熱噴涂專業(yè)技術的發(fā)展和應用.doc

表面工程學 論文 表面工程學 論文 班 級 材科 101 學生姓名 宋俊偉 學 號 201001524125 指導教師 湯峰 熱噴涂技術的發(fā)展和應用熱噴涂技術的發(fā)展和應用 摘要 主要介紹了熱噴涂的基本方法 設備 材料和涂層特性 以及當前的 發(fā)展動態(tài)和應用情況 并簡要介紹了應用研究的前景 關鍵詞 熱噴涂加工技術 加工原理 應用現(xiàn)狀 發(fā)展前景 引言引言 熱噴涂是一種迅速發(fā)展的表面強化新工藝新技術 它采用專用設備 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 小微粒并噴射到機件表面 形成覆蓋涂層 以提高機件耐磨 耐蝕 耐熱等性 能 熱噴涂技術最早出現(xiàn)在上世紀早期的瑞士 隨后在蘇聯(lián) 德國 日本 美 困等圉得到了不斷的發(fā)展 各種熱噴涂設備的研制 新的熱噴涂材料的開發(fā) 新技術的不斷應用 使熱噴涂涂層質(zhì)量得到了不斷的提高 并不斷開拓新的應 用領域 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與設備 以及一系列噴涂噴焊粉末新材料 各種熱 噴涂技術趨于成熟 噴涂裝置日益完善 不僅能噴金屬 合金 陶瓷 還能 噴涂塑料和復合材料 近幾年來電子計算機在等離子噴涂系統(tǒng)中的應用 使熱 噴涂技術達到了相當完善的地步 不僅使應用范嗣大為擴展 而且使涂層質(zhì)量 有了質(zhì)的飛躍 熱噴涂技術不僅涉及到材料學 表面物理化學 流體力學 傳熱學 等離子物理等 還涉及到機械 計算機和新材料等學科 是一門交叉 邊緣學科 1 1 熱噴涂技術簡介熱噴涂技術簡介 熱噴涂技術是通過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基體材料不具備的表 面性能膜狀組織 其噴涂溫度 熔滴對基體表面的沖擊速度及形成涂層的材料 構成了噴涂技術的核心 溫度和速度取決于不同的熱源和設備 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 是熱噴涂技術的另一種優(yōu)勢 正是這三種要素 以及其他多項可控的影響 因素 使熱噴涂成為真正的具有疊加效果的獨特技術 它可以設計出所需的多 種多樣的改性表面 從而在機械維修 航天和生物工程等高技術領域得到廣泛 應用 2 2 熱噴涂基本原理熱噴涂基本原理 2 2 1 1 熱噴涂原理熱噴涂原理 熱噴涂過 程一般可分為以下四個步驟 圖 1 1 材料加熱 噴涂線材或粉末進入熱源高溫區(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 霧化成微細熔滴向前噴射 3 噴射飛行 微細熔滴被加速形成粒子流 在 介質(zhì) 中飛行運動速度逐漸減 小 4 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 噴涂涂層是南無數(shù)變形粒子互相交錯呈波浪式堆疊在一起而形成的層狀組織結 構 3 熱噴涂技術分類與特點熱噴涂技術分類與特點 20 世紀末 熱噴涂技術的發(fā)展十分迅速 并迅速被推廣使用 1980 年到 2000 年 熱噴涂市場的變化見表 1 到 20 世紀末 等離子噴涂仍然居主導 地位 值得注意的是 高速火焰噴涂 HVOF 迅速發(fā)展 將占據(jù) 25 的市場比 例 居第二位 電弧噴涂技術 由于經(jīng)濟性好 涂層性能比火焰噴涂層優(yōu) 越 將部分代替火焰噴涂技術上升到第三位 表1 主要熱噴涂方法的應用比例 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 1 火焰噴涂 火焰噴涂 火焰噴涂是最早得到應用的一種噴涂方法 它以氧氣 燃氣火焰作為熱源 噴涂材料以一定的傳送方式送入火焰 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 