熱噴涂 thermal spraying

是指將涂層材料加熱熔化，用高速氣流將其霧化成極細(xì)的顆粒，并以很高的速度噴射到工件表面，形成涂層。根據(jù)需要選用不同的涂層材料，可以獲得耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、耐熱等方面的一種或數(shù)種性能。熱噴涂是一種表面強(qiáng)化技術(shù)，是表面工程技術(shù)的重要組成部分，它是利用某種熱源（如火焰噴涂、氧乙火焰粉末噴涂、氧乙炔火焰線材噴涂、氧乙炔火焰噴焊、超音速火焰噴涂（HVOF）、電弧噴涂、等離子噴涂、大氣等離子噴涂、低壓等離子噴涂等）將粉末狀或絲狀的金屬或非金屬材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，然后借助焰留本身或壓縮空氣以一定速度噴射到預(yù)處理過(guò)的基體表面，沉積而形成具有各種功能的表面涂層的一種技術(shù)。工件大小不限，噴涂設(shè)備簡(jiǎn)單，噴涂沉積速率比物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)和電火花沉積快，物耗少，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

熱噴涂耐高溫陶瓷涂層

熱噴涂耐高溫陶瓷涂層最能體現(xiàn)熱噴涂技術(shù)特點(diǎn)，應(yīng)用效果最突出，是影響最大的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

1.熱障涂層(TBCs)
燃?xì)廨啓C(jī)的受熱部件，如葉片、噴嘴和燃燒室處于高溫、氧化和高速氣流沖蝕等惡劣環(huán)境中。對(duì)于承受溫度高達(dá)1100 ℃的燃?xì)廨啓C(jī)部件，已超過(guò)了鎳基高溫合金使用的極限溫度(1075 ℃)。有效辦法就是涂覆絕熱性好的高熔點(diǎn)陶瓷涂層，為高溫合金基體穿上“防火鎧甲”，起絕熱屏蔽作用。這稱為熱障涂層。實(shí)踐表明，采用MCrAlY合金作粘結(jié)底層，噴涂Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2絕熱陶瓷涂層，涂層堅(jiān)硬、致密，抗高溫燃?xì)鉀_蝕和抗熱震性能優(yōu)異，即使在1 650 ℃高溫下長(zhǎng)期使用，其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都很好。Y2O3ZrO2中加入少量CeO能進(jìn)一步改善涂層的抗熱震性能。在使用溫度更低一些的情況下，可采用MgO或CaO穩(wěn)定的ZrO2作熱障陶瓷障礙層。對(duì)熱障涂層的粘結(jié)底層進(jìn)行預(yù)氧化處理，對(duì)熱障陶瓷涂層進(jìn)行滲鋁處理，對(duì)面層陶瓷涂層進(jìn)行激光重熔改性處理以及發(fā)展多層或梯度功能涂層，是熱障涂層領(lǐng)域的一些最新發(fā)展。熱障涂層主要用于航空、艦船及陸用燃?xì)廨啓C(jī)的受熱部件，現(xiàn)正推廣應(yīng)用于民用內(nèi)燃機(jī)、增壓渦輪、冶金工業(yè)用噴氧槍等領(lǐng)域。

2.可磨耗密封涂層
現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用壓氣機(jī)使空氣增壓升溫，高溫壓縮空氣進(jìn)入燃燒室使燃料充分燃燒是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和熱效率的主要措施之一。采用熱噴涂技術(shù)在壓氣機(jī)渦殼內(nèi)表面噴涂可磨耗密封涂層，與壓氣機(jī)葉片尖部的硬質(zhì)涂層形成一對(duì)可磨耗密封磨損副，在運(yùn)行過(guò)程中能形成理想的徑向氣流間隙，獲得最大的壓差，從而顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，降低航空汽油的消耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)一次試車(chē)合格率。這是熱噴涂技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域重大的應(yīng)用成果之一。隨著壓縮空氣溫度的逐級(jí)升高，可磨耗密封涂層的使用溫度從300 ℃提到1100 ℃，現(xiàn)代可磨耗密封涂層的最高溫度已達(dá)1350 ℃。AlSi-聚苯脂、鎳/石墨、Ni/硅藻土、NiCrAl/BN、Y2O3．ZrO2-BN等復(fù)合粉末系列材料已獲得成功的應(yīng)用。其中，尤以高溫可磨耗密封涂層的工作條件最為惡劣，要承受1000～1350 ℃的高溫，遭受2～3倍音速的高溫氣流的
沖蝕，受到超過(guò)300 m/s線速度的葉片尖部刮削而不會(huì)發(fā)生剝落。因此，除了必須具備耐高溫涂層應(yīng)有的耐高溫、抗氧化、耐熱震、呈化學(xué)惰性、結(jié)合牢固的性能外，其最主要的特點(diǎn)就是質(zhì)軟(通常涂層的表面洛氏硬度在50～80 HR15Y)、多孔(孔隙率約為25%～30%)。熱噴涂可磨耗密封涂層技術(shù)可用于壓縮機(jī)行業(yè)的旋轉(zhuǎn)壓氣部件的間隙控制等民用工業(yè)領(lǐng)域。

