熱噴涂技術(shù)發(fā)展的主要方向
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2024-05-25 13:54:39
熱噴涂技術(shù)經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，從簡單的工藝技術(shù)發(fā)展成為完整的工業(yè)體系，已成為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。在成長和發(fā)展過程中，由于專業(yè)和學(xué)科間的不斷滲透、交叉、融合，技術(shù)日趨系統(tǒng)化、集成化，即發(fā)展成為集機(jī)械學(xué)、材料科學(xué)、熱動(dòng)力科學(xué)、高新技術(shù)和生物工程等專業(yè)為一體的新興交叉學(xué)科，在制造業(yè)領(lǐng)域成為完整的工業(yè)體系。熱噴涂技術(shù)的核心是優(yōu)質(zhì)、高效、低消耗的表面改性，達(dá)到賦予基體材料表面特殊功能的目的。技術(shù)的發(fā)展主要是新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)、材料的創(chuàng)新、涂層質(zhì)量控制軟件體系、涂層制備基礎(chǔ)理論研究和檢測技術(shù)等諸方面。
1)近年來，隨熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，新的工藝技術(shù)和新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷地涌現(xiàn)。涂層質(zhì)量很大程度上依賴于噴射熔滴的速度，提高熱噴涂射流和噴涂粒子的速度已成為當(dāng)前國際熱噴涂技術(shù)發(fā)展的新趨勢，相繼出現(xiàn)了爆炸噴涂、高速活性燃?xì)饣鹧鎳娡?HVAF)、高速電弧噴涂、活性電弧噴涂、高速等離子噴涂、三陰極內(nèi)送粉等離子噴涂、溶液等離子噴涂(SPS)、冷氣動(dòng)力噴涂(CGDS)等新技術(shù)。這些技術(shù)的共同特點(diǎn)是大幅度提高了噴涂粒子的飛行速度，降低了涂層孔隙率，提高了涂層結(jié)合強(qiáng)度。
高速等離子噴涂技術(shù)由于熱源溫度高、加熱熔化效率高，可噴涂高熔點(diǎn)的陶瓷材料和超合金材料。與普通等離子噴涂比較，高速等離子噴涂的射流速度超過5馬赫，噴涂粒子速度可達(dá)500m/s，使得涂層更加致密，硬度、韌性、結(jié)合強(qiáng)度更高。特別是制備高質(zhì)量陶瓷涂層和金屬陶瓷涂層，具有其他噴涂技術(shù)不可替代的優(yōu)勢。
三陰極內(nèi)送粉等離子噴涂由三根平行的陰極將電弧一分為三，將噴涂粉末通過噴槍軸線與電弧同軸方向送入電弧，減少噴嘴局部過熱的可能性，增加電弧穩(wěn)定性和噴嘴使用壽命;延長粉末加熱時(shí)間，提高了沉積速率和粉末材料利用率，沉積效率可高達(dá)90%，涂層質(zhì)量均勻、致密、結(jié)合強(qiáng)度高。
溶液等離子噴涂是采用納米先驅(qū)溶液或懸浮有納米粒子的溶液為噴涂材料制備涂層的方法。有效地解決了納米粉末材料輸送的技術(shù)難題，擴(kuò)展了涂層材料的應(yīng)用領(lǐng)域，為納米涂層制備、推動(dòng)納米涂層的實(shí)際應(yīng)用提供了可能。
HVAF高速活性燃?xì)鈬娡浚染哂懈咚倩鹧鎳娡克俣雀叩奶攸c(diǎn)，又具有控制和改變環(huán)境條件的能力?；钚匀紵龤怏w使用丙烷、乙烯或MAPP氣體，可產(chǎn)生還原性氣氛;有最好的動(dòng)能和熱能匹配，噴涂粒子被加熱到熔點(diǎn)以下，而粒子飛行速度高達(dá)800m/s，生產(chǎn)效率高，噴涂WCCo材料可達(dá)30kg/h;制備的金屬合金和碳化物涂層含氧量非常低，涂層十分致密，可得到壓應(yīng)力或無應(yīng)力涂層，是制備厚涂層最有效的方法之一。
高速活性電弧噴涂是在普通電弧噴涂的基礎(chǔ)上，被電弧熔化的涂層材料被丙烷空氣燃燒所產(chǎn)生的高速氣流霧化成細(xì)小微粒，并二次加速得到高速飛行的粒子束流，可有效地控制氣流成氛得到還原環(huán)境，所得到的涂層含氧量低、涂層致密、孔隙率低、結(jié)合強(qiáng)度高。
