热喷涂技术的发展和应用资料解读.doc

表面工程学 论文 表面工程学 论文 班 级 材科 101 学生姓名 宋俊伟 学 号 201001524125 指导教师 汤峰 热喷涂技术的发展和应用热喷涂技术的发展和应用 摘要 主要介绍了热喷涂的基本方法 设备 材料和涂层特性 以及当前的 发展动态和应用情况 并简要介绍了应用研究的前景 关键词 热喷涂加工技术 加工原理 应用现状 发展前景 引言引言 热喷涂是一种迅速发展的表面强化新工艺新技术 它采用专用设备 利用各 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 热喷涂技术最早出现在上世纪早期的瑞士 随后在苏联 德国 日本 美 困等圉得到了不断的发展 各种热喷涂设备的研制 新的热喷涂材料的开发 新技术的不断应用 使热喷涂涂层质量得到了不断的提高 并不断开拓新的应 用领域 目前 以火焰喷涂 超音速喷涂 电爆喷涂 电容放电喷涂 等离 子喷涂为代表的热喷涂技术与设备 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 不仅能喷金属 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的应用 使热 喷涂技术达到了相当完善的地步 不仅使应用范嗣大为扩展 而且使涂层质量 有了质的飞跃 热喷涂技术不仅涉及到材料学 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 边缘学科 1 1 热喷涂技术简介热喷涂技术简介 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 射到涂敷的基体表面 形成一层性能优于原来基体的涂层 从而使原工件具有 更加优异的表面性能 或者是使工件获得一种或几种原来基体材料不具备的表 面性能膜状组织 其喷涂温度 熔滴对基体表面的冲击速度及形成涂层的材料 构成了喷涂技术的核心 温度和速度取决于不同的热源和设备 在一定的温度 范围内 温度越高 速度越大 越有利于形成优异的涂层 喷涂材料的可选择 性 是热喷涂技术的另一种优势 正是这三种要素 以及其他多项可控的影响 因素 使热喷涂成为真正的具有叠加效果的独特技术 它可以设计出所需的多 种多样的改性表面 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 2 热喷涂基本原理热喷涂基本原理 2 2 1 1 热喷涂原理热喷涂原理 热喷涂过 程一般可分为以下四个步骤 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 熔化或软化的喷涂材料形成的熔滴 在外加压缩气流或热源 自 身射流的作用下 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的层状组织结 构 3 热喷涂技术分类与特点热喷涂技术分类与特点 20 世纪末 热喷涂技术的发展十分迅速 并迅速被推广使用 1980 年到 2000 年 热喷涂市场的变化见表 1 到 20 世纪末 等离子喷涂仍然居主导 地位 值得注意的是 高速火焰喷涂 HVOF 迅速发展 将占据 25 的市场比 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 将部分代替火焰喷涂技术上升到第三位 表1 主要热喷涂方法的应用比例 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 2000年 12 15 48 25 1 1 火焰喷涂 火焰喷涂 火焰喷涂是最早得到应用的一种喷涂方法 它以氧气 燃气火焰作为热源 喷涂材料以一定的传送方式送入火焰 并加热到熔融或软化状态 然后依靠气 体或火焰加速喷射到基体上 火焰喷涂根据喷涂材料的不同 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 火焰喷涂具有设备简单 操作容 易 工艺成熟 投资少等优点 新型火焰喷涂枪可以喷涂各种金属 陶瓷 金 属加陶瓷的复合材料 各种塑料粉末材料的涂层 尽管等离子和 HVOF HVAF 超 音速以及爆炸喷涂的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 应用范围受到极大限制 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主要技术力量 粉 末 火 焰 喷 涂 的 原 理 示 意 图 2 2 电弧喷涂 电弧喷涂 电弧喷涂是高效率 高质量 低成本的一项工艺 是目前热喷涂技术中最 受重视的技术之一 电弧喷涂是将 2 根被喷涂的金属丝作为自耗性电极 分别 接通电源的正负端 在喷枪喷嘴处 利用两金属丝短接瞬间产生的电弧为热源 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 电弧喷涂具有如下优点 热效率高 对工件的热影响小 一般火焰喷涂 的热效率只有 5 15 电弧喷涂将电能直接转化为热能熔化金属 热能利用 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 于低温 避免了工件热变形 可获得优异的涂层性能 电弧喷涂技术可以在 