热喷涂技术

热喷涂技术热喷涂技术在国家标准GB/T18719—2002《热喷涂术语、分类》中定义：热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。热喷涂技术在普通材料的表面上，制造一个特殊的工作表面，使其达到：防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系多种功能，使其达到节约材料，节约能源的目的，我们把特殊的工作表面叫涂层，把制造涂层的工作方法叫热喷涂。热喷涂技术是表面过程技术的重要组成部分之一，约占表面工程技术的三分之一。热喷涂技术具有的优点：1、设备轻便，可现场施工。2、工艺灵活、操作程序少。可快捷修复，减少加工时间。3、适应性强，一般不受工件尺寸大小及场地所限。4、涂层厚度可以控制。5、除喷焊外，对基材加热温度较低，工件变形小，金相组织及性能变化也较小。6、适用各种基体材料的零部件、几乎可在所有的固体材料表面上制备各种防护性涂层和功能性涂层。热喷涂技术的特点从热喷涂技术的原理及工艺过程分析,热喷涂技术具有以下一些特点.1.由于热源的温度范围很宽,因而可喷涂的涂层材料几乎包括所有固态工程材料,如金属,合金,陶瓷,金属陶瓷,塑料以及由它们组成的复合物等.因而能赋予基体以各种功能(如耐磨,耐蚀,耐高温,抗氧化,绝缘,隔热,生物相容,红外吸收等)的表面.2.喷涂过程中基体表面受热的程度较小而且可以控制,因此可以在各种材料上进行喷涂(如金属,陶瓷,玻璃,布疋,纸张,塑料等),并且对基材的组织和性能几乎没有影响,工件变形也小.3.设备简单,操作灵活,既可对大型构件进行大面积喷涂,也可在指定的局部进行喷涂;既可在工厂室内进行喷涂也可在室外现场进行施工.4.喷涂操作的程序较少,施工时间较短,效率高,比较经济.随着热喷涂应用要求的提高和领域的扩大,特别是喷涂技术本身的进步,如喷涂设备的日益高能和精良,涂层材料品种的逐渐增多,性能逐渐提高,热喷涂技术近十年来获得了飞速的发展,不但应用领域大为扩展,而且该技术已由早期的制备一般的防护涂层发展到制备各种功能涂层;由单个工件的维修发展到大批的产品制造;由单一的涂层制备发展到包括产品失效分析,表面预处理,涂层材料和设备的研制,选择,涂层系统设计和涂层后加工在内的喷涂系统工程;成为材料表面科学领域中一个十分活跃的学科.并且在现代工业中逐渐形成象铸,锻,焊和热处理那样的独立的材料加工技术.成为工业部门节约贵重材料,节约能源,提高产品质量,延长产品使用寿命,降低成本,提高工效的重要的工艺手段,在国民经济的各个领域内得到越来越广泛的应用.编辑本段热喷涂工艺技术近年发展趋势与特点热喷涂技术目前在国内已经得到了比较广泛的推广应用，近年来发展的趋势和特点是：(1)大面积长效防护技术得到了广泛应用对于长期暴露在户外大气的钢铁结构件，采用喷涂铝、锌及其合金涂层，代替传统的刷油漆方法，实行阴极保护进行长效大气防腐，近年来得到了迅速发展。如电视铁塔、桥梁、公路设施、水闸门、微波塔、高压输电铁塔、地下电缆支架，航标浮鼓、竖井井筒等大型工程，都采用了喷涂铝、锌及其合金方法进行防腐。目前国内有几十个专业喷涂厂从事这方面工作，喷涂面积每年达几百万平方米以上。这项技术不仅在国内大量推广应用，而且在援外工程中也得到了较好的推广应用。(2)修复强化大型设备及进口零部件国产化修复强化大型设备及进口零部件国产化近年来这方面已有许多成功应用实例，如：一米七轧机、高速风机转子，大型挤压机柱塞、大型齿轮、电极挤压成型嘴、大功率汽车曲轴等。这些工作的进行，一是解决了生产急需；二是节约了大量外汇。(3)超音速火焰喷涂技术的应用随着我国热喷涂技术的发展与提高，对喷涂层质量要求也愈来愈高。近年来美国等国家发展起来的高速燃气(HVOF)法是制备高质量涂层的一种新的工艺方法。由于超音速火焰喷涂方法具有很多优点，目前国内已先后从国外引进近十几台设备，在各工业部门发挥着重要作用。