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热喷涂方法分类及工艺原理简介

更新时间  2018-08-31 10:08:49 阅读

一 热喷涂分类(Classification)方法

超音速喷涂

  作为新型的实用工程技术目前尚无标准的分类方法,一般按照热源的种类,喷涂材料的形态(pattern)及涂层的功能来分。陶瓷喷涂对在各种恶劣环境下工作的普通材质各类形状部件表面进行强化处理,处长金属材料寿命。如按涂层的功能分为耐腐,耐磨(nài mó),隔热等涂层,按加热和结合方式可分为喷涂和喷熔:前者是机体不熔化,涂层与基体形成机械结合;后者则是涂层再加热重熔,涂层与基体互溶并扩散形成冶金结合。
  平常接触较多的一种分类(Classification)方法是按照加热喷涂材料的热源种类来分的,按此可分为:
  ① 火焰类,包括火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂;
  ② 电弧类,包括电弧喷涂和等离子喷涂;
  ③ 电热(diàn rè)法 , 包括电爆喷涂、感应加热喷涂和电容放电喷涂;
  ④ 激光(LASER)类:激光喷涂。
二 火焰类喷涂
1 、火焰喷涂 :火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。
<1> 线材火焰喷涂法:是最早发明的喷涂法。它是把金属线以一定的速度送进喷枪里,使端部在高温火焰中熔化,随即用压缩空气把其雾化并吹走,沉积(sedimentation)在预处理过的工件表面上。  
    表示丝材火焰喷涂的装置(device)。 则是丝材火焰喷涂枪的剖面图,它示出了丝材火焰喷涂的基本原理。喷涂源为喷嘴,金属丝穿过喷嘴中心,通过围绕(circumfuse)喷嘴和气罩形成的环形火焰中,金属丝的尖端连续(Continuity)地被加热到其熔点。然后,由通过气罩的压缩空气将其雾化成喷射粒子,依靠空气流加速喷射到基体上,从而熔融的粒子冷却到塑性或半熔化状态,也发生一定程度的氧化。粒子与基体撞击时变平并粘结到基体表面上,随后而来的与基体撞击的粒子也变平并粘结到先前已粘结到基体的粒子上,从而堆积成涂层。
  丝材的传送靠喷枪中空气涡轮或电动马达旋转,其转速可以调节,以控制送丝速度。采用空气涡轮的喷枪,送丝速度的微调比较困难,而且其速度受压缩空气的影响而难以恒定,但喷枪的质量轻,适用于手工操作;采用电动马达传送丝材的喷涂设备,虽然送丝速度容易调节,也能保持恒定,喷涂自动化程度高,但喷枪笨重,只适用于机械喷涂。在丝材火焰喷枪中,燃气火焰主要用于线材的熔化(定义:物质由固态变成液态的变化过程),适宜于喷涂的金属丝直径一般为 1.8 ~ 4.8mm 。但有时直径较大的棒材,甚至一些带材亦可喷涂,不过此时须配以特定的喷枪。
粉末火焰喷涂法:它与丝材火焰喷涂的不同之处是喷涂材料(Material)不是丝材而是粉末。超音速喷涂工作原理:由小孔进入燃烧室的液体燃烧,如煤油,经雾化与氧气混合后点燃,发生强烈的气相反应,燃烧放出的热能使产物剧烈膨胀,此膨胀气体流经Laval喷嘴时受喷嘴的约束形成超音速高温焰流。此焰流加热加速喷涂材料至基体表面,形成高质量涂层。 分别为为粉末火焰喷涂装置和原理示意图。
  在火焰喷涂中通常使用乙炔和氧组合燃烧而提供热量,也可以用甲基乙炔 , 丙二烯( MPS ) , 丙烷,氢气或天然气。火焰喷涂可喷涂金属,陶瓷,塑料等材料,应用非常灵活,喷涂设备轻便简单,可移动,价格低于其他喷涂设备,经济(Economy)型好,是目前喷涂技术(Technology)中使用较广泛的一种方法。但是,火焰喷涂也存在明显的不足。如喷出的颗粒速度较小,火焰温度较低 , 涂层的粘结强度及涂层本身的综合强度都比较低 , 且比其他方法得到的气孔率都。此外,火焰中心为氧化气氛,所以对高熔点材料和易氧化材料,使用时应注意。为了改善火焰喷涂的不足,提高结合强度及涂层密度,可采用将压缩空气或气流加速装置来提高颗粒速度;也可以采用将压缩气流由空气改为惰性气体(gases)的办法来降低氧化程度,但这同时也提高了成本。
2 、爆炸喷涂
  爆炸喷涂:利用氧气和乙炔气点火燃烧,造成气体膨胀而产生爆炸,释放出热能和冲击波 , 热能使喷涂粉末熔化 , 冲击波则使熔融粉末以
  爆炸涂层形成的基本特征,一般认为仍然是高速熔融粒子碰撞基体的结果。爆炸喷涂的最大特点是粒子飞行速度高 , 动能大 , 所以爆炸喷涂涂层具有:
