热喷涂技术发展背景

热喷涂与喷焊 2013-05-20 08:39:03
    腐蚀和磨损是造成材料和零部件失效的主要原因。据有关资料报介绍,发达国家每年由腐蚀和磨损所造成的经济损失约占国民经济总产值的4%~5%,而全世界每年生产的钢材约有1/10变成铁锈。我国每年由腐蚀和磨损所造成的经济损失已达数千亿元人民币。材料是人类文明发展的物资基础,也是人类文明发展的重要标尺。现代工程对材料性能的要求往往是多重性的,有时甚至是矛盾的。许多工程结构部件,既要求很高的强韧性,同时要求具有很高的表面硬度和耐磨性(材料的强韧性和表面硬度是相矛盾的);既要求很高的高温强度,又要求具有良好的隔热性。飞机发动机燃烧室内壁要求材料具有良好的隔热性,外壁又要求良好的散热性,对工程材料的双重性要求越来越重要。这些材料的特殊性能要求往往是发生在材料工作的表面。表面工程技术领域最关键技术之一———喷涂技术就是在不改变基体材料性能的基础上,赋予材料或零部件表面特殊功能性能,达到提高综合性能的目的,是制备复合材料最有效工艺技术之一。

    热喷涂技术的发展可以分为三个阶段:第一阶段是简单的热喷涂工艺;第二阶段是热喷涂技术;第三阶段是形成完整的热喷涂工业体系。

    (1)第一阶段热喷涂工艺在1910年,瑞士工学博士MUSchoop发明了世界上第一个金属喷涂装置———金属溶液式喷涂。它是将低熔点金属溶液注入到经过加热的压缩空气气流中,在压缩气流动力的作用下,使金属溶液雾化并加速喷射沉积到基体表面上形成涂层。

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金属溶液热喷涂装置    

    1—压缩气体2—压力表3—加热管4—喷头5—坩埚6—喷嘴7—抽风管8—工件

    这是世界上最早的热喷涂装置,虽然装置庞大、效率低,但包含了热喷涂技术的基本原理和喷涂过程,开创了热喷涂技术这一新领域。此后,Schoop致力于喷涂装置的改进,使喷涂材料加热与雾化破碎同时进行,于1912年研制成功线材火焰喷涂枪,使热喷涂工艺第一次得到实际应用,产生了线材火焰喷涂技术。

    1913年Schoop提出了电弧喷涂枪的设计,并于1916年研制成实用型电弧喷涂枪,制备钢结构长效防腐涂层,将热喷涂技术真正用于生产实践。线材火焰喷涂和电弧喷涂作为主要的热喷涂方法,在20世纪30年代得到了发展。美国Metco金属喷涂公司成立后,相继研究出用空气涡轮送丝的E型系列喷枪和用电动机送丝的K型系列喷涂枪。用于钢铁结构件的喷锌、喷铝长效防护涂层。英国成功研制出Schoet粉末火焰喷枪,尔后Metco研制出MetcoP型粉末火焰喷涂枪。从此,世界各国各喷涂专业公司也相应研究开发了一系列粉末火焰喷涂枪,对热喷涂技术进行了大量的研究和应用推广,使得热喷涂技术有了长足的发展,并取得很大

    的成绩。从20世纪20~30年代开始,热喷涂技术就大量地用于船舶、钢结构、水闸门等钢铁产品的长效防护。美、英、德、法、日等工业发达国家都制定了热喷涂相应的技术标准,许多数据都报导了在不同使用环境条件下,不同涂层材料体系和涂层厚度的防护涂层体系与防护涂层寿命指标的选择建议。美、英、德等国家从20世纪50年代开始,用了10~20年的时间大力推广该项技术。

    (2)第二阶段热喷涂技术随着喷涂技术的发展,新的涂层材料不断地出现。20世纪50年代初,研制出自熔性合金粉末材料,随后出现了粉末火焰喷焊技术。自熔性合金粉末材料的研究成功,对热喷涂技术在工业领域内的应用起到了有力的推动作用。将热喷涂技术由原来的表面防护与修复,发展到机械零部件的表面强化,不仅用于废旧零件的修复,同时也用于新品零件的预保护强化涂层的制备,开创了热喷涂技术应用的新领域。

