热喷涂技术及镁合金热喷涂的原理发展及应用.doc

热喷涂原理发展及应用 镁合金热喷涂技术研究进展引 言：众所周知, 除少数贵金属外,金属材料会与周围介质发生化学反应和电化学反应而遭受腐蚀. 此外,金属表面受各种机械作用而引起的磨损也极为严重.大量的金属构件因腐蚀和磨损而失效, 造成极大的浪费和损失. 据一些工业发达国家统计, 每年钢材因腐蚀和磨损而造成的损失约占钢材总产量的10 %, 损失金额约占国民经济总产值的 2 - 4 %. 如果将因金属腐蚀和磨损而造成的停工、停产和相应引起的工伤、失火、爆炸事故等损失统计在内的话, 其数值更加惊人. 因此,发展金属表面防护和强化技术, 是各国普遍关心的重大课题. 随着尖端科学和现代工业的发展,各工业部门越来越多地要求机械设备能在高参数(高温、高压、高速度和高度自动化)和恶劣的工况条件(如严重的磨损和腐蚀)下长期稳定的运行.因此,对材料的性能也提出更高要求. 采用高性能的高级材料制造整体设备及零件以获得表面防护和强化的效果, 显然是不经济的,有时甚至是不可能的。所以, 研究和发展材料的表面处理技术就具有重大的技术和经济意义。而表面处理技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高. 热喷涂技术就是这种表面防护和强化的技术之一, 是表面工程中一门重要的学科. 所谓热喷涂, 就是利用某种热源, 如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金 属涂层材料加热到熔融或半熔融状态, 然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面, 与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。本文是在简要概述热喷涂及镁合金表面处理常用方法和特点的基础上，重点介绍和分析了镁合金热喷涂技术（包括火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂等）的特点及国内外研究现状，并指出了镁合金热喷涂技术的发展趋势关键词：热喷涂;火焰喷涂;电弧喷涂;等离子喷涂;镁合金一.特点1.1热喷涂技术具有的优点1.设备轻便，可现场施工。2.工艺灵活、操作程序少。可快捷修复，减少加工时间。3.适应性强，一般不受工件尺寸大小及场地所限。4.涂层厚度可以控制。5.除喷焊外，对基材加热温度较低，工件变形小，金相组织及性能变化也较小。6.适用各种基体材料的零部件、几乎可在所有的固体材料表面上制备各种防护性涂层和功能性涂层。1.2热喷涂技术的特点金属陶瓷，塑料以及由它们组成的复合物等. 因而能赋予基体以各种功能（如耐磨，耐蚀，耐高温，抗氧从热喷涂技术的原理及工艺过程分析，热喷涂技术具有以下一些特点.1.由于热源的温度范围很宽，因而可喷涂的涂层材料几乎包括所有固态工程材料，如金属，合金，陶瓷，化，绝缘，隔热，生物相容，红外吸收等）的表面.2. 喷涂过程中基体表面受热的程度较小而且可以控制，因此可以在各种材料上进行喷涂（如金属，陶瓷，玻璃，布疋，纸张，塑料等），并且对基材的组织和性能几乎没有影响，工件变形也小.3.设备简单，操作灵活，既可对大型构件进行大面积喷涂，也可在指定的局部进行喷涂；既可在工厂室内进行喷涂也可在室外现场进行施工.4.喷涂操作的程序较少，施工时间较短，效率高，比较经济. 随着热喷涂应用要求的提高和领域的扩大，特别是喷涂技术本身的进步，如喷涂设备的日益高能和精良，涂层材料品种的逐渐增多,性能逐渐提高，热喷涂技术近十年来获得了飞速的发展，不但应用领域大为扩展，而且该技术已由早期的制备一般的防护涂层发展到制备各种功能涂层；由单个工件的维修发展到大批的产品制造；由单一的涂层制备发展到包括产品失效分析，表面预处理，涂层材料和设备的研制，选择，涂层系统设计和涂层后加工在内的喷涂系统工程；成为材料表面科学领域中一个十分活跃的学科.