熱噴涂技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

1、干布3年像ZhoDgyuaiiUnRtreityofTrchnclogy表面工程學(xué)（論文）班級(jí)：材科101學(xué)生姓名：宋俊偉學(xué)號(hào)：201001524125指導(dǎo)教師：湯峰熱噴涂技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用【摘要】主要介紹了熱噴涂的基本方法、設(shè)備、材料和涂層特性；以及當(dāng)前的發(fā)展動(dòng)態(tài)和應(yīng)用情況；并簡(jiǎn)要介紹了應(yīng)用研究的前景?！娟P(guān)鍵詞】熱噴涂加工技術(shù)、加工原理、應(yīng)用現(xiàn)狀、發(fā)展前景。引言熱噴涂是一種迅速發(fā)展的表面強(qiáng)化新工藝新技術(shù)。它采用專用設(shè)備，利用各種熱源將金屬或非金屬材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，用高速氣流將其吹成微小微粒并噴射到機(jī)件表面，形成覆蓋涂層，以提高機(jī)件耐磨、耐蝕、耐熱等性能。熱噴涂技術(shù)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)早期

2、的瑞士，隨后在蘇聯(lián)、德國(guó)、日本、美困等圉得到了不斷的發(fā)展，各種熱噴涂設(shè)備的研制，新的熱噴涂材料的開(kāi)發(fā)，新技術(shù)的不斷應(yīng)用，使熱噴涂涂層質(zhì)量得到了不斷的提高，并不斷開(kāi)拓新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，以火焰噴涂、超音速噴涂、電爆噴涂、電容放電噴涂、等離子噴涂為代表的熱噴涂技術(shù)與設(shè)備，以及一系列噴涂噴焊粉末新材料，各種熱噴涂技術(shù)趨于成熟，噴涂裝置日益完善，不僅能噴金屬、合金、陶瓷，還能噴涂塑料和復(fù)合材料。近幾年來(lái)電子計(jì)算機(jī)在等離子噴涂系統(tǒng)中的應(yīng)用，使熱噴涂技術(shù)達(dá)到了相當(dāng)完善的地步，不僅使應(yīng)用范嗣大為擴(kuò)展，而且使涂層質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍。熱噴涂技術(shù)不僅涉及到材料學(xué)、表面物理化學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、等離子物理等，還涉及

3、到機(jī)械，計(jì)算機(jī)和新材料等學(xué)科，是一門交叉邊緣學(xué)科。1 .熱噴涂技術(shù)簡(jiǎn)介熱噴涂技術(shù)是通過(guò)某種熱源將某些材料表面加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，然后噴射到涂敷的基體表面，形成一層性能優(yōu)于原來(lái)基體的涂層，從而使原工件具有更加優(yōu)異的表面性能，或者是使工件獲得一種或幾種原來(lái)基體材料不具備的表面性能膜狀組織。其噴涂溫度、熔滴對(duì)基體表面的沖擊速度及形成涂層的材料構(gòu)成了噴涂技術(shù)的核心。溫度和速度取決于不同的熱源和設(shè)備。在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度越高、速度越大，越有利于形成優(yōu)異的涂層；噴涂材料的可選擇性，是熱噴涂技術(shù)的另一種優(yōu)勢(shì)，正是這三種要素，以及其他多項(xiàng)可控的影響因素，使熱噴涂成為真正的具有疊加效果的獨(dú)特技術(shù)，它可以

4、設(shè)計(jì)出所需的多種多樣的改性表面，從而在機(jī)械維修、航天和生物工程等高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2 .熱噴涂基本原理2. 1熱噴涂原理熱噴涂過(guò)程一般可分為以下四個(gè)步驟（圖1）。1）材料加熱：噴涂線材或粉末進(jìn)入熱源高溫區(qū)域，被加熱熔化或軟化；2）材料霧化：熔化或軟化的噴涂材料形成的熔滴，在外加壓縮氣流或熱源自身射流的作用下霧化成微細(xì)熔滴向前噴射；3）噴射飛行：微細(xì)熔滴被加速形成粒子流，在介質(zhì)中飛行運(yùn)動(dòng)速度逐漸減?。?）涂層形成：粒子流在基材表面發(fā)生碰撞、變形、凝固和堆積，形成涂層。熱噴涂涂層是南無(wú)數(shù)變形粒子互相交錯(cuò)呈波浪式堆疊在一起而形成的層狀組織結(jié)構(gòu)。3. 熱噴涂技術(shù)分類與特點(diǎn)20世紀(jì)末，熱噴涂技術(shù)的

