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熱噴涂技術在冶金行業的應用及其發展

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熱噴涂技術在冶金行業的應用及其發展

熱噴涂技術是通過某種熱源將某些材料加熱至熔融或半熔融狀態,然后噴射到涂敷的基體表面,形成一層性能優于原來基體的涂層,從而使原工件具有更加優異的表面性能,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.這些表面性能包括耐磨、耐腐、耐熱、抗氧化、隔熱、絕緣、導電、密封、消毒、防微波輻射以及其他各種特殊的物理化學性能。目前,包括航空、航天、原子能設備、電子等尖端技術在內的很多領域內,熱噴涂技術都得到了廣泛應用,并取得了良好的經濟效益。
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熱噴涂技術在冶金行業的應用及其發展

 

  熱噴涂技術是通過某種熱源將某些材料加熱至熔融或半熔融狀態,然后噴射到涂敷的基體表面,形成一層性能優于原來基體的涂層,從而使原工件具有更加優異的表面性能,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.這些表面性能包括耐磨、耐腐、耐熱、抗氧化、隔熱、絕緣、導電、密封、消毒、防微波輻射以及其他各種特殊的物理化學性能。目前,包括航空、航天、原子能設備、電子等尖端技術在內的很多領域內,熱噴涂技術都得到了廣泛應用,并取得了良好的經濟效益。

噴涂材料包括金屬、陶瓷和塑料等。噴涂層的形成包括噴涂材料的加熱熔化階段、熔滴的霧化階段、粒子的飛行階段和粒子的噴涂階段。涂層與基體的結合有機械結合、擴散結合、物理結合和冶金結合。在使用放熱型噴涂材料或采用高溫熱源噴涂時,熔融態的噴涂材料粒子會與熔化態的基體產生焊接現象,形成微區的冶金結合,提高涂層與基體的結合強度。噴涂層內的粒子之間的結合以機械結合為主,而擴散結合、物理結合、冶金結合等也共同起作用。

1.熱噴涂技術特點

熱噴涂方法大體可分為火焰噴涂法、爆炸噴涂法、超音速噴涂法、電弧噴涂法、等離子噴涂法等。

11火焰噴涂

利用火焰為熱源,將金屬與非金屬材料加熱到熔融狀態,在高速氣流的推動下形成霧流,噴射到基體上,噴射的微小熔融顆粒撞擊在基體上時,產生塑性變形,成為片狀疊加沉積涂層,這一過程稱為火焰噴涂。

火焰噴涂法是目前噴涂技術中使用較廣泛的一種工藝。采用火焰噴涂法技術,可以制備各種純金屬、合金、陶瓷等涂層。

12爆炸噴涂

爆炸噴涂是先將一定比例的氧氣和乙炔由供氣口送入冷噴槍的燃燒室,經火花塞點火,氧氣和乙炔混合氣體發生爆炸式燃燒,然后由送粉器將噴涂粉末送入燃燒室,其熱能將噴涂粉末加熱到一定狀態,最后在爆炸沖擊波的作用下把粉末顆粒噴向工件表面而形成涂層。

爆炸噴涂法是一項技術難度較大、工藝性能較強的新技術,也是一種高能噴涂方法。與一般火焰噴涂相比,必須提供足夠高的氣體壓力,氣體的消耗也很大。

13電弧噴涂

電弧噴涂是利用燃燒于兩根連續送進的金屬絲之間的電弧來熔化金屬,用高速氣流把熔化的金屬霧化,并對霧化的金屬粒子加速使它們噴向工件形成涂層的技術。電弧噴涂法對各種金屬材料都能噴涂,大量地應用于防腐、耐磨等到工程。目前,電弧噴涂法已經從一種粗糙的高噴涂率的技術落后演化為能以低成本生產具有高質量涂層的較為精密的手段。

14等離了噴涂

等離子噴涂是用等離子體發生器(等離子噴槍)產生等離子體,同時送粉器管中輸送的粉末在等離子體焰流中被加熱至熔化狀態,并高速噴涂在工件表面而形成涂層。等離子噴涂是繼火焰噴涂之后大力發展起來的一種新型多用途的精密噴涂方法,近幾年來在我國發展較快。