并且在现代工业中逐渐形成 象铸，锻，焊和热处理那样的独立的材料加工技术.成为工业部门节约贵重材料，节约能源，提高产品质量，延长产品使用寿命，降低成本，提高工效的重要的工艺手段，在国民经济的各个领域内得到越来越广泛的应用.1.3技术优势1.能有机地把金属材料的强韧性、易加工性等和陶瓷材料的耐高温、耐磨和耐腐蚀等特性结合起来.2.合理选择涂层材料和适宜的喷涂工艺，可以获得各种功能的表面强化涂层.3.不受基体的限制：用于热喷涂的基体材料可以是金属、陶瓷、水泥、耐火材料、石料、石膏等无机材料，也可以是塑料、橡胶、木材、纸张等有机材料.4.不受工件尺寸和施工场所的限制.5.涂层沉积速率快，厚度可控，工艺简单.6.陶瓷涂层的可加工性好，且涂层损坏后可再进行喷涂.二.工艺原理及发展热喷涂分类方法作为新型的实用工程技术目前尚无标准的分类方法，一般按照热源的种类，喷涂材料的形态及涂层的功能来分。如按涂层的功能分为耐腐，耐磨，隔热等涂层，按加热和结合方式可分为喷涂和喷熔：前者是机体不熔化，涂层与基体形成机械结合；后者则是涂层再加热重熔，涂层与基体互溶并扩散形成冶金结合。平常接触较多的一种分类方法是按照加热喷涂材料的热源种类来分的，按此可分为：火焰类，包括火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂；电弧类，包括电弧喷涂和等离子喷涂；电热法，包括电爆喷涂、感应加热喷涂和电容放电喷涂；激光类：激光喷涂.下面标题三将对镁合金热喷涂研究进展重点介绍和分析.三.镁合金热喷涂研究进展镁合金是最常用的轻合金之一（纯镁密度为1.74)，其比强度高于某些高强钢和铝合金. 此外，还具有良好的铸造性、电屏蔽性、抗冲击减震性和无毒、可回收性等特点，因此被誉为是11世纪的绿色工程材料，为降低能耗和减少废气排放，用镁合金替代汽车上的钢铁构件已成为近年来发展趋势之一，在航空航天中的应用前景也将越来越广.然而，镁合金具有较低的电极电位，其标准电极电位为-2.37 V，且镁的氧化膜一般都疏松多孔，所以镁和镁合金具有极高的化学和电化学活性.腐蚀是镁及镁合金目前存在的主要问题之一， 极大地限制了它在工程领域中的广泛应用.目前控制镁合金腐蚀的途径主要有：提高镁合金自身的耐蚀性和通过表面改性提高镁合金的耐蚀性.由于提高镁合金的纯度或开发出高耐蚀性能的新型镁合金往往成本高且效果有限，因此对镁合金进行表面处理是改善镁合金表面性能的有效方法，也是提高镁合金的摩擦磨损性能和耐高温、抗氧化等性能的重要手段.1镁合金的表面处理如何解决镁合金抗腐蚀性差的问题是提高镁合金使用寿命和拓宽镁合金应用范围的关键之一. 到目前为止，人们大多采用表面防护法来提高镁合金表面的耐蚀性.1.1化学转化涂层通过化学处理在基体表面形成由氧化物或金属盐构成的钝化膜，这层膜与基体具有良好的结合力，可阻止腐蚀介质对基体的侵蚀.关于镁基体表面转化膜层的研究很多，最成熟的是铬酸盐转化涂层，目前主要采用以铬酸或重铬酸盐为主要成分的溶液化学处理，即铬化处理.虽然铬化处理工艺成熟，性能稳定，但六价铬会污染环境.文献1报道了在以高錳酸钾为主要成分的溶液中处理人AZ91D时，当溶液的PH值通过添加调整为中性或碱性时，获得的转化涂层具有与铬酸盐转化涂层相当的耐腐蚀性能.但到目前为止，镁基体表面转化膜层的研究大多集中在工艺上，对涂层形成机理的文献报道比较少. 1.2激光表面处理激光表面处理是利用激光对材料表面进行辐射处理，使表面在高能光束的作用下融化后再凝固.用激光处理镁合金可提高镁合金的表面性能. 除了镁合金表面激光熔敷合金层外，还可利用激光重熔技术来提高镁合金的耐蚀性.虽然重熔后表面的显微硬度比基体低，但耐蚀性却有明显提高.激光表面改性技术在提高镁合金表面性能和延长使用寿命方面发挥的重大作用越来越明显.