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热喷涂核心技术的发展和应用
表面工程学(论文)
班级:
材科101
学生姓名:
宋俊伟
学号:
01524125
指引教师:
汤峰
热喷涂技术发展和应用
【摘要】重要简介了热喷涂基本办法、设备、材料和涂层特性;以及当前发展动态和应用状况;并简要简介了应用研究前景。
【核心词】热喷涂加工技术、加工原理、应用现状、发展前景。
引言
热喷涂是一种迅速发展表面强化新工艺新技术。
它采用专用设备,运用各种热源将金属或非金属材料加热到熔化或半熔化状态,用高速气流将其吹成微小微粒并喷射到机件表面,形成覆盖涂层,以提高机件耐磨、耐蚀、耐热等性能。
热喷涂技术最早出当前上世纪初期瑞士,随后在苏联、德国、日本、美困等圉得到了不断发展,各种热喷涂设备研制,新热喷涂材料开发,新技术不断应用,使热喷涂涂层质量得到了不断提高,并不断开拓新应用领域。
当前,以火焰喷涂、超音速喷涂、电爆喷涂、电容放电喷涂、等离子喷涂为代表热喷涂技术与设备,以及一系列喷涂喷焊粉末新材料,各种热喷涂技术趋于成熟,喷涂装置日益完善,不但能喷金属、合金、陶瓷,还能喷涂塑料和复合材料。
近几年来电子计算机在等离子喷涂系统中应用,使热喷涂技术达到了相称完善地步,不但使应用范嗣大为扩展,并且使涂层质量有了质奔腾。
热喷涂技术不但涉及到材料学、表面物理化学、流体力学、传热学、等离子物理等,还涉及到机械,计算机和新材料等学科,是一门交叉边沿学科。
1.热喷涂技术简介
热喷涂技术是通过某种热源将某些材料表面加热至熔融或半熔融状态,然后喷射到涂敷基体表面,形成一层性能优于本来基体涂层,从而使原工件具备更加优秀表面性能,或者是使工件获得一种或几种本来基体材料不具备表面性能膜状组织。
其喷涂温度、熔滴对基体表面冲击速度及形成涂层材料构成了喷涂技术核心。
温度和速度取决于不同热源和设备。
在一定温度范畴内,温度越高、速度越大,越有助于形成优秀涂层;喷涂材料可选取性,是热喷涂技术另一种优势,正是这三种要素,以及其她多项可控影响因素,使热喷涂成为真正具备叠加效果独特技术,它可以设计出所需各种各样改性表面,从而在机械维修、航天和生物工程等高技术领域得到广泛应用。
2.热喷涂基本原理
2.1热喷涂原理
热喷涂过程普通可分为如下四个环节(图1)。
1)材料加热:
喷涂线材或粉末进入热源高温区域,被加热熔化或软化;
2)材料雾化:
熔化或软化喷涂材料形成熔滴,在外加压缩气流或热源自身射流作用下雾化成微细熔滴向前喷射;
3)喷射飞行:
微细熔滴被加速形成粒子流,在介质中飞行运动速度逐渐减小;
4)涂层形成:
粒子流在基材表面发生碰撞、变形、凝固和堆积,形成涂层。
热喷涂涂层是南无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起而形成层状组织结构。
3.热喷涂技术分类与特点
20世纪末,热喷涂技术发展十分迅速,并迅速被推广使用。
1980年到,热喷涂市场变化见表1。
到20世纪末,等离子喷涂依然居主导地位。
值得注意是,高速火焰喷涂(HVOF)迅速发展,将占据25%市场比例,居第二位。
电弧喷涂技术,由于经济性好、涂层性能比火焰喷涂层优越,将某些代替火焰喷涂技术上升到第三位。
表1重要热喷涂办法应用比例
年份
火焰喷涂
电弧喷涂
等离子喷涂
高速火焰喷涂
1980年
39%
6%
55%
-
12%
15%
48%
25%
(1)火焰喷涂
火焰喷涂是最早得到应用一种喷涂办法。
它以氧气-燃气火焰作为热源,喷涂材料以一定传送方式送入火焰,并加热到熔融或软化状态,然后依托气体或火焰加速喷射到基体上。
