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技术服务
热喷涂技术及应用
添加时间:2009-2-27   点击次数:  4222  次

随着涂层新材料和新工艺的不断涌现,热喷涂涂层已在国民经济各个工业部门广泛地应用.加之现代计算机技术、传感测试技术、自动化及机器人技术、真空技术与热喷涂技术的结合和渗透,使得热喷涂技术的深入发展和工业规模化生产均有大幅度的进步和提高。对未来热喷涂发展的方向以及市场与工业规模的预测为:技术附加值高、效益好的如生物工程,航空航天,工、模具,电子工业等,但规模相对较小;要求成本低的大规模产业如汽车工业和钢结构,但技术附加值低;应用面最广的仍是机械工业,包括石油化工、轻纺、能源、冶金、航空、汽车等也均属此范畴。
    热喷涂技术能赋予各类机械产品,特别是关键零部件许多特种功能涂层,形成复合材料结构具有的综合作用,真正做到了"好钢用在刀刃上",是材料科学表面技术发展的一个方向。但热喷涂技术仅通过涂层在机械产品基体表面获得一定的特殊功能,而不能代替基材或提高产品的结构性能。

 应用范围

1 钢铁长效防腐蚀涂层

2 汽车与造船工业中的应用

3 航空、航天工业中的应用

4 钢铁工业中的应用

5 印刷、造纸工业中的应用

7 纺织、化纤工业中的应用

8 电子工业中的应用

9 化学工业中的应用

10、生物医疗器件中的反应

11、机械工业与其他方面的应用

  采用等离子喷涂技术能使基体表面获得一层耐磨损、耐高温、耐腐蚀、耐绝热、导热和绝缘等各种不同特殊性能的涂层。同时,喷涂后的涂层又具有涂层致密、连接强度高、零件变形影响小、喷涂效率高等优点。因此,它在国民经济的各个领域中,具有广泛的应用范围。像现在,航天发动机、绝热内燃料机、高炉风口、出渣口、钢板退火辊、液压启闭器、高压柱塞泵的柱塞、印刷机的网纹辊、纺织机械的导轮、泥浆泵叶轮、环保行业的湿法脱硫除尘器、化工行业的齿轮泵、石油行业的柱塞杆和抽油杆、化肥工业的氨泵柱塞、冶金行业的熔融铝液以及电厂、水泥厂用的粉料输送管道的磨、蚀等问题都采用等离子喷涂技术,来提高它们的耐磨、耐热和防腐蚀等性能。但是,在机器制造中,主要采用等离子喷涂技术对零部件的局部磨损或腐蚀部位进行修复。下面以耐磨、耐热和耐蚀为主要目的,列举等离子喷涂技术在各方面的应用。
一、在卫星、火箭、导弹等方面的应用
1.人造地球卫星在宇宙中飞行时,受到高低温差达几百度的变化,这就使卫星中的仪表元器件无法进行工作。为了使卫星能运行在这种温差悬殊的条件下,仪表能正常工作,可在卫星的外壳上间隔地喷上具有绝热和热辐射等特性的氧化铝涂层,使卫星仪器舱内的温度保持在15~30℃的范围内,以起到保护电子元器件的作用。
2.火箭发动机出口处的燃烧室要求具有很高的耐热性能,采用等离子喷涂耐热性能高的氧化铝涂层,不但可以满足其耐热性能的要求,而且延长了使用寿命。
3.导弹的喷嘴要求具有很高的耐热和耐蚀性能,采用钨作为喷嘴的表面涂层后,它能经受的固体推进剂高速排气的侵蚀,这比没有采用涂层的火箭喷嘴寿命要提高100倍以上。
二、在飞机发动机中的应用
  飞机发动机中的许多零部件,在运行中要求具有耐磨、耐热、耐蚀等综合性能。特别在检修发动机时,对需要修复的零部件,采用等离子喷涂技术是极为经济可行的。我国某工厂对WP-5 型飞机发动机燃烧室火焰筒进行了等离子喷涂。该零件在900℃以上温度中工作,在使用过程中常出现变形、裂纹鼓包和掉块等缺陷。三机部某研究所采用高能等离子喷涂设备,在火焰筒三段组件内壁喷涂氧化锆
高温隔热涂层9件,经工厂试车后涂层完好无缺。
三、在汽车零件制造过程中的应用
  美国福特汽车制造公司,已将等离子喷涂技术作为汽车某些典型零件的工序之一,如在刹车调节器的表面、齿轮换档拔叉、燃料泵里的摇杆和阀杆等零件,已广泛采用耐磨、耐蚀和耐氧化等涂层材料。
在汽车零件的制造过程中,广泛使用了喷钼涂层。在齿轮同步锥度表面上喷涂0.25~0.33毫米的钼涂层,喷涂效率达500 件/小时,使用性能良好;在活塞环表面喷涂钼层后,具有良好的抗边界润滑性能,以保持气密封作用,取代了低磷铸铁活塞环。表1-1为国外汽车活塞环采用不同喷涂方法和不同涂层材料后的涂层特性。