但镁合金激光表面处理仍然存在一些问题，如熔敷层合金的不均匀化、不适宜一次进行大面积的处理， 以及相关设备价格比较昂贵等，因此该技术的实用化尚需努力. 1.3离子注入技术离子注入是利用真空系统中离化出的离子，在高电压下加速直接注入材料表面，形成很薄的离子注入层，从而改变材料表面的组成与结构，改善材料表面的摩擦磨损性能和提高抗氧化能力及耐蚀性.根据文献2，在纯镁表面注入硼可使镁的开路电势正移200mV ，扩大钝化区电势范围，降低临界钝化电流密度.在人AZ91C合金上注入硼虽然不会改变开路电势，但会降低钝化电流密度，改变膜的性质.然而离子注入所得到的改性层非常薄，往往无法满足所需要的表面性能，而且注入技术比较复杂，成本比较高，所以关于离子注入镁合金表面耐蚀性的研究也比较少1.4热喷涂近年来，表面工程已成为材料科学的一个重要分支，在人们的生产生活中发挥越来越重要的作用.其最大优势是能够制备出优于本体材料性能的表面薄层，并赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳和防辐射等性能，以及超导、光电磁、生物相容性等功能.这与制作部件的整体材料相比，厚度薄， 面积小，但却承担着工作部件的主要功能.热喷涂也是镁合金表面工程中重要的表面技术和处理方法，近年来正引起广大研究者的关注和兴趣.2镁合金热喷涂技术热喷涂技术于1906年由瑞士的Schoop发明， 历经100年，目前已广泛应用于航天、航空、航海、冶金、机械、石化、轻工和日用品等领域热喷涂技术主要用于对缺损部件的修复，以及对高温、耐磨等部件的预保护和功能涂层的制备等，可使工件获得所需要的尺寸和性能.热喷涂技术是随着现代航空、航天技术的出现而发展起来的.研究和应用结果表明，热喷涂技术制备的涂层性能优良，具有良好的应用前景.目前国内外以镁合金为基体进行的热喷涂研究较少，主要原因如下：1镁是一种非常活?发的金属，如喷涂热源温度过高，则易引起镁合金表面的相变、部分元素分解挥发及氧化等问题，同时产生大量火花，存在安全隐患；2在镁合金表面喷涂其它金属涂层，如果涂层有通孔则极易引起电偶腐蚀，会迅速破坏基体；3由于镁合金与热喷涂中常用的喷涂金属或打底用金属在力学和物理等性能方面存在较大差异，容易在涂层内引发较大内应力，从而降低镁合金与涂层的结合力，这些都制约着热喷涂技术在镁合金工业中的应用. 2.1镁合金的火焰喷涂火焰喷涂是以气体火焰为热源的热喷涂，是最早的一种喷涂方法，现在应用仍十分广泛.火焰喷涂可以喷涂的材料有很多，可以使用其他方法进行喷涂的材料都可以进行火焰喷涂.文献3采用铝做梯度层，用氧乙炔火焰喷涂，在人A291C镁合金表面制备人梯度涂层镁合金陶瓷涂层.研究表明：热喷涂人陶瓷，可以在镁合金表面获得改性陶瓷层.该陶瓷层和基体结合牢固，并具有较高的硬度、耐磨性及抗热震性.文献4采用火焰喷涂工艺在人AZ91D镁合金上喷涂人 等陶瓷材料，所得陶瓷涂层由层状结构排列密集的离子晶体组成， 部分陶瓷组织被熔化的镁合金包围，涂层厚度50-100 测试结果表明：涂层的表面硬度为50-80，抗拉强度180-205Mpa，断口处涂层和基体结合面无剥离和开裂.热喷涂所得涂层表面经封孔处理后，按GB64581986标准要求进行72h盐雾试验，表面未发现锈蚀.这说明人AZ91D 镁合金表面热喷涂的人陶瓷涂层与基体结合良好，具有良好的硬度、耐热疲劳性能和耐腐蚀性能.为拓宽镁合金的应用领域，提高其使用性能， 文献5在人AZ91D镁合金表面使用火焰喷涂技术制备人陶瓷涂层,磨损实验表明：热化学反应热喷涂陶瓷涂层耐磨性优于常用热喷涂陶瓷涂层.文献6采用高速火焰喷涂（HVOF）和电弧喷涂方法在镁合金表面制备和涂层，并采用预热处理和后热处理，使涂层结合强度提高， 镁合金的耐磨性和耐蚀性得到改善.文献7采用HVOF法在人AZ91D及AE42镁合金表面成功制得性能良好的陶瓷涂层.涂层的主要成分为WC-Co结合力较强；经封孔处理后，涂层的耐蚀性较基体有很大提高.2.2镁合金的电弧喷涂电弧喷涂是以电弧为热源的热喷涂. 