5、發(fā)展十分迅速，并迅速被推廣使用。1980年到2000年，熱噴涂市場(chǎng)的變化見(jiàn)表1。到20世紀(jì)末，等離子噴涂仍然居主導(dǎo)地位。值得注意的是，高速火焰噴涂（HVOF）fi速發(fā)展，將占據(jù)25%勺市場(chǎng)比例，居第二位。電弧噴涂技術(shù)，由于經(jīng)濟(jì)性好、涂層性能比火焰噴涂層優(yōu)越，將部分代替火焰噴涂技術(shù)上升到第三位。表1主要熱噴涂方法的應(yīng)用比例年份火焰噴涂電弧噴涂等離子噴涂高速火焰噴涂1980年39%6%55%-2000年12%15%48%25%（1）火焰噴涂火焰噴涂是最早得到應(yīng)用的一種噴涂方法。它以氧氣-燃?xì)饣鹧孀鳛闊嵩矗瑖娡坎牧弦砸欢ǖ膫魉头绞剿腿牖鹧?，并加熱到熔融或軟化狀態(tài)，然后依靠氣體或火焰加速噴射到基體上。

6、火焰噴涂根據(jù)噴涂材料的不同，又可分為絲材火焰噴涂、粉末火焰噴涂和棒材火焰噴涂幾種?；鹧鎳娡烤哂性O(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，工藝成熟，投資少等優(yōu)點(diǎn)。新型火焰噴涂槍可以噴涂各種金屬、陶瓷、金屬加陶瓷的復(fù)合材料、各種塑料粉末材料的涂層。盡管等離子和HVOF/HVA超音速以及爆炸噴涂的涂層優(yōu)于常規(guī)火焰噴涂，但由于投資大、操作控制系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備笨重、無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)施工，應(yīng)用范圍受到極大限制，在在防腐和維修市場(chǎng)難以推廣普及，新型火焰噴涂設(shè)備與技術(shù)和超音速電弧噴涂設(shè)備與技術(shù)在防腐和修復(fù)市場(chǎng)中永遠(yuǎn)是主要技術(shù)力量。粉末火焰噴涂的原理示意圖(2)電弧噴涂電弧噴涂是高效率、高質(zhì)量、低成本的一項(xiàng)工藝，是目前熱噴涂技術(shù)中最受重視的技

7、術(shù)之一。電弧噴涂是將2根被噴涂的金屬絲作為自耗性電極，分別接通電源的正負(fù)端，在噴槍噴嘴處，利用兩金屬絲短接瞬間產(chǎn)生的電弧為熱源熔化自身，借助壓縮空氣霧化熔滴并使之加速，噴射到基體材料表面形成涂層。電弧噴涂具有如下優(yōu)點(diǎn)：熱效率高、對(duì)工件的熱影響小。一般火焰噴涂的熱效率只有5%-15%電弧噴涂將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能熔化金屬，熱能利用率可高達(dá)60%-70%。電弧噴涂時(shí)不形成火焰，因而在噴涂過(guò)程中工件始終處于低溫，避免了工件熱變形；可獲得優(yōu)異的涂層性能。電弧噴涂技術(shù)可以在不使用貴重底材的情況下得到較高的結(jié)合強(qiáng)度，采用適當(dāng)?shù)膰娗按只幚矸椒?，噴涂層與基本結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)普通火焰噴涂層的2倍以上。使用2根成分不

