爆炸噴涂研究的現(xiàn)狀及趨勢(shì)

1、life is a circle. some people have not walked out of the circle drawn by fate for a lifetime. in fact, every point on the circle has a soaring tangent.悉心整理助您一臂之力（頁(yè)眉可刪）爆炸噴涂研究的現(xiàn)狀及趨勢(shì) 20世紀(jì)50年代初期，美國(guó)聯(lián)合碳化物公司利德分公司發(fā)明了粉末爆炸噴涂(簡(jiǎn)稱爆炸噴涂)技術(shù)，申請(qǐng)了專利，并于1953年投入生產(chǎn)。但他們只在本公司內(nèi)為用戶提供制備涂層的服務(wù)，而不出售該技術(shù)和設(shè)備，并且至今沒有發(fā)表過關(guān)于該技術(shù)的任何論文。到上世紀(jì)

2、60年代，前蘇聯(lián)烏克蘭科學(xué)院材料研究所和焊接研究所開始研究爆炸噴涂技術(shù)，并研制出一系列的爆炸噴涂設(shè)備。由于此技術(shù)有一定的危險(xiǎn)性，且技術(shù)難度大，所以其它國(guó)家沒有進(jìn)行該技術(shù)的研究。90年代蘇聯(lián)解體后，烏克蘭科學(xué)院與中國(guó)鈦得公司合作開發(fā)產(chǎn)品，使該技術(shù)公開化。俄羅斯、烏克蘭材料所和焊接所開始向外出售該技術(shù)和設(shè)備。1970年，我國(guó)的航天部六二一所也成功研制出了爆炸噴涂設(shè)備，但由于性能與烏克蘭的設(shè)備相差較大，所以國(guó)內(nèi)使用的爆炸噴涂設(shè)備大多是從烏克蘭和俄羅斯引進(jìn)的。目前約有近10臺(tái)爆炸噴涂設(shè)備在國(guó)內(nèi)開始使用。 爆炸噴涂技術(shù)研制成功后，因其涂層比其它噴涂方法得到的涂層質(zhì)量高得多，所以得到了人們的廣泛認(rèn)可。一般

3、認(rèn)為，爆炸噴涂是當(dāng)前熱噴涂領(lǐng)域內(nèi)最高的技術(shù)。最初一直應(yīng)用于航天和核工業(yè)等軍事領(lǐng)域，并逐漸向民用品發(fā)展，目前已應(yīng)用到鋼鐵工業(yè)、能源工業(yè)、汽車工業(yè)等部門。1 爆炸噴涂的原理及特點(diǎn) 爆炸噴涂是利用氣體爆炸產(chǎn)生高能量，將噴涂粉末加熱加速，使粉末顆粒以較高的溫度和速度轟擊到工件表面形成涂層。噴涂時(shí)，先將一定壓力、比例的氧氣和乙炔由進(jìn)氣口通入水冷噴槍內(nèi)腔，然后由供粉口將粉末送入，接著火花塞點(diǎn)火，氧氣和乙炔的混合氣體燃燒并爆炸，產(chǎn)生高溫高速氣流，將粉末加熱，并以高速(超過音速約3倍)撞擊到基材表面，形成涂層，通入氮?dú)馇謇順尮?，為下一次噴涂做?zhǔn)備。如此重復(fù)進(jìn)行。 爆炸噴涂與其它噴涂工藝相比有很多優(yōu)點(diǎn)： 1)爆

4、炸噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度高、致密、孔隙率低。噴涂時(shí)，由于粉末顆粒迅速被加熱、加速，半熔粉末對(duì)基體的撞擊力大，所以涂層結(jié)合強(qiáng)度高，噴涂陶瓷粉末可達(dá)70mpa，噴涂金屬陶瓷粉末可達(dá)175mpa，涂層致密，孔隙率2%； 2) 工件熱損傷小。爆炸噴涂是脈沖式噴涂，熱氣流對(duì)工件表面作用時(shí)間短，因而工件的溫升不高于200，不會(huì)造成工件變形和組織變化； 3) 涂層均勻、厚度易控制。爆炸噴涂每次噴涂形成的涂層厚度約為0.006mm，所以涂層的厚度均勻、易控制，工件加工余量??； 4) 涂層硬度高、耐磨性好。涂層材料相同時(shí)，爆炸噴涂形成的涂層硬度更高、耐磨性更好，硬質(zhì)合金涂層硬度可達(dá)1100hv； 5) 爆炸噴涂可用微

