硕士研究生毕业论文（文献综述）

　　硕士研究生毕业论文（文献综述）论文题目：HVOF 与APS 喷涂WC/Co 涂层组织与性能 研究 材料加工工程指导教师 副教授吉林大学硕士学位论文文献综述 国内外喷涂发展概况热喷涂技术是1908 年由瑞士的U.Schoop 博士首创，他用雾化装置进行喷涂 实验，并于 1913 年制作了世界上第一台丝材喷枪，提出了电弧喷涂的设计。日 1920年引进金属喷涂技术，发明了交流电弧为热源的喷涂装置，由于交流 电弧的不稳定，涂层质量差，没能实际推广，直到德国把交流电源改为直流电源 后，电弧喷涂才得到了发展。20 世纪40 年代末，Rokide 利用氧一乙炔为热源， 发展火焰棒材喷涂技术，并研制出相应的喷枪。 50 年代后期，为了满足航空、原子能、导弹、火箭等尖端技术对高熔点、高 强度涂层的迫切需要，美国相继发明了爆炸喷涂和等离子喷涂。六七十年代，热 喷涂设备向高能、高速、高效发展，研制成功SOkw 高能等离子喷涂设备、低压 等离子喷涂设备和200kw 液稳等离子喷涂设备。20 世纪80 年代，研制成功超音 速火焰喷涂和将电子计算机应用于热喷涂装置中，从而使热喷涂向更高的质量和 精密化方向发展。20 世纪末，等离子喷涂仍然居主导地位，但由于高速火焰喷 涂(HVOF)技术的发展，HVOF 占据了25%的市场比例，居第二位。 钢结构的长效防腐钢结构件暴露在大气中，受到空气中的水汽、含腐蚀性成分，常用的防腐办 法是刷油漆，但寿命短，2 年后需要重新维护。采用喷铝或喷锌后封孔剂进行防腐处理，可以20 一30 年不用维修。在安装工程中的钢管结构件，如电 视塔、输电铁塔、露天构架、城市照明用钢电杆等进行长效防腐，具有广阔的应 用前景。 机械叶轮的强化冶金、石化、矿山、电力工业大量使用各种风机，且是关键生产设备。由于 气流中含有大量的各种磨粒，加速风机叶片的磨损，风机的寿命取决于叶轮叶片 的寿命，所以防止叶羚的早期磨损显得特别重要。采用氧乙炔焰喷焊Ni60+WC 材料，叶片寿命可提高2-5 阀门行业中的应用吉林大学硕士学位论文文献综述 阀门是安装工程中的主要材料，阀门在经常的操作过程中，其密封面易受磨 损，介质的腐蚀、冲刷及高温等因素的影响，是阀门产生“跑、冒、滴、漏”的 基本原因。采用等离子喷焊技术，焊层成形平整、美观、加工余量小、节约合金 材料，母材对合金焊层的冲淡率低，易于实现机械化、自动化操作，使用寿命成 倍甚至几十倍地提高。目前阀门行业已广泛采用该项技术。 化学反应的釜修复化工厂的反应釜工况比较恶劣，有酸性或碱性腐蚀介质，还有较高的温度。 在反应釜的颈部最易出现搪瓷剥落而露出基材，钢材失去了搪瓷的保护，反应釜 无法使用。老式修理法，往往将搪瓷全部铲除后重新涂搪瓷。其成本为原价的 50%，如采用热喷涂技术，进行局部修复，喷涂从伪陶瓷徐层，再配以合适的封 孔剂处理，不但修复速度快，且成本一般仅为反应釜原价的10%，此项技术已申 请国家专利。 对设备零件的修复许多设备在长期的运转中，一些关键零部件受到严重磨损，无法继续使用。 如要报废会造成较大的经济损失。象发动机曲轴、缸体，送料螺杆、刮板等。且 有时工期要求紧，来不及重做新件，为了解决这一问题，可以采用热喷涂工艺， 将超差部位恢复尺寸，既快又经济。再可以列举一些典型实例。本文从略。总之， 热喷涂技术的应用相当广泛，通过本文将热喷涂技术作简要介绍，对在安装行业 中推广热喷涂技术有所帮助。 