3.抗高溫粘著磨損涂層
退火爐輥、熱處理爐爐輥、連鑄機(jī)拉伸輥、支承輥、燒結(jié)爐輥等高溫輥?zhàn)?，多?00～1 200 ℃高溫下運(yùn)行。在這樣的高溫下，鋼鐵軟化并在表面生成氧化鐵鱗，同時(shí)爐輥的高溫硬度也顯著降低。當(dāng)軟態(tài)的高溫鋼件特別是鋼帶在爐輥上運(yùn)動(dòng)甚至輕微滑動(dòng)時(shí)，就會(huì)因高溫粘著而產(chǎn)生結(jié)瘤，這種結(jié)瘤在剪切力的作用下脫落為磨料，使鋼件(帶)表面產(chǎn)生劃痕、劃傷、犁溝、凹陷等缺陷。這些缺陷在后續(xù)的表面光軋輥上往往難以消除，將最終影響熱軋鋼帶的質(zhì)量。采用高速燃?xì)饣鹧鎳娡?HVOF)、爆炸噴涂(DGS)或等離子噴涂技術(shù)，在高溫爐輥表面噴涂特種陶瓷或金屬陶瓷涂層，具有優(yōu)異的耐高溫、抗氧化、抗粘著、防結(jié)瘤和自清理凈化性能，既可顯著提高爐輥使用壽命，又能生產(chǎn)表面光潔質(zhì)量?jī)?yōu)良的鋼材，如優(yōu)質(zhì)硅鋼板、優(yōu)質(zhì)汽車(chē)薄板和熱浸鍍薄板等。熱軋不銹鋼帶退火爐爐輥，噴涂含BN的金屬陶瓷涂層，其耐高溫磨損性能可提高4倍以上。在日本，鋼鐵工業(yè)應(yīng)用熱噴涂技術(shù)的主要對(duì)象是各種輥?zhàn)?，熱噴涂的輥?zhàn)诱既繜釃娡坎考?5%以上，具有極其顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。如退火爐導(dǎo)輥，過(guò)去平均每月停機(jī)檢修30 min，噴涂后則可保持3年內(nèi)不檢修，并極大地提高了帶鋼的品質(zhì)。日本鋼鐵公司熱噴涂退火爐輥的比率，從1982年時(shí)的20%上升到1989年的100%，而帶鋼因結(jié)瘤等引起的廢次品率則由80%下降到0。

4.抗高溫熔融金屬或熔體侵蝕涂層
各種金屬熔煉用爐襯材料，基本上都是陶瓷耐火材料，這是因?yàn)樗粌H具有熔點(diǎn)高、高溫化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，還具有與熔體潤(rùn)濕角小、甚至不潤(rùn)濕的特點(diǎn)。利用這些特性，對(duì)在熔池內(nèi)使用的金屬制件如熱浸鍍槽內(nèi)的沉沒(méi)輥、穩(wěn)定輥，熔池?cái)嚢杵鳌⒋倒?、熱電偶套管、熱壓鑄模具等表面，噴涂耐火陶瓷或金屬陶瓷涂層，就能獲得性能優(yōu)異的耐高溫熔融金屬或熔體侵蝕涂層。例如，熱浸鍍鋁槽內(nèi)的沉沒(méi)輥和穩(wěn)定輥，由于鋁液具有極高的化學(xué)活性，能與多種金屬發(fā)生鋁熱反應(yīng)形成金屬間化合物，被稱為金屬的“溶劑”。因此，金屬合金爐輥在鍍鋁槽中腐蝕極快，使用壽命僅5～10天。采用熱噴涂特種陶瓷涂層，德國(guó)人認(rèn)為是唯一有效的解決辦法，使用壽命可提高到20～30天。

5.抗腐蝕磨損
石油、化工、制藥、造紙、印染、冶金、建材、海洋開(kāi)發(fā)、環(huán)保等部門(mén)使用的許多機(jī)械設(shè)備，因受到各種化學(xué)介質(zhì)、腐蝕性氣體和海水等的作用而被腐蝕，腐蝕產(chǎn)物成為磨粒，與外來(lái)微?；蚍蹓m，或介質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程中的結(jié)晶晶體一起，都能使相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械零部件的表面之間既產(chǎn)生腐蝕又產(chǎn)生磨損。磨料使金屬表面產(chǎn)生“犁皺”、“劃傷”而裸露新生表面使腐蝕加速，腐蝕產(chǎn)物又成為磨粒加速磨損。由于腐蝕和磨損同時(shí)起破壞作用，相互促進(jìn)，更加快了這類機(jī)械零部件的過(guò)早失效，甚至釀成重大事故。在腐蝕磨損工況條件下，不銹鋼或鈦合金的耐蝕性雖好，但不耐磨。熱噴涂陶瓷涂層和金屬陶瓷涂層不僅具有高的硬度，優(yōu)異的耐蝕性，而且摩擦系數(shù)小，能耗低，對(duì)密封填料的磨損小，涂層硬度和耐磨性不會(huì)因?yàn)榫植窟^(guò)熱而降低。因此，它在抗腐蝕磨損領(lǐng)域正在成為電鍍硬鉻技術(shù)的最強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者和取代者。例如，化工廠用高壓往復(fù)計(jì)量泵柱塞，采用等離子噴涂Al2O3．TiO2復(fù)合氧化物陶瓷涂層，其使用壽命比原用鍍鉻柱塞提高6倍，密封填料的壽命也提高3倍。大型水庫(kù)、水電站及海洋開(kāi)發(fā)用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)液壓缸的大型活塞桿，采用等離子噴涂陶瓷涂層代替鍍硬鉻，可以達(dá)到高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命、免維修，在德國(guó)已成為這一領(lǐng)域的先進(jìn)制造技術(shù)，已制造出長(zhǎng)16 m、重10 t以上的超大型陶瓷涂覆活塞桿及相應(yīng)的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。大型推土機(jī)用液壓活塞桿、軋鋼機(jī)用液壓活塞桿、建筑瓷磚壓坯用液壓機(jī)活塞桿、水輪機(jī)葉輪軸和磨環(huán)、電樞軸頭、磨床軸、燃油泵軸、抗咬死軸套、活塞環(huán)、凸輪隨動(dòng)件等，在低應(yīng)力滑動(dòng)磨損和腐蝕工況下，幾乎所有原用鍍鉻的制品都可以用熱噴涂陶瓷或金屬陶瓷涂層代替。

