熱噴技術的運用

 熱噴涂技術是表面工程領域的重要技術之一，它的原理是利用各種不同的熱源，將預噴涂的各種材料如金屬、合金、陶瓷、塑料及其各類復合材料加熱至熔化或熔融狀態(tài)，借助氣流的高速霧化形成微粒霧流沉積在已預處理的工件表面形成堆積狀，與基體緊密結合的涂層。而將Ni-Cr-B-Si系列噴涂層進行重熔處理形成的具有冶金結合特征的涂層稱為噴熔層或重熔層。 熱噴涂技術可用來噴涂幾乎所有的固體工程材料，如硬質合金、陶瓷、金屬、石墨和尼龍等，形成耐磨、耐蝕、隔熱、抗氧化、絕緣、導電、防輻射等具有各種特殊功能的涂層。該技術還具有工藝靈活、施工方便、適應性強及經(jīng)濟效益好等優(yōu)點，被廣泛應用于宇航、機械、化工、冶金、地質、交通、建筑等工業(yè)部門，并獲得了迅猛的發(fā)展。 熱噴涂原理圖： 從噴涂材料進入熱源到形成涂層稱噴涂過程，一般經(jīng)歷四個階段既加熱、霧化、飛行和沉積。首先是噴涂材料被加熱熔化或軟化階段。當端部材料進入熱源的高溫區(qū)域，即被加熱，形成熔滴，進而形成的熔滴，在外加壓縮氣流或熱源自身射流的作用下，霧化成細微的熔粒。第二階段熔粒流飛行過程中，被加速。當這些具有一定溫度和速度的顆粒以一定的動能沖擊基材表面，產(chǎn)生強烈的碰撞，在碰撞瞬間，顆粒的動能轉化成熱能傳給基材，并沿凹凸不平的表面產(chǎn)生變形，變形的顆粒迅速冷凝并產(chǎn)生收縮，呈扁平狀連續(xù)不斷地沉積在基材表面，從而形成涂層。 眾所周知， 除少數(shù)貴金屬外，金屬材料會與周圍介質發(fā)生化學反應和電化學反應而遭受腐蝕。此外，金屬表面受各種機械作用而引起的磨損也極為嚴重，大量的金屬構件因腐蝕和磨損而失效，造成極大的浪費和損失。據(jù)一些工業(yè)發(fā)達國家統(tǒng)計，每年鋼材因腐蝕和磨損而造成的損失約占鋼材總產(chǎn)量的10 %，損失金額約占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的 2 - 4 %。如果將因金屬腐蝕和磨損而造成的停工、停產(chǎn)和相應引起的工傷、失火、爆炸事故等損失統(tǒng)計在內的話，其數(shù)值更加驚人。因此，發(fā)展金屬表面防護和強化技術，是各國普遍關心的重大課題。 隨著尖端科學和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，各工業(yè)部門越來越多地要求機械設備能在高參數(shù)(高溫、高壓、高速度和高度自動化)和惡劣的工況條件(如嚴重的磨損和腐蝕)下長期穩(wěn)定的運行。因此，對材料的性能也提出更高要求。采用高性能的高級材料制造整體設備及零件以獲得表面防護和強化的效果，顯然是不經(jīng)濟的，有時甚至是不可能的。所以，研究和發(fā)展材料的表面處理技術就具有重大的技術和經(jīng)濟意義。而表面處理技術也在這種需求的推動下獲得了飛速的發(fā)展和提高。 熱噴涂技術就是這種表面防護和強化的技術之一，是表面工程中一門重要的學科。所謂熱噴涂，就是利用某種熱源，如電弧、等離子弧、燃燒火焰等將粉末狀或絲狀的金屬和非金屬涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，然后借助焰流本身的動力或外加的高速氣流霧化并以一定的速度噴射到經(jīng)過預處理的基體材料表面，與基體材料結合而形成具有各種功能的表面覆蓋涂層的一種技術。熱噴涂設備 雖然因熱噴涂的方法不同其設備也各有差異，但依據(jù)熱噴涂技術的原理，其設備都主要由噴槍、熱源、涂層材料供給裝置以及控制系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成。熱噴涂工藝熱噴工藝過程如下：工件表面預處理 → 工件預熱 → 噴涂 → 涂層后處理 1. 表面預處理 為了使涂層與基體材料很好地結合，基材表面必須清潔及粗糙， 凈化和粗化表面的方法很多， 方法的選擇要根據(jù)涂層的設計要求及基材的材質、形狀、厚薄、表面原始狀況以及施工條件等因素而定。凈化處理的目的是除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油漬、油漆及其他污物， 關鍵是除去工件表面和滲入其中的油脂。凈化處理的方法有：溶劑清洗法、蒸汽清洗法、堿洗法及加熱脫脂法等。粗化處理的目的是增加涂層與基材間的接觸面，增大涂層與基材的機械咬合力，使凈化處理過的表面更加活化，以提高涂層與基材的結合強度。同時基材表面粗化還改變涂層中的殘余應力分布，對提高涂層的結合強度也是有利的。粗化處理的方法有噴砂、機械加工法(如車螺紋、滾花)、電拉毛等。其中噴砂處理是最常用的粗化處理方法，常用的噴砂介質有氧化鋁、碳化硅和冷硬鑄鐵等。噴砂時，噴砂介質的種類和粒度、噴砂時風壓的大小等條件必須根據(jù)工件材質的硬度、工件的形狀和尺寸等進行合理的選擇。