國外熱噴涂技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

1世界上主要的熱噴涂技術(shù)公司

熱噴涂技術(shù)發(fā)展至今已有50多年的歷史。由于它在工業(yè)上有著重要的作用，因而出現(xiàn)了為數(shù)不少的大小公司。但是，由于近幾年全球性經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各公司之間的關(guān)系逐漸由競爭轉(zhuǎn)向聯(lián)合。發(fā)展到今天，世界上主要的熱噴涂技術(shù)公司分別是：·SULZERMETCO公司。該公司由原瑞士PT公司與美國METCO公司合并而成，總部設(shè)在瑞士，現(xiàn)擁有資產(chǎn)40～50億美元，業(yè)務(wù)遍布全球140多個(gè)國家和地區(qū)，是世界上最大的熱噴涂技術(shù)公司。·PRAXAIR表面技術(shù)工程公司。該公司以前屬于聯(lián)合碳化物公司，總部設(shè)在美國，主要生產(chǎn)各種粉末。現(xiàn)在它購買了MILLER熱噴涂公司，形成了一個(gè)產(chǎn)品種類較為完善的熱噴涂技術(shù)公司。·EUTECTIC公司。它是EUTECTICCASTOLIN公司的子公司，總部設(shè)在美國，現(xiàn)已兼并了TAFA公司，后者此前屬于美國德克薩斯州霍巴特的冶金技術(shù)公司(MTI)。

2主要熱噴涂技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

目前，熱噴涂技術(shù)主要有等離子噴涂、電弧噴涂及火焰噴涂等。

2.1等離子噴涂

由于等離子噴涂幾乎可噴涂各種材料，且工藝較簡單，涂層與基體結(jié)合良好，故得到了廣泛應(yīng)用。但噴涂工藝相關(guān)大量參數(shù)的控制較為復(fù)雜，成為等離子噴涂獲得優(yōu)質(zhì)涂層的主要障礙。過去研究的主要方面之一是提高噴槍性能，包括對(duì)電極燒蝕以及由流體動(dòng)力性能和電弧性能引起的等離子射流不穩(wěn)定性的研究。現(xiàn)在通過對(duì)湍流等離子射流的模型分析后認(rèn)為，射流是由相互作用著的運(yùn)動(dòng)方向相反的冷熱兩部分流體組成的雙流體系統(tǒng)。由于實(shí)驗(yàn)中觀察到的等離子射流具有波動(dòng)現(xiàn)象，故對(duì)等離子射流中溫度場和速度場分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析的比較還有一定困難。目前研究的另一方向是研究涂層形成的過程，包括涂層間的結(jié)合、涂層與基體的結(jié)合、氣孔率及未融粒子的控制等。這些研究的最終目標(biāo)是為等離子噴涂的全過程控制及自動(dòng)化奠定基礎(chǔ)。

2.2電弧噴涂

電弧噴涂是一種經(jīng)濟(jì)、可靠的熱噴涂工藝，噴涂材料一般只限于金屬和合金，可對(duì)多種基體進(jìn)行噴涂。應(yīng)用范圍包括耐磨涂層、結(jié)構(gòu)防腐涂層和磨損零件的修復(fù)等，今后還可能應(yīng)用于封嚴(yán)領(lǐng)域。現(xiàn)在對(duì)電弧噴涂研究的主要方面是對(duì)管狀金屬粉芯絲材的研制開發(fā)。當(dāng)前的研究工作主要集中在如何實(shí)現(xiàn)噴涂過程的自動(dòng)控制。