    20世纪50年代末期,美国联合碳化物公司研制成功燃气重复爆炸喷涂技术,用于制备高质量碳化物涂层和氧化物陶瓷涂层,并首先应用到航空工业中。

    燃气爆炸喷涂粒子速度高,可制备出十分优秀的碳化物金属陶瓷涂层,但温度较低,对制备氧化陶瓷涂层依然存在不如人意的地方。随着航空事业的发展,对航空发动机的性能要求越来越高,发动机零件不仅要有高温强度,并且必须具备高温隔热的性能,以达到提高有效利用发动机热效率的目的。陶瓷热障涂层是提高航空发动机热效率的关键技术之一。基本原理是陶瓷具有高的熔点和低的热导率,同时陶瓷涂层含有一定的孔隙率,能够将发动机和燃气轮机的高温部件与高温燃气隔离开来,因而陶瓷涂层成为很好的高温隔热涂层材料。为解决陶瓷涂层的应用,美国Plasmadyne公司和Metco公司相继成功研究出等离子喷涂设备、工艺成套技术,从此开拓了等离子喷涂应用技术。等离子喷涂技术的应用有效地改变了热喷涂技术领域的面貌,解决了难熔金属材料和陶瓷材料的喷涂技术问题,

    提高了涂层的结合强度和降低涂层空隙率,大幅度地提高了涂层质量,促进热喷涂复合材料的迅速发展,在制备特殊涂层功能方面开辟了新的应用领域,极大地加速了热喷涂涂层材料的开发和扩展了涂层技术的应用范围。到20世纪60年代,等离子喷涂技术已在工业中得到十分广泛的应用,成功地应用于飞机发动机零部件热障涂层的制备,并取得十分显著的成效。60年代中期,美国联合碳化物公司又研究成功等离子喷焊技术,补充和扩展了热喷涂技术的内涵。至此,热喷涂技术已包含了氧乙炔火焰喷涂、喷焊;电弧喷涂;燃气爆炸喷涂;等离子喷涂、喷焊等工艺技术方法,从设备、工艺、涂层材料到应用形成了较为完整的热喷涂技术体系。

    随着工业技术的发展,人们对高速、高效、高质的不断追求,对零部件的表面性能要求越来越高,这些都促进了热喷涂技术的发展。20世纪70~90年代热喷涂技术向着高能、高速、高效发展。美国metco公司20世纪70年代末开始,

    逐步研究成功的80kVA高能等离子喷涂成套设备、可控气氛(低压或真空)等离子喷涂设备、JP2600系列燃气高速火焰喷涂设备;联合碳化物公司成功推出Dgun喷涂工艺方法;Stellite公司成功推出JetKote系列高速火焰喷涂设备、系列等离子喷焊设备;捷克国家材料保护研究所研制出200kVA水稳等离子喷涂成套技术;美国TAFA公司研究推出8830、9000系列电弧喷涂设备和Plazjet250kVA高能高速等离子喷涂设备,JP5000、JP8000燃油高速火焰喷涂设备;加拿大NorthwestMettech公司和美国Metco公司研究成功AxialⅢ三电弧轴向送粉等离子喷涂系统,极大地提高喷涂效率和涂层材料的沉积效率;美国UniqueCoat公司推出的IntelliJetSB250、SB500系列高速活性燃气喷涂(HVAF)设备,喷涂粒子速度可高到达900m/s;俄罗斯成功推出活性高速电弧喷涂技术;俄罗斯发明冷气动力喷涂技术以来,德国林德公司已推出冷气动力喷涂成套设备技术。

