热喷涂陶瓷技术应用的发展背景
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1913年Schoop提出了电弧喷涂枪的设计,并于1916年研制成实用型电弧喷涂枪,制备钢结构(Structure)长效防腐(anticorrosion)涂层,将热喷涂陶瓷技术真正用于制作实践。线材火焰喷涂和电弧喷涂作为主要的热喷涂陶瓷方法,在20世纪30年代得到了发展。美国Metco金属喷涂公司成立后,相继研究出用空气涡轮送丝的E型系列喷枪和用电动机送丝的K型系列喷涂枪。用于钢铁结构件的喷锌(zinc)、喷铝长效防护涂层。英国成功研制出Schoet粉末火焰喷枪,尔后Metco研制出MetcoP型粉末火焰喷涂枪。从此,世界各国各喷涂专业公司也相应研究开发了一系列粉末火焰喷涂枪,对热喷涂陶瓷技术进行了大量的研究和应用推广,使得热喷涂陶瓷技术有了长足的发展,并取得很大的成绩。从20世纪20~30年代开始,热喷涂陶瓷技术就大量地用于船舶、钢结构、水闸门等钢铁产品的长效防护。美、英、德、法、日等工业发达国家都制定了热喷涂陶瓷相应的技术标准,许多数据(data)都报导了在不同使用(use)环境条件下,不同涂层材料(Material)体系和涂层厚度的防护涂层体系与防护涂层寿命指标的选择建议。美、英、德等国家从20世纪50年代开始,用了10~20年的时间大力推广该项技术。
第二阶段热喷涂陶瓷技术(Technology)随着喷涂技术的发展,新的涂层材料(Material)不断地出现。20世纪50年代初,研制出自熔性合金粉末材料,随后出现了粉末火焰喷焊技术。自熔性合金粉末材料的研究成功,对热喷涂陶瓷技术在工业领域内的应用起到了有力的推动作用(role)。将热喷涂陶瓷技术由原来的表面防护与修复,发展到机械(machinery)零部件的表面强化,不仅用于废旧零件的修复,同时也用于新品零件的预保护强化涂层的制备,开创了热喷涂陶瓷技术应用的新领域。
20世纪50年代末期,美国联合碳化物公司研制成功燃气重复爆炸喷涂技术,用于制备高质量碳化物涂层和氧化物陶瓷涂层,并应用到航空工业中。
燃气爆炸喷涂粒子速度高,可制备出碳化物金属陶瓷涂层,但温度较低,对制备氧化陶瓷涂层依然存在不如人意的地方。氧化铝喷涂氧化铝化学式Al2O3。是一种高硬度的化合物,熔点为2054℃,沸点为2980℃,在高温下可电离的离子晶体,常用于制造耐火材料。随着航空事业的发展,对航空发动机的性能要求越来越高,发动机零件不仅要有高温(high temperature)强度(strength),并且必须具备高温隔热的性能,以达到提高有效利用发动机热效率的目的。陶瓷喷涂是提高航空发动机热效率的关键技术之一。基本原理是陶瓷具有高的熔点和低的热导率,同时陶瓷涂层含有一定的孔隙率,能够将发动机和燃气轮机的高温部件与高温燃气隔离开来,因而陶瓷涂层成为很好的高温隔热涂层材料(Material)。为解决陶瓷涂层的应用,美国Plasmadyne公司和Metco公司相继成功研究出等离子喷涂设备、工艺成套技术,从此开拓了等离子喷涂应用技术。等离子喷涂技术的应用有效地改变了热喷涂陶瓷技术领域的面貌,解决了难熔金属材料和陶瓷材料的喷涂技术问题,提高了涂层的结合强度和降低涂层空隙率,大幅度地提高了涂层质量,促进热喷涂陶瓷复合(recombination)材料的迅速发展,在制备特殊涂层功能方面开辟了新的应用领域,大地加速了热喷涂陶瓷涂层材料的开发和扩展了涂层技术的应用范围(fàn wéi)。到20世纪60年代,等离子喷涂技术已在工业中得到十分广泛的应用,成功地应用于飞机发动机零部件热障涂层的制备,并取得十分显著的成效。60年代中期,美国联合碳化物公司又研究成功等离子喷焊技术,补充和扩展了热喷涂陶瓷技术的内涵。至此,热喷涂陶瓷技术已包含了氧乙炔火焰喷涂、喷焊;电弧喷涂;燃气爆炸喷涂;等离子喷涂、喷焊等工艺技术方法,从设备、工艺、涂层材料到应用形成了较为完整的热喷涂陶瓷技术体系。