(4)气体爆燃式喷涂技术进一步得到应用该项喷涂技术由于粒子飞行速度可达800m/s以上，涂层与基体结合强度可达100MPa以上，孔隙率＜1%，在某些领域里应用，优于其他喷涂方法。目前国内已安装10台以上。(5)氧乙炔火焰塑料粉末喷涂技术发展迅速如前所述，国内近年来已有多家生产制造氧乙炔火焰塑料粉末喷涂设备，采用该项工艺技术，已在化工贮罐、管道、陶瓷行业泸泥机板框、印染行业的导布辊、煤炭行业带式运输机铸铁托轮、石油行业注聚设备，以及表面装潢等方面都得到了很好的应用，弥补了电喷塑的不足。为塑料涂层的应用，开辟了一个新的途径。(6)热喷涂技术在化工防腐工程中得到应用腐蚀是机械部件受周围介质的化学或电化学作用而失效的主要原因之一。它不仅使大量金属材料受损失，从而造成的停产损失更难以估计，所以人们对化工防腐工作特别重视。热喷涂层应用于腐蚀介质中，特别是强介质腐蚀，以前所以未能突破，其主要原因是封孔剂未能解决。众所周知，喷涂层是存在着孔隙的，若不进行封孔处理，各种酸、碱、有机介质就会浸入孔隙，使涂层脱落，影响防腐效果。根据防腐工程的要求，近期我国已研制成功了聚酯型、有机聚合物型、树脂型、塑料型、胶粘剂型等几十种型号的封孔剂，适用于酸、碱、盐及有机物的腐蚀环境，其使用温度80～350℃。采用陶瓷涂层、氧化物涂层或金属或合金涂层，根据不同介质，选用适当的封孔剂，已在许多化工腐蚀介质中应用，效果良好。该系列封孔剂已获专利并获国家发明奖。这些封孔剂的研究成功，使热喷涂技术在化工防腐工程中的应用有了新进展。(7)激光重熔技术开始应用近几年来，高频感应重熔、真空感应重熔只是在一定范围内得到应用。激光重熔技术前几年曾做过小面积试验，并未广泛应用。近期清华大学已将激光重熔技术用于阀门生产中，上海第二纺织机械厂已将激光重熔技术应用在纺织机械中。(8)在建筑装潢医疗卫生方面也得到了应用热喷涂技术在建筑装潢医疗卫生方面也得到了应用近年来四川、上海、沈阳、云南等地采用热喷涂技术喷涂了各种雕像、饰物、大型壁面等收到了良好效果，如沈阳市国际商场的孔雀开屏大型壁画就采用了热喷涂技术。随着热喷涂技术的发展与提高，该项技术已渗透到其他领域中，如生物领域用热喷涂方法，制造人工骨骼，目前国内已临床200多例，效果很好。此外，用热喷涂方法制造的人工牙齿，也得到了初步应用。本文引用地址：编辑本段热喷涂方法分类及工艺原理简介一热喷涂分类方法作为新型的实用工程技术目前尚无标准的分类方法，一般按照热源的种类，喷涂材料的形态及涂层的功能来分。如按涂层的功能分为耐腐，耐磨，隔热等涂层，按加热和结合方式可分为喷涂和喷熔：前者是机体不熔化，涂层与基体形成机械结合；后者则是涂层再加热重熔，涂层与基体互溶并扩散形成冶金结合。平常接触较多的一种分类方法是按照加热喷涂材料的热源种类来分的，按此可分为：①火焰类，包括火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂；②电弧类，包括电弧喷涂和等离子喷涂；③电热法,包括电爆喷涂、感应加热喷涂和电容放电喷涂；④激光类：激光喷涂。二火焰类喷涂1、火焰喷涂：火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。<1>线材火焰喷涂法：是最早发明的喷涂法。它是把金属线以一定的速度送进喷枪里，使端部在高温火焰中熔化，随即用压缩空气把其雾化并吹走，沉积在预处理过的工件表面上。图1丝材火焰喷吐的装置示意图图2丝材火焰喷涂的原理示意图图1表示丝材火焰喷涂的装置。图2则是丝材火焰喷涂枪的剖面图，它示出了丝材火焰喷涂的基本原理。喷涂源为喷嘴，金属丝穿过喷嘴中心，通过围绕喷嘴和气罩形成的环形火焰中，金属丝的尖端连续地被加热到其熔点。然后，由通过气罩的压缩空气将其雾化成喷射粒子，依靠空气流加速喷射到基体上，从而熔融的粒子冷却到塑性或半熔化状态，也发生一定程度的氧化。粒子与基体撞击时变平并粘结到基体表面上，随后而来的与基体撞击的粒子也变平并粘结到先前已粘结到基体的粒子上，从而堆积成涂层。