2.3火焰噴涂

傳統(tǒng)的火焰噴涂是用可燃性氣體的燃燒火焰作熱源，將噴涂材料加熱至熔化并噴射到基體表面上形成涂層。現(xiàn)在，針對(duì)火焰噴涂的工藝、設(shè)備的開發(fā)、不斷研制新的火焰噴涂方法。高速氧燃料噴涂(HVOF)是火焰噴涂的一個(gè)主要技術(shù)領(lǐng)域。這一工藝早期由聯(lián)合碳化物公司開發(fā)，并于1953年發(fā)明了用氧—乙炔燃料的D-Gun系統(tǒng)。隨后出現(xiàn)的采用氧—丙烷、氧—丙烯氧—?dú)渥魅剂系腏etKote、TopGun、CDS等，使這一工藝的技術(shù)水平得到不斷提高。目前，PRAXAIR公司又推出了JetStar高速空氣燃料噴涂技術(shù)及高速燃燒絲噴槍。它使用的燃料是液體燃料如煤油、柴油等；助燃物是工業(yè)用壓縮空氣并用它來冷卻噴槍，避免了許多HVOF噴槍對(duì)附加冷卻的要求，減少了操作費(fèi)用。JetStar系統(tǒng)使用19L/h的液體燃料及4m3/min的壓縮空氣，運(yùn)行費(fèi)用僅為每小時(shí)7美元，而使用氧—煤油為每小時(shí)29美元，氧—乙炔為每小時(shí)38美元，氧—?dú)錇槊啃r(shí)85美元。PRAXAIR公司開發(fā)的另一新工藝為使用絲材而不是粉末的FlameStarⅢ型高速燃燒絲噴涂(HVCW)工藝。目前，該公司正在探索與高噴涂質(zhì)量相匹配的最佳均勻送絲速度。EUTECTIC公司最近也憑借他們的第一套高速撞擊熔化(HVIF)工藝系統(tǒng)進(jìn)入HVOF行列。該公司的新TeroJet系統(tǒng)利用入口處氧氣的高壓(約2MP)來獲得氣體的充分燃燒和高的粒子速度。據(jù)EUTECTIC公司介紹，當(dāng)緩慢加熱的粒子達(dá)到610m/s的高速時(shí)，會(huì)產(chǎn)生結(jié)合良好、結(jié)構(gòu)致密的涂層。該系統(tǒng)輕便小巧且操作簡單，只需輸入氧氣壓力、空氣壓力和送粉輪轉(zhuǎn)速等3個(gè)參數(shù)。該工藝使用煤油作燃料，噴槍采用水冷方式。TeroJet系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用要比使用氫氣或乙炔作燃料的設(shè)備每小時(shí)少20美元。據(jù)介紹其噴涂速度和沉積效率與HVOF相當(dāng)。PRAXAIR公司的超極D-Gun工藝生產(chǎn)的涂層的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)210MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，涂層的抗磨性能、耐腐蝕性能及抗微振磨損的性能均比爆炸噴涂提高很多。

3熱噴涂的應(yīng)用領(lǐng)域

由于熱噴涂可提供各種性能的涂層，所以這一工藝獲得了工業(yè)界的廣泛重視。目前，對(duì)熱噴涂應(yīng)用領(lǐng)域方面研究最多的是汽車工業(yè)及模具工業(yè)。

3.1汽車工業(yè)

同步環(huán)。汽車齒輪箱中有許多同步環(huán)，噴涂上一層鉬后，可使齒輪工作時(shí)具有自鎖緊功能，保證行車安全、平穩(wěn)。目前國內(nèi)已建有噴涂同步環(huán)的大型生產(chǎn)基地。活塞環(huán)。鋁制活塞環(huán)的外表面有一溝槽，工作時(shí)與活塞氣缸孔的內(nèi)表面接觸。用等離子噴涂噴上一層含NiCrBSi的鉬粉后，可提高整個(gè)部件的耐磨性。廢氣傳感器。傳感器由氧化鋁基電解質(zhì)做成，形狀象一試管，外附一根鉑電極。為防止高溫燃?xì)鈱?duì)鉑電極的沖蝕，需在電極上噴涂尖晶石涂層。將該傳感器放入汽車尾氣流中，涂層既可保護(hù)電極，又可使熱氣到達(dá)電極。氣缸孔。氣缸孔噴涂鉬合金可能是等離子噴涂在汽車工業(yè)的最大應(yīng)用。目前SULZERMETCO中已研制了用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的從清理、吹砂直至噴涂的一整套系統(tǒng)，涂層質(zhì)量優(yōu)良。這一系統(tǒng)每天可噴涂十缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸套200件。車頂?shù)倪B接。在車頂與車前面板焊縫處會(huì)產(chǎn)生一凹陷區(qū)，以前彌補(bǔ)這一缺陷的方法是將多余的焊料打磨掉，因而降低了焊縫的強(qiáng)度。現(xiàn)在有幾家汽車公司已采用電弧噴涂硅青銅的方法來添補(bǔ)這一接縫區(qū)，這樣既美化了車身外觀，又增強(qiáng)了焊縫強(qiáng)度。熱障涂層。原本應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱障涂層現(xiàn)已應(yīng)用到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)(主要是柴油機(jī))及尾氣系統(tǒng)上。