8、同的金屬絲還可以制備出假合金涂層，以獲得具有獨(dú)特綜合性能的涂層；生產(chǎn)率高。電弧噴涂的生產(chǎn)效率正比于噴涂電弧電流，當(dāng)電弧電流為300A時(shí)，噴涂鋅為30kg/h,噴涂鋁為10kg/h,噴涂不銹鋼為15kg/h,為火焰噴涂的3倍以上；經(jīng)濟(jì)性好。電弧噴涂能源利用率高，而且電能的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃?xì)鈨r(jià)格，施工成本為火焰噴涂的1/10以下，設(shè)備投資為等離子噴涂的1/3以下。電弧噴涂技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)在各行各業(yè)取得了顯著成效。利用電弧噴涂在鋼鐵構(gòu)件上噴涂鋅、鋁涂層，可對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行長(zhǎng)效防腐防護(hù)，例如我國(guó)南海地區(qū)由于高溫、高濕、高鹽霧，船舶腐蝕嚴(yán)重，中修艦船的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用電弧噴涂鋁合金涂層防腐，經(jīng)5年考核效果明顯，測(cè)算預(yù)

9、計(jì)壽命可提高到15a以上。山西晉山煤礦、河南鐵王溝煤礦等井筒鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行電弧噴涂防腐防護(hù)，預(yù)計(jì)壽命在30a以上。電弧噴涂作為一種優(yōu)質(zhì)的修復(fù)技術(shù)，在機(jī)械零件上噴涂碳鋼、銘鋼、青銅、巴氏合金等材料，用于修復(fù)已磨損或尺寸超差的部位，已在機(jī)械維修和機(jī)械制造業(yè)得以應(yīng)用。采用該技術(shù)修復(fù)造紙烘缸、修復(fù)大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸也已取得明顯成效；制備裝飾涂層和功能涂層也是電弧噴涂技木應(yīng)用的另一重要領(lǐng)域，例如在電容器上噴涂導(dǎo)電涂層，在塑料制品上噴涂屏蔽涂層，在內(nèi)燃機(jī)零件上制備熱障涂層，在石頭、石膏等材料上噴涂銅、錫、鋁等金屬進(jìn)行裝飾等等。（3）等離子噴涂等離子噴涂是熱源為等離子焰流（非轉(zhuǎn)移等離子弧）。由放電弧產(chǎn)生的電弧等離

10、子體溫度可達(dá)20000左加熱噴涂材料（粉）到熔融或高塑性狀態(tài)，并在高速等離子焰流（工作氣體為氮?dú)夂蜌錃饣虻獨(dú)夂蜌錃猓┹d引下，高速撞擊到工件表面形成涂層。等離子噴涂是采用非轉(zhuǎn)移弧為熱源，噴涂材料為粉末的噴涂方法。近十幾年來(lái)等離子噴涂發(fā)展很快，目前已開(kāi)發(fā)出大氣等離子噴涂、可控氣氛等離子噴涂、溶液等離子噴涂、等噴涂技術(shù)，等離子噴涂已成為熱噴涂技術(shù)中的最重要的一項(xiàng)工藝方法，這些新技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用日益顯示出優(yōu)越性和重要性。等離子噴涂的噴涂材料范圍廣，涂層組織細(xì)密，氧化物夾渣含量和氣孔率都較低，氣孔率可控制到工%5%涂層結(jié)合強(qiáng)度較高，可達(dá)60MPa以上。該噴涂技術(shù)主要用于制備質(zhì)量要求高的耐蝕、耐磨、

11、隔熱、絕緣、抗高溫和特殊功能涂層，已在航空航天、石油化工、機(jī)械制造、鋼鐵冶金、輕紡、電子和高新技術(shù)等領(lǐng)域里得到廣泛應(yīng)用。（4）高速火焰噴涂（HVOF和其他噴涂技術(shù)高速火焰噴涂目前主要指超音速火焰噴涂8,有時(shí)人們也將爆炸噴涂認(rèn)為是高速火焰噴涂的一種。高速火焰噴涂技術(shù)，將燃?xì)猓ū?、丙稀或氫氣）和氧氣輸入并引燃于燃燒室，借助于氣體燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫和高壓形成的高速氣流，加熱熔化噴涂粉末并形成一束高速噴涂射流，在工件上形成噴涂層。高速火焰噴涂的特點(diǎn)：氣體燃燒膨脹形成的熱氣流使噴涂粒子達(dá)到極高的飛行速度?；鹧鎳娚渌俣葹橐羲俚?倍以上，而噴涂熔粒的速度可達(dá)3001000ms7噴涂粉粒在火焰中加熱時(shí)間長(zhǎng)，受

