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      熱噴涂陶瓷涂層工藝及應用
      2022年04月13日    閱讀量:     新聞來源:Alpha  |  投稿

      采用熱噴涂技術特別是等離子噴涂技術,在金屬基體上制備陶瓷涂層,能把陶瓷材料的特點和金屬材料的特點有機地結合起來,獲得復合材料結構及制品,正成為當代復合材料及制品高科技領域的一個重要分枝。熱噴涂技術因工藝的靈活性與可噴涂材料的廣泛性,目前已經在航空航天、石油化工、電子電氣、汽車、醫療、海洋、礦業等領域得到了越來越多的領域獲得廣泛的應用。

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      一、熱噴涂技術原理


      根據國際標準GB/T18719-2002的定義,熱噴涂技術是利用熱源將噴涂材料加熱只溶化或半溶化狀態,并以一定的速度噴射沉積到經過預處理的的基體形成涂層的方法,賦予基體表面特殊功能的目的涂料在線coatingol.com。


      影響熱噴涂涂層性能的主要因素是原料在噴涂焰流中的熔融狀態(溫度)和飛行速度(微粒的動能)。在大氣等離子噴涂之后出現的各種熱噴涂技術,無一不是通過提高微粒溫度或速度來獲得性能優異的涂層。此外,由于等離子噴涂、爆炸噴涂等技術無法使用納米粉體進料,在制備納米結構涂層時只能通過造粒將其制為微米級粉體用于噴涂,噴涂工藝和涂層性能均受到限制。因此,研究人員還開發了懸浮液等離子噴涂(SSPS),以便獲得特定組織的納米結構涂層。


      ↓↓不同的噴涂工藝的優勢及存在的問題

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      熱噴涂技術工藝方法很多,但無論何種工藝方法,噴涂過程中形成涂層的原理和涂層結構基本一致。熱噴涂形成涂層的過程一般經歷四個階段:噴涂材料加熱溶化階段、霧化階段、飛行階段、碰撞沉積階段。


      1、加熱溶化階段

      當噴涂材料為線(棒)材時,噴涂過程中,線材的端部連續不斷地進入熱源高溫區被加熱溶化,形成溶滴;當噴涂材料為粉末時,粉末材料直接進入熱源高溫區,在行進的過程中被加熱至溶化或半溶化狀態。


      2、霧化階段

      線(棒)材在噴涂過程中被加熱溶化形成溶滴,在外加壓縮氣流或熱源自身氣流動力的作用下,將線(棒)材端部溶滴霧化成微細溶粒并加速粒子的飛行速度;當噴涂材料為粉末時,粉末材料被加熱到足夠高溫度,超過材料的熔點形成液滴時,在高速氣流的作用下,霧化破碎成更細微粒并加速飛行速度。


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      熱噴涂技術涂層形成原理


      3、飛行階段

      加熱溶化或半溶化狀態的粒子在外加壓縮氣流或熱源自身氣流動力的作用下被加速飛行。粒子飛行過程中噴涂粒子首先被加速,隨著飛行距離的增加而減速。


      4、碰撞沉積階段

      具有一定溫度和速度的噴涂粒子在接觸基體材料的瞬間,以一定的動能沖擊基體材料表面,產生強烈的碰撞。在碰撞基體材料的瞬間,噴涂粒子的動能轉化為熱能并傳遞給基體材料,在凹凸不平的基材表面上產生形變。由于熱傳遞的作用,變形粒子迅速冷凝并伴隨著體積收縮,其中大部分粒子呈扁平狀牢固地粘結在基體材料表面上,而另一小部分碰撞后經基體反彈而離開基體表面。隨著噴涂粒子束不斷地沖擊碰撞基體表面,碰撞一變形—冷凝收縮一填充連續進行。變形粒子在基體材料表面上,以顆粒與顆粒之間相互交錯疊加地粘結在一起,而最終沉積形成涂層。


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      涂層形成的過程示意圖


      二、熱噴涂陶瓷涂層的應用


      陶瓷是金屬元素和非金屬元素組成的晶體或非晶體化合物。它和金屬材料、高分子聚合物材料一起,構成固態工程材料的三大支柱?,F代材料已將金屬陶瓷、其他無機非金屬材料統歸入陶瓷范疇,成為品種、功能極多的一個材料大家族。一般來說,凡經加熱能呈熔融狀態或塑性狀態的材料,均可作為熱噴涂的涂層材料。除金屬材料外,陶瓷也可用于熱噴涂防腐蝕涂層。熱噴涂常用的陶瓷材料主要為Al2O3,TiO2,Cr2O3,ZrO2等氧化物陶瓷材料,碳化物等非氧化物陶瓷通常采用金屬合金作粘結劑制備成金屬基陶瓷復合材料使用。由于氮化物很脆,耐氧化性能又差,它的應用甚少。


      ↓↓常見熱噴涂材料及其特點和應用

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      熱噴涂陶瓷涂層根據應用領域可分為:耐磨陶瓷涂層、耐腐蝕陶瓷涂層、熱障陶瓷涂層、生物陶瓷涂層和壓電陶瓷涂層等幾大類。


      1、耐磨涂層

      統計表明磨損與腐蝕造成的損失,在發達國家約占該國家GDP的3%-5%,而發展中國家則高達至10%,由此引起零部件在加工與生產中性能下降、最終失效。熱噴涂技術一直作為有效減磨與防腐蝕技術的最重要方法得到應用。