火焰喷涂依照喷涂材料不同,又可分为丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂和棒材火焰喷涂几种。
火焰喷涂具备设备简朴,操作容易,工艺成熟,投资少等长处。
新型火焰喷涂枪可以喷涂各种金属、陶瓷、金属加陶瓷复合材料、各种塑料粉末材料涂层。
尽管等离子和HVOF/HVAF超音速以及爆炸喷涂涂层优于常规火焰喷涂,但由于投资大、操作控制系统复杂、设备笨重、无法现场施工,应用范畴受到极大限制,在在防腐和维修市场难以推广普及,新型火焰喷涂设备与技术和超音速电弧喷涂设备与技术在防腐和修复市场中永远是重要技术力量。
粉末火焰喷涂原理示意图
(2)电弧喷涂
电弧喷涂是高效率、高质量、低成本一项工艺,是当前热喷涂技术中最受注重技术之一。
电弧喷涂是将2根被喷涂金属丝作为自耗性电极,分别接通电源正负端,在喷枪喷嘴处,运用两金属丝短接瞬间产生电弧为热源熔化自身,借助压缩空气雾化熔滴并使之加速,喷射到基体材料表面形成涂层。
电弧喷涂具备如下长处:
①热效率高、对工件热影响小。
普通火焰喷涂热效率只有5%~15%,电弧喷涂将电能直接转化为热能熔化金属,热能运用率可高达60%~70%。
电弧喷涂时不形成火焰,因而在喷涂过程中工件始终处在低温,避免了工件热变形;②可获得优秀涂层性能。
电弧喷涂技术可以在不使用贵重底材状况下得到较高结合强度,采用恰当喷前粗化解决办法,喷涂层与基本结合强度可达普通火焰喷涂层2倍以上。
使用2根成分不同金属丝还可以制备出假合金涂层,以获得具备独特综合性能涂层;③生产率高。
电弧喷涂生产效率正比于喷涂电弧电流,当电弧电流为300A时,喷涂锌为30kg/h,喷涂铝为10kg/h,喷涂不锈钢为15kg/h,为火焰喷涂3倍以上;④经济性好。
电弧喷涂能源运用率高,并且电能价格远远低于燃气价格,施工成本为火焰喷涂l/10如下,设备投资为等离子喷涂1/3如下。
电弧喷涂技术应用已经在各行各业获得了明显成效。
运用电弧喷涂在钢铁构件上喷涂锌、铝涂层,可对钢构件进行长效防腐防护,例如国内南海地区由于高温、高湿、高盐雾,船舶腐蚀严重,中修舰船钢构造应用电弧喷涂铝合金涂层防腐,经5年考核效果明显,测算预测寿命可提高到15a以上。
山西晋山煤矿、河南铁王沟煤矿等井筒钢构造进行电弧喷涂防腐防护,预测寿命在30a以上。
电弧喷涂作为一种优质修复技术,在机械零件上喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料,用于修复已磨损或尺寸超差部位,已在机械维修和机械制造业得以应用。
采用该技术修复造纸烘缸、修复大马力发动机曲轴也已获得明显成效;制备装饰涂层和功能涂层也是电弧喷涂技木应用另一重要领域,例如在电容器上喷涂导电涂层,在塑料制品上喷涂屏蔽涂层,在内燃机零件上制备热障涂层,在石头、石膏等材料上喷涂铜、锡、铝等金属进行装饰等等。
(3)等离子喷涂
等离子喷涂是热源为等离子焰流(非转移等离子弧)。
由放电弧产生电弧等离子体温度可达0K。
加热喷涂材料(粉)到熔融或高塑性状态,并在高速等离子焰流(工作气体为氮气和氢气或氩气和氢气)载引下,高速撞击到工件表面形成涂层。
等离子喷涂是采用非转移弧为热源,喷涂材料为粉末喷涂办法。
近十几年来等离子喷涂发展不久,当前已开发出大气等离子喷涂、可控氛围等离子喷涂、溶液等离子喷涂、等喷涂技术,等离子喷涂已成为热喷涂技术中最重要一项工艺办法,这些新技术在工业生产上应用日益显示出优越性和重要性。
等离子喷涂喷涂材料范畴广,涂层组织细密,氧化物夹渣含量和气孔率都较低,气孔率可控制到2%~5%,涂层结合强度较高,可达60MPa以上。
