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我國熱噴涂材料的現(xiàn)狀與未來發(fā)展
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http://www.china-zesir.com 發(fā)稿日期:2008-11-25
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噴涂材料是熱噴涂技術的重要組成部分。它與熱噴涂工藝及熱噴涂設備共同構成熱噴涂技術的主體。整個熱噴涂技術的發(fā)展，實際上受設備與材料的進展而被推動與牽引的。
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迄今，熱噴涂材料的發(fā)展大體跨分三個階段。第一階段是以金屬和合金為主要成份的粉末和線材，主要包括鋁、鋅、銅、鎳、鉆和鐵等金屬及它們的合金。這些材料制成粉末，是通過破碎及混合
等初級制粉方法生產(chǎn)的，而線材則是用拉拔工藝制作出一定線徑的金屬絲或合金絲。這些材料主要供火焰粉噴、線噴及電弧噴涂等工藝使用，涂層功能較單一，大體是防腐和耐磨損，應用面相對較��；第二階段始于五十年代中期。人們發(fā)現(xiàn)，要解決工業(yè)設備中存在的大量磨損問題，十分有必要改進工藝，制取更耐磨的涂層。經(jīng)過幾年的努力，自熔合金問世并發(fā)展了火焰噴焊工藝，這就是著名的“硬面技術”。自熔合金是在Ni、Co和Fe基的金屬中加入B、Si、Cr這些能形成低熔點共晶合金的元素及抗氧化元素，噴涂后再加熱重熔，獲得硬面涂層。這項技術在某種程度上是受焊接堆焊工藝的啟發(fā)。由于這些涂層具有高硬度、高冶金結合及很好的抗氧化性，從而在耐磨及抗氧化性方面邁出了一大步。自熔合金的出現(xiàn)，對熱噴涂技術起了巨大的推動作用。這一階段另一項技術突破是等離子噴涂設備的問世。等離子焰高達1萬度，幾乎可以噴涂一切材料。于是，人們打開了思路，先后發(fā)展了一系列的陶瓷材料和金屬陶瓷材料。實際上，只有進入七十年代中期，1976年邁阿密第八屆國際熱噴涂會議之后，在航空工業(yè)迅速發(fā)展的需求與推動下，這些材料才真正找到了用武之地，相繼出現(xiàn)了高性能、高技術的耐磨、耐高溫、抗燃氣腐蝕及隔熱等表面工程涂層材料，使熱噴涂技術開始從簡易的維修車間步入宇航和飛機等高技術產(chǎn)業(yè)領域，并解決了大量令冶金工程師頭痛的材料問題。不僅使那些擔心采用這項技術會使飛機從天上掉下來的飛機設計師放下了心，而且自那時起，一架航空發(fā)動機有成百件以上的零件納入了技術規(guī)范，必須采用熱噴涂技術才得以達到設計師們的要求。第三階段是以七十年代中期出現(xiàn)了一系列的復合粉和自粘一次噴徐粉末，直至八十年代夾芯焊絲作為電弧噴涂材料進入市場為主要標志。其特征是材料在成份與結構的“復合”，達到噴涂工藝的改進和涂層性能的強化。鎳包鋁和鋁包鎳復合粉取代了傳統(tǒng)的Mo絲，改善了打底層粘結性；自粘一次粉綜合了打底粉與工作粉雙重功能，簡化了噴涂工藝。不少怕氧化或氮化的金屬或陶瓷被Ni或Co這些金屬包裹之后，不僅保護了核心成份，同時又會與核心發(fā)生化學或冶金方面的反應，賦于涂層更好的性能。復合材料不局限于粉末，在線材方面也出現(xiàn)了復合噴涂絲。尤其是填充型復合線材，已開始擁入市場，這些復合絲可以用火焰線材噴槍，但主要用電弧噴槍噴涂，使這些原來只能形成金屬一合金涂層的工藝，可以噴涂帶有陶瓷一類的硬質耐磨材料，使涂層的應用面大為拓展。
二、傳統(tǒng)的制粉方法居主要噴涂粉末在整個熱噴涂材料中占據(jù)十分重要的地位。除電弧和線材火焰噴涂外，其它所有噴涂工藝都是以粉末為噴涂材料的。粉末材料包羅萬象、適應性強、工藝可靠，提供各種涂層功能，在高技術領域中應用成熟，這些特點是其它形式的材料無法比擬的。經(jīng)過多年的發(fā)展與創(chuàng)新，對各種化學組成的材料都建立了相當完善的制粉方法：金屬、合金、自熔合金通常采用霧化法，即水霧化-水冷，氣霧化-氣冷和氣霧化-水冷三種方式。霧化工藝自六十年代初問世以來，給熱噴涂材料開創(chuàng)了新局面，同時當兩種或兩種以上的粉末在比重上相近的情況下，混合法仍不失為一種經(jīng)濟而實用的制粉手段，至今，仍有不少生產(chǎn)廠家供應各種混合粉。第三種，是熔煉一燒結再經(jīng)破碎與篩分的制粉工藝，它是制造陶瓷或金屬陶瓷的主要方法；第四種是團聚法與噴霧干燥法，此法是生產(chǎn)團聚型復合粉的手段，包括某些陶瓷粉，如A12O2-TiO2，ZrO-Y2O：等常見粉末，也可采用此法生產(chǎn)。第五種是加壓氧還原法，源于加拿大一家鎳公司發(fā)展的提鎳工藝，演變?yōu)榘残蛷秃戏鄣纳a(chǎn)方法，包覆金屬為Ni、Co或Cu，而核心材料可以是各種固體材料。以上這些工藝是當今熱噴涂粉末的主要生產(chǎn)方法。盡管還有等離子霧化法、氣相沉積法、置換法、鋁熱法、機械熔化法、化學沉積法、共沉淀法等技術，但沒有形成生產(chǎn)規(guī)模，其中原因有技術問題，也有經(jīng)濟問題。