5、機(jī)控制，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 但是爆炸噴涂也存在著一些缺點(diǎn)： 1)產(chǎn)生的噪音大(高達(dá)180db)，需要在專用的隔音間中進(jìn)行，并由設(shè)在隔音室外的微機(jī)控制，噴涂時(shí)產(chǎn)生粉末飛散現(xiàn)象，使爆炸噴涂的使用受到一定的限制； 2) 爆炸噴涂頻率為2-10次/s，每次只能形成約25mm0.006mm的涂層，效率較低； 3) 爆炸噴涂的噴涂粉末從噴槍中噴出，只能以直線行進(jìn)，所以噴涂受基材形狀限制較大，對(duì)于形狀復(fù)雜的工件很難噴涂。2 爆炸噴涂涂層研究 爆炸噴涂因其涂層的質(zhì)量高，受到了各行業(yè)廣泛的認(rèn)同和歡迎，國(guó)內(nèi)外都做了大量的研究?，F(xiàn)在，爆炸噴涂已在能源工業(yè)、汽車工業(yè)、紡織工業(yè)、鋼鐵工業(yè)及造紙行業(yè)等部門內(nèi)得到了快速的發(fā)展

6、和應(yīng)用。它在許多材料上成功應(yīng)用，其涂層材料的研究也得到了發(fā)展，較成功的涂層主要有耐磨涂層和熱障涂層。 2.1 爆炸噴涂耐磨涂層 磨損是材料失效的三種主要形式之一，而且是避免不了的，每年因磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失是非常驚人的。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，美國(guó)1981年因磨損造成的損失約1000億美元。我國(guó)沒有做過具體的統(tǒng)計(jì)，但我國(guó)材料的耐磨性與國(guó)外先進(jìn)材料的耐磨性相比還有一定的差距，磨損帶來的損失也是巨大的。最初只靠發(fā)展結(jié)構(gòu)材料來提高材料的耐磨性能，但結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展已接近極限，不能滿足更高的耐磨要求，噴涂技術(shù)的發(fā)展為解決材料的磨損問題帶來了新的途徑。自20世紀(jì)60年代末，各國(guó)都對(duì)耐磨涂層展開了研究。一方面，不斷地發(fā)展

7、新的噴涂技術(shù)，爆炸噴涂因其涂層結(jié)合強(qiáng)度高、致密度高、對(duì)工件無熱影響性及涂層均勻、表面光潔度好等優(yōu)點(diǎn)，成為高質(zhì)量耐磨涂層主要的制造技術(shù)。另一方面，不斷地開發(fā)新的涂層材料，目前常用的耐磨涂層主要有：碳化鎢涂層、碳化鉻涂層、氧化鋁涂層、碳化鈦涂層等。 (1)碳化鎢涂層 碳化鎢是一種常用的耐磨涂層材料，具有較高的硬度和優(yōu)異的耐磨粒磨損性能，其硬度僅次于金剛石。噴涂碳化鎢時(shí)，由于溫度較高，wc容易分解，使涂層的結(jié)合強(qiáng)度和致密度大大降低。隨著復(fù)合工藝的發(fā)展，采用鈷將碳化鎢包覆起來，制成鈷包碳化鎢粉末。鈷的包覆減小了碳化鎢的氧化和分解，爆炸噴涂鈷包碳化鎢試驗(yàn)表明，涂層的主要組成相為wc、w和co，只有極少量

8、碳化鎢發(fā)生分解產(chǎn)生w2c相。鈷的溫度較低，在高溫下鈷熔化，噴涂時(shí)增強(qiáng)了涂層與基體及涂層自身的結(jié)合強(qiáng)度，涂層的致密度增大，氣孔率下降(2%)，而且提高了涂層的沖擊韌度，降低了涂層的摩擦系數(shù)，提高了涂層的耐磨性。但是鈷的含量過高，將使涂層的硬度和耐磨性能下降。常用的碳化鎢涂層多是wc-12co、wc-17co和wc-25co。不過碳化鎢的抗氧化性較差，所以只適用于低溫(500)、非腐蝕性環(huán)境下耐磨、耐擦傷涂層。目前碳化鎢涂層主要用于提高航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、主動(dòng)齒輪及一些傳動(dòng)件和軸類等部件的耐磨性能。 (2)碳化鉻涂層 碳化鉻呈灰白色、斜方晶系(菱面體)，熔點(diǎn)為1895。常用的碳化鉻粉末為cr3c2

