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熱噴涂材料的發展簡況


編輯:2019-01-26 10:42:15

  為了保持經濟可持續發展、降低資源消耗,進入新世紀后我國開始構建循環經濟、建設節約型社會。提出了關于建設我國循環經濟的“4R”發展原則(Reduce減量化,Reuse再利用,Recycle再循環,Remanufacture再制造),其中再制造是循環經濟中******活力的部分。而熱噴涂技術是再制造領域中一項十分重要的技術。它可以制備耐磨、耐腐蝕、隔熱、導電、絕緣、減磨、潤滑、防輻射等多種功能涂層,廣泛應用于現代工業,并取得了顯著的社會效益和經濟效益。

  熱噴涂材料是熱噴涂技術的重要組成部分,它與熱噴涂工藝、熱噴涂設備共同構成了熱噴涂技術的主體。自瑞士的M.U.Schoop博士于1910年完成***初的金屬熔液噴涂裝置以來,熱噴涂技術已有近百年的歷史。在此期間相繼出現了火焰噴涂、電弧噴涂、爆炸噴涂、等離子噴涂、超音速火焰噴涂、高速電弧噴涂、超音速等離子噴涂以及冷噴涂技術。而熱噴涂材料也伴隨著設備與技術的發展不斷發展?;仡櫄v史,熱噴涂材料的 發展大體經歷了四個階段。

  ******階段是以金屬和合金為主要成份的粉末和線材為主要特征。早期的粉末材料主要是通過破碎及混合等初級制粉方法生產的,而線材則是用拉拔工藝制造出一定直徑的金屬絲或合金絲。材料的種類也比較單一,主要是一些金屬及其合金,如鋁、鋅、銅、鎳、鈷和鐵等。涂層功能較單一,大體是防腐和耐磨損,應用面相對較小。這些材料采用的噴涂工藝只有粉末火焰噴涂、線材火焰噴涂及電弧噴涂等。

  第二階段是以自熔性合金為主要特征的。上世紀五十年代中期,人們發現要解決工業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。經過幾年的努力,自熔性合金問世并發展了火焰噴焊工藝,這就是******的“硬面技術”。自熔性合金是在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。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。自熔性合金的出現,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。等離子焰流溫度高達1萬度,幾乎可以噴涂一切具有物理熔點的材料。于是,一些具有較高耐磨、耐高溫、抗燃氣腐蝕及隔熱性能的陶瓷和金屬陶瓷材料就可以作為熱噴涂材料進行使用,使熱噴涂技術開始從簡易的維修車間步入航空、航天等高技術產業領域,并解決了大量令冶金工程師******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們放下了心,而且自那時起,一臺航空發動機就有成百件以上的零件納入了技術規范,必須采用熱噴涂技術才得以達到設計師們的要求。

  第三階段是以復合材料的發展為主要特征的。七十年代中期出現了一系列的復合粉和自粘結一次噴涂粉末,而八十年代,則是以夾芯焊絲作為電弧噴涂材料進入市場為主要標志。通過材料成份與結構的“復合”,達到噴涂工藝的改進和涂層性能的提高。鎳包鋁和鋁包鎳復合粉取代了傳統的Mo絲,改善了打底層粘結性;自粘接一次粉綜合了打底粉與工作粉雙重功能,簡化了噴涂工藝。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,同時又會與核心成分發生化學或冶金反應,賦予涂層更好的性能。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,這些復合絲可以用線材火焰噴涂,但主要用電弧噴涂,使這些原來只能形成金屬-合金涂層的工藝,可以噴涂帶有陶瓷類硬質點的硬質耐磨材料,使涂層的應用面大為拓展。

  第四階段是以軟線材料和納米材料為主要特征的。為克服粉末噴涂的缺點把粉末熔煉軋制成線材進行噴涂也已經很早了,但是,有許多材料無法軋制成線材。之后又產生了粉芯線材,即把粉末包在鋼皮中進行噴涂,可以用火焰,也可以用電弧噴涂。但有許多導電性能差的粉末或不導電的材料無法用電弧噴涂。同時鋼皮材料成分也混入涂層之中,粉芯線材熔粉不均也都直接影響涂層的質量。法國SNMI公司把包皮材料改用塑料做成柔性軟線,塑料材料在噴涂過程中(大約400℃)就揮發掉不參與涂層中去,而且所有可用于熱噴涂的材料都可以做成軟線,這就是熱噴涂材料形態上的進步和新發展。

  納米材料是指由極細晶粒組成的特征維度尺寸<100nm的固體材料。自納米材料誕生到現在已制備出包括金屬、非金屬、有機、無機和生物等在內的各種納米材料。由于其不同于微觀和宏觀物質的許多介觀特性,成為科技發展前沿中極具挑戰性的研究領域。同一種材料,當尺寸減小到納米級時,由于位錯的滑動受到限制,表現出比基體相材料高得多的硬度,其強度和硬度可提高4~5倍。納米材料界面量大,界面原子排列混亂,原子受外力作用產生變形時,很容易遷移、擴散,表現出非常好的塑性、韌性、延展性,具有高強度、高塑性甚至超塑性的納米材料,對材料的表面改性具有特殊意義。表面工程在其發展過程中,正需具有許多特質的納米材料來促進其發展。


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