航空航天上的应用热喷涂技术的进步在很大程度上得益于20 世纪世界航空工业的空前发展， 航天工业在时间上迟于航空工业，航空领域应用较为成熟的热喷涂技术如热障涂 层，可磨耗封严涂层自然就转而应用于航天领域中。我国航天领域热喷涂技术的 应用开始于20 世纪50 年代末，当时是用氧乙炔火焰喷涂Al2O3 涂层用于导弹鼻 锥部位的热防护，以后为喷涂金属W 和ZrO2 等高熔点材料，自行研制成功等离 子喷涂设备，并于70 年代初将等离子喷涂的W 和ZrO2 涂层用于我国某发动机燃 烧室和喷管延伸段上。70～80 年代，随着METCO 公司热喷涂设备的引进和长征3 号火箭研究项目的启动，热喷涂技术在航天领域的应用进入第一个快速发展期， 期间利用热障涂层、耐磨封严涂层等热喷涂技术解决了许多关键性技术难题，获 吉林大学硕士学位论文文献综述 得很好的应用。90 年代以来，一方面我国航天工业空前发展：航天载人工程、 战术和战略导弹的批量生产等都对热喷涂技术提出了更高的要求；另一方面热喷 涂技术本身也取得了重大进展，如高速火焰喷涂技术的出现和成熟应用，爆炸喷 涂技术的推广，超音速和大功率等离子设备的问世等使得近十几年来热喷涂在航 天领域的应用进入了第二个快速发展期。 a)热障涂层(Thermal Barrier Coatings) 的应用 目前应用的TBC 涂层采用双层涂层结构：MCrAlY 结合底层+YPSZ（Y2O3/ZrO2） 工作面层，其基本原理是基于陶瓷材料具有化学稳定好、高的熔点和低的导热系 数，陶瓷涂层含有一定数量的孔隙率。因而使热障涂层成为很好的高温隔热材料。 火箭发动机喷管延伸段内壁在工作时承受 1500以上高温焰流的冲蚀，时间长 达几十秒至上百秒，一般采用等离子喷涂热障涂层进行防护(见图1)。 图一 发动机内壁喷涂的热障涂层 耐磨、密封涂层的应用耐磨、密封涂层用于一些具有相对运动的磨损零件上，抵抗磨料磨损、粘 着磨损、冲蚀磨损等。主要喷涂材料有：Cr2O3、Al2O3/TiO2、WC/Co、Cr3C2/NiCr 等。金属氧化物涂层采用等离子喷涂；金属碳化物涂层现都采用高速火焰喷涂 等离子喷涂的金属氧化物陶瓷涂层在运载火箭的动密封系统中应用较多。长征3 号火箭三级采用的是氢氧发动机，最初研制氢氧发动机时，其涡轮泵动密封是一 项关键技术。经研究试验，采用了在动环表面等离子Cr2O3 涂层的技术方案解决 吉林大学硕士学位论文文献综述 了动密封难题；氢氧泵轴轴向密封也采用等离子Cr2O3 涂层技术；图2 所示. 图二 密封轴套的Cr2O3 涂层 在生物医学工程上的应用热喷涂在生物医学工程方面的应用已逐渐成熟,如在钛合金(TC4)人工关节 (髋关节、膝、肩关节及骨盆等)表面上喷涂陶瓷涂层,既解决了金属材料在人体 生物液中易产生腐蚀的问题,又解决了陶瓷材料在单独成型时易产生的脆弱问题。 热喷涂使陶瓷与关节金属之间具有一定的结合强度,使表面具有耐磨性好、化学 性稳定、生物相容性好、有利于骨质细胞的长入,同时也改变了传统手术中采用 骨水泥来固定的情况,现已为全国各大医院所采用。 热喷涂原理及特点3.1 热喷涂原理 热喷涂技术是表面工程中重要的表面技术。它是通过火焰、电弧或等离子体 等热源，将某种线状或粉末状的材料加热至熔化或半熔化状态，并加速形成高速 熔滴，喷向基体在其上形成涂层。采用热喷涂技术可以对材料表面性能进行强化 或再生，起到保护作用，并能对零件因加工而造成的尺寸减小进行补偿。