冷氣動(dòng)力噴涂是由俄羅斯科學(xué)家在風(fēng)洞試驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，根據(jù)這一現(xiàn)象發(fā)明了冷氣動(dòng)力噴涂技術(shù)。它是利用高壓、溫度在260～760℃熱氣流，將噴涂材料加速沉積到基體表面形成涂層的方法。超聲速氣體/粒子雙相流、高壓氣流使粒徑為1μm≤d≤50μm的粒子加速到450～1000m/s，在固態(tài)下形成孔隙率低、含氧量低、殘余應(yīng)力低的涂層，可完全保持噴涂材料原始成分。有文獻(xiàn)表明：雙相氣流速度越大，粒子的沉積效率越高。現(xiàn)在美國和德國已研制成功成套冷氣動(dòng)力噴涂設(shè)備。
多種復(fù)合工藝技術(shù)已聯(lián)合使用。高速火焰噴涂制備結(jié)合底層，有效地控制結(jié)合層的含氧量，等離子噴涂制備工作面層;等離子噴涂或火焰噴涂預(yù)置涂層，激光照射重熔制備完全致密的陶瓷涂層，達(dá)到改變涂層組織性能的目的。
2)新型工藝技術(shù)的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用促進(jìn)了新材料的發(fā)展。新型熱障涂層材料，在氧化鋯涂層上使用新成分和氧化鋯復(fù)合，作為雙層復(fù)合涂層;納米涂層(納米先驅(qū)溶液、納米團(tuán)聚體粉末)材料、功能復(fù)合涂層材料、生物功能涂層材料、金屬間化合物涂層材料、微晶或非晶涂層材料等的制備，已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的重點(diǎn)。
3)在線控制質(zhì)量保證體系。涂層質(zhì)量與噴涂工藝方法及工藝參數(shù)有十分緊密的關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)工藝參數(shù)的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性是保證涂層質(zhì)量最基本環(huán)節(jié)。工藝參數(shù)變化影響因素諸多，熱功率的大小、熱溫度的分布、噴涂粒子的分布狀況、粒子速度的高低，均成為涂層質(zhì)量的重要因素。在線質(zhì)量控制，檢測噴涂熱源溫度場的分布、噴涂粒子的飛行速度及狀態(tài)，為優(yōu)化并穩(wěn)定涂層制備工藝參數(shù)獲得優(yōu)質(zhì)涂層提供了基本保障。芬蘭Oseir公司研制的SprayWatch熱噴涂粒子監(jiān)測系統(tǒng)，是以CCD數(shù)字相機(jī)為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的，適應(yīng)大多數(shù)熱噴涂工藝的檢測。它能夠方便地測量和監(jiān)控噴涂過程中關(guān)鍵的工藝參數(shù)，如：噴涂粒子的溫度、飛行速度的狀態(tài)、數(shù)量及分布;噴涂束流的尺寸、位置和方向等。有望研究開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)和噴涂設(shè)備聯(lián)機(jī)，形成在線控制、回饋、診斷、修正的新型智能熱噴涂設(shè)備。
4)涂層制備基礎(chǔ)理論研究和涂層性能檢測方法。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和其他優(yōu)化方法來確定熱噴涂涂層制備工藝參數(shù)與涂層性能之間的關(guān)系。研究建立噴涂粒子受熱狀況、運(yùn)動(dòng)形式與噴嘴出口處條件之間的數(shù)學(xué)模型;涂層中殘余應(yīng)力形成模型;熱噴涂過程中粒子流、等離子射流所形成的涂層模型和基體熱通量模型。噴涂過程中各種參數(shù)之間模型建立，在理論上研究控制涂層質(zhì)量的方法。通過采用光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、X射線衍射、高速成像等檢測技術(shù)，研究涂層的顯微組織特性，分析噴涂參數(shù)對涂層結(jié)構(gòu)和涂層性能的影響，預(yù)測涂層使用性能。
