热喷涂技术的研究综述

《表面工程技术》结课论文题目热喷涂技术的研究综述专业班级材控1211学号2012118502104学生姓名赵乙丞成绩日期热喷涂技术的研究综述摘要：介绍了热喷涂技术的特点、分类以及在现实中的应用。对火焰喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等喷涂工艺的优缺点进行了分析。并对热喷涂技术的应用概况，热喷涂技术的发展方向做出了展望。[关键词]：热喷涂；热喷涂技术特点；热喷涂应用；热喷涂进展Abstract：Introducesthecharacteristics,classificationandapplicationofthermalsprayingtechnologyinreality.Theadvantagesanddisadvantagesofflamespraying,explosionspraying,plasmaspraying,arcsprayingsprayingprocessareanalyzed.Andtheapplicationofthermalsprayingtechnology,thedirectionofthedevelopmentofthermalsprayingtechnologyprospect.Keywords：Thetechnicalcharacteristicsofthermalspraying；Thermalspraying；Applicationofthermalspraying；Progressofthermalspraying1.前言热喷涂技术是材料表面强化与保护的新技术，在表面改性技术中占有重要地位。该项技术在我国始于20世纪50年代，至70年代末已经形成气候。目前，无论在设备、材料、工艺、科研等方面都在迅速发展与提高，成为表面技术重要组成部分。一般认为，热喷涂就是利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属或非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化，并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。热喷涂技术可以喷涂各种金属及合金、陶瓷、塑料及非金属等大多数固态工程材料，所以能制成具备各种性能的功能涂层，并且施工灵活，适应性强，应用面广，经济效益突出，尤其对提高产品质量、延长产品寿命、改进产品结构、节约能源、节约贵重金属材料、提高工效、降低成本等方面都有重要作用。热喷涂技术在各种金属或非金属零件的机械性损伤修复领域，占有重要的地位，目前主要用在一下几个方面：(1)制造新件如采用电弧喷涂制造冲压塑料和皮革制品件模具、等离子喷涂加工陶瓷喷嘴或耐火金属喷嘴、雷达整流罩、高温炉元件，以及纤维增强钛金复合材料的发动机部件等。(2)材料的改性在材料改性方面，用热喷涂技术对普通材料进行处理，可按需要改变其表面的化学成分和组织结构，达到强化表面某些性能的目的。(3)旧件的修复在旧件修复领域里，热喷涂技术不仅可以恢复零件的尺寸，而且可强化零件表面的性能，成倍地提高其寿命，经济意义十分重大。(4)制备特定的功能性涂层譬如可以制备耐磨涂层、耐腐蚀涂层、耐高温涂层、屏蔽涂层、绝缘喷涂层、耐氧化涂层等，改善材料的表面性能。2.热喷涂技术的特点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,多种成分及变量在同时作用和正在应用时所产生的效果,远远比这些成分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:(1)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、工程塑料、木材、布、纸等。(2)基体温度低。基体温度一般在30—200°C之间，变形小，热影响区浅。(3)操作灵活。可喷涂各种规格和形状的物体，特别适合于大面积涂层，并可在野外作业。(4)涂层厚度范围宽。