同时， 还可以赋予材料表面特殊性能[1]。 热喷涂过程大致经过加热～加速～融化～再加速～撞击基体～冷却凝固～ 吉林大学硕士学位论文文献综述 形成涂层这一过程。这一过程具体可以分为四个阶段，首先是喷涂材料被加热熔 化阶段，粉末进入高温区域后，在行进的过程中被加热熔化或软化，形成熔滴; 紧接着是熔滴雾化阶段，粉末被气流或热源自身射流推动向前喷射;熔融或软化 的颗粒向前喷射进入飞行阶段，在飞行过程中，颗粒先是被加速，而后随着飞行 距离的增加而减速:当这些具有一定温度和速度的颗粒接触基体表面时，是以一 定的动能冲击基体表面，产生强烈的碰撞，这即喷涂过程的第四阶段。在产生碰 撞的瞬间，颗粒动能转化成热能传给基体，并沿凹凸不平的表面产生变形，变形 的颗粒迅速冷凝把并产生收缩，呈扁平状勃结在基体表面。喷涂的粒子束接连不 断地冲击基体表面，产生碰撞一变形一冷凝收缩的过程，变形颗粒与基材表面之 间，以及颗粒与颗粒之间互相交错地薪结在一起，从而形成涂层且颗粒在与基体 表面碰撞阶段所产生的变化过程(涂层形成过程)[2]。图1.1 为热喷涂原理 1)热源2)受热粉末3)高速粒子4)扁平化粒子沉积在集体表面形成涂层 图三 热喷涂原理图 3.2 热喷涂特点 热喷涂的优点1）适用于各种基体 几乎适用于各种固体基体材料，如金属、陶瓷、玻璃、水泥、木材、布、 纸都可为基体，其性能可通过与喷涂突出形成的复合材料结构来改善。 2）可喷涂的材料品种多 热喷涂技术的发展，使可用于喷涂的材料几乎涉及所有固态工程材料，包 括各种属及其合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料及其他无机非金属材料。 吉林大学硕士学位论文文献综述 3）喷涂的涂层功能广 采用不同的热喷涂方法喷涂不同的涂层材料，可获得各种功能性，如耐磨 损、减自润滑、抗腐蚀、耐高温、绝缘、绝热、催化、超导和生物功能等涂层， 广泛用于国经济各部门。 4）工艺灵活、限制少 既对整个大型设备进行大面积喷涂，又可对产品局部进行喷涂;既可在车间 内批施工，也可在工件使用现场进行施工。 5）消耗材料少、功效高 涂层厚度一般在几十微米到数毫米之间，所需涂层材料少，但附加值高， 涂层沉率比电镀、PVD、CVD 高得多。 6）对环境污染小 热喷涂过程中仅产生少量废气和粉尘对环境有影响，通过涂层过滤处理后， 不会成对环境永久性的污染。 (2)热喷涂技术的缺点 1）热喷涂涂层均存在一定的孔隙率，在强腐蚀环境中服役，需要进行适当的封 2）常规热喷涂涂层与基体之间形成机械结合，因此结合强度受到一定限制。3）喷涂过程中影响质量因素多，需要严格控制过程的工艺。 4）热喷涂操作中存在涂层沉积效率问题和均匀性问题。 5）热喷涂操作环境恶劣，需采用劳动保护措施和提高机械化、自动化程度。 2.3 热喷涂的分类 根据热喷涂使用的热源不同和喷涂材料状态的区别，可以把热喷涂简单地分 为三大类:电弧类、激光类和火焰类。目前广泛使用的热喷涂技术是电弧类的等 离子喷涂和电弧喷涂以及火焰类的爆炸喷涂、火焰喷涂和超音速火焰喷涂。 (l)电弧喷涂 电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝做自耗电极，利用其端部产生的电弧做热 源来熔化金属，用压缩气流雾化，并以高速喷到工件表面形成涂层的一种工艺方 法。电弧喷涂法的喷涂效率高，质量易保证，涂层的结合强度高，能源利用率高， 设备投资低，可用于各种金属材料，大量地应用于耐蚀、耐磨等工程。