采用熱噴涂技術(shù)特別是等離子噴涂技術(shù),在金屬基體上制備陶瓷涂層,能把陶瓷材料的特點和金屬材料的特點有機地結(jié)合起來,獲得復合材料結(jié)構(gòu)及制品,正成為當代復合材料及制品高科技領(lǐng)域的一個重要分枝。熱噴涂技術(shù)因工藝的靈活性與可噴涂材料的廣泛性,目前已經(jīng)在航空航天、石油化工、電子電氣、汽車、醫(yī)療、海洋、礦業(yè)等領(lǐng)域得到了越來越多的領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。
一、熱噴涂技術(shù)原理
根據(jù)國際標準GB/T18719-2002的定義,熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱只溶化或半溶化狀態(tài),并以一定的速度噴射沉積到經(jīng)過預(yù)處理的的基體形成涂層的方法,賦予基體表面特殊功能的目的。
影響熱噴涂涂層性能的主要因素是原料在噴涂焰流中的熔融狀態(tài)(溫度)和飛行速度(微粒的動能)。在大氣等離子噴涂之后出現(xiàn)的各種熱噴涂技術(shù),無一不是通過提高微粒溫度或速度來獲得性能優(yōu)異的涂層。此外,由于等離子噴涂、爆炸噴涂等技術(shù)無法使用納米粉體進料,在制備納米結(jié)構(gòu)涂層時只能通過造粒將其制為微米級粉體用于噴涂,噴涂工藝和涂層性能均受到限制。因此,研究人員還開發(fā)了懸浮液等離子噴涂(SSPS),以便獲得特定組織的納米結(jié)構(gòu)涂層。
↓↓不同的噴涂工藝的優(yōu)勢及存在的問題
熱噴涂技術(shù)工藝方法很多,但無論何種工藝方法,噴涂過程中形成涂層的原理和涂層結(jié)構(gòu)基本一致。熱噴涂形成涂層的過程一般經(jīng)歷四個階段:噴涂材料加熱溶化階段、霧化階段、飛行階段、碰撞沉積階段。
當噴涂材料為線(棒)材時,噴涂過程中,線材的端部連續(xù)不斷地進入熱源高溫區(qū)被加熱溶化,形成溶滴;當噴涂材料為粉末時,粉末材料直接進入熱源高溫區(qū),在行進的過程中被加熱至溶化或半溶化狀態(tài)。
線(棒)材在噴涂過程中被加熱溶化形成溶滴,在外加壓縮氣流或熱源自身氣流動力的作用下,將線(棒)材端部溶滴霧化成微細溶粒并加速粒子的飛行速度;當噴涂材料為粉末時,粉末材料被加熱到足夠高溫度,超過材料的熔點形成液滴時,在高速氣流的作用下,霧化破碎成更細微粒并加速飛行速度。
熱噴涂技術(shù)涂層形成原理
加熱溶化或半溶化狀態(tài)的粒子在外加壓縮氣流或熱源自身氣流動力的作用下被加速飛行。粒子飛行過程中噴涂粒子首先被加速,隨著飛行距離的增加而減速。
具有一定溫度和速度的噴涂粒子在接觸基體材料的瞬間,以一定的動能沖擊基體材料表面,產(chǎn)生強烈的碰撞。在碰撞基體材料的瞬間,噴涂粒子的動能轉(zhuǎn)化為熱能并傳遞給基體材料,在凹凸不平的基材表面上產(chǎn)生形變。由于熱傳遞的作用,變形粒子迅速冷凝并伴隨著體積收縮,其中大部分粒子呈扁平狀牢固地粘結(jié)在基體材料表面上,而另一小部分碰撞后經(jīng)基體反彈而離開基體表面。隨著噴涂粒子束不斷地沖擊碰撞基體表面,碰撞一變形—冷凝收縮一填充連續(xù)進行。變形粒子在基體材料表面上,以顆粒與顆粒之間相互交錯疊加地粘結(jié)在一起,而最終沉積形成涂層。