9、-25nicr復(fù)合粉末，是由75%的cr3c2和25%的鎳鉻合金(80ni-20cr)復(fù)合而成的。碳化鉻的硬度較高，在高溫環(huán)境下具有較好的耐磨損、抗氧化及耐擦傷性能，常用于噴涂腐蝕性環(huán)境下耐高溫磨損涂層(900)。國(guó)內(nèi)外都對(duì)這種涂層的制備工藝及涂層的性能做了全面的研究，并將其與等離子噴涂的碳化鉻涂層的性能做出了比較，發(fā)現(xiàn)爆炸噴涂的碳化鉻涂層比等離子噴涂的碳化鉻涂層具有更少的缺陷、更高的結(jié)合強(qiáng)度和更好的耐高溫磨損性能。但碳化鉻的硬度很高，在實(shí)際使用中雖提高了涂層的耐磨性，卻使摩擦副產(chǎn)生了嚴(yán)重的磨損。為了解決這個(gè)問題，龍彥輝等采用了向碳化鉻涂層中加入潤(rùn)滑劑(caf2)的辦法。雖然降低涂層的硬度和結(jié)

10、合強(qiáng)度，但同時(shí)也減小了涂層的摩擦系數(shù)，提高了涂層的塑性變形能力，從而降低了碳化鉻和摩擦副的磨損量。由于碳化鉻的耐磨耐腐蝕性能，其涂層在石油和化工工業(yè)中得到了廣泛使用，如在油泵柱塞和化工閥芯噴涂碳化鉻涂層，使其壽命提高了數(shù)倍。 (3)氧化鋁涂層 氧化鋁在自然界中自然資源豐富，價(jià)格低廉，具有多方面的優(yōu)良性能，是使用最廣的高熔點(diǎn)氧化物材料。氧化鋁呈白色，有多種同質(zhì)異晶體，常見的有-al203和-al203兩種。-al203為六方結(jié)構(gòu)，密度為3.95g/cm3，是各種同質(zhì)異晶體中最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定溫度可達(dá)熔化溫度。-al203為立方結(jié)構(gòu)晶型，密度為3.47/cm3，是低溫形態(tài)的氧化鋁結(jié)晶，在1200

11、以上就開始單向轉(zhuǎn)化為高溫型-al203，并使體積收縮13%。噴涂中所使用的氧化鋁粉末是用高純氧化鋁形成的-al203經(jīng)熔煉粉碎后獲得的。氧化鋁在一定高溫條件下具有優(yōu)良的力學(xué)性能和化學(xué)性能，在1700-1800高溫時(shí)具有較強(qiáng)的抗氣體腐蝕作用(除了氟)，在1900以下的強(qiáng)氧化性氣氛或強(qiáng)還原性氣氛中很穩(wěn)定，氧化鋁還有良好的耐磨損、電絕緣性能。由于氧化鋁的優(yōu)良性能，常用來制備高溫下要求隔熱、耐磨、絕緣的涂層。目前氧化鋁涂層廣泛應(yīng)用于曲軸、凸輪軸等表面耐磨耐腐蝕涂層的制備。 2.2 爆炸噴涂熱障涂層 航空航天業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能提出了越來越高的要求，要求有較高的渦輪前溫度。國(guó)外先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在20

12、世紀(jì)70年代渦輪前溫度高達(dá)1600k以上，90年代達(dá)到1900k左右。過去為了解決這個(gè)難題，主要是靠發(fā)展高溫合金，并在高溫合金研究上取得了一定的成功。但高溫合金的研制不僅困難很大，而且進(jìn)展緩慢，靠發(fā)展高溫合金的方法已滿足不了發(fā)展的要求，所以需要利用在高溫部件上噴涂熱障涂層來降低基體合金溫度。氧化鋯涂層就是典型的熱障涂層。 氧化鋯的熔點(diǎn)較高，導(dǎo)熱系數(shù)低，是較好的熱障涂層材料。氧化鋯具有兩種主要的同質(zhì)異晶體：低溫型單斜晶和高溫型四方晶。在高溫下，這兩種晶型會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，并附帶著體積突變，所以噴涂純氧化鋯會(huì)發(fā)生涂層開裂和剝落。為解決這個(gè)問題，常在氧化鋯中加入適量的氧化釔(y203)等氧化物，來穩(wěn)定氧化