从几十微米到几毫米的涂层都能制备，且容易控制。(5)工艺操作程序简单,效率高，成本低。喷涂时生产效率为每小时几公斤到几十公斤，经济效益显著。(6)可赋予普通材料以特殊的表面性能但热喷涂技术也存在涂层结合力差；涂层含有一定孔隙度，对腐蚀、氧化、绝缘性能有一定影响；涂层材料回收率低；劳动条件差等局限性。3.热喷涂技术的分类3.1火焰喷涂法火焰喷涂法是最早的一种喷涂方法,它利用氧和可燃性气体的燃烧火焰,把焊丝、焊棒或粉末状的喷涂材料加热,使其在熔融或接近熔融的状态下喷向基体材料表面而形成涂层。火焰喷涂具有设备简单,工艺成熟,操作灵活，投资少,见效快等优点。采用火焰喷涂法技术,可以制备各种纯金属、合金、陶瓷及塑料等涂层,是目前喷涂技术中使用较广泛的一种工艺。火焰喷涂技术的缺点：①喷涂层与基体结合强度较低，不能承受交变载荷和冲击载荷；②基体表面制备要求高；③火焰喷涂工艺受多种条件影响，涂层质量尚无有效检测方法。火焰喷涂法依涂层材料的外形又分为熔丝法、熔棒法和粉末法三种类型。熔丝法应用能够形成丝材的各种金属和合金作为喷涂材料。熔棒法以陶瓷(氧化铝、氧化铬等)制成棒状作为喷涂材料,而那些不易制成丝材(铝锌合金、自熔合金等)的合金粉和低熔点的陶瓷粉,则以采用粉末法为宜。3.2爆炸喷涂法爆炸喷涂法是一项技术难度较大、工艺性能较强的喷涂技术,它利用氧和可燃性气体(乙炔等)的混合气体,经点火后在喷枪中形成爆炸高温(温度在3300℃上)，加热喷涂材料(微细粉末)，并利用爆炸波产生的高压,把喷涂材料高速地喷向基体表面而形成涂层。颗粒速度大,是爆炸喷涂区别于火焰喷涂的主要特点。爆炸喷涂的缺点：（1）效率低。爆炸频率低,不超过10次/s,而每次喷涂的涂层厚度仅4～6μm,面积仅ф25mm一个圆域。（2）爆炸喷涂时噪音强烈,达到或超过150dB。（3）爆炸喷涂时会产生极细的尘粒,因此需专用的防尘室等措施。（4）形状复杂的工件表面和小内径内腔表面和长内腔内表面无法喷涂。3.3电弧喷涂法电弧喷涂法是在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧,电弧产生的热使金属焊丝逐步熔化,熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面形成涂层。在电弧喷涂的过程中,雾化的颗粒速度最高可达180～335m/s,电弧最高温度可达5000℃。它的优点是:喷涂效率高(相对其他喷涂工艺而言)；质量易保证；其熔化喷涂的涂层结合强度高于一般火焰喷涂；能源利用率高(对等离子喷涂而言)；设备投资低；对各种金属材料都能喷涂,大量地应用于防腐、耐磨等工程。目前,电弧喷涂法已经从一种粗糙的高喷涂率的技术演化为能以低成本生产具有高质量涂层的较为精密手段。3.4等离子喷涂等离子喷涂技术是继火焰喷涂、电弧喷涂之后大力发展起来的喷涂新技术,近几年在我国发展较快,应用也相当普遍。等离子喷涂是采用等离子喷枪产生的等离子喷流,把数微米至数十微米的金属陶瓷等单一或者混合粉末加热并加速,在熔融或接近熔融的状态下喷向母体材料的表面而形成涂层。有以Ar、He、N2、H2等气体作为工作气体的气体等离子喷涂,还有把水分解成氧和氢而作为工作气体的平均等离子喷涂。等离子喷涂产生的温度可达16000℃,喷流速度达300～400m/s,因而可喷制各种高熔点、耐磨、耐热的涂层。该涂层具有较高的结合强度,涂层特性好,尺寸也容易控制,尤其适合陶瓷材料的喷涂。国内外已有数百种材料用等离子进行喷涂,所得的涂层具有抗蚀、抗氧化、耐磨损擦伤、助滑、助粘结、防辐射和绝热等功能。等离子射流温度可通过发射光谱(8000T14000K时,主要来自原子谱线)，瑞利散射(Rayleighscattering)(T10000或16000K时,取决于分辨率)和相干反斯托克斯喇曼干涉光谱(CARS)(T10000K时)来表征。与质谱仪耦合的热焓探针可以测量气体的热焓,进而得到等离子气体的温度,但这种方法是侵入式的,测得的温度是Favre平均温度,与光谱测得的时间平均温度不同。在等离子核心,直流电弧等离子射流的速度可以使用光学方法测得,其依据是电弧根波动导致光波动传播,而在等离子焰中,可以利用与质谱仪耦合的热焓探针测量。