涂層形成的過程示意圖
陶瓷是金屬元素和非金屬元素組成的晶體或非晶體化合物。它和金屬材料、高分子聚合物材料一起,構(gòu)成固態(tài)工程材料的三大支柱?,F(xiàn)代材料已將金屬陶瓷、其他無機非金屬材料統(tǒng)歸入陶瓷范疇,成為品種、功能極多的一個材料大家族。一般來說,凡經(jīng)加熱能呈熔融狀態(tài)或塑性狀態(tài)的材料,均可作為熱噴涂的涂層材料。除金屬材料外,陶瓷也可用于熱噴涂防腐蝕涂層。熱噴涂常用的陶瓷材料主要為Al2O3,TiO2,Cr2O3,ZrO2等氧化物陶瓷材料,碳化物等非氧化物陶瓷通常采用金屬合金作粘結(jié)劑制備成金屬基陶瓷復合材料使用。由于氮化物很脆,耐氧化性能又差,它的應(yīng)用甚少。
熱噴涂陶瓷涂層根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域可分為:耐磨陶瓷涂層、耐腐蝕陶瓷涂層、熱障陶瓷涂層、生物陶瓷涂層和壓電陶瓷涂層等幾大類。
統(tǒng)計表明磨損與腐蝕造成的損失,在發(fā)達國家約占該國家GDP的3%-5%,而發(fā)展中國家則高達至10%,由此引起零部件在加工與生產(chǎn)中性能下降、最終失效。熱噴涂技術(shù)一直作為有效減磨與防腐蝕技術(shù)的最重要方法得到應(yīng)用。
摩擦磨損造成的能量和物質(zhì)損失均源自材料表面,因此,各類表面工程技術(shù)已成為提高零構(gòu)件材料減摩、耐磨性能的重要方法。熱噴涂技術(shù)是應(yīng)用廣泛的表面工程技術(shù)之一。目前,應(yīng)用熱噴涂技術(shù)制備的涂層已經(jīng)廣泛應(yīng)用在機械設(shè)備中。熱噴涂涂層的耐磨性能主要取決于涂層成分、相組成、粒度與其含量,還與涂層的結(jié)合強度、硬度、孔隙率、涂層顆粒大小等因素有關(guān)。結(jié)合強度高、硬度高、孔隙率小的涂層具有較好的耐沖蝕磨損性能。目前常用的耐磨涂層有:Al2O3層、Al2O3+TiO2涂層、Cr2O3涂層和WC-Co涂層等。
↓↓不同熱噴涂耐磨涂層的應(yīng)用領(lǐng)域
選擇合適的涂層材料以及相應(yīng)的熱噴涂工藝才能制備適應(yīng)工況要求的減摩耐磨涂層?;诠I(yè)與科技的快速發(fā)展,機械設(shè)備的工況要求越來越高,需要研制出性能更加優(yōu)異的減摩耐磨涂層。一方面,可從涂層材料的組分入手,設(shè)計出具有高強度、硬度或具有自潤滑功能的新材料體系,如在硬質(zhì)的陶瓷涂層或金屬?陶瓷涂層中添加具有自潤滑作用的潤滑相(如石墨、二硫化鉬、高分子材料等),提高涂層的減摩性能。當前,大多數(shù)研究僅提出加入潤滑相來提高涂層的減摩耐磨性能,并未深入探討最佳原料配比等條件。另一方面,工藝參數(shù)是影響熱噴涂涂層質(zhì)量的重要因素之一,可從優(yōu)化熱噴涂工藝入手,研究不同體系涂層的最佳工藝參數(shù),為后續(xù)的研究工作奠定基礎(chǔ)。
