材喷涂 wire spraying

  --棒材喷涂 rod spraying

  --芯材喷涂 cord spraying

  --粉末喷涂 powder spraying

  --溶液喷涂 molren bath spraying

  2.按操作方法分类

  手工喷涂 manual spraying

  喷涂工艺所特有的全部操作均使用手工完成。

  机械化喷涂 mechanized spraying

  喷涂工艺所特有的全部操作均使用机械完成。

  自动化喷涂 automatic spraying

  喷涂工艺所特有的全部操作包括所有装卸,例如上、下工件均完全机械化并集成于一个程序系统自动完成。

  3.按热源分类

  3.1熔液喷涂 molten-bath spraying

  喷涂材料被加热到熔化状态并被预热的雾化气体(例如压缩空气或其他混合气体)雾化加速井喷到经预处理的基体表面的一种喷涂方法。太多数情况下,喷涂材料是在容器内被加热熔化的。

  3.2

  火焰喷涂 flame spraying

  喷涂材料在氧一燃气焰中被加热,然后以雾化状喷向经预处理的基体表面的喷涂方法。初始喷涂材料可呈粉末状、棒状、柔性复合丝状或线状。可以只利用氧一燃气射流,也可以同时使用附加的雾化气体(例如压缩空气),将被加热的材料喷向基体。

  3.2.1

  线材火焰喷涂 wire flame spraying

  线材火焰喷涂是将要沉积的线状材料不断输送给喷涂枪,利用氧-燃气焰将其加热.到熔化状态,并借助于雾化气体(例如压缩空气)喷射到经预处理的基体表面的喷涂方法。 使用的主要燃料气体有:乙炔、丙烷、氢气和液化石油气等。

  线材火焰喷涂还包括:棒材火焰喷涂、柔性复合丝火焰喷涂等。

  3.2.2

  粉末火焰喷涂 gowder flame spraying

  粉末火焰喷涂是将要喷涂的材料以粉末状输送给喷涂枪,在氧-燃气焰中将其加热到塑性或熔化状态,并利用膨胀燃气流喷射于经预处理的基体表面上的喷涂方法;有时可利用附加的气体射流加速粉末粒子。

  3.3

  高速火焰喷涂 high velocity flame spraying

  高速火焰喷涂时,助燃气体与燃烧气体在燃烧室中连续燃烧,燃烧的火焰在燃烧室内产生高压并通过与燃烧室出口联接的膨胀喷嘴产生高速熔流,喷涂材料送入高速射流中被加热,加速喷射到经预处理的基体表面上形成涂层的方法。

  可使用乙炔、丙烷、丙烯。氢气等燃气,也可使用柴油或煤油等液体燃料。 3.4 爆炸喷涂detonation spraying

  爆炸喷涂是将一定量的粉末注入喷枪的燃爆室中,燃爆室中的气体混合物发生时间间隔可控的爆炸燃烧,所产生的高速热气流将粉末粒子加热到塑性或熔化状态并使粉末粒子获得加速,喷射到经预处理的基体表面上形成涂层的方法。

  爆炸喷涂的喷涂枪由枪管和燃爆室所组成,利用电火花引爆住人的气体产生冲击波加速和加热输入枪管中的粉末粒子,直射到经预处理的基体表面上。每次爆喷后,用氮气冲洗燃爆室和枪管。

  3.5

  电弧喷涂 arc sPraying

  电弧喷涂是利用两根金属丝之间产生的电弧熔化丝的顶端,两根金属丝的成分可以相同,也可以不相同,经一束或多束气体射流(一般为压缩空气)雾化将已熔化的金属熔滴喷射到经预处理的基体表面上形成涂层的工艺方法。

  3.6

  等离子喷涂 plasma sPraying

  3.6.1

  大气等离子喷涂 plasma sPraying in air

  大气等离子喷涂简称等离子喷涂,是利用等离子射流将喷涂材料加热到塑性或熔化状态,再将它喷射到经预处理的基体表面形成涂层的方法。可用送粉气将粉末从喷嘴内(内送粉)或外(外送粉)送入等离子射流中。

  利用电极(阴极)和喷嘴(阳极)之间形成的电弧使等离子体形成气体部分或全部电离,产生等离子体,气体热膨胀从喷嘴喷出高速等离子射流。常用的等离子气体有氩气、氢气、氦气、氮气或它们的混合物。

  3.6.2

  可控气氛等离子喷涂 plasma spraying in chambers

  在含有 气体气氛的密封中完成的等离子喷涂。

  常用的等离子气体有氩气、氦气、氮气或它们的混合物,利用适当的控制系统操纵喷枪和工件,同时由符合规定条件喷涂室外的送粉器将粉末连续送入喷枪。

  真空等离子喷涂是一种特殊方式,密封室中的气压可以降低。在密封室的气压升高的情况下也可进行等离子喷涂。通过控制密封室的气氛向密封室内喷射细小的液滴的液化气体,同时对基体和涂层兼有冷却的作用。

  3.6.3

  液稳等离子喷涂 liquid-stabilized plasma spraying

  液稳等离子喷涂是液体作为等离子体形成介质,例如水、乙醇或甲醇等。在石墨阴极和旋转水冷阳极之间产生电弧;液体以涡旋运动引入室内,以稳定电弧,并产生等离子射流;不断连续再生的液体罩与室壁形成绝缘、绝热,同时起冷却剂的作用。在室内高温的作用下,部分稳定电弧的液体发生蒸发离解产生等离子体。喷涂材料引入喷嘴外的高速等离子射流中,被加热到塑性或熔化状态,并喷射到经预处理的基体表面上形成涂层的方法。

  3.7

  激光喷涂 laser spraying

  激光喷涂是用适当的送粉管将粉末注入激光束中,利用激光束将粉末熔化,并靠送粉气和重力喷到基体表面形成涂层的方法。喷涂时,可用屏蔽气体保护涂层。

  五.热喷涂方法的典型特征参数 特征值 火焰温度/℃ 粒子速度/m.s-1 结合强度/N.mm-2 气孔率(%) 喷涂效率/kg.h-1 相对成本 火焰喷涂 3000 40 8-20 10-15 2-6 1 电弧喷涂 4000-6000 100 12-25 10 10-25 2 高速火焰喷涂 3000 800-1700 70-110 <0.5 1-5 2-3 火焰爆炸喷涂 4000 800 >70 1-2 1 4 等离子喷涂 12000-16000 200-400 60-80 <0.5 2-10 4
 

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