电弧喷涂 吉林大学硕士学位论文文献综述 的缺点是只能喷涂导电材料，在线材的熔端产生积垢，使喷涂颗粒大小悬殊，涂 层质地不均。 (2)火焰喷涂 火焰喷涂是最早的一种喷涂方法，它利用氧和可燃性气体的燃烧火焰，把焊 丝、焊棒或粉末状的喷涂材料加热，使其在熔融或接近熔融的状态下喷向基体材 料表面而形成涂层。火焰喷涂法具有设备简单、工艺成熟、操作灵活、投资少、 见效快等优点。然而，由于火焰喷涂温度和颗粒的飞行速度都远远低于等离子喷 涂甚至电弧喷涂，所以其喷涂的涂层密度低(孔隙率为10%~20%)，并且涂层的结 合强度只有20、30MPa。 (3)等离子喷涂 等离子喷涂是以压缩的刚性等离子弧为喷涂热源，进行粉末喷涂的一种表面 热喷涂方法，采用等离子喷枪产生的等离子弧流把数微米至数十微米的粉末加热 和加速，在熔融或接近熔融状态下喷向母体材料的表面而形成涂层。等离子喷涂 产生的温度可达16000，喷流速度达300~400m/s，因而可喷制各种高熔点、耐 磨、耐热的涂层。等离子喷涂涂层具有较高的结合强度，涂层特性好，尺寸也容 易控制，尤其适合陶瓷材料的喷涂。 等离子喷涂是热喷涂工艺中最万能的工艺，这是因为其工艺温度最高，喷涂 过程可以在不同的压力下实现。目前己发展到空气、低压(真空)、高压、惰性气 体以及水下环境的应用，对环境的适应能力强是等离子喷涂的最大有点之一。等 离子喷涂法主要有大气等离子喷涂、低压(真空)等离子喷涂和水稳等离子喷涂等 几种方法。 (4)爆炸喷涂 爆炸喷涂是以瞬间释放的高能量形成的热能熔融喷涂材料并使其加速喷涂到 工件表面形成涂层的工艺方法。爆炸喷涂法是一项技术难度大、工艺性能较强的 新技术，它利用氧和可燃性气体(乙炔等)的混合气体经点火后在喷枪中形成爆炸 高温(温度在3300以上)，加热喷涂材料，并利用爆炸波产生的高压，把喷涂 材料高速地喷向基体表面形成涂层。颗粒速度大是爆炸喷涂区别与火焰喷涂的主 要特点。爆炸喷涂的最大特点是涂层非常致密，气孔率很低(1%~2%)，于基体金 属结合强度高，表面平整。爆炸喷涂可用以喷涂金属、金属陶瓷、及陶瓷材料。 吉林大学硕士学位论文文献综述 尽管它具有很多优点，但仍因其设备价格高、噪声大、属氧化性气氛等原因，国 内外使用还不广泛。 (5)超音速喷涂 随着科学技术与工业的迅速发展，特别是高科技的发展，对热喷涂涂层材料 和性能要求越来越高。研究表明提高喷涂焰流的速度可实现喷涂材料形成的熔滴 加速和沉积，从而提高涂层的质量。超音速喷涂最早有氧一燃料火焰喷涂研究开 发而成，属于高速喷涂，由于设备的开发旨在提高熔粒射流速度，可达2-3 速，因此称超音速喷涂。与一般火焰喷涂相比，设备工艺必须提供足够高的气体压力，以产生高达5 倍音速的焰流(1830m/s)，气体的消耗量也很大，所以需要 庞大的供气系统，就氧气而言，通常是一般火焰喷涂的10 倍。超音速火焰喷涂 设备产生的焰流速度高达2400m/S。该工艺由于具有较高的冲击能量，所以涂层 气孔率低(小于1%)，涂层表面较光滑，粉末颗粒有高的喷涂速度(1020m/S)、较 高的沉积率(27kg/h)。由于粉末颗粒在高温中停留时间短，所以涂层含氧化物量 低，化学成分和相的组成具有较强的稳定性，改善了颗粒的结合状态，涂层与基 体表面的结合强度高，可得到比爆炸喷涂层更厚的涂层，残余应力得到改善，中 心温度较等离子弧低。 