12、熱均勻，能形成良好的微小熔滴；噴涂粉粒主要在噴涂槍中加熱，離開(kāi)噴槍后飛行距離短，因而和周圍大氣接觸時(shí)間短，在噴涂過(guò)程中幾乎不和大氣發(fā)生反應(yīng)，噴涂材料不受損害，微觀組織變化小，這對(duì)噴涂碳化物材料特別有利，可避免分解和脫炭?；谝陨咸攸c(diǎn)，高速火焰噴涂獲得的涂層光滑，致密性好，結(jié)合強(qiáng)度高。涂層空隙率可小于0.5%,結(jié)合力可達(dá)io0Mpan：。被廣泛用于制備高致密性、高結(jié)合強(qiáng)度、低孔隙率要求的涂層。例如噴涂WC-12%Co涂層幾乎沒(méi)有氣孔，而且硬度高，加工后可達(dá)鏡面。但是，由于高速火焰噴涂的設(shè)備及噴涂材料等成本太高，不適合我國(guó)國(guó)情，限制了其在我國(guó)的應(yīng)用。同樣，爆炸噴涂和激光噴涂也是由于這個(gè)原因限制其推

13、廣應(yīng)用。4. 熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用熱噴涂的應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：1）在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用：在鋼鐵加工過(guò)程中，需要大量經(jīng)過(guò)表面處理的輾類件，它們的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。2）在能源工業(yè)中的應(yīng)用：主要是工業(yè)鍋爐的防腐，水輪機(jī)過(guò)流部件抗汽蝕耐磨損噴焊，燃汽輪上的應(yīng)用等。3）在造紙機(jī)械和印刷機(jī)械上的應(yīng)用。4）在汽車行業(yè)中的應(yīng)用：目前用于汽車部件有活塞環(huán)、氣門搖桿、搖臂、消音器、剎車片等，熱噴涂技術(shù)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用是其向著大批量、自動(dòng)化方向發(fā)展的標(biāo)志之一。5）在生物工程、人工植入方面的應(yīng)用：人們?cè)诶萌斯りP(guān)節(jié)提高人體機(jī)能方面取得了很大的進(jìn)步，影響人工關(guān)節(jié)性能的一個(gè)主要問(wèn)題就是關(guān)節(jié)與骨組織的結(jié)構(gòu)結(jié)合。

14、近年來(lái)，熱噴涂技術(shù)在冶金工業(yè)領(lǐng)域獲得較大發(fā)展，尤其日本和德國(guó)這些國(guó)家，歷來(lái)重視在汽車、冶金和能源等民用支柱產(chǎn)業(yè)中開(kāi)發(fā)與應(yīng)用這一技術(shù)。5. 當(dāng)前我國(guó)熱噴涂技術(shù)特點(diǎn)腐蝕和磨損是造成材料和零部件失效的主要原因，據(jù)有關(guān)資料報(bào)導(dǎo)，發(fā)達(dá)國(guó)家每年由于磨損和腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的45%,全世界每年生產(chǎn)的鋼材約1/10將變成鐵銹。我國(guó)每年腐蝕、磨損造成的損失已達(dá)幾仟億元。所以熱噴涂技術(shù)的推廣應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中越來(lái)越顯得重要。當(dāng)前，我國(guó)熱噴涂技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)嶄新階段，具噴涂工藝已從氧乙烘火焰金屬粉末噴涂(焊)為主向高能、高速度先進(jìn)設(shè)備方向發(fā)展；應(yīng)用范圍已從舊修利廢為主向新產(chǎn)品預(yù)保護(hù)和強(qiáng)化方向