不使用贵重底材的情况下得到较高的结合强度 采用适当的喷前粗化处理方法 喷涂层与基本结合强度可达普通火焰喷涂层的 2 倍以上 使用 2 根成分不同的 金属丝还可以制备出假合金涂层 以获得具有独特综合性能的涂层 生产率 高 电弧喷涂的生产效率正比于喷涂电弧电流 当电弧电流为 300 A 时 喷涂 锌为 30kg h 喷涂铝为 10kg h 喷涂不锈钢为 15kg h 为火焰喷涂的 3 倍以 上 经济性好 电弧喷涂能源利用率高 而且电能的价格远远低于燃气价格 施工成本为火焰喷涂的 l 10 以下 设备投资为等离子喷涂的 1 3 以下 电弧喷涂技术的应用已经在各行各业取得了显著成效 利用电弧喷涂在钢 铁构件上喷涂锌 铝涂层 可对钢构件进行长效防腐防护 例如我国南海地区 由于高温 高湿 高盐雾 船舶腐蚀严重 中修舰船的钢结构应用电弧喷涂铝 合金涂层防腐 经 5 年考核效果明显 测算预计寿命可提高到 15a 以上 山西 晋山煤矿 河南铁王沟煤矿等井筒钢结构进行电弧喷涂防腐防护 预计寿命在 30a 以上 电弧喷涂作为一种优质的修复技术 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的部位 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 取得明显成效 制备装饰涂层和功能涂层也是电弧喷涂技木应用的另一重要领 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 3 等离子喷涂 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 由放电弧产生的电弧 等离子体温度可达 20000K 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 喷涂材料为粉末的喷涂方法 近十几 年来等离子喷涂发展很快 目前已开发出大气等离子喷涂 可控气氛等离子喷 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的最重要 的一项工艺方法 这些新技术在工业生产上的应用日益显示出优越性和重要性 等离子喷涂的喷涂材料范围广 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 术主要用于制备质量要求高的耐蚀 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 4 高速火焰喷涂 高速火焰喷涂 HVOFHVOF 和其他喷涂技术 和其他喷涂技术 高速火焰喷涂目前主要指超音速火焰喷涂 8 有时人们也将爆炸喷涂认为 是高速火焰喷涂的一种 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的高温和高压形成的高速气 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 火焰喷涂的特点 气体燃烧膨胀形成的热气流使喷涂粒子达到极高的飞行速度 火焰喷射速度为音速的 2 倍以上 而喷涂熔粒的速度可达 300 1000m s 1 喷涂粉粒在火焰中加热时间长 受热均匀 能形成良好的微小熔滴 喷涂粉粒 主要在喷涂枪中加热 离开喷枪后飞行距离短 因而和周围大气接触时间短 在喷涂过程中几乎不和大气发生反应 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 高速火焰喷涂获得的涂层光滑 致密性好 结合强度高 涂层空隙率可小于 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 低孔隙率要求的涂层 例如喷涂 WC 12 Co 涂层几乎没有气孔 而且硬度高 加工后可达镜面 但是 由于高速火焰喷涂的设备及喷涂材料等 成本太高 不适合我国国情 限制了其在我国的应用 同样 爆炸喷涂和激光 喷涂也是由于这个原因限制其推广应用 4 4 热喷涂技术的应用热喷涂技术的应用 热喷涂的应用主要集中在以下几个方面 1 在钢铁工业中的应用 在钢铁加工过程中 需要大量经过表面处理的辊类 件 它们的好坏直接影响到产品的质量 2 在能源工业中的应用 主要是工业锅炉的防腐 水轮机过流部件抗汽蚀耐 磨损喷焊 燃汽轮上的应用等 3 在造纸机械和印刷机械上的应用 4 在汽车行业中的应用 目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的应用是其向着大批量 自动 化方向发展的标志之一 5 在生物工程 人工植入方面的应用 人们在利用人工关节提高人体机能方 面取得了很大的进步 影响人工关节性能的一个主要问题就是关节与骨组 织的结构结合 近年来 热喷涂技术在冶金工业领域获得较大发展 尤其日本和德国这些国家 历来重视在汽车 冶金和能源等民用支柱产业中开发与应用这一技术 5 5 当前我国热喷涂技术特点当前我国热喷涂技术特点 腐蚀和磨损是造成材料和零部件失效的主要原因 据有关资料报导 发达 国家每年由于磨损和腐蚀造成的经济损失约占国民经济总产值的 4 5 全世 界每年生产的钢材约 1 10 将变成铁锈 我国每年腐蚀 磨损造成的损失已达几 仟亿元 所以热喷涂技术的推广应用在国民经济建设中越来越显得重要 当前 我国热喷涂技术已经发展到了一个崭新阶段 