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 火焰噴涂具有設備簡單 操作容 易 工藝成熟 投資少等優(yōu)點 新型火焰噴涂槍可以噴涂各種金屬 陶瓷 金 屬加陶瓷的復合材料 各種塑料粉末材料的涂層 盡管等離子和 HVOF HVAF 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 雜 設備笨重 無法現(xiàn)場施工 應用范圍受到極大限制 在在防腐和維修市場 難以推廣普及 新型火焰噴涂設備與技術和超音速電弧噴涂設備與技術在防腐 和修復市場中永遠是主要技術力量 粉 末 火 焰 噴 涂 的 原 理 示 意 圖 2 2 電弧噴涂 電弧噴涂 電弧噴涂是高效率 高質(zhì)量 低成本的一項工藝 是目前熱噴涂技術中最 受重視的技術之一 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 熱效率高 對工件的熱影響小 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 60 70 電弧噴涂時不形成火焰 因而在噴涂過程中工件始終處 于低溫 避免了工件熱變形 可獲得優(yōu)異的涂層性能 電弧噴涂技術可以在 不使用貴重底材的情況下得到較高的結合強度 采用適當?shù)膰娗按只幚矸椒?噴涂層與基本結合強度可達普通火焰噴涂層的 2 倍以上 使用 2 根成分不同的 金屬絲還可以制備出假合金涂層 以獲得具有獨特綜合性能的涂層 生產(chǎn)率 高 電弧噴涂的生產(chǎn)效率正比于噴涂電弧電流 當電弧電流為 300 A 時 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)濟性好 電弧噴涂能源利用率高 而且電能的價格遠遠低于燃氣價格 施工成本為火焰噴涂的 l 10 以下 設備投資為等離子噴涂的 1 3 以下 電弧噴涂技術的應用已經(jīng)在各行各業(yè)取得了顯著成效 利用電弧噴涂在鋼 鐵構件上噴涂鋅 鋁涂層 可對鋼構件進行長效防腐防護 例如我國南海地區(qū) 由于高溫 高濕 高鹽霧 船舶腐蝕嚴重 中修艦船的鋼結構應用電弧噴涂鋁 合金涂層防腐 經(jīng) 5 年考核效果明顯 測算預計壽命可提高到 15a 以上 山西 晉山煤礦 河南鐵王溝煤礦等井筒鋼結構進行電弧噴涂防腐防護 預計壽命在 30a 以上 電弧噴涂作為一種優(yōu)質(zhì)的修復技術 在機械零件上噴涂碳鋼 鉻鋼 青銅 巴氏合金等材料 用于修復已磨損或尺寸超差的部位 已在機械維修和 機械制造業(yè)得以應用 采用該技術修復造紙烘缸 修復大馬力發(fā)動機曲軸也已 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用的另一重要領 域 例如在電容器上噴涂導電涂層 在塑料制品上噴涂屏蔽涂層 在內(nèi)燃機零 件上制備熱障涂層 在石頭 石膏等材料上噴涂銅 錫 鋁等金屬進行裝飾等 等 3 3 等離子噴涂 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 等離子體溫度可達 20000K 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 工作氣體為氮氣和氫氣或氬氣和氫氣 載引下 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 年來等離子噴涂發(fā)展很快 目前已開發(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 等離子噴涂已成為熱噴涂技術中的最重要 的一項工藝方法 這些新技術在工業(yè)生產(chǎn)上的應用日益顯示出優(yōu)越性和重要性 等離子噴涂的噴涂材料范圍廣 涂層組織細密 氧化物夾渣含量和氣孔率都較 低 氣孔率可控制到 2 5 涂層結合強度較高 可達 60MPa 以上 該噴涂技 術主要用于制備質(zhì)量要求高的耐蝕 