熱噴涂技術發(fā)展的主要方向

824　 2024-05-25 13:54:39

熱噴涂技術經過近一個世紀的發(fā)展，從簡單的工藝技術發(fā)展成為完整的工業(yè)體系，已成為先進制造技術的重要組成部分。在成長和發(fā)展過程中，由于專業(yè)和學科間的不斷滲透、交叉、融合，技術日趨系統(tǒng)化、集成化，即發(fā)展成為集機械學、材料科學、熱動力科學、高新技術和生物工程等專業(yè)為一體的新興交叉學科，在制造業(yè)領域成為完整的工業(yè)體系。熱噴涂技術的核心是優(yōu)質、高效、低消耗的表面改性，達到賦予基體材料表面特殊功能的目的。技術的發(fā)展主要是新技術的發(fā)現(xiàn)、材料的創(chuàng)新、涂層質量控制軟件體系、涂層制備基礎理論研究和檢測技術等諸方面。

1)近年來，隨熱噴涂技術的發(fā)展，新的工藝技術和新的應用領域不斷地涌現(xiàn)。涂層質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前國際熱噴涂技術發(fā)展的新趨勢，相繼出現(xiàn)了爆炸噴涂、高速活性燃氣火焰噴涂(HVAF)、高速電弧噴涂、活性電弧噴涂、高速等離子噴涂、三陰極內送粉等離子噴涂、溶液等離子噴涂(SPS)、冷氣動力噴涂(CGDS)等新技術。這些技術的共同特點是大幅度提高了噴涂粒子的飛行速度，降低了涂層孔隙率，提高了涂層結合強度。

高速等離子噴涂技術由于熱源溫度高、加熱熔化效率高，可噴涂高熔點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500m/s，使得涂層更加致密，硬度、韌性、結合強度更高。特別是制備高質量陶瓷涂層和金屬陶瓷涂層，具有其他噴涂技術不可替代的優(yōu)勢。

三陰極內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;延長粉末加熱時間，提高了沉積速率和粉末材料利用率，沉積效率可高達90%，涂層質量均勻、致密、結合強度高。

溶液等離子噴涂是采用納米先驅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難題，擴展了涂層材料的應用領域，為納米涂層制備、推動納米涂層的實際應用提供了可能。

HVAF高速活性燃氣噴涂，既具有高速火焰噴涂速度高的特點，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，可產生還原性氣氛;有最好的動能和熱能匹配，噴涂粒子被加熱到熔點以下，而粒子飛行速度高達800m/s，生產效率高，噴涂WCCo材料可達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，可得到壓應力或無應力涂層，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上，被電弧熔化的涂層材料被丙烷空氣燃燒所產生的高速氣流霧化成細小微粒，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、結合強度高。

冷氣動力噴涂是由俄羅斯科學家在風洞試驗中首次發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，根據這一現(xiàn)象發(fā)明了冷氣動力噴涂技術。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、殘余應力低的涂層，可完全保持噴涂材料原始成分。有文獻表明：雙相氣流速度越大，粒子的沉積效率越高?，F(xiàn)在美國和德國已研制成功成套冷氣動力噴涂設備。

多種復合工藝技術已聯(lián)合使用。高速火焰噴涂制備結合底層，有效地控制結合層的含氧量，等離子噴涂制備工作面層;等離子噴涂或火焰噴涂預置涂層，激光照射重熔制備完全致密的陶瓷涂層，達到改變涂層組織性能的目的。

2)新型工藝技術的發(fā)現(xiàn)與應用促進了新材料的發(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合，作為雙層復合涂層;納米涂層(納米先驅溶液、納米團聚體粉末)材料、功能復合涂層材料、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，已成為人們日益關注的重點。

3)在線控制質量保證體系。涂層質量與噴涂工藝方法及工藝參數(shù)有十分緊密的關系，標準工藝參數(shù)的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性是保證涂層質量最基本環(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，均成為涂層質量的重要因素。在線質量控制，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)字相機為基礎而設計的，適應大多數(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)和噴涂設備聯(lián)機，形成在線控制、回饋、診斷、修正的新型智能熱噴涂設備。

4)涂層制備基礎理論研究和涂層性能檢測方法。采用神經網絡、試驗設計和其他優(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系。研究建立噴涂粒子受熱狀況、運動形式與噴嘴出口處條件之間的數(shù)學模型;涂層中殘余應力形成模型;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量的方法。通過采用光學顯微鏡、電子顯微鏡、X射線衍射、高速成像等檢測技術，研究涂層的顯微組織特性，分析噴涂參數(shù)對涂層結構和涂層性能的影響，預測涂層使用性能。