      摩擦磨損造成的能量和物質損失均源自材料表面,因此,各類表面工程技術已成為提高零構件材料減摩、耐磨性能的重要方法。熱噴涂技術是應用廣泛的表面工程技術之一。目前,應用熱噴涂技術制備的涂層已經廣泛應用在機械設備中。熱噴涂涂層的耐磨性能主要取決于涂層成分、相組成、粒度與其含量,還與涂層的結合強度、硬度、孔隙率、涂層顆粒大小等因素有關。結合強度高、硬度高、孔隙率小的涂層具有較好的耐沖蝕磨損性能。目前常用的耐磨涂層有:Al2O3層、Al2O3+TiO2涂層、Cr2O3涂層和WC-Co涂層等。


      ↓↓不同熱噴涂耐磨涂層的應用領域

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      選擇合適的涂層材料以及相應的熱噴涂工藝才能制備適應工況要求的減摩耐磨涂層?;诠I與科技的快速發展,機械設備的工況要求越來越高,需要研制出性能更加優異的減摩耐磨涂層。一方面,可從涂層材料的組分入手,設計出具有高強度、硬度或具有自潤滑功能的新材料體系,如在硬質的陶瓷涂層或金屬?陶瓷涂層中添加具有自潤滑作用的潤滑相(如石墨、二硫化鉬、高分子材料等),提高涂層的減摩性能。當前,大多數研究僅提出加入潤滑相來提高涂層的減摩耐磨性能,并未深入探討最佳原料配比等條件。另一方面,工藝參數是影響熱噴涂涂層質量的重要因素之一,可從優化熱噴涂工藝入手,研究不同體系涂層的最佳工藝參數,為后續的研究工作奠定基礎。


      2、耐腐蝕陶瓷涂層

      鋼材應用于苛刻的環境(如海洋鹽霧環境等)很容易發生腐蝕、磨損而失去零部件的精度。所進行的傳統表面處理工藝主要為電鍍硬鉻,即六價鉻酸鹽在陰極沉積形成硬度較高的耐磨耐蝕涂層,其特點是工藝簡單,成本低。但是電鍍鉻工藝會產生嚴重的環境污染,在很多工業領域受到限制。此外,電鍍鉻過程中還會產生基體的氫脆,顯著降低基材的力學性能,因此,亟待尋找一種有效的替代工藝。熱噴涂涂層以其高效、環保和良好的化學穩定性等特點開始被人們應用于防腐蝕領域。


      防腐涂層材料按照種類來分主要有鋁、鋅及其合金材料,鎳基合金材料,不銹鋼材料以及復合陶瓷材料等。


      3、熱障陶瓷涂層

      航空發動機渦輪葉片表面多使用陶瓷熱障涂層(ThermalBarrierCoatings,簡稱TBCs)將噴氣發動機的高溫部件與高溫燃氣隔開,以改善高溫部件的服役條件,一方面可以提高渦輪葉片的服役壽命,另一方面可以節約燃料。為了使陶瓷熱障涂層與金屬基體能夠良好的結合以具有較佳的隔熱性能,陶瓷熱障涂層必須具備以下性能:①較低的熱導率;②熱膨脹系數與金屬基體匹配;③高溫下保持良好的相穩定性。通常選用低熱導率的ZrO2基陶瓷材料作為熱障涂層工作層材料。


      陶瓷熱障涂層主要的制備技術有等離子噴涂、電子束物理氣相沉積、激光熔覆、高速火焰噴涂和爆炸噴涂等,其中最常用的兩種制備方法是等離子噴涂(PlasmaSpray,簡稱PS)和電子束物理氣相沉積(ElectronBeam-Physical VaporDeposition,簡稱EB-PVD)。等離子噴涂涂層組織特點是有大量的氣孔與微裂紋?這可以緩解熱應力?提高涂層的熱疲勞壽命。


      4、生物陶瓷涂層

      鈦及其合金、鈷鉻鉬合金和不銹鋼都是臨床上常用的金屬骨植入材料。臨床使用的金屬材料不具有生物活性,與骨組織結合需要改善。對金屬植入體進行表面改性,是改善其生物學性能的必要途徑。


      熱噴涂技術是常用的表面改性手段之一,其制備的生物醫用涂層主要有金屬氧化物涂層(Al2O3,ZrO2,TiO2等)、生物活性羥基磷灰石(HA)涂層等。鈦和羥基磷灰石涂層已廣泛應用于臨床實踐。近年來,硅酸鈣類生物陶瓷涂層的研究亦受到人們的重視。


      5、壓電陶瓷涂層

      壓電陶瓷是具備優異壓電性的一類鐵電體,是一種將機械性能和電能相互轉換的信息功能陶瓷材料。壓電陶瓷除了具有壓電效應外還具有介電性、鐵電性等,已被廣泛應用于醫學成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達、顯示器件等各個領域。近年來,通過應用噴涂技術制備壓電陶瓷涂層正在逐步受到人們的重視。


      參考來源:

      1、熱噴涂技術與應用,吳子健等編者;機械工業出版社。

      2、熱噴涂陶瓷涂層的研究進展;劉英凱①、閻殿然②、路學成③、孟凡愛①、姚俊青①;①博深工具股份有限公司,②河北工業大學,③軍事交通學院。

      3、熱噴涂制備耐磨涂層的研究進展;黨哲,高東強;陜西科技大學機電工程學院。

      4、氧化鋯基陶瓷熱障涂層的研究進展;張??;派力固(大連)工業有限公司質控課。


      標簽:輔料與設備,涂裝應用,技術中心,涂裝
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