热喷涂技术与应用.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date热喷涂技术与应用2009-2010第二学期 热喷涂技术与应用摘要：本文首先以介绍喷涂设备、涂层种类方面为开端阐述热喷涂技术的发展现状。其次介绍热喷涂技术的主要工艺方法和常用的功能性涂层，分析热喷涂技术中热障涂层在航空发动机部件上的应用和发展以及分析船舶柴油机排气阀等关键零件的再制造中热喷涂涂层的设计与工艺方法选择，比较了不同热喷涂材料与工艺方法对船舶柴油机关键零件再制造后使用性能的影响。关键词：喷涂设备 热喷涂 涂层种类 喷涂应用 前言：热喷涂技术最早出现在20世纪早期的瑞士, 随后在前苏联、德国、日本、美国等国得到了不断的发展, 各种热喷涂设备的研制、新的热喷涂材料的开发及新技术的应用, 使热喷涂涂层质量不断得到提高并开拓了新的应用领域1。本文综述了热喷涂技术的研究进展, 主要从热喷涂设备、涂层应用和涂层质量监控进行了阐述, 并对热喷涂技术的发展趋势进行了展望。热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法2。 利用不同的热源和喷涂设备，可以制备防腐、耐磨、减磨、抗高温、耐氧化、隔热、绝缘、导电和防微波辐射等一系列多种功能的涂层。它可以在设备维修中修旧利废，使报废了的零部件“起死回生”；也可以在新产品制造中进行强化和预保护，使其“益寿延年”。可以大量节约能源、节约材料提高功效、降低成本，特别适合我国国情，符合我国现行的经济政策。是当前国家提倡的节能减排、低能耗、高效率的一项重要实用技术。热喷涂技术最早出现在20世纪早期的瑞士, 随后在前苏联、德国、日本、美国等国得到了不断的发展, 各种热喷涂设备的研制、新的热喷涂材料的开发及新技术的应用, 使热喷涂涂层质量不断得到提高并开拓了新的应用领域。1：热喷涂设备1.1：多电极等离子喷枪 Klaus Landes 教授于1993 年发明了三阴极等离子喷枪，目前最新型号为TriplexPro 200。Triplex 喷枪结构为三阴极和单阳极，将等电弧等分成三束，三束弧的弧根起弧后在阳极上固定不动(见图2)。最高使用功率可达65 kW，一般工作参数为电压82 98 V，电流460 540 A，配件寿命超过200 h。但是，Triplex需采用Ar/He作为等离子气体，因此导致使用成本偏高。由于其所需的等离子气体流量低于9MB 和F4 等离子喷枪，因此粉末粒子速度较低，粉末在等离子束流中停留时间延长，有利于喷涂导热差的陶瓷粉末。如喷涂氧化锆可磨耗涂层时，沉积效率约50%，而送粉量超过150 g/min，因此总的喷涂效率是9MB的3.9倍以上3。 1.2：单电极等离子喷枪 多电极等离子喷枪经常需要同时更换多个阴极或阳极，因此，许多公司进行了单电极(一个阴极加一个阳极) 结构等离子喷枪的改进工作。Progressive Technology 公司推出的100HE 等离子喷涂系统所用等离子喷枪是一种新型的单阴极、单阳极设计，图（3）所示。100HE 喷枪改进了阳极设计，有3个钨环和沟槽，这样的设计稳定了阳极上弧根的运动，同时使等离子弧被拉伸(其弧长约75 mm，F4 喷枪的弧长约5 mm)，可稳定工作在高电压、低电流条件(电压200 275 V，电流375 600 A，功率25 100 kW)下，电极寿命延长到200 h 以上。推荐采用Ar/N2/H2 混合气体作为气源7。若加入He 取代H2，则等离子焰流速度接近高速火焰喷涂，碳化钨粉末粒子能加速到527 m/s；沉积效率超过60%，喷涂碳化钨时成本能比高速火焰喷涂最多降低约40%。因此，100HE 在等离子喷涂陶瓷市场，特别是制备氧化铬涂层方面有很好的优势3。