6.耐纖維磨損涂層
6.1　耐紡織纖維磨損陶瓷涂層
現(xiàn)代紡織機(jī)械特別是化纖機(jī)械，向高速、輕質(zhì)、節(jié)能方向發(fā)展。紡絲過(guò)程中，各種導(dǎo)絲、紡絲部件，為了減輕重量，提高轉(zhuǎn)速和降低能耗，多采用鋁合金制造，其表面遭受很細(xì)的高速化纖絲(達(dá)700～1 000 m/s)的磨損而形成溝槽，更換不僅造成停機(jī)損失，而且影響紡絲的質(zhì)量和等級(jí)。在化纖紡機(jī)的導(dǎo)絲部件表面，采用等離子噴涂Al2O3基復(fù)合陶瓷涂層，經(jīng)處理獲得“桔皮狀”外觀形貌，達(dá)到Ra約為1.5 μm的表面粗糙度。由于陶瓷涂層的這些特點(diǎn)，使化纖機(jī)械關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件的壽命比原用鍍鉻件提高了5倍，生產(chǎn)達(dá)到了一個(gè)新的水平。捷克國(guó)應(yīng)用這一技術(shù)，使其化纖機(jī)械的出口更具競(jìng)爭(zhēng)性。
6.2耐金屬拉絲磨損涂層
金屬拉絲工業(yè)如鋼絲、鋼絲繩和電線電纜生產(chǎn)等都使用大量的導(dǎo)絲輪和輥。金屬絲在其表面高速滑動(dòng)并發(fā)生冷作硬化，對(duì)導(dǎo)輪接觸面產(chǎn)生很強(qiáng)的摩擦磨損，以致產(chǎn)生“犁溝”、凹坑等缺陷，造成壽命低，更換維修頻繁并影響拉絲質(zhì)量等弊端。采用超音速火焰噴涂或爆炸噴涂技術(shù)，在金屬拉絲導(dǎo)輪表面噴涂含Wc的硬質(zhì)合金涂層，具有很高的硬度和耐磨特性，壽命提高5～10倍，獲得了很大的成功。
6.3　親水與介電涂層
現(xiàn)代造紙和印刷機(jī)械，盡管運(yùn)行速度很高，但因負(fù)荷輕，故均處于低應(yīng)力狀態(tài)，特別適用于熱噴涂涂層。等離子噴涂陶瓷涂層技術(shù)，在國(guó)外的造紙和印刷機(jī)輥?zhàn)由弦殉晒?yīng)用多年，應(yīng)用面正日益擴(kuò)大，這是因?yàn)樘沾赏繉泳哂性S多特點(diǎn)：高耐磨蝕性；高選擇性潤(rùn)濕性、親水性；高電絕緣與介電性；高防粘性；高可刻蝕性及圖紋清晰性；保持適度粗糙度的紙張咬入性等。例如彩色膠印機(jī)水輥噴涂陶瓷涂層，不僅耐磨、耐油墨腐蝕，且經(jīng)刻蝕后留下的陶瓷涂層部分，由于親水性好，能在其表面形成一層薄薄的水膜，防止油墨混入，無(wú)陶瓷涂層的刻蝕輥面則為油墨覆蓋，因而能獲得圖像清晰的彩色印刷品，不串色。又如塑料薄膜電刻蝕用電暈處理機(jī)輥?zhàn)?，需要?～2×104 V下運(yùn)行。輥?zhàn)颖砻鎳娡扛呓殡娞沾赏繉?，滿足了這一需要。等離子噴涂陶瓷涂層的表面粗糙度，噴涂約為2～5 μm，磨削后可達(dá)Ra 0.13～0.20μm，精研后可達(dá)0.03～0.10 μm，可滿足不同等級(jí)紙張生產(chǎn)的需要。

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