热喷涂技术与应用.doc

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热喷涂技术与应用

热喷涂技术与应用

摘要：

本文首先以介绍喷涂设备、涂层种类方面为开端阐述热喷涂技术的发展现状。

其次介绍热喷涂技术的主要工艺方法和常用的功能性涂层，分析热喷涂技术中热障涂层在航空发动机部件上的应用和发展以及分析船舶柴油机排气阀等关键零件的再制造中热喷涂涂层的设计与工艺方法选择，比较了不同热喷涂材料与工艺方法对船舶柴油机关键零件再制造后使用性能的影响。

关键词：

喷涂设备热喷涂涂层种类喷涂应用

前言：

热喷涂技术最早出现在20世纪早期的瑞士,随后在前苏联、德国、日本、美国等国得到了不断的发展,各种热喷涂设备的研制、新的热喷涂材料的开发及新技术的应用,使热喷涂涂层质量不断得到提高并开拓了新的应用领域[1]。

本文综述了热喷涂技术的研究进展,主要从热喷涂设备、涂层应用和涂层质量监控进行了阐述,并对热喷涂技术的发展趋势进行了展望。

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[2]。

利用不同的热源和喷涂设备，可以制备防腐、耐磨、减磨、抗高温、耐氧化、隔热、绝缘、导电和防微波辐射等一系列多种功能的涂层。

它可以在设备维修中修旧利废，使报废了的零部件“起死回生”；也可以在新产品制造中进行强化和预保护，使其“益寿延年”。

可以大量节约能源、节约材料提高功效、降低成本，特别适合我国国情，符合我国现行的经济政策。

是当前国家提倡的节能减排、低能耗、高效率的一项重要实用技术。

热喷涂技术最早出现在20世纪早期的瑞士,随后在前苏联、德国、日本、美国等国得到了不断的发展,各种热喷涂设备的研制、新的热喷涂材料的开发及新技术的应用,使热喷涂涂层质量不断得到提高并开拓了新的应用领域。

1：

热喷涂设备

1.1：

多电极等离子喷枪

KlausLandes教授于1993年发明了三阴极等离子喷枪，目前最新型号为TriplexPro200。

Triplex喷枪结构为三阴极和单阳极，将等电弧等分成三束，三束弧的弧根起弧后在阳极上固定不动（见图2）。

最高使用功率可达65kW，一般工作参数为电压82~98V，电流460~540A，配件寿命超过200h。

但是，Triplex需采用Ar/He作为等离子气体，因此导致使用成本偏高。

由于其所需的等离子气体流量低于9MB和F4等离子喷枪，因此粉末粒子速度较低，粉末在等离子束流中停留时间延长，有利于喷涂导热差的陶瓷粉末。

如喷涂氧化锆可磨耗涂层时，沉积效率约50%，而送粉量超过150g/min，因此总的喷涂效率是9MB的3.9倍以上[3]。

1.2：

单电极等离子喷枪

多电极等离子喷枪经常需要同时更换多个阴极或阳极，因此，许多公司进行了单电极（一个阴极加一个阳极）结构等离子喷枪的改进工作。

ProgressiveTechnology公司推出的100HE等离子喷涂系统所用等离子喷枪是一种新型的单阴极、单阳极设计，图（3）所示。

100HE喷枪改进了阳极设计，有3个钨环和沟槽，这样的设计稳定了阳极上弧根的运动，同时使等离子弧被拉伸（其弧长约75mm，F4喷枪的弧长约5mm），可稳定工作在高电压、低电流条件（电压200~275V，电流375~600A，功率25~100kW）下，电极寿命延长到200h以上。

推荐采用Ar/N2/H2混合气体作为气源[7]。

若加入He取代H2，则等离子焰流速度接近高速火焰喷涂，碳化钨粉末粒子能加速到527m/s；沉积效率超过60%，喷涂碳化钨时成本能比高速火焰喷涂最多降低约40%。

因此，100HE在等离子喷涂陶瓷市场，特别是制备氧化铬涂层方面有很好的优势[3]。

1.3：

内孔HVOF喷枪

最近，Thermico公司开发了商品名为IDCoolFlow的HVOF喷枪最近，Thermico公司开发了商品名为IDCoolFlow的HVOF喷枪（如图4所示），喷枪火焰功率从80~120kW减少到5~30kW，且喷距减小到35~55mm，如果配合采用5~15μm的碳化钨粉末，能应用于喷涂最小直径为80mm的内孔，而不会产生基体过热，碳化钨涂层硬度大于1100HV[3]。