直流等离子射流的瞬态行为通常借助于快速摄影机来研究:摄影机可以是快门时间非常短(小10-5s)并带有运动分析器的简易数码视频摄影机、带激光闪光灯的数码或视频摄影机。等离子喷涂涂层的特征直接取决于到达基底的粉末颗粒的参数。因此,几年来,发展了许多不同的技术来测量颗粒尺寸、速度和温度分布。一般,粉末颗粒温度的确定基于测量粉末颗粒发射的双波长或多波长或色带的热辐射而获得。粉末颗粒速度用激光多谱勒测速仪(laserDopplervelocimetry)或过境计时技术(transittimingtechnique)测得。在后一技术中,速度根据颗粒穿过两个光栏或聚焦的激光斑点之间的时间推得。粉末颗粒尺寸根据经绝对强度校核后的颗粒的热辐射强度推导得出,或根据穿过一聚焦激光束的一个颗粒散射并在与原始激光束不同的角度收集的两个或多个光信号之间的相位移推得。这些方法大部分是单颗粒法(singleparticlemethod),颗粒参数的分布和标准偏差是通过对大量单个颗粒的观察得到的。但是,有些方法可以认为是“颗粒群技术(ensembletechniques)”,因为这些技术同时测量大量颗粒的性能,并直接得到这些参数的平均值。到目前为止,这些颗粒群技术还只能提供粉末颗粒温度的信息,但最近已开发了一种可以测粉末颗粒速度的颗粒群技术。成像技术也可以用来探测粉末颗粒喷涂射流心迹线的形状和位置,以及炽热颗粒的密度,或者根据光信号的强度确定粉末颗粒温度和尺寸,使用双曝光技术确定速度。该测量设备中激光的引入能够测定“冷”颗粒的数量以及尺寸和速度。一些商业化的技术现在可以用于生产环境,进行喷涂工艺的在线控制。这些技术通常以颗粒的热辐射测量为基础,并不使用其他附加光源,可以测量颗粒的速度、温度及尺寸分布。等离子喷涂是热喷涂工艺中最万能的工艺,这是因为其工艺温度最高,喷涂过程可以在不同的气氛和不同的压力下实现。目前已发展到空气、低压(或真空)、空压、惰性气体以及水下环境的应用,对环境的适应能力强是等离子喷涂的最大优点之一。等离子喷涂法主要有大功率等离子喷涂、低压(或真空)等离子喷涂和水稳等离子喷涂等几种方法。3.5超音速等离子喷涂超音速等离子喷涂的原理是将主气（氩气，流量较小）由后枪体输入，而大量的次级气（氮气或氮气与氢气的混合气）经气体旋流环的作用后，与主气一同从拉伐尔管形的二次喷嘴射出（钨极接负极，引弧时，一次喷嘴接正极），在初级气中经高频引弧，而后，正极转接二次喷嘴，即在钨极与二次喷嘴内壁间产生电弧。在旋转的次级气的强烈作用下，电弧被压缩在喷嘴的中心并拉长至喷嘴外缘，形成高压的扩展等离子弧。大功率扩展的等离子弧有效地加热主气和次级气，从而获得从喷嘴射出的稳定的、集聚的超音速等离子射流。喷射粉末经送粉嘴加入超音速等离子流，获得很高的温度和动能，撞击在工件表面形成涂层。该方法主要特点在于具有极高的热源温度（等离子弧温度高达16000°C）和功率，因此能够在短时间内将陶瓷粉末加热到其熔点以上，得到高质量的涂层。它兼有等离子弧喷涂的加热温度高及气体爆炸喷涂和HVOF喷涂的喷涂材料飞行速度快的特点。3.6其它喷涂方法除了上述4种常用喷涂方法外，还有超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、激光喷涂、反应热喷涂等等。由于这些方法不太常用，在此不做一一介绍。4.热喷涂技术具体应用4.1在航空航天工业上的应用在航天发动机上现已大量地采用了热喷涂涂层,以期解决磨损、风蚀、热保护和间隙调整等问题。例如,过去最早报道过的JT9D,就有600多处使用了热喷涂涂层。目前,甚至有的新型发动机中,1000～3000个部件均采用了热喷涂技术。4.2在机械工业中的应用由于在机械装备中应用的材料大多为钢材,所以做好防腐工程和提高机械零件的耐磨性能非常重要。实践证明,使用热喷涂技术可以收到很好的应用效果。长江葛洲坝过船闸闸门、江苏淮阴地区三河闸闸门、山东德州地区官家闸闸门和北京三家店拱河闸闸门从1996年开始采用电弧火焰喷涂涂层防护,自此改变了每2～3年必须大修的状况,并节约60