等离子喷涂（APS）与高速火焰喷涂（HVOF）的简介4.1 等离子喷涂 4.1.1 等离子体概述 自然界除了固、液、气三种形态外，还广泛存在着物质的第四态--等离子体， 如太阳，极光等。当气体电离度大于0.1 时，正离子和电子数量增多且相等，其 空间电荷为零，呈中性状态。把处于这种状态下的气体称为等离子体。等离子休 有三个基本特点:即很强的导电性、电准中性与磁场的可作用性。等离子体是一 个广义概念。等离子喷涂技术中所述的等离子体是指气体经过压缩电弧后形成的 高温等离子体，亦称热等离子体。 4.1.2 等离子弧 电弧有两种形态，即自由电弧和压缩电弧，所谓等离子弧则是指压缩电弧。 等离子弧与自由电弧的区别如表1.1 所示。 吉林大学硕士学位论文文献综述 表1-1 电弧形态特征 类型 特征 自由电弧 电弧燃烧不受任何约束，电弧温度一般在5000～6000K 压缩电弧 电弧燃烧由冷却喷嘴的约束作用而存在机械压缩效应、热压缩效 应、自磁压缩效应。电弧温度可达3104K 4.1.2.1 等离子弧形式 （1）非转移型等离子弧简称为非转移弧(图2-1a)，它是在阴极和阳极(喷嘴) 内表面之问形成的，而工件不带电。等离子弧在喷嘴内部不延伸出来，当连续送 入的工作气体穿过电弧后，就从喷嘴中喷射出高温焰流。非转移弧常用于喷涂表 面处理以及焊接或切割较薄的金属或非金属。 （2）转移型等离子弧简称转移弧(图2-1b)，它是在阴极和工件之间形成的在 引弧时要先用喷嘴接电源正极，产生小功率的非转移弧，而后工件转接正极将电 弧引出去，同时喷嘴断电。转移弧有良好的压缩性，能量集中，电流密度和温度 都高于同样焊枪结构同样功率的非转移弧。转移弧主要用于切割、焊接和堆焊[3]。 （3）联合型等离子弧由转移弧和非转移弧联合组成(图2-1c)，一般非转移弧 作为辅助热源，起着引燃转移弧及预热金属粉末的作用;转移弧主要用来加热粉 末和工件，使喷出的粉末迅速进入熔池与工件熔合。它主要用于电流在100A 下的微弧等离子焊接，以提高电弧的稳定性，在进行等离子堆焊时，联合型等离子弧可以提高粉末的熔化速度，减少熔深和焊接热影响区。 等离子弧的3种形式（a）非转移型等离子弧，（b）转移型等离子弧，（c） 联合型等离子弧 4.1.2.2 等离子弧特性 （1）温度高，能量集中。等离子最大特点之一是具有非常高的温度和能量密度。 在等离子中心温度最高达32000K，在喷口处中心温度已达20000K。等离子弧温 吉林大学硕士学位论文文献综述 度高、能量集中的特点有很大的应用价值，在喷涂或焊接、堆焊时可以熔化任何 金属或非金属，可以获得高的生产率，还可以减小工件变形，减少热影响区等。 （2）焰流速度高。进入喷枪中的工作气体被加热到上万度高温，体积剧烈膨胀， 因而等离子焰流自喷枪中高速喷出，在喷嘴附近的喷射速度可达亚音速或超音速， 具有很大的冲击力，这对切割和喷涂工艺比较有利。美国研制的高能等离子喷涂 装置，功率为80kW 时，焰流速度可达3 马赫。 （3）稳定性好。由于等离子弧是一种压缩型电弧，弧柱挺拔、电离度高。因而 电弧位置、形状以及弧电压、弧电流都比自由电弧稳定，在弧柱较长时仍能保持 稳定燃烧，没有自由电弧易于飘动的缺点，不易受外界因素于扰，这对保证喷涂、 焊接、堆焊、切割等的质量有重要意义。 （4）调节性好。压缩型电弧可调节因素较多，可以在很广的范围内稳定工作以 满足各种电弧等离子工艺的要求，这是自由电弧所不能达到的。