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热喷涂材料的发展简况

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更新时间 : 2018-12-06 11:00:04

   为了保持经济可持续发展、降低资源消耗,进入新世纪后我国开始构建循环经济、建设节约型社会。提出了关于建设我国循环经济的“4R”发展原则(Reduce减量化,Reuse再利用,Recycle再循环,Remanufacture再制造),其中再制造是循环经济中最具活力的部分。而热喷涂技术是再制造领域中一项十分重要的技术。它可以制备耐磨、耐腐蚀、隔热、导电、绝缘、减磨、润滑、防辐射等多种功能涂层,广泛应用于现代工业,并取得了显著的社会效益和经济效益。
   热喷涂材料是热喷涂技术的重要组成部分,它与热喷涂工艺、热喷涂设备共同构成了热喷涂技术的主体。自瑞士的M.U.Schoop博士于1910年完成最初的金属熔液喷涂装置以来,热喷涂技术已有近百年的历史。在此期间相继出现了火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、高速电弧喷涂、超音速等离子喷涂以及冷喷涂技术。而热喷涂材料也伴随着设备与技术的发展不断发展。回顾历史,热喷涂材料的发展大体经历了四个阶段。

   第一阶段是以金属和合金为主要成份的粉末和线材为主要特征。早期的粉末材料主要是通过破碎及混合等初级制粉方法生产的,而线材则是用拉拔工艺制造出一定直径的金属丝或合金丝。材料的种类也比较单一,主要是一些金属及其合金,如铝、锌、铜、镍、钴和铁等。涂层功能较单一,大体是防腐和耐磨损,应用面相对较小。这些材料采用的喷涂工艺只有粉末火焰喷涂、线材火焰喷涂及电弧喷涂等。
   第二阶段是以自熔性合金为主要特征的。上世纪五十年代中期,人们发现要解决工业设备中存在的大量磨损问题,十分有必要改进工艺,制取更耐磨的涂层。经过几年的努力,自熔性合金问世并发展了火焰喷焊工艺,这就是著名的“硬面技术”。自熔性合金是在Ni、Co和Fe基的金属中加入B、Si、Cr这些能形成低熔点共晶合金的元素及抗氧化元素,喷涂后再加热重熔,获得硬面涂层。这项技术在某种程度上是受焊接堆焊工艺的启发。由于这些涂层具有高硬度、高冶金结合及很好的抗氧化性,从而在耐磨及抗氧化性方面迈出了一大步。自熔性合金的出现,对热喷涂技术起了巨大的推动作用。这一阶段另一项技术突破是等离子喷涂设备的问世。等离子焰流温度高达1万度,几乎可以喷涂一切具有物理熔点的材料。于是,一些具有较高耐磨、耐高温、抗燃气腐蚀及隔热性能的陶瓷和金属陶瓷材料就可以作为热喷涂材料进行使用,使热喷涂技术开始从简易的维修车间步入航空、航天等高技术产业领域,并解决了大量令冶金工程师头痛的材料问题。不仅使那些担心采用这项技术会使飞机从天上掉下来的飞机设计师们放下了心,而且自那时起,一台航空发动机就有成百件以上的零件纳入了技术规范,必须采用热喷涂技术才得以达到设计师们的要求。
   第三阶段是以复合材料的发展为主要特征的。七十年代中期出现了一系列的复合粉和自粘结一次喷涂粉末,而八十年代,则是以夹芯焊丝作为电弧喷涂材料进入市场为主要标志。通过材料成份与结构的“复合”,达到喷涂工艺的改进和涂层性能的提高。镍包铝和铝包镍复合粉取代了传统的Mo丝,改善了打底层粘结性;自粘接一次粉综合了打底粉与工作粉双重功能,简化了喷涂工艺。怕氧化或氮化的金属或陶瓷被Ni或Co这些金属包裹之后,不仅保护了核心成份,同时又会与核心成分发生化学或冶金反应,赋予涂层更好的性能。复合材料不局限于粉末,在线材方面也出现了复合喷涂丝。尤其是填充型复合线材,已开始拥入市场,这些复合丝可以用线材火焰喷涂,但主要用电弧喷涂,使这些原来只能形成金属-合金涂层的工艺,可以喷涂带有陶瓷类硬质点的硬质耐磨材料,使涂层的应用面大为拓展。
   第四阶段是以软线材料和纳米材料为主要特征的。为克服粉末喷涂的缺点把粉末熔炼轧制成线材进行喷涂也已经很早了,但是,有许多材料无法轧制成线材。之后又产生了粉芯线材,即把粉末包在钢皮中进行喷涂,可以用火焰,也可以用电弧喷涂。但有许多导电性能差的粉末或不导电的材料无法用电弧喷涂。同时钢皮材料成分也混入涂层之中,粉芯线材熔粉不均也都直接影响涂层的质量。法国SNMI公司把包皮材料改用塑料做成柔性软线,塑料材料在喷涂过程中(大约400℃)就挥发掉不参与涂层中去,而且所有可用于热喷涂的材料都可以做成软线,这就是热喷涂材料形态上的进步和新发展。

      

   纳米材料是指由极细晶粒组成的特征维度尺寸<100nm的固体材料。自纳米材料诞生到现在已制备出包括金属、非金属、有机、无机和生物等在内的各种纳米材料。由于其不同于微观和宏观物质的许多介观特性,成为科技发展前沿中极具挑战性的研究领域。同一种材料,当尺寸减小到纳米级时,由于位错的滑动受到限制,表现出比基体相材料高得多的硬度,其强度和硬度可提高4~5倍。纳米材料界面量大,界面原子排列混乱,原子受外力作用产生变形时,很容易迁移、扩散,表现出非常好的塑性、韧性、延展性,具有高强度、高塑性甚至超塑性的纳米材料,对材料的表面改性具有特殊意义。表面工程在其发展过程中,正需具有许多特质的纳米材料来促进其发展。