丝材的传送靠喷枪中空气涡轮或电动马达旋转，其转速可以调节，以控制送丝速度。采用空气涡轮的喷枪，送丝速度的微调比较困难，而且其速度受压缩空气的影响而难以恒定，但喷枪的质量轻，适用于手工操作；采用电动马达传送丝材的喷涂设备，虽然送丝速度容易调节，也能保持恒定，喷涂自动化程度高，但喷枪笨重，只适用于机械喷涂。在丝材火焰喷枪中，燃气火焰主要用于线材的熔化，适宜于喷涂的金属丝直径一般为1.8～4.8mm。但有时直径较大的棒材，甚至一些带材亦可喷涂，不过此时须配以特定的喷枪。<2>粉末火焰喷涂法：它与丝材火焰喷涂的不同之处是喷涂材料不是丝材而是粉末。图3和图4分别为为粉末火焰喷涂装置和原理示意图。图3粉末火焰喷涂的典型装置图4粉末火焰喷涂的原理示意图在火焰喷涂中通常使用乙炔和氧组合燃烧而提供热量，也可以用甲基乙炔,丙二烯（MPS）,丙烷，氢气或天然气。火焰喷涂可喷涂金属，陶瓷，塑料等材料，应用非常灵活，喷涂设备轻便简单，可移动，价格低于其他喷涂设备，经济型好，是目前喷涂技术中使用较广泛的一种方法。但是，火焰喷涂也存在明显的不足。如喷出的颗粒速度较小，火焰温度较低,涂层的粘结强度及涂层本身的综合强度都比较低,且比其他方法得到的气孔率都。此外，火焰中心为氧化气氛，所以对高熔点材料和易氧化材料，使用时应注意。为了改善火焰喷涂的不足，提高结合强度及涂层密度，可采用将压缩空气或气流加速装置来提高颗粒速度；也可以采用将压缩气流由空气改为惰性气体的办法来降低氧化程度，但这同时也提高了成本。2、爆炸喷涂爆炸喷涂：利用氧气和乙炔气点火燃烧，造成气体膨胀而产生爆炸，释放出热能和冲击波,热能使喷涂粉末熔化,冲击波则使熔融粉末以700～800m/s的速度喷射到工件表面上形成涂层。图5为爆炸喷枪示意图。图5爆炸喷涂原理图爆炸涂层形成的基本特征，一般认为仍然是高速熔融粒子碰撞基体的结果。爆炸喷涂的最大特点是粒子飞行速度高,动能大,所以爆炸喷涂涂层具有：①涂层和基体的结合强度高，②涂层致密，气孔率很低，③涂层表面加工后粗糙度低，④工件表面温度低。爆炸喷涂可喷涂金属,金属陶瓷及陶瓷材料,但是由于该设备价格高,噪音大,属氧化性气氛等原因,国内外应用还不广泛。目前世界上应用最成功的爆炸喷涂是美国联合碳化物公司林德分公司1955年取得的专利,其设备及工艺参数至今仍然保密。我国于1985年左右,由中国航天工业部航空材料研究所研制成功爆炸喷涂设备,就Co/WC涂层性能来看，喷涂性能与美国联合碳化物公司的水平接近。在爆炸喷涂中,当乙炔含量为45%时，氧-乙炔混合气可产生3140℃的自由燃烧温度,但在爆炸条件下可能超出4200℃，所以绝大多数粉末能够熔化。粉末在高速枪中被输运的长度远大于等离子枪,这也是其粒子速度高的原因。3、超音速喷涂为了与美国碳化物公司的爆炸喷涂抗争,上世纪60年代初期,美国人J.Browning发明了超音速火焰喷涂技术,称之为Jet-Kote,并于1983年获得美国专利。近些年来,国外超音速火焰喷涂技术发展迅速,许多新型装置出现,在不少领域正在取代传统的等离子喷涂。在国内,武汉材料保护研究所,北京钢铁研究总院,北京钛得新工艺材料有限公司等也在进行这方面研究,并生产出有自己特色的超音速喷涂装置。图6超音速火焰喷涂枪燃料气体(氢气,丙烷,丙烯或乙炔－甲烷-丙烷混合气体等)与助燃剂（O2）以一定的比例导入燃烧室内混合，爆炸式燃烧，因燃烧产生的高温气体以高速通过膨胀管获得超音速。同时通入送粉气（Ar或N2），定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃气中，一同射出喷涂于工件上形成涂层。在喷涂机喷嘴出口处产生的焰流速度一般为音速的4倍，即约1520m/s，最高可高达2400m/s（具体与燃烧气体种类，混合比例，流量，粉末质量和粉末流量等有关）。粉末撞击到工件表面的速度估计为550-760m/s，与爆炸喷涂相当。Jet-Kote法之所以能有这么高的速度，关键在于按流体力学的原理合理设计制造了一个喷嘴，称之为Laval管