热喷涂技术发展概况的研究

1热喷涂的定义和原理

热喷涂是利用特定热源将喷涂材料加热至熔化或软化后,借助其自身动力或外加气流将熔滴加速至一定的速度,进而喷射到表面已经过净化或粗化的工件上最终形成表面涂层的一种工艺方法。其基本过程如图1所示。

喷涂材料从进入热源到形成涂层,大体可分成4个阶段:

(1）材料被加热熔化。丝材端部被加热后熔化,进而形成熔滴:同时粉末则被熔化或软化。

(2）丝材的熔滴在高速气流作用下雾化成为微小颗粒后被加速,同时粉末材料则直接被气流加速。

(3）高温熔融的微粒进入了飞行阶段。微粒、粉末首先加速,然后随着距离的增加而逐渐减速,与此同时与周围的气体发生反应,自身温度逐渐降低。

(4）这些具有一定温度及速度的微小颗粒与基材表面发生猛烈撞击,大部分微粒产生剧烈变形和快速冷却而在工件表面沉积,最终形成涂层。

喷熔一般包括一步法与两步法,一步法即涂层在喷涂的过程中被加热熔化,消除气孔,提升其致密度:两步法就是在喷涂后再通过加热使涂层熔化。

2热喷涂技术的特点和分类

热喷涂技术的特点主要体现在以下4个方面:

(1）在各种基体上制备各种材质的涂层。热喷涂的材料可以是金属、陶瓷或金属陶瓷以及工程塑料等:而热喷涂的基材可以是陶瓷、金属、金属陶瓷、玻璃、工程塑料、石膏、布、木材、纸等几乎所有的固体材料。

(2）由于基体表面在喷涂过程中受热程度较小而且可控,所以喷涂可在各种材料上进行,而且基材的组织和性能几乎不受影响,工件变形较小。

(3）操作灵活、设备简单,既可大面积喷涂大型构件,也可进行特定的局部喷涂:既可以进行室内喷涂,也可在室外进行现场施工。

(4）喷涂操作程序简单,效率高,施工时间短,成本较低。热喷涂方法一般可按照其热源类型进行分类,在此基础上再按照不同形式的涂层材料形成一系列的热喷涂方法,如图2所示。

3热喷涂技术的发展趋势

我国热喷涂的应用开始于20世纪40年代。20世纪60年代初期成功研制了陶瓷粉末气喷涂枪和封闭式喷嘴及固定式电弧喷涂枪:中期研制了自熔性合金粉末制造技术和等离子喷涂设备:末期研究了等离子喷焊技术,与此同时开始应用粉末火焰喷焊技术。到了70年代陆续出现品种和型号比较齐全的喷涂设备和材料,但进展较慢。近几年,热喷涂技术才开始获得较快发展。1981年,在北京召开了首届全国热喷涂会议,会上成立了"全国热喷涂协作组"。1991年,武汉材料保护研究所申请成立"中国表面工程协会热喷涂专业委员会"。经过十多年的发展,已基本形成了较为完善的热喷涂设备和材料生产体系,产品门类比较齐全,各种热喷涂方法也获得了较为广泛的应用,解决了众多产品质量问题,并取得了显著的技术、经济效益。

近几十年来,热喷涂技术的发展较为迅速,应用领域也在不断扩大。喷涂材料层出不穷,设备水平也相继得到提高,涂层设计已经逐渐在产品设计方面成为一个重要组成部分,质保体系也初步建立,同时推动了热喷涂产业的快速发展。

3.1喷涂材料

热喷涂材料的发展主要体现在两方面,一是拓宽涂层应用范围,开发新的涂层:二是利用喷涂过程中的有利条件来减小缺陷,进而提高涂层质量。比如利用Ni、A1在熔融过程中产生的反应热量来提高颗粒温度,进而来提高涂层结合强度:开发出Ni-A1、NiCr-A1复合粉末或线材。

3.2喷涂设备

近年来,喷涂设备的开发与扩展比较活跃。等离子喷涂设备推出了高达250kw的超大功率等离子喷涂设备,可生成681m/s(2马赫）以上超声速等离子焰流。各类超声速火焰喷涂装备也不断出现,如JP-5000喷枪可产生7倍的高速射流。同时,喷涂系统的设计考虑提供极为方便的人机界面,通过工作人员的简单操作,就能完成大量复杂工作。

3.3研究和开发工作

由于影响涂层质量、性能的因素比较多,大量研发工作将集中在工艺过程研究和涂层性能方面。此外,建立完善的热喷涂相关产品的标准体系及热喷涂质量保证体系,对推动热喷涂技术的发展也起着至关重要的作用。

4结论

(1）热喷涂技术由于工艺灵活、适用范围广和可以大面积涂覆而得到了广泛应用。

(2）喷涂设备正趋向自动化方向发展,即在控制技术上引入计算机控制,可对喷涂全过程中主要参数进行实时控制。在操作装备上引入了机械手,可精确地重复极为复杂的操作。