耐磨 隔熱 絕緣 抗高溫和特殊功能涂 層 已在航空航天 石油化工 機械制造 鋼鐵冶金 輕紡 電子和高新技術 等領域里得到廣泛應用 4 4 高速火焰噴涂 高速火焰噴涂 HVOFHVOF 和其他噴涂技術 和其他噴涂技術 高速火焰噴涂目前主要指超音速火焰噴涂 8 有時人們也將爆炸噴涂認為 是高速火焰噴涂的一種 高速火焰噴涂技術 將燃氣 丙烷 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 氣體燃燒膨脹形成的熱氣流使噴涂粒子達到極高的飛行速度 火焰噴射速度為音速的 2 倍以上 而噴涂熔粒的速度可達 300 1000m s 1 噴涂粉粒在火焰中加熱時間長 受熱均勻 能形成良好的微小熔滴 噴涂粉粒 主要在噴涂槍中加熱 離開噴槍后飛行距離短 因而和周圍大氣接觸時間短 在噴涂過程中幾乎不和大氣發(fā)生反應 噴涂材料不受損害 微觀組織變化小 這對噴涂碳化物材料特別有利 可避免分解和脫炭 基于以上特點 高速火焰噴涂獲得的涂層光滑 致密性好 結合強度高 涂層空隙率可小于 0 5 結合力可達 100MPa 以上 被廣泛用于制備高致密性 高結合強度 低孔隙率要求的涂層 例如噴涂 WC 12 Co 涂層幾乎沒有氣孔 而且硬度高 加工后可達鏡面 但是 由于高速火焰噴涂的設備及噴涂材料等 成本太高 不適合我國國情 限制了其在我國的應用 同樣 爆炸噴涂和激光 噴涂也是由于這個原因限制其推廣應用 4 4 熱噴涂技術的應用熱噴涂技術的應用 熱噴涂的應用主要集中在以下幾個方面 1 在鋼鐵工業(yè)中的應用 在鋼鐵加工過程中 需要大量經(jīng)過表面處理的輥類 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)中的應用 主要是工業(yè)鍋爐的防腐 水輪機過流部件抗汽蝕耐 磨損噴焊 燃汽輪上的應用等 3 在造紙機械和印刷機械上的應用 4 在汽車行業(yè)中的應用 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 熱噴涂技術在汽車行業(yè)中的應用是其向著大批量 自動 化方向發(fā)展的標志之一 5 在生物工程 人工植入方面的應用 人們在利用人工關節(jié)提高人體機能方 面取得了很大的進步 影響人工關節(jié)性能的一個主要問題就是關節(jié)與骨組 織的結構結合 近年來 熱噴涂技術在冶金工業(yè)領域獲得較大發(fā)展 尤其日本和德國這些國家 歷來重視在汽車 冶金和能源等民用支柱產(chǎn)業(yè)中開發(fā)與應用這一技術 5 5 當前我國熱噴涂技術特點當前我國熱噴涂技術特點 腐蝕和磨損是造成材料和零部件失效的主要原因 據(jù)有關資料報導 發(fā)達 國家每年由于磨損和腐蝕造成的經(jīng)濟損失約占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的 4 5 全世 界每年生產(chǎn)的鋼材約 1 10 將變成鐵銹 我國每年腐蝕 磨損造成的損失已達幾 仟億元 所以熱噴涂技術的推廣應用在國民經(jīng)濟建設中越來越顯得重要 當前 我國熱噴涂技術已經(jīng)發(fā)展到了一個嶄新階段 其噴涂工藝已從氧乙炔火焰金屬 粉末噴涂 焊 為主向高能 高速度先進設備方向發(fā)展 應用范圍已從舊修利 廢為主向新產(chǎn)品預保護和強化方向發(fā)展 5 15 1 幾種新工藝技術的應用幾種新工藝技術的應用 1 爆炸噴涂 超音速噴涂 HVOF HVAF 噴涂連鑄機軋輥和爐底輥 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 機軋輥和爐底輥 噴涂 Cr3C2 涂層和 Al2O3 ZrO2 陶瓷涂層取得了良好效果 已有許多成功實例 2 采用激光重熔 高頻感應重熔 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 連鑄機低溫段各種軋輥 如 1450 軋機輸 送輥 廣泛應用 克服了以往的氧乙炔火焰重熔功率低 