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(guò)近一個(gè)世紀的發(fā)展，從簡(jiǎn)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(cháng)和發(fā)展過(guò)程中，由于專(zhuān)業(yè)和學(xué)科間的不斷滲透、交叉、融合，技術(shù)日趨系統化、集成化，即發(fā)展成為集機械學(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(zhuān)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、材料的創(chuàng )新、涂層質(zhì)量控制軟件體系、涂層制備基礎理論研究和檢測技術(shù)等諸方面。
1)近年來(lái)，隨熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，新的工藝技術(shù)和新的應用領(lǐng)域不斷地涌現。涂層質(zhì)量很大程度上依賴(lài)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(shù)發(fā)展的新趨勢，相繼出現了爆炸噴涂、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(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，提高了涂層結合強度。
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(guò)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(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(guò)噴槍軸線(xiàn)與電弧同軸方向送入電弧，減少?lài)娮炀植窟^(guò)熱的可能性，增加電弧穩定性和噴嘴使用壽命;延長(cháng)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90%，涂層質(zhì)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(shù)難題，擴展了涂層材料的應用領(lǐng)域，為納米涂層制備、推動(dòng)納米涂層的實(shí)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(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800m/s，生產(chǎn)效率高，噴涂WCCo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(wú)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(chǎn)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(dòng)力噴涂是由俄羅斯科學(xué)家在風(fēng)洞試驗中首次發(fā)現這一現象，根據這一現象發(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在美國和德國已研制成功成套冷氣動(dòng)力噴涂設備。
多種復合工藝技術(shù)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(shù)的發(fā)現與應用促進(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(guān)注的重點(diǎn)。
3)在線(xiàn)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有十分緊密的關(guān)系，標準工藝參數的重現性和穩定性是保證涂層質(zhì)量最基本環(huán)節。工藝參數變化影響因素諸多，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(xiàn)質(zhì)量控制，檢測噴涂熱源溫度場(chǎng)的分布、噴涂粒子的飛行速度及狀態(tài)，為優(yōu)化并穩定涂層制備工藝參數獲得優(yōu)質(zhì)涂層提供了基本保障。芬蘭Oseir公司研制的SprayWatch熱噴涂粒子監測系統，是以CCD數字相機為基礎而設計的，適應大多數熱噴涂工藝的檢測。它能夠方便地測量和監控噴涂過(guò)程中關(guān)鍵的工藝參數，如：噴涂粒子的溫度、飛行速度的狀態(tài)、數量及分布;噴涂束流的尺寸、位置和方向等。有望研究開(kāi)發(fā)監測系統和噴涂設備聯(lián)機，形成在線(xiàn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò )、試驗設計和其他優(yōu)化方法來(lái)確定熱噴涂涂層制備工藝參數與涂層性能之間的關(guān)系。研究建立噴涂粒子受熱狀況、運動(dòng)形式與噴嘴出口處條件之間的數學(xué)模型;涂層中殘余應力形成模型;熱噴涂過(guò)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(guò)程中各種參數之間模型建立，在理論上研究控制涂層質(zhì)量的方法。通過(guò)采用光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、X射線(xiàn)衍射、高速成像等檢測技術(shù)，研究涂層的顯微組織特性，分析噴涂參數對涂層結構和涂層性能的影響，預測涂層使用性能。
