热喷涂表面技术的发展现状

研究生课程（论文类）试卷2015/2016学年第1学期课程名称：材料表面工程课程代码：27000013论文题目：热喷涂表面技术的发展现状学生姓名：专业﹑学号：学院：材料科学与工程学院课程（论文）成绩：课程（论文）评分依据（必填）：（1）论文结构：满分50分A．论文层次分明，内容组织有序，字数达标：40~50分；B．论文层次一般，内容组织一般，字数3500至4000：30~39分；C．论文层次不合理，内容组织不合理，字数3000以下：30分以下。（2）语言组织：满分20分A．语言简练，通顺。16~20分；B．语言一般，基本通顺。12~15分；C．语言不通顺，有错字。11分以下。（3）创新：满分10分A．论文具有前瞻性，有较多的创新见解：8~10分；B．论文具有前瞻性，有少数的创新见解：4~7分；C．论文没有前瞻性，无创新：0~3分。（4）使用价值：满分20分A．论文有较高的使用价值，能够解决实际问题；16~20分；B．论文使用价值一般，有一定的参考价值；8~15分；C．论文没有使用价值：0~7分。任课教师签字：日期：年月日课程（论文）题目：热喷涂表面技术的发展现状内容：内容要求：1、论文选择的表面技术种类来自本课课程内容；2、论文的选择表面技术最好与导师的或自己将来的课题方向相关；3、论文总字数不少于4000字；4、论文尽量引用较新的参考文献，能体现最新的发展。页数不够，可续页【摘要】热喷涂技术拥有着巨大的发展优势，且被广泛应用在工程领域方面。综述了热喷涂技术的研究现状以及未来的发展趋势，主要介绍了超音速火焰喷涂技术、火焰喷涂技术、电弧喷涂技术、等离子喷涂技术、冷喷涂技术与超音速电弧喷涂技术等，并简述了这些技术的研究发展趋势与实际应用。【关键词】热喷涂技术；研究现状；发展趋势表面工程的概念是1983年由英国教授T．Bell首先提出的，经过二十多年的迅猛发展，表面工程已成为先进制造技术的重要组成部分，是21世纪工业发展的关键技术之一[1]。1绪论热喷涂技术是利用某种热源使得喷涂材料受热呈现熔融或者是半熔融状态，再将其喷射到需要涂敷的基体表面，从而可以形成一层比原基体材料涂层性能优异的涂层，使得工件的表面性能更加优异，或是使得工件形成一种或多种原基体材料不具备的表面性能膜状组织结构。热喷涂涂层具有耐磨损、隔热以及耐高温等性能，并且能够实现对出现磨损、被腐蚀的零件以及因加工出现误差的零件进行必要的有效修复。热喷涂技术是表面工程的重要组成部分，在工业与科学技术快速发展的今天，喷涂技术在航空航天、石油化工以及机械制造等众多的领域中应用广泛。本文主要介绍了超音速火焰喷涂技术、火焰喷涂技术、电弧喷涂技术、等离子喷涂技术、冷喷涂技术与超音速电弧喷涂技术等，并简述了这些技术的研究发展趋势与实际应用。2热喷涂技术2.1超音速火焰喷涂技术2.1.1火焰喷涂技术的发展超音速火焰喷涂((HVOF)是在上个世纪80年代初期由普通的火焰喷涂技术发展而来的一种新型的喷涂技术。1982年在美国出现了第一代超音速火焰喷涂装置，随后超音速火焰喷涂技术得到了长足的发展[2]。图1为两种超音速火焰喷枪(DJ-2700和JP-5000)的结构图，其中DJ-2700是Metco公司在推出Dia-mondJet(DJ)标准型后投放市场的复合型超音速火焰喷枪，该喷枪以丙烷为燃料、氧气为助燃气体，燃烧部位气冷，其余部份水冷，不设热交换器，从而减少了热损失，而JP-5000型超音速火焰喷枪是TAFA公司推出的产品，该喷枪是以安全的航空煤油为燃料，吸人式送粉，热效率高，将氧气和液体燃料送进喷枪后部的燃烧室，并用火花塞点燃，粉末沿径向双孔加人到内喷嘴喉管后的过渡膨胀负压区，从而不需要高压送粉系统[3]。2.1.2超音速火焰喷涂原理该项技术主要是以氢、丙烯、乙炔以及煤等作为燃料，以氧气作为助燃剂，在特殊的喷嘴中进行燃烧或者是在专门的燃烧室进行燃烧，形成温度高达2000℃-3000℃，速度快至2100m/s的超音速火焰，与此同时将各类粉末送进火焰中，使得粉末粒子呈现熔化或是半熔化状态，并高速运转撞击至基体表面从而在基体表面形成涂层，此类涂层比普通火焰喷涂的涂层更加结实紧密。