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涂层设计基本原理(四)
浏览次数:1108发布时间:2018-12-30

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 采用热喷涂技术不仅能提高机器设备的耐磨损性、耐腐蚀性、耐侵蚀性、热稳定性和化学稳定性,而且能赋予普通材料特殊的功能,诸如高温超导涂层、生物涂层、金刚石涂层、固体氧燃料电池(SOFCs)电极催化涂层等,因此,热喷涂技术必然会愈来愈引起人们的重视,并在各个工业领域获得越来越广泛的应用。实际零部件因其材质、形状、大小及其应用环境、服役条件等存在很大差别,要想成功采用热喷涂涂层来解决所面临的技术问题,必须遵循特定的过程,其中,最重要的有以下五个关键过程。 

1.准确分析问题所在,明确涂层性能要求; 
2.合理进行涂层设计,包括正确选择喷涂材料、设备、工艺及遵循严格的涂层质量性能评价体系等; 
3.优化涂层制备工艺; 
4.严格控制涂层质量; 

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热喷涂工艺选择

    为了获得满足零件使用要求的涂层,应结合零件使用工况条件及各种喷涂材料的成分、性能、工艺特性、涂层性能及适用的使用环境等综合考虑,确定合适的喷涂材料,谨慎选择热喷涂工艺。。

热喷涂工艺的选择原则

热喷涂工艺方法较多,但每一种方法都有其自身的优点和局限性,从不同的角度进行热喷涂工艺选择,会得出不同的结果。以高速火焰喷涂(简称HVOF)为例,当采用HVOF工艺喷涂金属、合金及金属陶瓷类材料时,可获得结合强度高(>70MPa)、致密度高(孔隙率<1%)、氧化物含量少的高质量涂层,但该工艺也存在运行成倍较高、对基体输入热量较大、不能喷涂氧化物陶瓷(注:个别系统能够喷涂Al2O3、Al2O3-TiO2等低熔点陶瓷,如HV2000超音速火焰喷涂)等缺点。因此,在选择热喷涂工艺时,应针对具体需求进行具体分析,下面从涂层性能、喷涂材料类型、涂层经济性及现场施工等四个方面进行了分析。

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以涂层性能为出发点进行选择时,一般考虑如下几点:
  (1)涂层性能要求不高,使用环境无特殊要求,且喷涂材料熔点低于2500℃,可选择设备简单、成本较低的氧乙炔火焰喷涂工艺。如一般工件尺寸修复和常规表面防护等。 
  (2)涂层性能要求较高、工况条件较恶劣的贵重或关键零部件,可选用等离子喷涂工艺。相对于氧乙炔火焰喷涂来讲,等离子喷涂的焰流温度高,熔化充分,具有非氧化性,涂层结合强度高,孔隙率低。 
  (3)涂层要求具有高结合强度、极低孔隙率时,对金属或金属陶瓷涂层,可选用高速火焰(HVOF)喷涂工艺;对氧化物陶瓷涂层,可选用高速等离子喷涂工艺(如PlazJet等离子喷涂)。如果喷涂易氧化的金属或金属陶瓷,则必须选用可控气氛或低压等离子喷涂工艺,如Ti、B4C等涂层。

 

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以喷涂材料类型为出发点进行选择时,基本原则如下:
  (1)喷涂金属或合金材料,可优先选择电弧喷涂工艺。 
  (2)喷涂陶瓷材料,特别是氧化物陶瓷材料或熔点超过3000℃的碳化物、氮化物陶瓷材料时,应选择等离子喷涂工艺。 
  (3)喷涂碳化物涂层,特别是WC-Co、Cr3C2-NiCr类碳化物涂层,可选用高速火焰喷涂工艺,涂层可获得良好的综合性能。 
  (4)喷涂生物涂层时,宜选用可控气氛或低压等离子喷涂工艺。

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以涂层经济性为出发点进行选择时。应尽可能选用电弧喷涂工艺。
   在喷涂原材料成本差别不大的条件下,在所有热喷涂工艺中,电弧喷涂的相对工艺成本最低,且该工艺具有喷涂效率高、涂层与基体结合强度较高、适合现场施工等特点(热喷涂与再制造)。几种主要热喷涂工艺的涂层特征及相对成本如表所示。

几种热喷涂工艺性能及成本比较

工艺

电弧

喷涂

火焰

喷涂

HVOF

等离子

低压

等离子

爆炸

喷涂

孔隙率(%)

10

10~20

0.1~2

2~5

0.5

0.1~1

结合强度

很好

一般

极好

很好~极好

极好

极好

相对工艺成本

1

3

5

5

10

10

 

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 以能否进行现场施工为出发点进行工艺选择时,应首选电弧喷涂,其次是火焰喷涂,便携式HVOF及小功率等离子喷涂设备也可在现场进行喷涂施工。目前,还有厂家将等离子喷涂设备安装在可以移动的机动车上,形成可移动的喷涂车间,从而完成远距离现场喷涂作业。

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