该喷涂技术重要用于制备质量规定高耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温和特殊功能涂层,已在航空航天、石油化工、机械制造、钢铁冶金、轻纺、电子和高新技术等领域里得到广泛应用。
(4)高速火焰喷涂(HVOF)和其她喷涂技术
高速火焰喷涂当前重要指超音速火焰喷涂[8],有时人们也将爆炸喷涂以为是高速火焰喷涂一种。
高速火焰喷涂技术,将燃气(丙烷、丙稀或氢气)和氧气输入并引燃于燃烧室,借助于气体燃烧时产生高温和高压形成高速气流,加热熔化喷涂粉末并形成一束高速喷涂射流,在工件上形成喷涂层。
高速火焰喷涂特点:
气体燃烧膨胀形成热气流使喷涂粒子达到极高飞行速度。
火焰喷射速度为音速2倍以上,而喷涂熔粒速度可达300~1000m·s-1;喷涂粉粒在火焰中加热时间长,受热均匀,能形成良好微小熔滴;喷涂粉粒重要在喷涂枪中加热,离开喷枪后飞行距离短,因而和周边大气接触时间短,在喷涂过程中几乎不和大气发生反映,喷涂材料不受损害,微观组织变化小,这对喷涂碳化物材料特别有利,可避免分解和脱炭。
基于以上特点,高速火焰喷涂获得涂层光滑,致密性好,结合强度高。
涂层空隙率可不大于0.5%,结合力可达100MPa以上。
被广泛用于制备高致密性、高结合强度、低孔隙率规定涂层。
例如喷涂WC-12%Co,涂层几乎没有气孔,并且硬度高,加工后可达镜面。
但是,由于高速火焰喷涂设备及喷涂材料等成本太高,不适合国内国情,限制了其在国内应用。
同样,爆炸喷涂和激光喷涂也是由于这个因素限制其推广应用。
4.热喷涂技术应用
热喷涂应用重要集中在如下几种方面:
1)在钢铁工业中应用:
在钢铁加工过程中,需要大量通过表面解决辊类件,它们好坏直接影响到产品质量。
2)在能源工业中应用:
重要是工业锅炉防腐,水轮机过流部件抗汽蚀耐磨损喷焊,燃汽轮上应用等。
3)在造纸机械和印刷机械上应用。
4)在汽车行业中应用:
当前用于汽车部件有活塞环、气门摇杆、摇臂、消音器、刹车片等,热喷涂技术在汽车行业中应用是其向着大批量、自动化方向发展标志之一。
5)在生物工程、人工植入方面应用:
人们在运用人工关节提高人体机能方面获得了很大进步,影响人工关节性能一种重要问题就是关节与骨组织构造结合。
近年来,热喷涂技术在冶金工业领域获得较大发展,特别日本和德国这些国家,从来注重在汽车、冶金和能源等民用支柱产业中开发与应用这一技术。
5.当前国内热喷涂技术特点
腐蚀和磨损是导致材料和零部件失效重要因素,据关于资料报导,发达国家每年由于磨损和腐蚀导致经济损失约占国民经济总产值4~5%,全世界每年生产钢材约1/10将变成铁锈。
国内每年腐蚀、磨损导致损失已达几仟亿元。
因此热喷涂技术推广应用在国民经济建设中越来越显得重要。
当前,国内热喷涂技术已经发展到了一种崭新阶段,其喷涂工艺已从氧乙炔火焰金属粉末喷涂(焊)为主向高能、高速度先进设备方向发展;应用范畴已从旧修利废为主向新产品预保护和强化方向发展。
5.1几种新工艺技术应用
(1)爆炸喷涂、超音速喷涂(HVOF、HVAF)喷涂连铸机轧辊和炉底辊。
采用上述两种工艺,上海、江苏、广东、山东、四川、湖北等地已经成功喷涂了连铸机轧辊和炉底辊,喷涂Cr3C2涂层和Al2O3、ZrO2陶瓷涂层获得了良好效果,已有许多成功实例。
(2)采用激光重熔、高频感应重熔、电子束重熔、大功率火焰重熔、炉中重熔工艺,已在伐门、石油行业各种柱塞,连铸机低温段各种轧辊(如1450轧机输送辊)广泛应用,克服了以往氧乙炔火焰重熔功率低、易变形等缺,保证了涂层质量,采用高频重熔技术生产石油光杆已出口国外。