2.1.3超音速火焰喷涂的特点在进行超音速火焰喷涂时会出现高温高速的喷射速度，因此其涂层结合度高，存在的空隙率较低，涂层表面硬度也高，使得其表面十分耐磨损，表面性能膜状组织优良，具有光滑的表面。同时又由于粉末颗粒是在形成火焰流后加入，粉末出现氧化少，使得其能够与基体粘接的更加好。又由于粉末颗粒处于高温条件下的时间较短，粉末的化学成分发生变化或是相互转化的少。最后是超音速火焰喷涂能够做到连续的喷涂，提高了工作效率。2.2火焰喷涂技术2.2.1火焰喷涂技术的原理火焰喷涂技术是将火焰作为热源，通过对金属与非金属材料进行加热使得呈现熔融状态，并且在高速运转的气流的推动下形成能够喷射到基体表面的雾流，喷射的雾流是细小的熔融颗粒，这些熔融颗粒在撞击到基体上后会出现塑性变形，形成片状叠加涂层。火焰喷涂技术在设备维修过程中主要是用于修复零件的磨损表面以及适当地改变零件的性能。火焰喷涂按喷涂材料的形态可以分为粉末火焰喷涂、丝材火焰喷涂、棒材火焰喷涂等，又可以按照喷涂焰流的形态具体分为普通火焰喷涂、气体爆燃式喷涂等。图2是粉末火焰喷涂原理图。图2粉末火焰喷涂原理Fig.2Schematicofpowderflamespraying由图2可知，火焰喷涂轴向喷出包括3个部分:氧-乙炔混合气、送粉气和喷涂粉末。氧-乙炔混合气在喷嘴口处燃烧，喷涂粉末在此高温熔化，最后随着送粉气喷涂到基材表面，形成喷涂层[4]。2.2.2火焰喷涂技术的特点首先，火焰喷涂对一般金属、非金属材料等均可以实现喷涂，并且对于基体的尺寸与形状没有具体的限制，但是就小孔而言，目前还是不能够实现喷涂的。其次，能够被用来作为涂层的材料众多，有合金、金属、陶瓷以及复合材料等，并且这些材料能够使得基体表面具有其他各类性能，如耐腐蚀、耐高温、耐磨损、以及隔热等。再次，火焰喷涂对基体产生的影响较小，基体产生变形的几率不大，材料的组织不会出现变化。最后，火焰喷涂技术的涂层具有多孔性组织，这样能够实现储油润滑从而减少摩擦性。2.3电弧喷涂技术2.3.1电弧喷涂技术的发展电弧喷涂技术是通过将喷涂与电弧喷涂进行结合，同时通过高速的燃气从而加速电弧喷涂的粒子，此类喷涂设备结构较为复杂，成本相对而言也较高，并且还会降低安全性，在实际的使用过程中会受到一定的限制。使用普通电弧喷涂技术喷涂出来的涂层质量较低，而目前涂层的使用要求越来越严苛，因此电弧喷涂技术在实际的工业生产中的使用受到了限制。2.3.2电弧喷涂技术的原理电弧喷涂是指利用电弧来熔化2根连续送进的金属丝，在高速气流作用下使熔化的金属雾化并快速运动喷向工件形成涂层[5]。图3电弧喷涂原理Fig.3Schematicofarespraying由图3可知，阴极和阳极间形成高温电弧，工作气体经过，形成高温气体喷出；在喷嘴口径向送入喷涂粉材，粉材进入高温工作气体后熔融，并随着高温工作气体喷涂到基材表面。2.3.2电弧喷涂技术的特点电弧喷涂技术的特点如下，其生产成本低、生产效率较高，工件受热部分小，在维修、设备制造、高效防腐以及特殊功能涂层制备等领域得到广泛地应用，在热喷涂中有着重要的地位2.4等离子喷涂技术等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性技术，可以使基体表面具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。2.4.1等离子喷涂技术的原理等离子喷涂技术是直接利用被直流电驱动的等离子电弧来作为热源，对各类材料，例如陶瓷、金属以及合金等进行加热，使其能够出现熔融或者是半熔融状态，并且经过高速喷射预处理在基体表面能够形成紧密的涂层。等离子喷涂原理如图4所示。图4等离子喷涂原理Fig.4Schematicofplasmaspraying由图4可知。等离子体轴向喷出.在喷嘴出口径向送人喷涂粉体，喷涂粉体进人到等离子焰流中，迅速熔化，随着等离子焰流喷涂到基材上，形成喷涂层。