电弧喷涂由于热效率高、涂层强度高和生产效率高等优点， 在近20年间获得迅速发展.电弧防腐技术在1993 年和1995年分别首次成功地在舰船维修和制造中应用.在此基础上又在批量生产的舰船和国家重点工程上得到推广应用，如驻港部队巡逻艇、汕头海湾大桥、大庆石化3期工程和大港发电厂等.据有关资料统计，到20世纪末，在所有热喷涂技术中， 电弧喷涂的市场比例为第3位.由于电弧喷涂只能使用金属，对不能导电的陶瓷材料难以进行喷涂，因而限制了它的应用范围.电弧喷涂在耐磨、防腐和零件的修复领域具有巨大的应用价值.电弧喷涂锌、铝涂层，涂层体系自身的耐蚀寿命可以达到50年以上.如果得到合理的维护， 则电弧喷涂长效防腐复合涂层可以使钢结构的使用寿命延长到100年.在镁合金表面电弧喷涂铝，经适当的热处理后可获得耐蚀涂层.文献9采用电弧热喷涂，在镁合金的表面形成一层致密的铝层，再在430保温处理2h，得到了基体中的镁向涂层扩散的扩散层， 进行封孔处理后可得到完整的保护层.涂层与基体的结合牢固，并大大提高了合金的耐腐蚀性能.文献10利用电弧喷涂技术在人AZ91和AM50镁合金基材表面制备铝涂层，并进行浸泡实验和盐雾实验，考察涂层的耐蚀性能.结果表明:封孔处理后的试样耐蚀性有较大提高.文献11选择不同的喷涂工艺参数，在镁合金表面喷涂铝锌丝材，采用中性盐雾实验，对经不同工艺参数得到的涂层的耐腐蚀性进行比较.结果表明：电弧喷涂铝锌工艺参数对涂层质量有一定影响.文献12采用电弧喷涂方法在人2910镁合金表面喷涂Al涂层，研究了电弧喷涂工艺参数对涂层结构和质量的影响，并对喷涂铝层的镁合金进行了耐蚀性实验.结果表明：通过控制电弧喷涂工作电压、工作电流和雾化气流的压力与流量， 能够在镁合金表面获得均匀致密的Al涂层，电弧喷涂Al涂层能够显著提高镁合金的耐腐蚀性. 2.3镁合金的等离子喷涂等离子喷涂技术的采用， 扩大了热喷涂材料种类及其涂层的应用范围，解决了难熔材料和陶瓷材料的喷涂问题.与其他热喷涂技术方法比较，等离子喷涂具有许多优点.表1几种热喷涂方法的工艺比较Table 1Comparison among different thermal spraying processes喷涂方法火焰温度/粒子速度/()结合强度/()气孔率/%喷涂效率()相对成本火焰喷涂3 000408-2010-152-61电弧喷涂4 00010012 -251010-252高速火焰喷涂3 000800 - 1 70070-110701-214等离子喷涂12000-16000200-40060-800.52-1042.3.1等离子喷涂工艺参数等离子喷涂采用刚性非转移型等离子弧为热源，以喷涂粉末材料为主，可喷涂几乎所有难熔的金属和非金属， 具有喷涂效率高、涂层致密性好和结合强度高等优点.掌握喷涂工艺，是解决喷涂层结合强度的关键.在等离子喷涂过程中，除了要制定正确的工艺流程外，还必须控制好喷涂工艺参数.1基体金属的温度基体金属的温度是喷涂工艺的一项重要参数.大多数工件在喷涂前， 需进行一定的预热，然后在喷涂过程中对工件采取冷却措施，使其保持一定的温度，将预热和随后的冷却有效地结合起来.2喷涂距离考虑到粉末在等离子焰流中加热和加速都需要一段时间，因此应有一个合适的距离.距离过近会因粉末在涂层中撞击变形不充分从而影响结合强度；喷涂距离过远又会使已经加热到熔融状态的粉末在零件上冷却下来， 影响涂层与基体的结合，喷涂效率明显降低，同时涂层气孔率也将增加. 3主气和送粉气的流量通入喷枪用于压缩电弧并发生电离的气体称为主气或离子气.用于带动粉末的气体称为送粉气.对于主气，当电弧功率一定时，流量过大，等离子焰流速度变大， 粉末离子加热不充分， 在焰流中停留时间短，涂层质量下降;流量过小，则过多粉末粒子被烧掉.影响涂层质量及沉积效率，故流量应适当.