三、質量控制日趨完善熱噴涂材料的質量檢測是得到合格涂層的首要關口，其重要性已漸被人所認識。早在1926年就有人指出對熱噴涂各環(huán)節(jié)進行評估的重要性。至今，對某些噴涂材料及涂層已建立了相應的方法與標準，以保證最終涂層質量。粉末質量檢測，主要是化學性能、物理性能和工藝性能。這些涉及到化學成份、熔點(軟化點)、放熱性能、松裝比重、粒度分布、流動性、顆粒形狀與結構等。老實說，粉末質量控制比線材要難，通過拉拔或擠壓容易生產(chǎn)均一產(chǎn)品，但粉末則難于做到批量之間的完全一致。這從另一角度說明粉末質量控制的必要性。
四、材料的多樣性擴充了涂層的功能熱噴涂材料發(fā)展到今天，從類別、規(guī)格和性能等方面，差不多達到“應有盡有”的程度。以世界馳名的熱噴涂技術的權威公司——SULZERMETCO為例，該公司集攏了原先的METCO、PT和AMDRY三家公司的材料產(chǎn)品，此前經(jīng)幾十年的研究開發(fā)，尤其是七十年代中期之后，相繼與世界知名航空發(fā)動機制造廠家聯(lián)手，投入了大量物力和人力，先后發(fā)展了一系列高性能、高質量、高技術含量的噴涂材料。其中粉末材料計有六大類約220余種；線材近30種。有119種已納入PWA、GE、MSRR等著名航空發(fā)動機制造廠家的技術規(guī)范。這些材料采用不同的噴涂方法并實施不同的工藝參數(shù)噴涂出約六百余種性能各異的涂層，覆蓋涂層的全部功能，應用面涉及到多門高科技和幾乎各個工業(yè)部門，顯示了熱噴涂技術的神通與威力。
五、發(fā)展趨勢
從近幾年所發(fā)表的技術文獻，縱觀熱噴涂材料的發(fā)展趨勢，大體可歸結以下幾點：
1．耐高溫的陶瓷材料受到注目近年來，有不少文獻報道了某些陶瓷和金屬間化合物等高溫材料。其中最受重視的應屬MoSi2。這種材料有足夠高的熔點(Tm2030℃)、適中的比重和極好的抗高溫氧化性，工作溫度可達1700℃，是優(yōu)良的抗高溫氧化涂層。同時又耐無機酸和熔融金屬的侵蝕，作為航空、燃氣渦輪機的高溫部件涂層材料，是最新的研究熱點。
2．細微級粉進入市場通常噴涂粉的粒度范圍為-140～+325目，有些陶瓷粉可細到5微米左右。過細的粉末會產(chǎn)生燒損和飛揚等問題，送粉加大困難，沉積效率也受影響。近些年，由于HVOF和高功率等離子噴涂(HPPS)的出現(xiàn)，使噴涂向細微級靠近。其原因是，HVOF和HPPS焰流和顆粒飛行速度極高，縮短了顆粒在焰流中的受熱時間，使之在未熔化之前就已達到基體表面，不能形成涂層。而粉末細級化，可改善這一狀況。當前，有些公司已推出專門用于HVOF噴涂的系列粉，粒度范圍常在-270～+500目之間。
3．涂層功能多元化耐磨損、耐熱、抗氧化和耐腐蝕等工程技術要求，是熱噴涂涂層的主要功能。尤其是耐磨損涂層，是熱噴涂技術的優(yōu)勢所在。近年來，熱噴涂技術試圖在生物工程、超導和復合材料等高科技方面發(fā)揮特長，甚至嶄露頭角，進入實用階段。
4．打底粉家族出現(xiàn)新成員在航空和汽車工業(yè)中，用工程塑料代替金屬，因重量減輕而提高效率，這是當今材料革命的新成果，在電子工業(yè)、機械工業(yè)和油汽制造業(yè)也有類似要求。利用熱噴涂技術實現(xiàn)這些要求，確是一條捷徑，但很多噴涂材料不能直接噴涂在塑料基體上。為此，SULZERMETCO專門研究了一種噴涂塑料基體表面的打底層粉，結合強度高、表面形態(tài)好、殘余應力低，深受市場青睞。
5．復合材料噴涂有增大的趨勢有人研究出纖維強化的等離子噴涂涂層，即噴涂碳化硅晶須增強的鋁，抗張強度比純鋁高90%，而用VPS噴McrAlY-AlO：復合材料，其耐磨性顯著提高；用激光一等離子噴涂工藝，在N2氣氛中噴Ti，得到TiN涂層，類似方法還制得氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等陶瓷涂層；也有人用碳黑包裹TiC，使TiC在噴涂中減少失C，以保留TiC的高熔點、低原子數(shù)、優(yōu)良的抗熱震性、抗化學侵蝕等特點。
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