2.熱噴涂技術在冶金領域的應用

冶金工業生產的特征為:冶金工業生產從礦石到金屬材料,每環節的主體設備都處于高磨損、高負荷、高溫和腐蝕等極其惡劣的工況條件下,這些因素導致生產設備的失效,使冶金工業成為國民經濟的耗材耗能大戶。熱噴涂技術在連鑄結晶器短邊銅板、冷軋工藝等方面有著廣泛的應用。

寶鋼的畢剛對連鑄結晶器銅板噴涂進行了研究,熱噴涂涂層試樣取自于正式結晶器銅板產品,為超音速火焰噴涂鎳基金屬陶瓷涂層,厚度1mm,試驗結果表明,熱噴涂涂層不論是高溫硬度衰減,還是高溫摩擦磨損性能方面,都遠遠優于鎳電鍍層。熱噴涂涂層比鎳具有更為優異的綜合性能,高溫顯微硬度約為鎳電鍍層的4倍,高溫耐磨性能紙煙鎳電鍍層的5倍。因此,隨著結晶器長邊銅板熱噴涂技術的突破,綠色環保熱噴涂技術將會逐步替代傳統電鍍技術。

在帶鋼熱鍍鋅過程中,沉沒輥和穩定輥無浸泡于鋅液中,通常輥體村料均采用不銹鋼,但是不銹鋼耐熔狀態的辛液侵蝕能力較差,現在通常的做法是使用WC-Co層,有了鈷基碳化鎢涂層后,大大提高了輥子的使用壽命,同時也提高了帶鋼的表面質量。

對于熱鍍鋅、熱鍍鋁來說,由于鍍液的溫度更高(600ºC以上),侵蝕能力更強,大大縮短了沉沒輥的使用壽命,提高了成本,現有的WC-Co已經不能滿足要求,迫切需要開發新的涂層品種。

由于長期高溫的作用,冷軋連續退火爐中的爐輥表面容易出現結瘤現象。結瘤是帶鋼在爐內產生劃傷、硌印、麻點的根本原因,因而防止爐輥結瘤是爐內帶鋼質量的重要保證。維持爐輥表面粗糙度是保證帶鋼在爐內正常運行,解決滑動和跑偏的重要措施,另外還需要爐輥有良好的耐熱沖擊性能。選擇有效的熱噴涂涂層能夠幫助解決這些問題,常用的涂層材料包括:McrAl、r3C-NiCrey MCrAl+Al2O3等。

隨著DP、TRIP等新型高強度鋼的發展,對于連續退火爐輥的要求也在不斷提高。帶鋼強度的提高必然帶來爐內張力的增加,這就要求爐輥有更高的承載能力,新型高強鋼一般要求更高的退火溫度,這就要求爐輥有更好的耐熱能力。此外,這些高強度鋼中的合金元素含量特別是Si.Mn等的含量一般均較高,Si的氧化物在帶鋼表面富集,通過摩擦、粘結轉移到爐輥表面,Mn元素與涂層中的上些化學穩定性較差的Cr2O3、Al2O3等化合成一些復雜氧化物,形成積瘤。因此需要開發新的性能更好、更能滿足連續退火爐工藝要求的熱噴涂層材料。

3.涂層種類及應用情況

3.1熱障涂層

熱障涂層是一種具有良好隔熱情能的陶瓷材料,涂到航空發動機的關鍵熱端部件表面,厚度一般不起過0.5 mm,能有效避免航空渦輪發動機熱端部件與高溫燃氣直接接觸,從而為發動機熱端部件提供有效保護。近幾年來,隨著航空發動機向高流量比、高渦輪進口溫度和高推重比方向發展,發動機燃氣溫度進一步提高,使得熱障涂層技術顯得更加重要,有關涂層制備方法的研究在國內外更加活躍。制備熱障涂層常的熱噴涂方法有火焰噴涂、爆炸噴涂、等離子噴涂等,其中爆炸噴涂工藝是熱障涂層制備技術研究的重點。