對于各種金屬基體，推薦采用的砂粒粒度約為 16－60 號砂，粗砂用于堅固件和重型件的噴砂，噴砂壓力為 0.5－0.7Mpa，薄工件易于變形，噴砂壓力為 0.3－0.4 Mpa。特別值得注意的一點是用于噴砂的壓縮空氣一定要是無水無油的，否則會嚴重影響涂層的質量。噴涂前工件表面的粗化程度對大多數(shù)金屬材料來說 2.5－13 μmRa就夠了。隨著表面粗糙度的增加涂層與基體材料的結合增強，但是當表面粗糙度超過 10μmRa 后，涂層結合強度的提高程度便會減低。對于一些與基材粘結不好的涂層材料， 還應選擇一種與基體材料粘結好的材料噴涂一層過渡層，稱為粘結底層，常用作粘結底層的材料有 Mo、NiAl、NiCr 及鋁青銅等。粘結底層的厚度一般為 0.08－0.18μm。2.預熱 預熱的目的是為了消除工件表面的水分和濕氣，提高噴涂粒子與工件接觸時的界面溫度，以提高涂層與基體的結合強度；減少因基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的應力而導致的涂層開裂。預熱溫度取決于工件的大小、形狀和材質，以及基材和涂層材料的熱膨脹系數(shù)等因素，一般情況下預熱溫度控制在 60 - 120 ℃之間。3.噴涂 采用何種噴涂方法進行噴涂主要取決于選用的噴涂材料、工件的工況及對涂層質量的要求。例如，如果是陶瓷涂層，則最好選用等離子噴涂；如果是碳化物金屬陶瓷涂層則最好采用高速火焰噴涂；若是噴涂塑料則只能采用火焰噴涂；而若要在戶外進行大面積防腐工程的噴涂的話，那就非靈活高效的電弧噴涂或絲材火焰噴涂莫屬了?？傊?，噴涂方法的選擇一般來說是多樣的，但對某種應用來說總有一種方法是最好的。預處理好的工件要在盡可能短的時間內進行噴涂，噴涂參數(shù)要根據(jù)涂層材料、噴槍性能和工件的具體情況而定，優(yōu)化的噴涂條件可以提高噴涂效率、并獲得致密度高、結合強度高的高質量涂層。4.涂層后處理 噴涂所得涂層有時不能直接使用，必須進行一系列的后處理。用于防腐蝕的涂層,為了防止腐蝕介質透過涂層的孔隙到達基材引起基材的腐蝕，必須對涂層進行封孔處理。用作封孔劑的材料很多，有石臘、環(huán)氧樹脂、硅樹脂等有機材料及氧 化物等無機材料，如何選擇合適的封孔劑，要根據(jù)工件的工作介質、環(huán)境、溫度及成本等多種因素進行考慮。對于承受高應力載荷或沖擊磨損的工件，為了提高涂層的結合強度，要對噴涂層進行重熔處理(如火焰重熔、感應重熔、激光重熔以及熱等靜壓等)，使多孔的且與基體僅以機械結合的涂層變?yōu)榕c基材呈冶金結合的致密涂層。有尺寸精度要求的，要對涂層進行機械加工。由于噴涂涂層具有與一般的金屬及陶瓷材料不同的特點，如涂層有微孔，不利于散熱；涂層本身的強度較低，不能承受很大的切削力；涂層中有很多硬的質點，對刀具的磨損很快等，因而形成了噴涂涂層不同于一般材料的難于加工的特點。所以必須選用合理的加工方法和相應的工藝參數(shù)才能保證噴涂層機械加工的順利進行和保證達到所要求的尺寸精度。熱噴涂技術的特點從熱噴涂技術的原理及工藝過程分析，熱噴涂技術具有以下一些特點：1. 由于熱源的溫度范圍很寬，因而可噴涂的涂層材料幾乎包括所有固態(tài)工程材料，如金屬、合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料以及由它們組成的復合物等。因而能賦予基體以各種功能(如耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、絕緣、隔熱、生物相容、紅外吸收等)的表面。2. 噴涂過程中基體表面受熱的程度較小而且可以控制，因此可以在各種材料上進行噴涂(如金屬、陶瓷、玻璃、布疋、紙張、塑料等)，并且對基材的組織和性能幾乎沒有影響，工件變形也小。3.設備簡單、操作靈活，既可對大型構件進行大面積噴涂，也可在指定的局部進行噴涂；既可在工廠室內進行噴涂也可在室外現(xiàn)場進行施工。4. 噴涂操作的程序較少，施工時間較短，效率高，比較經(jīng)濟。隨著熱噴涂應用要求的提高和領域的擴大，特別是噴涂技術本身的進步，如噴涂設備的日益高能和精良，涂層材料品種的逐漸增多、性能逐漸提高，熱噴涂技術近十年來獲得了飛速的發(fā)展，不但應用領域大為擴展，而且該技術已由早期的制備一般的防護涂層發(fā)展到制備各種功能涂層；由單個工件的維修發(fā)展到大批的產(chǎn)品制造；由單一的涂層制備發(fā)展到包括產(chǎn)品失效分析、表面預處理、 涂層材料和設備的研制、選擇，涂層系統(tǒng)設計和涂層后加工在內的噴涂系統(tǒng)工程；成為材料表面科學領域中一個十分活躍的學科。并且在現(xiàn)代工業(yè)中逐漸形成 象鑄、鍛、焊和熱處理那樣的獨立的材料加工技術。成為工業(yè)部門節(jié)約貴重材料、節(jié)約能源、提高產(chǎn)品質量、延長產(chǎn)品使用壽命、降低成本、提高工效的重要的工藝手段，在國民經(jīng)濟的各個領域內得到越來越廣泛的應用。