2.4.2等离子喷涂技术的特点等离子喷涂技术具备超高温特点，使得其能够方便进行对高熔点材料的加热熔化，又因为其喷射的粒子速度非常快，从而使得涂层的致密性提高。在进行等离子喷涂时使用的是惰性气体，材料不易出现被氧化的现象。在性能上，等离子喷涂层的机械性能主要受涂层内扁平粒子间的结合力控制。为了提高粒子间的结合力，需要提高喷涂粒子的温度，目前采用有两种方法。一种发展时间较长，主要是提高等离子电弧功率。一方面能够增加等离子焰流的温度。另一方面提高了喷涂粒子射向基材的速度。喷涂粒子速度越快，则具有的动能越大，当粒子喷到基材表面后，动能转化为内能。使粒子熔融更加充分，从而提高粒子间的结合力。另一种方法。则是要降低等离子焰流速度，使喷涂粒子在等离子馅流中有足够长的时间充分受热。这种概念出现较晚。实现的方法主要是加大喷嘴孔径、降低等离子电弧的压缩效应，从而实现等离子射流的低速化。通过实验检测，不论是提高等离子电弧功率，还是降低等离子焰流速度。都是提高粒子间结合力的有效途径[6]。2.5冷喷涂技术2.5.1冷喷涂技术的发展冷喷涂技术在化工、汽车、航空航天、造船、电子、机械、造纸等领域具有广阔的应用前景，可以生产和修复涡轮叶片、活塞、轴承、汽缸、阀门等零部件。在国防工业可以生产、修复舰船螺旋桨叶片和轴、飞机弹射装置、制备耐磨和耐腐蚀的涂层等。应用有先进水陆两栖攻击艇轮子、水陆两栖攻击艇装甲、飞机弹射器活塞、钛涂层[7]。2.5.2冷喷涂技术的原理冷喷原理是不再加热喷涂材料，而是将材料加热到大约500℃左右，在利用高速喷涂的粒子在基体表面上出现塑性变形从而沉淀成为涂层。在进行冷喷的过程中需要高压的热气体，这些热气体通常是氮气或是氦气或者是两者的混合物，利用拉瓦尔喷嘴将其能够加速至超音速，使得材料呈现粉末状，并且被注入进气流同时喷射向基体表面从而能够形成结构紧密的涂层。图5冷喷涂原理Fig.5Schematicofcoldspraying2.5.3冷喷涂技术形成涂层的特点利用冷喷涂技术形成的涂层致密度较高，基体受热少，喷涂材料被氧化程度低，喷涂材料的出现的形变大，但是其成分较稳定。2.6超音速电弧喷涂技术2.6.1超音速电弧喷涂技术的发展电弧喷涂具有生产效率高、成本低，工件受热小等优点在高效防腐、维修、设备制造和特殊功能涂层的制备方面应用广泛，在热喷涂中占有重要的地位。但是，与等离子喷涂和超音速火焰喷涂相比，普通电弧喷涂的涂层质量较低、结合强度较小，限制了电弧喷涂的应用[8]。普通电弧喷涂涂层质量较低，而涂层的使用环境越来越苛刻，其应用在工业中受到限制。如果能开发出新型的超音速电弧喷涂设备，将粒子的速度提高到超音速，涂层质量必将有大幅度的改善，并扩大电弧喷涂的应用范围。因此，超音速电弧喷涂技术越来越受到广泛关注[9]。2.6.2超音速电弧喷涂技术的原理电弧喷涂原理是利用两根连续送进的金属丝作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，用压缩空气将熔化了的丝材雾化，并以超音速喷向工作件形成一种结合强度高、孔隙率低、表面粗糙度低的涂层的热喷涂方法。其工作原理与普通电弧喷涂（亚音速雾化）一样，超音速电弧喷涂是一个不断连续进行的熔化－雾化－沉积的过程。但在雾化方式上，超音速电弧喷涂与普通电弧喷涂有根本的区别，即超音速电弧喷涂是采用超音速雾化。2.6.3超音速电弧喷涂技术的特点其优点是：雾化效果好，雾化后的粒子细小均匀，速度高，有利于获得高质量的涂层。超音速电弧喷涂采用拉伐尔喷嘴，将气流的速度从亚音速提高到超音速，加强了气流对粒子的加速效果，从而提高了粒子速度。粒子速度对涂层的性能有很大的影响。粒子速度高，粒子沉积时对基体的撞击作用就强，粒子变形就充分。有利于粒子与基体、粒子与粒子之间的结合，从而提高涂层的结合强度和内聚强度；粒子速度高，粒子沉积前在空气中的飞行时间短，飞行中产生的氧化物就少，有利于粒子的结合，从而提高涂层的内聚强度，降低涂层的孔隙率。粒子速度越高，越有利于获得高质量的涂层。