32納米涂層

熱噴涂過程中,納米顆粒的熔融行為與普通顆粒的熔融行為有所不同。普通顆粒在噴涂時僅是表面熔融,但納米顆粒因其比表面積大、活性高、熔點相對降低而易被加熱熔融。由于熔融程度較好,納米顆粒在碰到基體后變形劇烈,平鋪性明顯較普通顆粒好,涂層致密,孔隙率低,加之納米材料自身所具有的特殊性能,熱噴涂納米結構涂層表現在性能上就是結合強度大、硬度和塑性同時提高、耐腐蝕性好、斷裂強度好、劃痕抗力提高等。

納米涂層的開發研究還不十分成熟,但是由納米粉體材料形成的表面納米結構,其潛在的應用范圍涉及整個高新技術產業、民用工業和國防等重要領域,從渦輪葉片的熱障涂層到轉動件的耐磨和耐腐蝕涂層,以及高性能戰機的隱身涂層等,潛在的經濟規模十分巨大。

目前,利用熱噴涂技術制備納米涂層主要采用兩種方式:

  1. 制備具有部分納米特征的宏觀涂層,即在制備時將含量相對較少的納米顆粒加入傳統涂層中,使傳統涂層成為納米顆粒彌散強化的、具有一定納米特征的復合涂層。
  2. 制備完全由納米顆粒構成的宏觀涂層,即讓厚度在微米甚至毫米量級的宏觀涂層完全由納米顆粒構成,而賦予涂層極為優異的工程式性能。

熱噴涂納米結構涂層主要存在兩個問題:

  1. 納米顆粒的輸送問題。納米粉體不能直接用于熱噴涂,否則會產生燒損和飛揚等問題,并且由于納材料本身的表面與界面效應,納米顆粒極易團聚,流動性差,會給輸送管道造成一不定的堵塞。為了充分利用納米顆粒的優良性能并滿足現有工藝技術的要求,須將納米材料制備成能夠直接熱噴涂的微米級納米結構喂料。
  2. 納米顆粒的燒結長大問題。納米粒子比表面積大,表面活性高,致使熔點下降,噴涂過程中容易燒結長大而改變性狀,最終影響到涂層中納米晶結構的保持。

33非晶涂層

非晶合金具有較高的強度、硬度和優良的耐磨、耐蝕及磁學性能。國內外對熱噴涂非晶合金涂層材料進行了大量研究。在鎳基體系有Ni2Zr2Si2Sn.Ni2Cr2MoB等非晶涂層;鐵基非晶涂層體系Fe2CrMo2(C.B).Fe2Cr2P2C.Fe2Cr2Si2B2Mn等非晶涂層均具優良的抗腐蝕性能。最近還發現更多組元的Fe2Cr2Mn2Mo2W2B2C2Si系列結構非晶金屬具有極好的抗腐蝕性能。

制備大塊三維的非晶合金在技術上難度很大,但采用等離子噴涂、超音速火焰噴涂等技術可將非晶粉末噴涂在廉價的性能較差的金屬表面上形成致密的、結合強度較高的非晶涂層,是材料表面非晶化的一種好方法。等離子噴涂時熔粒的冷卻速度可達105-106K/S,這種速冷卻可在涂層中產生非晶態相的組織結構。國外熱噴涂非晶合金涂層研究重點是非晶合金涂層的抗腐蝕、抗磨損性能,并已開始商業化推廣。而國內主要是研究非晶合金涂層材料制備工藝,對搞腐蝕和抗磨損等應用性能研究較少,實際應用尚末見報道。

34生物活性涂層

生物活性羥基磷灰石與生物組織有良好的相容性,可以制成各種關節和牙齒。等離子噴涂HAP粉末在金屬基體上(一般為Ti基金屬)形成生物涂層,既突出了HAP良好的生物活性,又利用了金屬材料優秀的力學性能,避免了HAP脆性和疲勞敏感性的問題。由于HAP粉末和金屬基體物理性能差別較大,使得涂層的附著強度受到一定限制。在Ti26Al24V合金基體與涂層之間加入Zro2作為增強相形成(HA+ Zro2)復合涂層,都能極大地提高涂層與基體間的結合強度。