对于送粉气，在电弧功率一定的情况下，送粉量过大，会造成涂层夹生，自身强度与基体结合强度下降； 送粉量过小， 则造成涂层氧化物过多， 涂层质量下降.4送粉量及电功率送粉量及电功率是喷涂过程中最主要的工艺参数，又是需要经常变动的参数，而且二者之间互相联系.在确定这2个参数时，重点是要保证二者的恰当匹配.2.3.2镁合金等离子喷涂研究现状等离子涂层的应用很广，可实现热障、耐磨、耐腐蚀和提高生物相容性等多种功能.对镁合金表面进行等离子喷涂的研究目前国内外文献报道较少. 为了改善镁合金的表面性能，文献14采用等离子喷涂方法在AZ31镁合金表面制备涂层，通过OM,SEM及EDS等方法，分析了涂层热处理前后的组织及性能.结果表明：经过T4和T6处理后，涂层的硬度呈增加趋势，由热处理前的200.2HV增加到304.5HV，远高于基体AZ31镁合金的硬度.文献15采用等离子喷涂方法在AZ31镁合金表面制备涂层，结果表明：等离子喷涂涂层的耐腐蚀性均比基体AZ31镁合金高很多.文献16利用等离子喷涂和激光重熔复合工艺在AZ91HP镁合金表面制备了人1203陶瓷涂层， 结果表明：涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性能明显高于等离子喷涂的涂层和原始镁合金.文献17采用普通的等离子喷涂技术（即基材表面预处理一等离子喷涂一涂层热处理的工艺）， 在镁合金表面制备了纳米陶瓷涂层.结果表明：陶瓷层的表面显微硬度为950- 980，与基体的结合强度为19-22 5Mpa，耐蚀性良好.但刚制成的陶瓷层表面较粗糙，必须打磨后才能使用，而且必须进行封闭处理.文献18采用大气等离子弧喷涂方法，在镁合金表面喷涂，可以改善合金的耐磨性，选择合适的封孔剂可以获得优良的耐蚀性能.3镁合金热喷涂的发展趋势随着新材料的出现以及热喷涂设备和喷涂工艺的不断改进，制备镁合金涂层性能将会进一步提高.关于镁合金基热喷涂涂层的研究，今后应在如下几个方面展开深入细致的工作.3.1发展新型涂层研究解决涂层与镁合金基体热膨胀系数匹配问题，从而提高涂层与基体的结合力.目前镁合金热喷涂涂层的发展一方面要考虑如何通过改进打底金属涂层的性能来消除涂层与基体间的差异，另一方面则要寻找更加适合于镁合金表面喷涂涂层的方法.3.2发展新工艺对涂层设计和喷涂工艺参数进行优化，通过建立各种材料的喷涂工艺参数数据库和合理的模型来预测镁合金涂层的性能，对涂层进行优化.合理选择喷涂工艺，优化工艺参数，改善粉末受热和熔化状态，减少环境对高温粒子的污染和氧化，从而形成性能优异的镁合金涂层.简便、成本低、生产效率高及产生无缺陷涂层的工艺是今后的发展方向.3.3涂层性能的准确评价为确保镁合金涂层的可靠性，除了从工艺上尽量保证涂层的均一性和完整性之外，对镁合金基涂层性能的准确评价也是一个很重要的问题.无损探伤是一项亟待开展的工作，除此之外，探求如何准确测定镁合金涂层的一些基本性能如显微硬度、涂层厚度、结合强度和摩擦磨损等）的方法的研究也正日益受到人们的关注.四.总结随着尖端科学和现代工业的发展,各工业部门越来越多地要求机械设备能在高参数(高温、高压、高速度和高度自动化)和恶劣的工况条件(如严重的磨损和腐蚀)下长期稳定的运行.因此,对材料的性能也提出更高要求. 采用高性能的高级材料制造整体设备及零件以获得表面防护和强化的效果, 显然是不经济的,有时甚至是不可能的。所以, 研究和发展材料的表面处理技术就具有重大的技术和经济意义。而表面处理技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高.热喷涂技术与其他先进表面处理技术（激光和超声波等现代技术）的复合，将使镁合金热喷涂处理工艺和质量进一步提高， 目前也是一大研究热点.在国外，热喷涂技术已是一项获得广泛应用及效益突出的高新技术；在国内，热喷涂技术虽然在钢基体上已较为成熟，但在镁合金基体上却才刚刚起步.为了改善镁合金的表面性