涂层类型

磨损状况

抗蜕变

成本

良好润滑条件

边界润滑条件

电镀铬

满意

线材喷钼

满意

极好

中等

等离子喷铬合金

等离子喷钼合金

满意

极好

满意

中等

等离子喷陶瓷

好至极好

满意至好

极好

等离子喷金属陶瓷

好致极好

满意至好

高至极高

四、在机床制造工业中的应用
1.涂层导轨
  涂层导轨是采用等离子喷涂方法,将合金粉末迅速熔化,以高速喷涂在普通铸铁导轨表面上,使导轨具有很高的耐磨性能。
涂层导轨的特性
(1)涂层导轨具有贮油性能好的孔隙度
  涂层导轨表面是由无数粉末微粒所组成的,粉末微粒之间存在一定的孔隙度。在实际使用过程中,涂层导轨表面的孔隙度将有利于润滑油的贮存。在导轨副润滑条件差、失油现象较为严重以及起动摩擦的情况下,涂层导轨孔隙度的贮油性能就更加显示出它的优越性。
(2)涂层导轨表面具有耐磨性能高的无数硬点所组成
  导轨副之间的接触是若干点的接触。涂层导轨之间的接触点与一般导轨副不一样,它是由无数粉末微粒硬点所组成,粉末微粒硬度达HRC50左右。
(3)涂层导轨具有很好的耐腐蚀性能
  涂层导轨的喷涂材料一般选用自熔性合金粉末,如铁基或镍基合金粉末,这些合金粉末中的镍、铬、硅等元素,均具有很好的耐腐蚀性能。
(4)涂层导轨用于修复导轨的局部磨损或划伤拉毛部位时,能恢复原有导轨的几何尺寸精度。在金属切削加工过程中,各类机床导轨的各部位的磨损量是不均匀的。如车床导轨的局部磨损部位主要在靠车头箱的导轨部位;龙门刨床的局部磨损部位是在床身导轨的中间部位;因此,在导轨的大修理过程中,为了确保机床导轨的直线性精度,导轨的修理是以局部磨损最严重的部位为基准,进行磨削加工,使原有导轨厚度变薄,这就影响到整个机床各部件之间的装配尺寸链,增加了整个机床的修理工作量。采用涂层导轨的方法时,对导轨磨损最严重的部位可以增加涂层的厚度,使其恢复到原有导轨的厚度,而不需要改变其尺寸链,并保证了导轨原有的几何尺寸精度。
(5)涂层导轨的变形影响很小
  经过人工和自然时效处理后的床身导轨,消除了铸件内部的残余应力,确保了床身导轨在使用过程中几何尺寸精度的稳定性。采用高、中频感应淬火床身导轨时,导轨表面层受到高温加热,并急剧冷却,从而引起床身导轨表面层内应力的重新分布,影响导轨在使用过程中几何尺寸精度的稳定性。采用涂层导轨方法时,导轨表面温度不超过150℃,这对床身导轨带来的热影响是微不足道的。
2.机床主轴轴颈的喷涂
  机床主轴的安装是靠装在箱体中的前后轴承来支承的, 与滑动轴承(即铜轴瓦)之间的磨损间隙,将直接影响到机床主轴的回转精度和零件的加工质量。因此,对因主轴前轴颈磨损而报废的主轴,采用等离子喷涂技术进行修复,经磨削加工后即可使用。这样不但节省了材料、加工工时和缩短修理时间,而且提高了轴颈的耐磨性能。经实际试验表明:喷涂后的C6136A主轴轴颈表面的耐磨性能比未经喷涂的轴颈要提高5、6倍。
3.镗床刀杆的喷涂
  在生产批量比较大的机床、汽车、拖拉机制造厂里,均采用专用高效率的镗模专机来加工各类箱体,这些镗模专机需要配备大量的专用镗刀杆和铰刀杆。在切削加工过程中,镗、铰刀杆靠前后模板上的镗模套筒作为导向支承,并通过搪、铰刀杆的旋转和轴向送进来加工箱体。随着镗、铰刀杆磨损量的增加而影响到箱体的镗、铰孔精度。当刀杆磨损到一定限度时,就要更换新的刀杆,刀杆属于柔性轴,加工工作量大,热处理也极为困难。因此,对因磨损而报废的刀杆采用等离子喷涂技术,不但可以恢复其磨损部位的尺寸精度,而且提高了刀杆磨损部位的耐磨性能。
五、在电机制造工业中的应用
1.  60万千瓦汽轮发电机大轴过水表面的喷涂
  我国某电机厂在设计60万千瓦双水内冷汽轮发电机组的过程中,为了简化出水机构,取消了不锈钢甩水箱后,需要在大轴过水表面喷涂防腐层,以确保在长期,(2 年以上)运行中,能承受在80℃ 热水、7 米/秒的高速冲击下,不脱落,不锈蚀,同时能保证水冷却系统的水质清洁,以避免影响到冷却效果和堵塞等故障。该厂采用了等离子喷涂设备,在大轴过水表面上喷涂了0.25毫米厚度的镍包铝涂层。
2. 我国某电机厂生产的720千瓦潜水电机是为60 万千瓦汽轮发电机组锅炉循环泵的拖动电机。无论是在工作状态或是在备用状态,该电机内部均充满了高温高压水,水温为85℃,压力为194公斤/ 平方厘米,流速为2米/秒。根据设计要求,需要在机座及端盖的内表面涂覆一层防腐层,以确保机组安全而可靠地运行。该厂在选用喷涂粉末材料时,做了大量的模拟试验工作,分别采用镍包铝、镍包钛和镍包铝加镍基粉等复合粉末涂层,均能经受压力为194/公斤/平方厘米、水温为80℃ 的考验。考虑到要成本低、工艺可靠,最后采用镍包铝作为涂层材料,同时以聚氨酯漆作“封孔处理“