13、鋯，避免涂層的開裂和剝落。一般采用zro3-8y2o3(部分穩(wěn)定)和zro2-20y2o3(穩(wěn)定)等涂層。另外，氧化鋯涂層和高溫合金基體的熱膨脹系數(shù)相差很大，高溫工作時(shí)易產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力，使涂層剝落，因此常將氧化鋯涂層做成雙層結(jié)構(gòu)，在基體上先噴涂一層底層，然后再噴涂氧化鋯涂層。 對(duì)于氧化鋯涂層的制備，多年以來一直主要用等離子噴涂和電子束物理氣相沉積。但是等離子噴涂制備的熱障涂層，涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合強(qiáng)度不高，噴涂過程基體溫升較高，易使組織發(fā)生變化。而且涂層表面粗糙度大，涂層中含有氣孔和未熔顆粒，易使涂層產(chǎn)生裂紋及降低熱障性和耐高溫腐蝕性。電子束物理氣相沉積得到的涂層，工藝復(fù)雜，沉積率低，不易制

14、備較厚的涂層。利用爆炸噴涂的氧化鋯涂層均勻、致密度高、結(jié)合強(qiáng)度高，其硬度約為等離子噴涂層的兩倍，抗高溫氧化性更高。3 爆炸噴涂的發(fā)展趨勢(shì) 爆炸噴涂的高質(zhì)量涂層已得到廣泛的認(rèn)可，但爆炸噴涂涂層仍然存在問題，涂層和基體的熱膨脹系數(shù)不同，容易造成涂層的開裂和剝落。發(fā)展梯度涂層，雖然可使涂層之間及涂層和基體的膨脹系數(shù)差縮小，降低熱膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力，但難度挺大，發(fā)展十分緩慢。另外隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)涂層性能的要求越來越高，需要發(fā)展性能更高的涂層。 近年來，納米技術(shù)得到飛速發(fā)展。納米材料的前景是廣闊的，但目前由于技術(shù)原因，除了少數(shù)幾個(gè)方面(如燒結(jié)納米結(jié)構(gòu)wc-co制造石油和鉆探領(lǐng)域中的刀頭)，總的來說還處在

15、納米粉體的研究和制備階段。噴涂技術(shù)為納米材料的研究和應(yīng)用提供了一個(gè)新的發(fā)展方向，其中爆炸噴涂尤為適合噴涂納米材料。納米微粒的熔點(diǎn)和晶化溫度均比常規(guī)粉體低得多。采用等離子噴涂方法，容易使納米微粒長(zhǎng)大而失去納米材料的特性。超音速噴涂雖然可保持微粒的納米尺寸，涂層的結(jié)合強(qiáng)度和致密度與爆炸噴涂相當(dāng)，但設(shè)備的投資大，且束流周沿的低速低溫微粒的直徑是爆炸噴涂的5-10倍，涂層性能均勻性不如爆炸噴涂，對(duì)工件造成的熱損傷也比爆炸噴涂大。爆炸噴涂納米粉末時(shí)，由于粉末尺寸較小，粉末顆粒更容易被加熱到熔化狀態(tài)，可以提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，涂層的致密度也將大大提高。同時(shí)粉末顆粒撞擊到工件表面時(shí)，將急劇冷卻，避免了納米顆粒的長(zhǎng)大，保護(hù)了涂層的納米特性。 許多試驗(yàn)表明，納米材料與傳統(tǒng)材料相比，納米材料的力學(xué)性能可得到顯著變化，材料的強(qiáng)度和硬度可得到成倍的提高。一般，納米材料的硬度隨著粒徑的減小而增長(zhǎng)。采用納米微粒進(jìn)行噴涂可以提高涂層的硬度和耐磨性，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度和致密度。試驗(yàn)證明，納米結(jié)構(gòu)涂層的耐磨性與