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熱噴涂技術分類

發布時間:2020.08.19    點擊數: 30353

      根據所使用的熱源,熱噴涂技術被分為等離子噴涂、火焰噴涂和電弧噴涂等。不同的熱噴涂技術具有不同的特點和應用范圍。

1 等離子噴涂技術

       等離子焰流溫度高達 10 000 ℃以上,幾乎可以熔化所有固體物質。熱噴涂技術以等離子焰流作為熱源,具有十分廣泛的應用范圍,只要是具有物理熔點的材料,都可以利用等離子噴涂技術形成涂層。等離子噴涂原理如圖1所示。

圖1 等離子噴涂原理

       由圖 1 可知,等離子體軸向噴出,在噴嘴出口徑向送入噴涂粉體,噴涂粉體進入到等離子焰流中,迅速熔化,隨著等離子焰流噴涂到基材上,形成噴涂層。

       在性能上,等離子噴涂層的機械性能主要受涂層內扁平粒子間的結合力控制。為了提高粒子間的結合力,需要提高噴涂粒子的溫度,目前采用有兩種方法。一種發展時間較長,主要是提高等離子電弧功率,一方面能夠增加等離子焰流的溫度,另一方面提高了噴涂粒子射向基材的速度。噴涂粒子速度越快,則具有的動能越大,當粒子噴到基材表面后,動能轉化為內能,使粒子熔融更加充分,從而提高粒子間的結合力。另一種方法,則是要降低等離子焰流速度,使噴涂粒子在等離子焰流中有足夠長的時間充分受熱。這種概念出現較晚,實現的方法主要是加大噴嘴孔徑、降低等離子電弧的壓縮效應,從而實現等離子射流的低速化。通過實驗檢測,不論是提高等離子電弧功率,還是降低等離子焰流速度,都是提高粒子間結合力的有效途徑。

2 火焰噴涂技術

火焰噴涂中,使用較廣泛的主要有爆炸噴涂和高溫火焰噴涂。兩種噴涂方式具有一個共同的特點,即焰流速度高。焰流速度高有助于提高涂層與基體的結合強度。其中,超音速火焰噴涂的火焰速度可高達1500 m/s 以上。當噴涂粒子進入火焰,噴涂粒子受熱熔化并加速到300~500 m/s,高速噴涂到基材表面,獲得結合強度高且致密的高質量涂層?;鹧鎳娡康脑砣鐖D2所示。

1.氧-乙炔混合氣;2.送粉氣;3.噴涂粉末;4.噴嘴;5.燃燒火焰;6.涂層;7.基體

圖2 粉末火焰噴涂原理由

 

圖 2 可知,火焰噴涂軸向噴出包括 3 個部分:

 

氧-乙炔混合氣、送粉氣和噴涂粉末。氧-乙炔混合氣在噴嘴口處燃燒,噴涂粉末在此高溫熔化,最后隨著送粉氣噴涂到基材表面,形成噴涂層。

與等離子弧相比,超音速火焰由于溫度相對較低(約 3000 ℃)、速度高,適用于噴涂WC-Co 系硬質合金等在更高溫度下易分解的材料。相較于等離子噴涂技術,火焰噴涂技術的優勢在于其涂層具有結合強度高、致密性好、耐磨損性能好等特點。

3 電弧噴涂技術

將絲狀材料分別接電源的正極和負極,兩極絲狀材料端部靠近產生高溫的電弧,絲狀材料瞬間融化;通過工作氣體將熔化的材料液滴高速噴出,同時將絲狀材料勻速送入補充;融化的材料液滴到達基材表面冷卻形成噴涂層。電弧噴涂原理如圖3所示。

圖3 電弧噴涂原理

       由圖 3 可知,陰極和陽極間形成高溫電弧,工作氣體經過,形成高溫氣體噴出;在噴嘴口徑向送入噴涂粉材,粉材進入高溫工作氣體后熔融,并隨著高溫工作氣體噴涂到基材表面。

       為了使噴涂層具有更好的性能,降低熱噴涂涂層的孔隙率,目前采用的主要措施有改進噴涂工藝、重熔處理和改善噴涂材料本身性質等。在提高粒子速度方面,美國的IA.Browing 發明了高速氧燃料噴涂技術(HVOF),能夠使粒子的速度達到超音速。高速粒子到達基材表面后,極大的動能轉化為內能,使粒子熔化更充分,并產生充分的形變,最終使形成的涂層十分致密。

       經測試,沉積粒子間孔隙率?。ㄐ∮?%)。在重熔處理方面,張福成采用碳燃燒形成的高溫對噴涂在 A60 鋼基材表面的Ni60 和Fe60 噴涂層進行重熔處理。在重熔過程中,涂層很快熔化,而基體溫度較低,在噴涂材料上形成溫度梯度,能夠同時產生很多結晶核心,最終形成非常細小的等軸狀結晶組織。在這個過程中,基材的表面也有一定程度的熔化,熔化的基材與噴涂材料混合,從而使整個噴涂層擁有一個很寬的過渡層,這使得噴涂層不僅致密性好,而且在熱膨脹過程中也能起到很好的緩沖作用。在改善噴涂材料性質方面,賀定勇等在噴涂材料中加入稀土,可大大提高熔化粒子的流動性。稀土元素的加入,提高了噴涂材料的表面活性,降低了噴涂熔滴的表面張力,因此基材與粒子更容易相互浸潤,從而形成一個過渡層,降低了涂層內應力,提高了致密度。

       電弧噴涂技術的優勢在于成本低廉。一方面在保證高結合強度的條件下,電弧噴涂對工件溫度和基材性能要求不高。另一方面,電弧噴涂高效節能,所使用的能源(電能)成本遠低于等離子噴涂和火焰噴涂。因此綜合來看,電弧噴涂的成本僅為等離子噴涂和火焰噴涂的1/3~1/10。

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