3.2模具

目前，在熱噴涂應(yīng)用方面研究較多的是快速成形制模技術(shù)。這是一種用熱噴涂金屬材料或焊接金屬來生產(chǎn)整個(gè)零件的技術(shù)，所用噴涂工藝主要是電弧噴涂。該工藝可獲得任意形狀的零件，因此，有人甚至認(rèn)為“快速成形將會(huì)導(dǎo)致下一場材料革命”。SULZERMETCO公司對(duì)這一技術(shù)研究較多，并已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，他們?cè)谶^去三年中用這一技術(shù)為客戶制作了100多個(gè)水平式水輪機(jī)吊桶。英國諾丁漢為噴涂成形發(fā)展有限公司已獲得快速工裝加工的專利，它被用來制造鋼制模型和生產(chǎn)工具，這種方法是通過把熔融金屬噴涂到一個(gè)成本低廉，尺寸精確的鋁制難熔試樣上。在過去兩年中用這種方法制作的工裝已由幾家大公司進(jìn)行了廣泛試驗(yàn)，塑料模具和金屬成形工藝都顯示了很好的性能。第一批生產(chǎn)工裝是1996年9月在英國制造的，這些工裝有望生產(chǎn)超過100萬的零件。在最近這種工藝的一個(gè)演示會(huì)上，演示了利用裝在一個(gè)工業(yè)機(jī)器人上的三把噴槍，噴涂了19mm厚的鋼涂層，然后安裝鋁制管道，再在其上繼續(xù)噴涂金屬涂層直到要求厚度，最后將鉛熔掉、流出，從而形成光滑的水冷通道的全過程。

3.3其它應(yīng)用領(lǐng)域

熱噴涂的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎包括了全部的工業(yè)生產(chǎn)部門，除前面介紹的在汽車和模具行業(yè)及眾所周知的在航空、航海、紡織、機(jī)械等方面的應(yīng)用外，還迅速擴(kuò)大到其它領(lǐng)域。如對(duì)石油管路焊縫外進(jìn)行噴鋁保護(hù)，以及在石油設(shè)備閥門、溢流阻擋器和鉆銷工具上噴涂耐磨涂層；在人造關(guān)節(jié)上噴涂羰基磷灰石以增強(qiáng)鈦基體與有機(jī)體的生物相容性；在印刷滾輪上噴涂陶瓷涂層，再用激光雕刻出紋路，用于把油墨從墨池中送到印刷室，在空調(diào)壓縮機(jī)的鋁制閥提桿帽上噴涂鋼，以達(dá)到減重和耐磨的目的，等等。可以預(yù)見，隨著對(duì)熱噴涂技術(shù)的不斷研究及人們對(duì)材料性能要求的不斷提高，熱噴涂技術(shù)還將得到進(jìn)一步的發(fā)展。

4結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，其它的一些涂層制造技術(shù)如磁控濺射、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、激光噴涂等也取得了長足的進(jìn)步，用這些技術(shù)生產(chǎn)的涂層在某些性能方面已超過了熱噴涂涂層。因此若要保持熱噴涂技術(shù)的活力，就要加強(qiáng)對(duì)熱噴涂技術(shù)的基礎(chǔ)研究、開發(fā)新的噴涂方法及應(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)在國外在這方面的研究取得了較大的進(jìn)展，而我國的開發(fā)工作則進(jìn)展不大，熱噴涂技術(shù)基本停留在原有水平上，同時(shí)也限制了涂層應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。因此，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域是我們今后要做的主要工作，也是熱噴涂技術(shù)的生命所在。