2：

涂层种类：

2.1：

热障涂层（TBC）广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高温工作条件下的热屏蔽涂层,其厚度一般小于1mm。

TBC硬度高、化学稳定性好,可显著降低基材温度,从而提高发动机效率,减少燃油消耗,延长使用寿命。

陶瓷/金属梯度热障涂层是近年来随着现代航空、航天、兵器等尖端技术的迅速发展开发出来的一种新型热障涂层,其成分沿涂层厚度方向呈梯度分布,能够缓和因温度梯度造成的热应力,涂层的抗热震性能因此得到显著提高[4]。

2.2：

纳米涂层，等离子喷涂技术作为一种传统涂层制备方法在制备纳米涂层方面具有独特的优势,如成本低、效率高、适合于工业化生产,所得涂层结合强度高等特点。

等离子喷涂技术不仅可以制备致密的纳米涂层,同时也可制备多孔性纳米涂层。

采用真空等离子喷涂法可将水解合成的50~100nm的TiO2制备成多孔的纳米TiO2薄膜，其主要由锐钛矿、金红石等相组成，粒子尺寸在100nm以内。

这种纳米TiO2薄膜可应用于光催化、净化消毒、气体检测传感等方面[11]。

2.3：

非晶涂层，非晶合金具有较高的强度、硬度和优良的耐磨、耐蚀及磁学性能。

然而制备大块三维的非晶合金在技术上难度很大,但采用等离子喷涂技术可将非晶粉末喷涂在廉价的性能较差的金属表面上形成致密的、结合强度较高的非晶涂层,是材料表面非晶化的一种好方法[8]。

2.4：

生物活性涂层，生物活性羟基磷灰石与生物组织有良好的相容性，可以制成各种关节和牙齿。

等离子喷涂HAP粉末在金属基体上（一般为Ti基金属）形成生物涂层既突出了HAP良好的生物活性，又利用了金属材料优秀的力学性能，避免了HAP的脆性和疲劳敏感性的问题[9]。

2.5：

其他功能涂层，固体氧化物燃料电池（solidoxidefuelcell）能量转换系数较高,且有优良的环境保护，利用热喷涂技术制造管状SOFC的工艺已有报道。

等离子喷涂制备压电陶瓷涂层，用于制作压电元件无需粘贴，尤其适用于大面积压电传感元件和压电作功元件阵列的制作[8]。

3:

涂层的应用

3.1热喷涂技术中热障涂层的应用

热障涂层主要有双层、多层和梯度3种结构形式，但目前在燃气涡轮发动机上获得实际应用的热障涂层均为双层结构,如图5所示。

表层为陶瓷隔热层,主要作用是隔热、抗腐蚀、冲刷和侵蚀。

底层为金属粘结层,起着改善基体与陶瓷涂层物理相容性和抗高温氧化腐蚀的作用[4]。

3.1.1热障涂层制备方法

1：

大气等离子喷涂。

等离子喷涂技术主要用于导向叶片。

大气等离子涂层形成大气等离子平台涂层的形成过程如图6所示。

（1）粉材进入热源高温区，被加热、熔化，形成熔滴。

（2）熔融粒子被等离子射流推动，向前飞行。

（3）熔融粒子以较大的动能冲击基材表面，与基材碰撞，熔滴飞溅变形。

（4）熔滴冷凝收缩，交错黏结[5]。

2：

溶液等离子喷涂

溶液等离子喷涂（SPS法）降采用锆酸盐溶液作为原料，将雾化的微细液滴馈送入等离子焰流中，经蒸发、破碎、胶凝、沉淀、热解、烧结等，在基体上沉积出具有纳米结构的TBCs。

其工艺流程如图7所示。

其制备的TBCs特点如下：

（1）能获得nm级晶体。

涂层的晶体尺寸为10～30nm。

随着陶瓷粒子细化至nm级,其性能大幅提高。

因此，涂层十分致密，表面粗糙度很低，涂层与基体的结合强度及涂层自身的力学性能大大提高。

（2）具有均匀的nm级和μm级孔隙。

这使看似非常致密的纳米涂层成为十分微细的“蜂窝”多孔结构，因而具有很好的绝热性能。

（3）热稳定性好,nm级晶粒的氧化物陶瓷，在高温为578℃（1073K）时显示出优异的抗晶粒长大的能力和热稳定性，产生抗晶界溶解的阻力，能在升高温度时有效地抑制晶粒长大，具有奇特的“钉扎效应”。