易變形等缺 保證了 涂層質(zhì)量 采用高頻重熔技術生產(chǎn)的石油光桿已出口國外 3 電弧噴涂 Ni Cr Ti 45CT Cr3C2 Ni70 Cr30 涂層已在電廠鍋爐對流 受熱面上廣泛應用 目前國內(nèi)已有 30 多個電廠鍋爐對流受熱面上廣泛應用 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防工業(yè)中發(fā)揮了重要作用 6 引進的 HVOF HVAF 以及高能等離子噴涂設備正在攻克鋼廠結晶管 7 TiB2 Al2O3 TiB2 涂層正在攻克電介槽節(jié)能課題 同時也在攻克熔融金 屬腐蝕問題 8 棒材及陶瓷軟線噴涂 正在為現(xiàn)場噴涂陶瓷及合金涂層服務 解決了一部 分等離子 超音速現(xiàn)場不能噴涂的問題 9 鋅 鋁及其合金大面積長效防護涂層 已在國內(nèi)重大工程中應用 如新建 的長江大橋水閘門 大型管道 煤礦井筒等大型工程應用已百余例 10 冷噴涂技術正在興起 冷噴涂技術 CGDS 或 HVPC 簡稱 冷噴涂 是近年來發(fā)展起來的一門新興 表面工程技術 自 95 年以來 每年舉辦的國際熱噴涂會議 關于冷噴涂方面的 論文明顯增多 冷噴涂技術已經(jīng)成為國際熱噴涂研究熱點之一 其應用上已經(jīng) 得到世界各國科學界工業(yè)界重視 5 25 2 目前國內(nèi)熱噴涂技術發(fā)展趨勢目前國內(nèi)熱噴涂技術發(fā)展趨勢 我國熱噴涂技術發(fā)展現(xiàn)狀無論從材料 設備 工藝 科研都提高很快 但 與先進國家相比還有一定差距 但就發(fā)展趨勢和應用方面的特點與國外比也是 相吻和的 6 6 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 目前 國內(nèi)外的熱噴涂設備正朝著高能 高速 高效發(fā)展的同時 軸向送粉 技術 多功能集成技術和實時控制技術也將成為熱噴涂設備的發(fā)展方向 設備 的不斷發(fā)展將使可噴涂材料的范圍更廣 制備納米 非晶 導熱 催化 導電 絕緣 超導 隱身等功能涂層將成為熱噴涂研究的熱點 利用各種在線監(jiān)測技 術確定粉末在噴涂過程中的流體動力學特征 建立噴涂粒子的溫度場和速度場 深入理解涂層的形成過程 從而得出各個噴涂參數(shù)對涂層結構和性能的影響規(guī) 律 采用各種先進的聲 光 電無損檢測技術 對涂層性能進行在線診斷 評 估涂層質(zhì)量和預測涂層壽命 是未來熱噴涂涂層質(zhì)量監(jiān)控的重要研究方向 隨 著熱噴涂技術的不斷發(fā)展 熱噴涂涂層必將更加廣泛地應用到國民經(jīng)濟發(fā)展的 各個領域中 參考文獻參考文獻 1 吳子健等 熱噴涂技術與應用 機械工業(yè)出版社 2005 10 2 師昌緒 表面工程與維修 M 北京 機械工業(yè)出版社 1996 3 徐濱士 馬世寧 劉家浚 表面工程的發(fā)展 J 電鍍與涂飾 1998 17 3 42 47 4 徐濱士等 中國表面工程的發(fā)展 C 中國機械工程學會 60 周年先進制造 技術學術會議論文集 1996 23 28 5 胡傳炘 熱噴涂原理及應用 M 中國科學技術出版社 1994 6 徐濱士等 中國表面工程的發(fā)展 C 中國機械工程學會 60 周年先進制造 技術學術會議論文集 1996 23 28 7 徐濱士 李長久等 表面工程與熱噴涂技術及其發(fā)展 J 中國表面工程 1998 1 3 9 8 田保紅 胡軍志 徐濱士等 高速電弧噴射沉積 Fe3Al 涂層研究 J 金 屬熱處理 2000 1 3 26 9 謝鐵兵 劉憲軍 電弧噴涂管狀絲材新發(fā)展及應用 J 表面技術 1999 28 3 30 33 10 蔣建敏 賀定勇 門玉芹 張秀英 新型熱噴涂粉芯絲材的研究及應用 機 械工人 熱加工 2003 年第 9 期 熱質(zhì)涂特別策劃專輯 11 賀定勇 蔣建敏等 電弧及火焰噴涂用粉芯線材的研究及應用 J 焊接 設備與材料 2001 30 5 39 40 12