15、發(fā)展。5.1 幾種新工藝技術(shù)的應(yīng)用(1)爆炸噴涂、超音速噴涂(HVOFHVAF噴涂連鑄機(jī)軋輾和爐底輾。采用上述兩種工藝，上海、江蘇、廣東、山東、四川、湖北等地已經(jīng)成功噴涂了連鑄機(jī)軋輾和爐底輾，噴涂Cr3c2涂層和A12O3、ZrO2陶瓷涂層取得了良好效果，已有許多成功實(shí)例。(2)采用激光重熔、高頻感應(yīng)重熔、電子束重熔、大功率火焰重熔、爐中重熔工藝，已在伐門、石油行業(yè)各種柱塞，連鑄機(jī)低溫段各種軋輾(如1450軋機(jī)輸送輾)廣泛應(yīng)用，克服了以往的氧乙烘火焰重熔功率低、易變形等缺，保證了涂層質(zhì)量，采用高頻重熔技術(shù)生產(chǎn)的石油光桿已出口國(guó)外。(3)電弧噴涂Ni-Cr-Ti(45CP、Cr3c2、Ni70/

16、Cr30涂層已在電廠鍋爐對(duì)流受熱面上廣泛應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)已有30多個(gè)電廠鍋爐對(duì)流受熱面上廣泛應(yīng)用，獲得了較好效果。(4)電弧及其它噴涂方法，噴涂304L、316L不銹鋼材料、哈氏合金高耐蝕材料已在食品、化工容器中廣泛應(yīng)用，取代整體制作不銹容器，效果很好。(5)超音速等離子噴涂已在軍工及國(guó)防工業(yè)中發(fā)揮了重要作用。(6)引進(jìn)的HVOFHVAFKZ及高能等離子噴涂設(shè)備正在攻克鋼廠結(jié)晶管。(7)TiB2、Al2O3/TiB2涂層正在攻克電介槽節(jié)能課題，同時(shí)也在攻克熔融金屬腐蝕問(wèn)題。(8)棒材及陶瓷軟線噴涂，正在為現(xiàn)場(chǎng)噴涂陶瓷及合金涂層服務(wù)，解決了一部分等離子，超音速現(xiàn)場(chǎng)不能噴涂的問(wèn)題。(9)鋅、鋁及其合

17、金大面積長(zhǎng)效防護(hù)涂層，已在國(guó)內(nèi)重大工程中應(yīng)用，如新建的長(zhǎng)江大橋水閘門、大型管道、煤礦井筒等大型工程應(yīng)用已百余例。(10)冷噴涂技術(shù)正在興起。冷噴涂技術(shù)(CGDSEHVPCU稱：冷噴涂)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門新興表面工程技術(shù)，自95年以來(lái)，每年舉辦的國(guó)際熱噴涂會(huì)議，關(guān)于冷噴涂方面的論文明顯增多，冷噴涂技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際熱噴涂研究熱點(diǎn)之一，其應(yīng)用上已經(jīng)得到世界各國(guó)科學(xué)界工業(yè)界重視。5.2 目前國(guó)內(nèi)熱噴涂技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)我國(guó)熱噴涂技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀無(wú)論從材料、設(shè)備、工藝、科研都提高很快，但與先進(jìn)國(guó)家相比還有一定差距，但就發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用方面的特點(diǎn)與國(guó)外比也是相吻和的。6. 發(fā)展趨勢(shì)目前，國(guó)內(nèi)外的熱噴涂設(shè)備正朝著高

18、能、高速、高效發(fā)展的同時(shí)，軸向送粉技術(shù)、多功能集成技術(shù)和實(shí)時(shí)控制技術(shù)也將成為熱噴涂設(shè)備的發(fā)展方向。設(shè)備的不斷發(fā)展將使可噴涂材料的范圍更廣，制備納米、非晶、導(dǎo)熱、催化、導(dǎo)電、絕緣、超導(dǎo)、隱身等功能涂層將成為熱噴涂研究的熱點(diǎn)。利用各種在線監(jiān)測(cè)技術(shù)確定粉末在噴涂過(guò)程中的流體動(dòng)力學(xué)特征，建立噴涂粒子的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，深入理解涂層的形成過(guò)程，從而得出各個(gè)噴涂參數(shù)對(duì)涂層結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī)律。采用各種先進(jìn)的聲、光、電無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)涂層性能進(jìn)行在線診斷，評(píng)估涂層質(zhì)量和預(yù)測(cè)涂層壽命，是未來(lái)熱噴涂涂層質(zhì)量監(jiān)控的重要研究方向。隨著熱噴涂技術(shù)的不斷發(fā)展，熱噴涂涂層必將更加廣泛地應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域中參考文獻(xiàn)

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