1.3：内孔HVOF 喷枪 最近，Thermico 公司开发了商品名为ID CoolFlow的HVOF 喷枪最近，Thermico 公司开发了商品名为ID CoolFlow的HVOF喷枪(如图4所示)，喷枪火焰功率从80 120 kW 减少到5 30 kW，且喷距减小到35 55mm，如果配合采用5 15 m的碳化钨粉末，能应用于喷涂最小直径为80 mm 的内孔，而不会产生基体过热，碳化钨涂层硬度大于1100HV3 。2：涂层种类： 2.1：热障涂层( TBC )广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高温工作条件下的热屏蔽涂层, 其厚度一般小于1 mm。TBC 硬度高、化学稳定性好, 可显著降低基材温度, 从而提高发动机效率, 减少燃油消耗, 延长使用寿命。陶瓷/金属梯度热障涂层是近年来随着现代航空、航天、兵器等尖端技术的迅速发展开发出来的一种新型热障涂层, 其成分沿涂层厚度方向呈梯度分布, 能够缓和因温度梯度造成的热应力, 涂层的抗热震性能因此得到显著提高4。 2.2：纳米涂层，等离子喷涂技术作为一种传统涂层制备方法在制备纳米涂层方面具有独特的优势, 如成本低、效率高、适合于工业化生产, 所得涂层结合强度高等特点。等离子喷涂技术不仅可以制备致密的纳米涂层, 同时也可制备多孔性纳米涂层。采用真空等离子喷涂法可将水解合成的50 100 nm 的T iO2制备成多孔的纳米T iO2薄膜，其主要由锐钛矿、金红石等相组成，粒子尺寸在100nm以内 。这种纳米T iO2薄膜可应用于光催化、净化消毒、气体检测传感等方面11。 2.3：非晶涂层，非晶合金具有较高的强度、硬度和优良的耐磨、耐蚀及磁学性能。然而制备大块三维的非晶合金在技术上难度很大, 但采用等离子喷涂技术可将非晶粉末喷涂在廉价的性能较差的金属表面上形成致密的、结合强度较高的非晶涂层,是材料表面非晶化的一种好方法8。 2.4：生物活性涂层，生物活性羟基磷灰石与生物组织有良好的相容性，可以制成各种关节和牙齿。等离子喷涂HAP粉末在金属基体上(一般为T i基金属)形成生物涂层 既突出了HAP良好的生物活性，又利用了金属材料优秀的力学性能， 避免了HAP的脆性和疲劳敏感性的问题9。 2.5：其他功能涂层，固体氧化物燃料电池( so lid ox ide fue l cell)能量转换系数较高, 且有优良的环境保护，利用热喷涂技术制造管状SOFC 的工艺已有报道。等离子喷涂制备压电陶瓷涂层，用于制作压电元件无需粘贴，尤其适用于大面积压电传感元件和压电作功元件阵列的制作8。3:涂层的应用 3.1热喷涂技术中热障涂层的应用 热障涂层主要有双层、多层和梯度3 种结构形式，但目前在燃气涡轮发动机上获得实际应用的热障涂层均为双层结构,如图5所示。表层为陶瓷隔热层, 主要作用是隔热、抗腐蚀、冲刷和侵蚀。底层为金属粘结层, 起着改善基体与陶瓷涂层物理相容性和抗高温氧化腐蚀的作用4。 3.1.1热障涂层制备方法1：大气等离子喷涂。 等离子喷涂技术主要用于导向叶片。大气等离子涂层形成大气等离子平台涂层的形成过程如图6所示。（1）粉材进入热源高温区，被加热、熔化，形成熔滴。（2）熔融粒子被等离子射流推动，向前飞行。 ( 3)熔融粒子以较大的动能冲击基材表面，与基材碰撞，熔滴飞溅变形。（4）熔滴冷凝收缩，交错黏结5。2：溶液等离子喷涂 溶液等离子喷涂（SPS法）降采用锆酸盐溶液作为原料，将雾化的微细液滴馈送入等离子焰流中，经蒸发、破碎、胶凝、沉淀、热解、烧结等，在基体上沉积出具有纳米结构的TBCs。其工艺流程如图7所示。其制备的TBCs 特点如下： （1）能获得nm级晶体。涂层的晶体尺寸为1030 nm。随着陶瓷粒子细化至nm 级,其性能大幅提高。因此，涂层十分致密，表面粗糙度很低，涂层与基体的结合强度及涂层自身的力学性能大大提高。 （2）具有均匀的nm级和m级孔隙。这使看似非常致密的纳米涂层成为十分微细的“蜂窝”多孔结构，因而具有很好的绝热性能。 （3）热稳定性好,nm 级晶粒的氧化物陶瓷，在高温为578 （1073 K）时显示出优异的抗晶粒长大的能力和热稳定性，产生抗晶界溶解的阻力，能在升高温度时有效地抑制晶粒长大，具有奇特的“钉扎效应”。 （4）产生纵向裂纹。纳米陶瓷涂层产生微细的纵向裂纹，不存在等离子喷涂态涂层的片层颗粒和片层晶界，与EB-PVD 沉积的柱状晶结构的性能相似，具有很高的抗高速燃气冲刷能力和由此能力产生的抗剪切应力和弯曲应力的能力，提高了TBCs 沿平行于界面的方向产生剥落的能力6。 3.3.2 热障涂层应用1：性能要求发动机研制对TBCs 性能的要求如下。（1）耐高温。发动机热效率与涡轮机燃气进口温度（即燃气初温）密切相关。现代航空发动机涡轮燃气进口温度已达1700 ，这就对TBCs 耐高温性能提出了更高的要求。（2）绝热性好。发动机热端部件用高温合金（如高温镍基合金）的工作温度已达1100左右。提高发动机燃气初温主要通过空气冷却和绝热涂层2 种途径，而空气冷却又会降低发动机的热效率。显然，采用具有低热导率的陶瓷涂层对高温合金基体进行绝热保护是十分重要的措施7。（3）耐热震性好。TBCs 必须能够承受从高温到低温的温度周期性变化，以及热疲劳性和热冲击性。温度范围变化越大，冷却速度越高，则涂层应力越大、开裂甚至剥落的可能性越大。（4）化学稳定性强。TBCs 在高温下，耐氧化，耐高速燃气的腐蚀和冲蚀，并且不会与基体材料发生有害的化学反应。（5）结合强度高，使用寿命长。TBCs 与基体金属之间必须有高的结合强度，以保证在有效的使用期内涂层不会剥落和失效。TBCs 的使用寿命包含2层意思：第1，在工作温度下持续暴露的时间，这对于发动机续航和远航能力十分重要；第2，涂层失效的大修时间，即总的使用寿命，这对于减少维修、提高经济效益颇为重要11。 2：应用效果1 实例：等离子喷涂的热障涂层在航天领域应用最为广泛。火箭发动机喷管延伸段内壁在工作时承受1500以上高温焰流的冲蚀，时间长达几十秒至上百秒，一般采用等离子喷涂热障涂层进行防护，涂层结构：MCrAlY 结合底层YPSZ（Y2O3/ZrO2）工作面层。火箭级间段材质一般为铝合金，内壁装有许多测试仪器，为减轻重量内壁采用化铣工艺铣成网格形状，最薄处仅有1.2mm，发射过程中级间段短时承受几千度的高温，内壁需做防热处理否则瞬间烧毁。火箭发射车发射台架发射时承受高温焰流的冲蚀也可以通过喷涂热障涂层进行防护。我国载人航天工程也应用了热障涂层技术，飞船逃逸系统的关键部件栅格翼大面积使用了等离子喷涂涂层。 随着航空发动机向高推重比发展，发动机的设计进口温度不断提高。热障涂层是将耐高温、抗腐蚀、高隔热的陶瓷材料涂覆在基体合金表面，以提高基体合金抗高温氧化腐蚀能力、降低合金表面工作温度的一种热防护技术2。 应用效果2船舶柴油机的功能是为船舶的安全航行和船舶机械提供动力，是船舶动力系统的核心部分。船舶柴油机中的关键零件一般工作在高温、高压、腐蚀及受冲击负荷等恶劣工况下，往往因腐蚀、烧损、过渡磨损而失效，这严重地影响了这些零件的使用寿命和船舶柴油机的工作可靠性。热喷涂技术由于具有工艺灵活，喷涂材料和涂层厚度选择范围广、基体受热程度低、生产效率高的特点，既能提供耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温等不同功能的涂层，又能将零件的尺寸恢复和表面功能强化结合起来，因此在再制造中将会得到了最广泛的应用10。1：热喷涂在排气阀再制造中应用 1.1排气阀的失效机理柴油机排气阀的工作条件十分恶劣，一方面排气阀底面与高温燃烧产物直接接触，承受着很高的热负荷；另一方面排气阀在气体爆发压力的作用下承受着很高的机械负荷：另外排气阀密封面受到高温燃气的冲蚀及腐蚀等。过高的温度会使金属材料的机械性能降低，材料发生热变形。当阀面密封不严时，就会引起高温燃气对阀面的烧损。气阀落座时，在惯性力和弹簧作用力的共同作用下，气阀还承受着相当大的冲击性交变载荷，当气阀出现跳动或气阀间隙增大时，这种载荷会明显增加。气阀与阀座的撞击，容易形成密封面的变形和严重的磨损。