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 应用范围已从旧修利 废为主向新产品预保护和强化方向发展 5 15 1 几种新工艺技术的应用几种新工艺技术的应用 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 陶瓷涂层取得了良好效果 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 克服了以往的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的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 目前国内已有 30 多个电厂锅炉对流受热面上广泛应用 获 得了较好效果 4 电弧及其它喷涂方法 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 效果很好 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 引进的 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 同时也在攻克熔融金 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 解决了一部 分等离子 超音速现场不能喷涂的问题 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 的长江大桥水闸门 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 是近年来发展起来的一门新兴 表面工程技术 自 95 年以来 每年举办的国际热喷涂会议 关于冷喷涂方面的 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重视 5 25 2 目前国内热喷涂技术发展趋势目前国内热喷涂技术发展趋势 我国热喷涂技术发展现状无论从材料 设备 工艺 科研都提高很快 但 与先进国家相比还有一定差距 但就发展趋势和应用方面的特点与国外比也是 相吻和的 6 6 发展趋势发展趋势 目前 国内外的热喷涂设备正朝着高能 高速 高效发展的同时 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的发展方向 设备 的不断发展将使可喷涂材料的范围更广 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的热点 利用各种在线监测技 术确定粉末在喷涂过程中的流体动力学特征 建立喷涂粒子的温度场和速度场 深入理解涂层的形成过程 从而得出各个喷涂参数对涂层结构和性能的影响规 律 采用各种先进的声 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 是未来热喷涂涂层质量监控的重要研究方向 随 着热喷涂技术的不断发展 热喷涂涂层必将更加广泛地应用到国民经济发展的 各个领域中 参考文献参考文献 1 吴子健等 热喷涂技术与应用 机械工业出版社 2005 10 2 师昌绪 表面工程与维修 M 北京 机械工业出版社 1996 3 徐滨士 马世宁 刘家浚 表面工程的发展 J 电镀与涂饰 1998 17 3 42 47 4 徐滨士等 中国表面工程的发展 C 中国机械工程学会 60 周年先进制造 技术学术会议论文集 1996 23 28 5 胡传炘 热喷涂原理及应用 M 中国科学技术出版社 1994 6 徐滨士等 中国表面工程的发展 C 中国机械工程学会 60 周年先进制造 技术学术会议论文集 1996 23 28 7 徐滨士 李长久等 表面工程与热喷涂技术及其发展 J 中国表面工程 1998 1 3 9 8 田保红 胡军志 徐滨士等 高速电弧喷射沉积 Fe3Al 涂层研究 J 金 属热处理 2000 1 3 26 9 谢铁兵 刘宪军 电弧喷涂管状丝材新发展及应用 J 表面技术 1999 28 3 30 33 10 蒋建敏 贺定勇 门玉芹 张秀英 新型热喷涂粉芯丝材的研究及应用 机 械工人 热加工 2003 年第 9 期 热质涂特别策划专辑 11 贺定勇 蒋建敏等 电弧及火焰喷涂用粉芯线材的研究及应用 J 焊接 设备与材料 2001 30 5 39 40 12 贺定勇 张发云 蒋建敏 傅斌友 栗卓新 弧喷涂粉芯丝材的研究 中 国表面工程 第 5 期第 19 卷第 5 期 2006 年 10 月 13 贾焕丽 孙宏飞 李梅广 张 姝 新型电弧喷涂粉芯丝材的现状与发展前 景 表 面 技 术 第 34 卷 第 6 期 2005 年 12 月 7 7 体会体会 短短一学期的表面工程学就要结课了 经过这学期的学习我收获颇丰 尤其 是对表面工程领域的技术和工艺方法有了深刻的认识 下面我就针对这门课的 认识 简单谈一下体会 表面工程学与其他学科有着密不可分的关系 书中介绍了表面热处理 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 以及其它表面工程技术 兼顾基础知识与学科前沿 在有 限的篇幅内对 表面工程学 的内涵进行了拓宽 更加丰富 全面地反应出表面