六、在机车车辆制造工业中的应用
1、柴油机气缸套的喷涂
  在内燃机车运行的过程中,柴油机气缸套的磨损速度很快,北京铁路分局某厂对4000马力柴油机气缸套采用了等离子喷涂技术。
2、柴油机活塞环的喷涂
  铁道部某机车车辆工艺研究所在研究柴油机活塞环的喷涂作了大量的试验研究工作。该所对活塞环表面喷涂了M75-50涂层(此材料为MO:NICRBSI=3:1),并作了工艺试验、装机台架试验以及线路运行使用试验,试验表明:通过对活塞环表面喷涂钼以后,提高了活塞环的耐磨性能和使用寿命。
3、往复式循环压缩机活塞杆的喷涂
往复式循环压缩机活塞杆的表面要求具有一定的耐磨和抗擦伤性能,铁道部某机车车辆工艺研究所采用M75-50(MO:NICRBSI=1:1)作为涂层材料,见到了很好的效果,经过等离子喷涂后的活塞杆,在使用10781小时后,磨损量只有0.02毫米。
七、在冶金工业中的应用
  冶金工业在强化和修复冶金设备和配件的过程中,大力推广应用等离子喷涂技术,见到了很好的技术经济效果。
高炉热风支管的喷涂
  在高炉设备中,热风支管是保证正常供给高炉热风(约1000℃)及使用高温风的关键设备。对该设备要求抗高温氧化性能好,能够承受高压、高温气流的冲击而不漏风,同时还要求抗高温蠕变性强,能够在冷热交变的情况下不易变形。采用等离子喷涂镍包铝复合粉末,使热风支管法兰的寿命比碳钢件提高二倍。在钢件基体表面上喷涂镍包铝(打底层)、镍包氧化铝(中间层)、氧化铝(表面层)的钢风口,通过实际使用,寿命相当于紫铜风口,大量节约了紫铜材料。
八、在印刷工业中的应用
1.对印刷机的印刷辊采用等离子喷涂)氧化铝—氧化钛的粒度较细的粉末后,具有特殊的表面性能,涂层表面孔隙度在印刷辊使用过程中,能保持一定量的油墨,从而提高了印刷辊的使用寿命。
2.印刷机上的夹爪在把纸输送到印刷机上去的过程中,受到纸张的磨损,用超音速喷涂设备喷涂碳化钨(WC)涂层后,不仅提高了夹爪的使用寿命,而且不易损坏纸张。
九、等离子喷涂技术在纺织机械中的应用
  纺织机械中的许多零件,如轴、套,辊、导向杆和牵引件等,均与快速运动的棉纱,人造纤维直接接触,磨损很快。采用等离子喷涂氧化铝、氧化钛等涂层,寿命可提高10倍左右。
十、等离子喷涂技术在电力工业中的应用
  电力工业中的水轮机叶片在使用过程中,受到水流的汽蚀和泥砂的磨损,造成了对水电设备的严重破坏。在水轮机叶片表面上,喷涂上一层0.5毫米厚的镍基自熔性合金粉末,其使用寿命比铸钢叶片提高3~4倍。
十一、在钢铁工业中的应用(退火炉辊)
  在钢铁工业中开发出连续退火系统(Continuous Annealing System),以生产大量各种规格的高质量冷轧薄钢板,由此产生了对高质量炉底辊的需求。这种炉底辊不仅需要有很高的抗磨损和划伤特性,同时也必须消除与铁或氧化铁的粘连。因为辊面的磨痕以及粘连导致的结瘤(即炉底辊表面粘附铁或氧化铁,形成较大颗粒的瘤子,Build up )会严重影响钢板表面质量。采用等离子喷涂陶瓷的涂层被认为既有优异的耐磨性能,又与铁有较低的化学亲合性,因此,陶瓷涂层炉底辊是可以满足这些要求的新型炉底辊。