燃油的化学成分中含有大量的硫，钒，钠等元素，燃烧后生成氧化物以及这些氧化物生成的聚合物，往往具有较低的熔点，一般在535左右，具有很强的腐蚀性。排气阀在工作时，由于排气温度较高，使它们以液态附着在阀盘及阀座上，腐蚀气阀，使阀面产生麻点，密封性变坏，引起漏气。当漏气严重时，火焰从此穿过，引起局部过热使阀座变形，阀门翘曲和烧损。此外，阀杆与导管间也会发生磨损，阀杆顶端受摇臂的撞击作用产生磨损13。 1.2柴油机排气阀再制造中的涂层设计在柴油机排气阀再制造中，主要磨损表面包括阀门密封面、阀杆表面及阀杆端部。排气阀密封面的涂层材料虽然有铁基合金、钴基合金及镍摹合金、陶瓷及金属陶瓷等，但一般采用钴基及镍基合金，其主要材料的化学成分如表l所示。 钴基合金的最大特点就是在高温时能保持较高的硬度和良好的耐磨损、耐腐蚀性能。镍摹合金虽然红硬性比钴基合金差，但它的摩擦系数低，耐磨、耐腐蚀性优良，特别是它的耐氧化钒腐蚀性能比钴基合金好，所以特别适合燃煤重油的船用柴油机排气阀。另外，镍基合金价格较钴基合金低，喷熔工艺性及切削加工性能较钴基合金好，因此它的应用范围正在扩大垆刮。对于排气阀的阀杆，为了恢复磨损尺寸或提高其耐磨性、耐腐蚀性，可在其杆部喷涂铁基合金、镍基合金或镍铬铝复合材料等。对于大型船用柴油机，特别是燃煤重油的大型柴油机排气阀，可采用陶瓷涂层来提高阀杆的防腐耐磨性能。对于排气阀的磨损阀杆端部，目前常采用氧乙炔喷熔镍基合金恢复其尺寸，并提高其耐磨性。 1.3排气阀涂层制备工艺 在柴油机排气阀的再制造中，其涂层制备工艺主要取决于涂层材料的特性，对于陶瓷涂层，应采用等离子喷涂工艺来制备涂层；对于合金材料，虽然可采用的工艺方法有：等离子弧喷熔、钨极氩弧焊、氧乙炔焰喷熔、手工电弧堆焊及激光熔敷等，但目前在生产实际中主要采用氧乙炔焰喷熔及等离子弧喷熔工艺。氧乙炔焰喷熔工艺制备的涂层均匀光滑、加工余量小、冲淡率低、设备简单、施工方便，但生产效率低、工人劳动强度大、对零件的热输入较大，对操作工人的技术要求高、质量控制困难。等离子喷熔的生产率高、质量控制方便，可实现自动化生产，并且喷熔层质量与性能优良，因此目前在排气阀再制造中等离子弧喷熔是阀门密封面涂层制备的最广泛使用的工艺方法13。 将热喷涂技术应用于船舶柴油机关键零件再制造，不仅实现了对再制造部件或产品尺寸的完全恢复，提高了废品的利用率、降低了再制造的成本，使节能、节材效果更加突显，提升了再制造产品的性能，而且将废品资源化，符合我国可持续发展及建设资源节约型社会战略。在资源短缺、能源紧张的情况下，热喷涂技术在船用柴油机再制造中的地位将越来越显著。参考文献：1:华绍春,王汉功,汪刘应 等,热喷涂技术的研究进展J.金属热处理学报，2008,33（5）:22-252:吴朝军 吴晓峰 杨杰 曾发.热喷涂技术在我国航天领域的应用J.CNTSC,20093:宋进兵,代明江.热喷涂设备的发展J.电镀与涂饰学报,2009,28(11):43-464:郭洪波, 宫声凯, 徐惠彬.先进航空发动机热障涂层技术研究进展J.中国材料进展学报，2009,28（9-10）：33-365:孙福波,涂泉.氧化锆热障涂层在航空发动机上的应用和发展J.航空学报，2010,36（6）：53-576：赵振业，周莉珊，陈亚莉，等.航空材料发展研究报告R. 北京航空制造工程研究所，20077：刘方军. 电子束物理气相沉积技术M. 北京：北京航空制造工程研究所,2006.8:刘广海.热喷涂技术J.金属加工学报,2010(10):1-59:戴达煌, 刘敏, 余志明, 等. 薄膜与涂层现代表面技术M. 长沙: 中南大学出版社, 2008: 41.10：毛志强，李志印，王勇.纳米氧化锆材料等离子喷涂涂层性能研究及应用J.中国舰船研究，2010,5（3）:78-8011: 常鹰, 李溪滨, 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