（4）产生纵向裂纹。

纳米陶瓷涂层产生微细的纵向裂纹，不存在等离子喷涂态涂层的片层颗粒和片层晶界，与EB-PVD沉积的柱状晶结构的性能相似，具有很高的抗高速燃气冲刷能力和由此能力产生的抗剪切应力和弯曲应力的能力，提高了TBCs沿平行于界面的方向产生剥落的能力[6]。

3.3.2热障涂层应用

1：

性能要求

发动机研制对TBCs性能的要求如下。

（1）耐高温。

发动机热效率与涡轮机燃气进口温度（即燃气初温）密切相关。

现代航空发动机涡轮燃气进口温度已达1700℃，这就对TBCs耐高温性能提出了更高的要求。

（2）绝热性好。

发动机热端部件用高温合金（如高温镍基合金）的工作温度已达1100℃左右。

提高发动机燃气初温主要通过空气冷却和绝热涂层2种途径，而空气冷却又会降低发动机的热效率。

显然，采用具有低热导率的陶瓷涂层对高温合金基体进行绝热保护是十分重要的措施[7]。

（3）耐热震性好。

TBCs必须能够承受从高温到低温的温度周期性变化，以及热疲劳性和热冲击性。

温度范围变化越大，冷却速度越高，则涂层应力越大、开裂甚至剥落的可能性越大。

（4）化学稳定性强。

TBCs在高温下，耐氧化，耐高速燃气的腐蚀和冲蚀，并且不会与基体材料发生有害的化学反应。

（5）结合强度高，使用寿命长。

TBCs与基体金属之间必须有高的结合强度，以保证在有效的使用期内涂层不会剥落和失效。

TBCs的使用寿命包含2层意思：

第1，在工作温度下持续暴露的时间，这对于发动机续航和远航能力十分重要；第2，涂层失效的大修时间，即总的使用寿命，这对于减少维修、提高经济效益颇为重要[11]。

2：

应用效果1

实例：

等离子喷涂的热障涂层在航天领域应用最为广泛。

火箭发动机喷管延伸段内壁在工作时承受1500℃以上高温焰流的冲蚀，时间长达几十秒至上百秒，一般采用等离子喷涂热障涂层进行防护，涂层结构：

MCrAlY结合底层＋YPSZ（Y2O3/ZrO2）工作面层。

火箭级间段材质一般为铝合金，内壁装有许多测试仪器，为减轻重量内壁采用化铣工艺铣成网格形状，最薄处仅有1.2mm，发射过程中级间段短时承受几千度的高温，内壁需做防热处理否则瞬间烧毁。

火箭发射车发射台架发射时承受高温焰流的冲蚀也可以通过喷涂热障涂层进行防护。

我国载人航天工程也应用了热障涂层技术，飞船逃逸系统的关键部件栅格翼大面积使用了等离子喷涂涂层。

随着航空发动机向高推重比发展，发动机的设计进口温度不断提高。

热障涂层是将耐高温、抗腐蚀、高隔热的陶瓷材料涂覆在基体合金表面，以提高基体合金抗高温氧化腐蚀能力、降低合金表面工作温度的一种热防护技术[2]。

应用效果2

船舶柴油机的功能是为船舶的安全航行和船舶机械提供动力，是船舶动力系统的核心部分。

船舶柴油机中的关键零件一般工作在高温、高压、腐蚀及受冲击负荷等恶劣工况下，往往因腐蚀、烧损、过渡磨损而失效，这严重地影响了这些零件的使用寿命和船舶柴油机的工作可靠性。

热喷涂技术由于具有工艺灵活，喷涂材料和涂层厚度选择范围广、基体受热程度低、生产效率高的特点，既能提供耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温等不同功能的涂层，又能将零件的尺寸恢复和表面功能强化结合起来，因此在再制造中将会得到了最广泛的应用[10]。

1：

热喷涂在排气阀再制造中应用

1.1排气阀的失效机理

柴油机排气阀的工作条件十分恶劣，一方面排气阀底面与高温燃烧产物直接接触，承受着很高的热负荷；另一方面排气阀在气体爆发压力的作用下承受着很高的机械负荷：

另外排气阀密封面受到高温燃气的冲蚀及腐蚀等。

过高的