随着工业技术的发展,人们对高速、高效(ɡāo xiào)、高质的不断追求,对零部件的表面性能要求越来越高,这些都促进了热喷涂陶瓷技术的发展。20世纪70~90年代热喷涂陶瓷技术向着高能、高速、高效发展。美国metco公司20世纪70年代末开始,逐步研究成功的80kVA高能等离子喷涂成套设备、可控气氛(低压或真空)等离子喷涂设备、JP2600系列燃气高速火焰喷涂设备;联合碳(C)化物公司成功推出Dgun喷涂工艺方法;Stellite公司成功推出JetKote系列高速火焰喷涂设备、系列等离子喷焊设备;捷克国家材料保护研究所研制出200kVA水稳等离子喷涂成套技术;美国TAFA公司研究推出88
30、9000系列电弧喷涂设备和Plazjet250kVA高能高速等离子喷涂设备,JP5000、JP8000燃油高速火焰喷涂设备;加拿大NorthwestMettech公司和美国Metco公司研究成功AxialⅢ三电弧轴向送粉等离子喷涂系统,大地提高喷涂效率和涂层材料的沉积效率;美国UniqueCoat公司推出的IntelliJetSB250、SB500系列高速活性燃气喷涂(HVAF)设备,喷涂粒子速度可高到达900m/s;俄罗斯成功推出活性高速电弧喷涂技术;俄罗斯发明冷气动力喷涂技术以来,德国林德公司已推出冷气动力喷涂成套设备技术。
随着等离子喷涂及技术的应用,等离子电弧的惰性和高温射流特性提供了更加广泛的涂层材料和涂层应用机会,大地丰富了热喷涂陶瓷涂层材料(特别是高熔点陶瓷材料)的发展和涂层质量的提高。可控气氛等离子喷涂技术可控制喷涂工艺过程中的环境(environment)因素(factor),可得到真空、低压或惰性气体等环境条件,制备的涂层密度超过98%,涂层含氧量低于400×10-6。迄今为止,航空发动机和燃气轮机的热端部件采用热喷涂陶瓷技术的零件已达到6000多个,其关键零部件的使用寿命提高3~4倍。如JT8发动机采用热喷涂陶瓷技术后,其大修期由原来4000h提高到16000h。等离子喷涂电弧温度高,喷涂碳化物(WC/Co)等材料时,不可避免地使碳化物分解产生脱碳,涂层硬度指标下降,而高速燃气喷涂技术正好弥补了这一缺陷。高速燃气喷涂技术,如JP5000焰流速度高达2000m/s,粒子速度高达700m/s,涂层结合强度≥70MPa,WC/Co涂层硬度高达1200HV,具有十分优异的性能,在许多应用领域已取代或部分取代等离子喷涂涂层。
第三阶段热喷涂陶瓷工业体系从Schoop发明的第1个熔液喷涂装置,到现在的计算机控制的等离子喷涂设备、高速燃气喷涂设备、冷气动力喷涂设备、机器手操作的喷涂设备,喷涂设备已具备成套性、系列化、标准化。碳化钨喷涂碳化钨,是一种由钨和碳组成的化合物。分子式为WC,分子量为195.85。为黑色六方晶体,有金属光泽,硬度与金刚石相近,为电、热的良好导体。热喷涂陶瓷工作原理:由小孔进入燃烧室的液体燃烧,如煤油,经雾化与氧气混合后点燃,发生强烈的气相反应,燃烧放出的热能使产物剧烈膨胀,此膨胀气体流经Laval喷嘴时受喷嘴的约束形成超音速高温焰流。此焰流加热加速喷涂材料至基体表面,形成高质量涂层。涂层材料由金属丝材到陶瓷(原料:非金属矿物)棒材,由金属粉末到金属陶瓷粉末、陶瓷粉末、塑料粉末,以及它们的复合材料粉末,已形成系列化和标准化。涂层应用(application)领域从简单的长效防护、废旧零件的修复,到再制造技术(Technology)、新品零件的预保护强化,已成为制造技术领域必不可少的重要工艺技术。涂层质量在线检测、喷涂热源温度(temperature)场分布、喷涂粒子速度测量、在线诊断技术的应用,大地提高了涂层制备的稳定性和可靠性。涂层技术的应用已渗透(Osmosis)到世界各国国民经济建设的各个领域。仅美国Metco公司(Company)和TAFA公司,2001年产值分别达到32亿和35亿美元。