(3)电弧喷涂Ni-Cr-Ti(45CT)、Cr3C2、Ni70/Cr30涂层已在电厂锅炉对流受热面上广泛应用,当前国内已有30各种电厂锅炉对流受热面上广泛应用,获得了较好效果。
(4)电弧及其他喷涂办法,喷涂304L、316L不锈钢材料、哈氏合金高耐蚀材料已在食品、化工容器中广泛应用,取代整体制作不锈容器,效果较好。
(5)超音速等离子喷涂已在军工及国防工业中发挥了重要作用。
(6)引进HVOF、HVAF以及高能等离子喷涂设备正在攻克钢厂结晶管。
(7)TiB2、Al2O3/TiB2涂层正在攻克电介槽节能课题,同步也在攻克熔融金属腐蚀问题。
(8)棒材及陶瓷软线喷涂,正在为现场喷涂陶瓷及合金涂层服务,解决了一某些等离子,超音速现场不能喷涂问题。
(9)锌、铝及其合金大面积长效防护涂层,已在国内重大工程中应用,如新建长江大桥水闸门、大型管道、煤矿井筒等大型工程应用已百余例。
(10)冷喷涂技术正在兴起。
冷喷涂技术(CGDS或HVPC简称:
冷喷涂)是近年来发展起来一门新兴表面工程技术,自95年以来,每年举办国际热喷涂会议,关于冷喷涂方面论文明显增多,冷喷涂技术已经成为国际热喷涂研究热点之一,其应用上已经得到世界各国科学界工业界注重。
5.2 当前国内热喷涂技术发展趋势
国内热喷涂技术发呈现状无论从材料、设备、工艺、科研都提高不久,但与先进国家相比尚有一定差距,但就发展趋势和应用方面特点与国外比也是相吻和。
6.发展趋势
当前,国内外热喷涂设备正朝着高能、高速、高效发展同步,轴向送粉技术、多功能集成技术和实时控制技术也将成为热喷涂设备发展方向。
设备不断发展将使可喷涂材料范畴更广,制备纳米、非晶、导热、催化、导电、绝缘、超导、隐身等功能涂层将成为热喷涂研究热点。
运用各种在线监测技术拟定粉末在喷涂过程中流体动力学特性,建立喷涂粒子温度场和速度场,进一步理解涂层形成过程,从而得出各个喷涂参数对涂层构造和性能影响规律。
采用各种先进声、光、电无损检测技术,对涂层性能进行在线诊断,评估涂层质量和预测涂层寿命,是将来热喷涂涂层质量监控重要研究方向。
随着热喷涂技术不断发展,热喷涂涂层必将更加广泛地应用到国民经济发展各个领域中
参照文献
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7.体会
短短一学期表面工程学就要结课了,通过这学期学习我收获颇丰,特别是对表面工程领域技术和工艺办法有了深刻结识,下面我就针对这门课结识,简朴谈一下体会。
表面工程学与其她学科有着密不可分关系,书中简介了表面热解决、表面形变强化、电镀与化学镀、热扩渗、热喷涂与喷焊、涂装技术、转化膜与着色技术、气相沉积极、以及其他表面工程技术。
兼顾基本知识与学科前沿,在有限篇幅内对"表面工程学"内涵进行了拓宽,更加丰富、全面地反映出表面工程技术特点。
此前我只懂得采用涂料对金属表面进行涂刷是表面工程技术一种,其她方面就理解很少,当前我通过学习懂得了表面工程技术太多了。
表面工程技术重要应用于基材表面,可以制备表面性能与基材性能相差很大复合材料,可用于制造规定综合力学性能良好零部件。
采用表面涂(镀)、表面合金化技术取代整体合金化,使普通便宜材料表面具备特殊性能,既节约了贵金属,又大幅提高了零部件综合性能。
表面工程技术可以兼有装饰和防护功能。
以化学气相沉积为代表表面薄膜沉积技术是当今微电子工业基本。
在所有课程中,表面工程上课氛围是我最喜欢,汤教师授课方式给咱们一种轻松感觉,在这样环境下接受新知识是最有效。
我非常喜欢,但愿尚有机会能听教师授课。
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