    随着等离子喷涂及技术的应用,等离子电弧的惰性和高温射流特性提供了更加广泛的涂层材料和涂层应用机会,极大地丰富了热喷涂涂层材料(特别是高熔点陶瓷材料)的发展和涂层质量的提高。可控气氛等离子喷涂技术可控制喷涂工艺过程中的环境因素,可得到真空、低压或惰性气体等环境条件,制备的涂层密度超过98%,涂层含氧量低于400×10-6。迄今为止,航空发动机和燃气轮机的热端部件采用热喷涂技术的零件已达到6000多个,其关键零部件的使用寿命提高3~4倍。如JT8发动机采用热喷涂技术后,其大修期由原来4000h提高到16000h。等离子喷涂电弧温度高,喷涂碳化物(WC/Co)等材料时,不可避免地使碳化物分解产生脱碳,涂层硬度指标下降,而高速燃气喷涂技术正好弥补了这一缺陷。高速燃气喷涂技术,如JP5000焰流速度高达2000m/s,粒子速度高达700m/s,涂层结合强度≥70MPa,WC/Co涂层硬度高达1200HV,具有十分优异的性能,在许多应用领域已取代或部分取代等离子喷涂涂层。

    (3)第三阶段热喷涂工业体系从Schoop发明的第一个熔液喷涂装置,到现在的计算机控制的等离子喷涂设备、高速燃气喷涂设备、冷气动力喷涂设备、机器手操作的喷涂设备,喷涂设备已具备成套性、系列化、标准化。涂层材料由

    金属丝材到陶瓷棒材,由金属粉末到金属陶瓷粉末、陶瓷粉末、塑料粉末,以及它们的复合材料粉末,已形成系列化和标准化。涂层应用领域从简单的长效防护、废旧零件的修复,到再制造技术、新品零件的预保护强化,已成为制造技术

    领域必不可少的重要工艺技术。涂层质量在线检测、喷涂热源温度场分布、喷涂粒子速度测量、在线诊断技术的应用,极大地提高了涂层制备的稳定性和可靠性。涂层技术的应用已渗透到世界各国国民经济建设的各个领域。仅美国Metco

    公司和TAFA公司,2001年产值分别达到32亿和35亿美元。国际间的合作与技术交流已逐步形成,1965年在英国召开第一届国际热喷涂会议,此后每2年举行一次,2003年在日本召开了第18届国际热喷涂会议。

    我国应用热喷涂技术始于20世纪50年代初,开始制造线材火焰喷枪和粉末气喷枪,60年代研制成功封闭式喷嘴固定式电弧喷枪和陶瓷粉末气喷枪。氧乙炔火焰喷涂用于废旧零件的修复,线材火焰喷涂技术用于大面积长效防护。195年,对淮南电厂从田家庵到蚌埠的246座35kVA输电铁塔进行喷锌防护,涂层至今完好,这是国内热喷涂长效防护工程最典型的应用实例。20世纪60年代末期开始研制等离子喷焊技术,同时开始应用粉末火焰喷焊技术。20世纪70年代,

    等离子喷涂技术和等离子喷焊技术已基本成熟,先后研制出DP50、GP80、HP2000、APS2000等离子喷涂设备和PH100、PH300、PH400、PH500系列等离子喷焊设备。等离子喷焊技术应用于阀门密封面和发动机进排阀密封面的制造,在全国范围内已经完全普及,对提高产品质量和制造业整体技术水平起到积极的推动作用。等离子喷涂技术广泛地应用于冶金、石化、航空航天、能源等领域,

    取得十分显著的成效。20世纪90年代末,成功研制出HT3200型燃油高速火焰喷涂设备和高速电弧喷涂设备。20世纪90年代前,我国从事热喷涂技术的单位主要分布在各大专院校、研究院所,承担喷涂设备、涂层材料、涂层工艺方法的

    研究与开发。经过连续三个五年计划的大力推广,已经形成涂层技术研究、涂层材料生产、涂层应用完整的热喷涂技术体系,并建立了全国性的热喷涂技术行业协会和热喷涂标准化技术委员会。各种热喷涂技术工艺方法广泛应用产品的制造,解决了众多产品共性关键技术问题,对提高制造业的整体技术起到了积极的促进作用,并取得十分显著的经济效益。
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