鋼材應(yīng)用于苛刻的環(huán)境(如海洋鹽霧環(huán)境等)很容易發(fā)生腐蝕、磨損而失去零部件的精度。所進行的傳統(tǒng)表面處理工藝主要為電鍍硬鉻,即六價鉻酸鹽在陰極沉積形成硬度較高的耐磨耐蝕涂層,其特點是工藝簡單,成本低。但是電鍍鉻工藝會產(chǎn)生嚴重的環(huán)境污染,在很多工業(yè)領(lǐng)域受到限制。此外,電鍍鉻過程中還會產(chǎn)生基體的氫脆,顯著降低基材的力學性能,因此,亟待尋找一種有效的替代工藝。熱噴涂涂層以其高效、環(huán)保和良好的化學穩(wěn)定性等特點開始被人們應(yīng)用于防腐蝕領(lǐng)域。
防腐涂層材料按照種類來分主要有鋁、鋅及其合金材料,鎳基合金材料,不銹鋼材料以及復合陶瓷材料等。
航空發(fā)動機渦輪葉片表面多使用陶瓷熱障涂層(ThermalBarrierCoatings,簡稱TBCs)將噴氣發(fā)動機的高溫部件與高溫燃氣隔開,以改善高溫部件的服役條件,一方面可以提高渦輪葉片的服役壽命,另一方面可以節(jié)約燃料。為了使陶瓷熱障涂層與金屬基體能夠良好的結(jié)合以具有較佳的隔熱性能,陶瓷熱障涂層必須具備以下性能:①較低的熱導率;②熱膨脹系數(shù)與金屬基體匹配;③高溫下保持良好的相穩(wěn)定性。通常選用低熱導率的ZrO2基陶瓷材料作為熱障涂層工作層材料。
陶瓷熱障涂層主要的制備技術(shù)有等離子噴涂、電子束物理氣相沉積、激光熔覆、高速火焰噴涂和爆炸噴涂等,其中最常用的兩種制備方法是等離子噴涂(PlasmaSpray,簡稱PS)和電子束物理氣相沉積(ElectronBeam-Physical VaporDeposition,簡稱EB-PVD)。等離子噴涂涂層組織特點是有大量的氣孔與微裂紋?這可以緩解熱應(yīng)力?提高涂層的熱疲勞壽命。
鈦及其合金、鈷鉻鉬合金和不銹鋼都是臨床上常用的金屬骨植入材料。臨床使用的金屬材料不具有生物活性,與骨組織結(jié)合需要改善。對金屬植入體進行表面改性,是改善其生物學性能的必要途徑。
熱噴涂技術(shù)是常用的表面改性手段之一,其制備的生物醫(yī)用涂層主要有金屬氧化物涂層(Al2O3,ZrO2,TiO2等)、生物活性羥基磷灰石(HA)涂層等。鈦和羥基磷灰石涂層已廣泛應(yīng)用于臨床實踐。近年來,硅酸鈣類生物陶瓷涂層的研究亦受到人們的重視。
壓電陶瓷是具備優(yōu)異壓電性的一類鐵電體,是一種將機械性能和電能相互轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料。壓電陶瓷除了具有壓電效應(yīng)外還具有介電性、鐵電性等,已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達、顯示器件等各個領(lǐng)域。近年來,通過應(yīng)用噴涂技術(shù)制備壓電陶瓷涂層正在逐步受到人們的重視。
參考來源:
1、熱噴涂技術(shù)與應(yīng)用,吳子健等編者;機械工業(yè)出版社。
2、熱噴涂陶瓷涂層的研究進展;劉英凱①、閻殿然②、路學成③、孟凡愛①、姚俊青①;①博深工具股份有限公司,②河北工業(yè)大學,③軍事交通學院。
3、熱噴涂制備耐磨涂層的研究進展;黨哲,高東強;陜西科技大學機電工程學院。
4、氧化鋯基陶瓷熱障涂層的研究進展;張巍;派力固(大連)工業(yè)有限公司質(zhì)控課。