35防腐涂層

對鋼鐵結構件進行長期保護,特別是對那些要求在服役期內不維護或少維護的大型重要的鋼鐵構件,熱噴涂技術是長效防腐的較好方法。目前國內用于防腐目的的熱噴涂涂層主要是鋅涂層和鋁涂層。但在實際工作中發現,噴鋁涂層對點蝕和機械損傷比較敏感;而噴鋅涂層在弱酸性、含SO2工業大氣和海洋環境中的耐蝕性較差,且噴鋅涂層的腐蝕率較高,在施工過程中損耗量和對人體危害都較大。近些年以來開發了一些新型涂層,如鋅鋁鎂合金涂層、鋁鋅硅合金涂層、鋅鋁合金涂層等,并得到了廣泛的應用。另外,近年來開展了一些熱噴涂Ni.Cr.Si合金,噴涂或者激光熔敷WC/Co合金,納米摻雜(Al2O3+TiO2)等離子噴涂。

4.熱噴涂涂層的后處理

熱噴涂涂層進行重熔后處理可消除涂層層狀結構,降低孔隙率,顯著發送其組織和耐磨、耐蝕、耐熱等性能,已成功應用于實際生產中,從而提高了零件的使用壽命,具有顯著的經濟效益。

熱噴涂涂層的后處理主要是指重熔處理,重熔處量是利用熱源將合金中最易熔化的成分熔化,產生的液相有助于擴散過程的強化和成分的滲透,熔化的結果使熱噴涂涂層與基體的結合區由原來堆疊的層狀組織變為致密和較均勻的組織,孔隙減少甚至消失。采用適當的重熔處理,可改善涂層與基體間的結合強度和涂層內在質量,從而提高涂層的性能。目前,重熔處理技術落后主要有激光、電子束、TIG重熔、火焰重熔、整體加熱和感應重熔等。

41激光重熔

激光重熔工藝是在保護氣氛的條件下用激光束對熱噴涂涂層進行掃描熔化處理。激光重深時,試件在高能量激光束的照射下,使基體材料表面薄層與根據需要加入的陶瓷或合金涂層同時快速熔化、混鴿菜成厚度為10-1000μm的表面熔化層。熔化層在凝固時獲得的冷卻速度可達100ºC/S左右。又由于熔化層液體內部存在擴散作用和表面張力效應等物理現象,使材料表面僅在很短時間內就形成了具有所需濃度和化學成分的表面合金化層。這種合金化層具有某些高于基材的性能,所以通過該技術能達到表面改性的目的。

激光重熔存在的問題:由于陶瓷材料的耐熱沖擊性差、斷裂韌性值低,因此在激光重熔過程中急劇加熱、冷卻的條件下易產生裂紋;激光表面重熔工藝中所用陶瓷涂層材料的熔點大大高于金屬基體,且它們之間的熱膨脹系數、彈性模量和導熱系數相差極大,由此所產生的熱應力易導致裂紋和涂層剝落;等離子噴涂時金屬基體與陶瓷粉末之間的相容性較差,熔融金屬不能很好地浸潤固體陶瓷粉末,也易使涂層出現裂紋和孔洞。調整尺寸、降低膨脹系數、提高塑韌性對解決涂層開裂的的效果不明顯,從工藝方面還難以從根本一得到解決。對于大面積激光重熔,由于激光光斑面積小,必須采用多次搭接技術或大面積光斑技術(散焦法、寬帶法和轉鏡法)。多次搭接時,每個相鄰掃描帶存在1個重合區,因此,各區域顯微硬度值是波動的。從金相組織上看。搭接涂層在整體呈一種宏觀的周期性性能變化。對大面積光斑技術而言,當輸出功率一定時,光斑面積較大,功率密謀越低。增大光束直徑,可能削弱激光的高能密度和超快速加熱優勢。因此,大面積光斑技術的應用有其局限性。

4.2電子束重熔技術

電子束重熔是利用高速定向運動的電子束,在撞擊涂層表面后將部分動能轉公為熱能,對表面進行強化處理的一種技術。電子束重熔可以擴大合金的固溶度,細化晶粒,減少偏析,同時具有真空脫氣的效果,并合其中的氧化物和硫化物等夾雜物溶解,超到固溶強化的作用,能有效改善材料的耐磨、抗沖擊、抗腐蝕抗高溫氧公等性能。