热喷涂是用火焰、等离子射流、电弧等热源将金属或非金属材料加热到熔化或半熔化状态并加速(或雾化后加速)形成高速熔滴喷射到经过处理的工件表面,形成牢固的覆盖层的过程。采用热喷涂的方法将熔融的金属喷涂在塑料表面使其表面金属化的塑料装饰与装潢越来越引起人们广泛的重视。热喷涂的喷涂温度、熔滴对基体表面的冲击速度及形成涂层的材料的性能构成了喷涂技术的核心。热喷涂技术的整个发展历程基本上是沿着这三个主导线向前推进的。热喷涂的温度和喷涂的速度取决于不同的热源和设备结构。从某种意义上说,热喷涂的温度越高、速度越快,形成的涂层质量越好。
    
热喷涂方法可以赋予材料表面不同的硬度、耐磨、耐腐、耐热、抗氧化性及隔热、绝缘、导电、密封、防微波辐射等各种特殊物理化学性能。像电子计算机、医疗设备等塑料外壳,美丽的金属涂层不但具有装饰效果,而且还可以使其具有防止电磁波、无线电波及静电干扰的功能。就热喷涂技术本身而言,它具有广阔的应用范围。无论是金属、合金还是陶瓷、玻璃、水泥、石膏、塑料、木材都可以作为喷涂的基体材料;喷涂材料也是多样的,金属、合金、陶瓷、塑料、复合材料都可选用。因此,大力推广应用热喷涂技术对提高产品质量,延长产品使用寿命,改进产品结构,节约能源、节约材料、提高工效,降低成本等都起着重要作用。
     
塑料热喷涂工艺的方法有多种,按照所采用的热源来分有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子射流喷涂、气体爆燃喷涂、激光喷涂等多种方法;按喷涂材料的形态来分有粉状、丝状、棒状三种。火焰喷涂法可分别采用三种状态的材料,电弧喷涂只能采用能导电的丝状材料,而等离子喷涂和气体爆燃喷涂则只能采用粉状材料。几乎所有工程材料都可制成粉状,包括金属和非金属,而用于热喷涂的非金属材料又分为陶瓷和塑料两大类。因此,采用粉状材料的喷涂方法能喷涂的材料的种类最多,因而所形成的涂层的功能也最多。在所有热喷涂材料中,粉末材料始终占据着主导地位,而火焰粉末喷涂,尤其是氧-乙炔喷涂是目前应用面较广、数量较多的一种喷涂方法。对于塑料表面,选用何种方法热喷涂,主要考察塑料的热变形温度,一般塑料的工作温度应在热变形温度以下。
    
喷涂是以某种形式的热源将喷涂材料加热熔化,受热的材料形成熔融或半熔融状态的微粒,这些微粒以一定的速度冲击并沉积在基体表面,依靠所谓的“镶嵌”作用,在其表面形成具有一定特性的喷涂层。对于线材,当顶端进入热源的高温区域时即被熔化,形成熔滴;对于粉末,进入高温区域的粉末材料在行进的过程中被熔化或软化。在熔滴雾化阶段,线材的端部形成熔滴,在外加压缩气流或热源自身射流的作用下,使熔滴脱离线材并将其雾化呈细微的熔粒向前喷射;对于粉末,一般不存在熔粒被破碎和雾化的过程,而是气流或热源射流向前。喷射的过程。在行进过程中,颗粒先被加速,而后随着飞行距离的增加而减速。当这些具有一定温度和速度的颗粒接触基材表面时,会以一定的动能冲击基材表面,在基材表面产生强烈的碰撞,产生碰撞的瞬间,颗粒的动能转化成为热能传给基材,并沿凹凸不平的表面产生变形,变形的颗粒迅速冷凝并产生收缩,呈扁平状黏结在基材表面。喷涂的粒子束连续不断地冲击基体表面,产生碰撞-变形-冷凝收缩的过程,变形的颗粒与基材表面之间、颗粒与颗粒之间相互交错,形成涂层
 
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