  ① 涂层和基体的结合强度高,
  ② 涂层致密,气孔率很低,
  ③ 涂层表面加工后粗糙度低,
  ④ 工件表面温度低。爆炸喷涂可喷涂金属 , 金属陶瓷及陶瓷材料 , 但是由于该设备(shèbèi)价格高 , 噪音大 , 属氧化性气氛等原因 , 国内外应用还不广泛(extensive)。目前世界上应用最成功的爆炸喷涂是美国联合碳(C)化物(carbide)公司林德分公司 1955 年取得的专利 , 其设备及工艺( technology)参数至今仍然保密。我国于 1985 年左右 , 由中国航天工业部航空材料研究所研制成功爆炸喷涂设备 , 就 Co/WC 涂层性能来看,喷涂性能与美国联合碳化物公司的水平接近。
  在爆炸喷涂中 , 当乙炔含量为 45% 时,氧 - 乙炔混合气可产生 3140 ℃ 的自由燃烧温度 , 但在爆炸条件下可能超出 4200 ℃ ,所以绝大多数粉末能够熔化。粉末在高速枪中被输运的长度远大于等离子(ion)枪 , 这也是其粒子速度高的原因。
3 、超音速喷涂
  为了与美国碳化物公司的爆炸喷涂抗争 , 上世纪 60 年代初期 , 美国人 J.Browning 发明了超音速火焰喷涂技术 , 称之为 "Jet-Kote", 并于 1983 年获得美国专利。近些年来 , 国外超音速火焰喷涂技术发展迅速 , 许多新型装置出现 , 在不少领域正在取代传统的等离子喷涂。在国内 , 武汉材料保护研究(research)所 , 北京钢铁研究总院 , 北京钛得新工艺材料等也在进行这方面研究 , 并生产出有自己特色的超音速喷涂装置。
  超音速火焰喷涂枪
  燃料气体 ( 氢气 , 丙烷 , 丙烯或乙炔-甲烷 - 丙烷混合气体等 ) 与助燃剂( O2 )以一定的比例导入燃烧室内混合,爆炸式燃烧,因燃烧产生的高温气体以高速通过膨胀(inflate)管获得超音速。碳化钨喷涂碳化钨不溶于水、盐酸和硫酸,易溶于硝酸-氢氟酸的混合酸中。纯的碳化钨易碎,若掺入少量钛、钴等金属,就能减少脆性。用作钢材切割工具的碳化钨,常加入碳化钛、碳化钽或它们的混合物,以提高抗爆能力。碳化钨的化学性质稳定。碳化钨粉应用于硬质合金生产材料。同时通入送粉气( Ar 或 N2 ),定量沿燃烧头内碳化钨(wolfram)中心套管送入高温燃气中,一同射出喷涂于工件上形成涂层。
  在喷涂机喷嘴出口处产生的焰流速度一般为音速的 4 倍,即约 1520m/s ,最高可高达 2400m/s
  (具体与燃烧气体种类,混合比例,流量,粉末质量和粉末流量等有关)。粉末撞击到工件表面的速度估计为 550-760m/s ,与爆炸喷涂相当。 Jet-Kote 法之所以能有这么高的速度,关键在于按流体力学的原理合理设计制造了一个喷嘴,称之为 Laval 管的膨胀(inflate)管。
  由流体力学知:对一维可压缩(compression)流体,则有: ds/s=(M2-1)dv/v
  其中: S― 管器截面积; M= v/v 声(马赫数); V -流体速度
  由式中我们看出:当 V>v 声,即M >1 时,则 dv 与 ds 符号相同 , 即随管道截面积变大 (ds 为正 ) 时 , 流体速度也增大。当 V<v 声,即M <1 时,则 dv 与 ds 符号相反 , 即随管器截面积变小 (ds 为负)时 , 流体速度亦增大。所以 , 只要管子设计合理 , 则流体在速度低时 , 只要经过足够压缩 , 即可在管器某一截面 ( 如 AB) 达到声速 , 过了这一截面后 , 将获得超音速。超音速喷涂法具有如下的特点:

  ① 粉粒温度较低 , 氧比较轻 ( 这主要是由于粉末颗粒在高温中停留时间短 , 在空气中暴露时间短的缘故,所以涂层中含氧化物量较低 , 化学成分和相的组成具有较强的稳定(解释:稳固安定;没有变动)性 ) ,但只适于喷涂金属粉末、 Co-Wc 粉末以及低熔点 TiO2 陶瓷粉末;

  ② 粉粒运动速度高。

  ③ 粉粒尺寸小( 10 ~ 53>μm )、分布范围(fàn wéi)窄,否则不能熔化。

  ④ 涂层结合强度、致密度高,无分层现象。

  ⑤ 涂层表面粗糙度低。

  ⑥ 喷涂距离可在较大范围内变动,而不影响喷涂质量。

  ⑦ 可得到比爆炸喷涂更厚的涂层,残余应力也得到改善。

  ⑧ 喷涂效率(efficiency)高,操作(operate)方便。

  ⑨ 噪音大(大于 120dB ),需有隔音和防护装置。

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