電子束加熱重熔時,必須具備真空室,大件及深孔的重熔處理受到限制,缺乏靈活性,但熱轉換率高,其電子束能量的75%能被涂層吸收(而激光束的吸收率僅為2%-8%),且成本比激光重熔低很多,受電磁波(較短波長)和電子束波(受電場強度控制)的聯合作用以及電子光學快速發展的結果,電子束光斑可以限不定期在一個很小的范圍內,甚至比激光光斑還要小,因此當試樣較小或者要求重熔區域精確時,電子不重熔是一種非常有用的后處理技術。

4.3鎢極氬弧重熔

鎢極氬弧重熔處理技術是利用電弧束能量對工件進行表面強化,由于其成本低、強化效果好、操作簡單、易于推廣,在國內外已經被越來越多地用于灰鑄鐵和球墨鑄鐵零部件的表面強化,如汽車發動機缸體、缸套、凸輪軸以及許多泵體閥體等。

4.4火焰重熔

火焰重熔熱源不僅僅局限于氧-乙炔。由于燃氣資源豐富,設備簡單,操作方便,進行火焰重熔時,重熔槍的行起速度及離工件的距離必須嚴格控制,否則基體熱影響區過大,會產生變形及開裂。該方法經常應用于自熔合金,簡單實用,可在施工現場進行操作。如果零件小且量不大,手持含氧燃料火焰槍加熱是最具競爭成本的,但手持火焰槍加熱勞動強度大,不可能做到均勻加熱。

4.5感應重熔

涂層感應重熔技術是在工件基體上預先制備涂層,然后利用感應圈中的交變磁場在工件中產生渦流,利用渦流產品的熱量達到使涂層熔化的目的。渦流的趨膚效應構成了感應加熱的主要優勢,使得熱量可以集中在要求的加熱區域內。由于可以使涂層熔化,所以能使涂層與基體的結合力狀況得到改善;又由于熱量集中在表層,所以對基體的熱影響小,從而達到熱影響小、結合力強的要求。

一般來講,合金粉末只有具備其熔點低于基材和具有自熔性這兩個基本要求才能應用火焰噴涂。涂層感應重熔的效果與涂層的相對磁導率和電阻率有密切關系,多種合金涂層重熔時都表面出在涂層與基體的界面和涂層表面處為高溫區,這種溫度分布的不均勻性是涂層感應重熔溫度場的基本特征,它不僅影響重熔過程的穩定性,也決定了涂層的組織結構與性能。

4.6整體加熱重熔

噴涂層被重新加熱到固態和液態之間的某個溫度實施重熔,此時呈半固態,材料變得致密并氧公成熔融狀,因此冶金反應引起了大量的硬質相(碳化物,硼化物及其結合物)以涂層混合物的形態沉積。整體加熱重熔,必須嚴格控制爐溫,一般在合金固相線以上10-30ºC。此時黏度足夠大,涂層才不至于流淌。重熔后表面經過冷卻,這些硬度相保留在涂層上,提供了優良的耐摩擦磨損能力。根據應用的廣泛程度和成本因素來看,鎳基合金是熔融合金中最有價值的,也是近幾所來爐重熔研究材料最多的。

5.熱噴涂技術的發展

熱噴涂材料是全部熱噴涂技術的核心,熱噴涂涂層功能的多樣性,是由性能不同的多類材料所決定的。熱噴涂材料的多樣性為熱噴涂技術的先進性與經濟性鋪平了道路。隨著超高強度鋼材品種的開發應用,對于冶金設備的耐磨、耐蝕、耐熱等性能的要求越來越高,熱噴涂涂層的發展必須跟得上需求。目前,國內外的熱噴涂設備正朝著高能、高速、高效方向發展,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德的發展方向。設德的不斷發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對涂層結構和性能的影響規律。采用各種先進的聲、光、電無損檢測技術,對涂層性能時行在線診斷,評估涂層重量和預測涂層壽命,是未來熱噴涂涂層質量監控的重要研究方向。

6.結語

隨著熱噴涂技術的不斷發展,熱噴涂涂層必將更加廣泛地應用到國民經濟發展的各個領域中。作為熱噴涂應用較為成功的領域,冶金領域應更加重視熱噴涂技術的開發與應用。

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