例如，变换工作 气体的种类可以得到氧化、中性或还原气氛;改变喷嘴尺寸、控制气体流量、调 节电压参数可以控制等离子弧的刚柔性，以保证在切割及喷涂时获得焰流速度高、 冲击力大的刚性弧，在焊接时获得刚柔适中的等离子弧。此外，通过调节等离子 喷涂设备的电功率可灵活地调节焰流温度和喷射速度，以适应不同材料的需要。 4.1.3 等离子喷涂原理 等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂。等离子弧是一种高能密束热源， 电弧在离子喷涂枪中受到压缩，能量集中，其横截面的能量密度可提高到105～ 106W/cm ，弧柱中心温度可升高到1500--33000K。在这种情况下，弧柱中气体随着电离度的提高而成为等离子体，这种压缩型电弧为等离子弧[4,5]。 图1.3 是等离子喷涂原理示意图。右侧是等离子体发生器又叫等离子喷涂 枪，根据工艺的需要经进气管通入N2 或Ar，也可以再通入5%一10%的H2。这些 气体进入弧柱区后，将发生电离，成为等离子体。由于钨极与前枪体有一段距离， 故在电源的空载电压加到喷涂枪上以后，并不能立即产生电弧，还需在前枪体与 后枪体之间并联一个高频电源。高频电源接通使钨极端部与前枪体之间产生火花 放电，于是电弧便被引燃。电弧引燃后，切断高频电路。引燃后的电弧在孔道中 产生压缩效应，温度升高，喷射速度加大，形成等离子体弧，此时往前枪体的送 粉管中输送粉状材料，粉末在等离子焰流中被加热到熔融状态，并高速喷打在零 吉林大学硕士学位论文文献综述 件表面上。当撞击零件表面的熔融状态的球形粉末发生塑性变形，勃附在零件表 面，各颗粒之间也依靠塑性变形而相互钩结起来，随着喷涂时间的增长，零件表 面就获得了一定尺寸的喷涂层。 等离子喷涂原理示意图Fig.1.3 Principle schematic figure PlasmaSpray 等离子弧的特点: (1)温度高，能量集中 400A 非转移型等离子弧温度在喷嘴出口处中心温度可达到2O000K。 等离子弧温度高、能量集中的特点有很大的应用价值，在喷涂时，它可以熔化任 何金属或金属陶瓷;可以获得高的生产率，减少工件变形和热影响区。 (2)焰流速度高 进入喷枪中的工作气体被加热到上万度高温，体积剧烈膨胀，因而等离子焰 流自喷枪中高速喷出，具有很大的冲击力，提高了喷涂层的性能。作为喷涂用的 等离子弧的焰流速度通常为每秒几百米。 (3)稳定性好 由于等离子弧是一种压缩型电弧，弧柱挺拔、电离度高，因而电弧位置、形 状以及弧电压、弧电流都比自由电弧稳定，不易受外界因素的干扰。 (4)调节性好 压缩型电弧可调节的因素很多，在很广的范围内稳定工作，可以满足等离子 工艺的要求，这是自由电弧所不能达到的。 吉林大学硕士学位论文文献综述 4.1.4 等离子喷涂工艺参数确定 （1）基体金属的温度 一般情况下预热温度为100～150，在喷涂碳化钨粉时，为减少碳的烧损， 基体应保持常温。喷涂粉可以在烘干箱中进行预热，也可以在喷涂前关闭送粉器 先用等离子焰流预热工件。 （2）喷涂距离和喷涂角度 喷涂陶瓷粉末，喷涂距离一般为50～80mm。为获得致密涂层，在喷涂时， 等离子焰流轴线与被喷涂工件之间的角度(即喷涂角度)不小于45 通入喷涂枪用于压缩电弧并发生电离的气体为主气，并称为离子气。等离子喷涂常用的主气流量为2m /h，用于带动粉末的气体称为送粉气，送粉气流量为0.6～0.8m （4）送粉量及电功率送粉量及电功率这两个工艺参数是喷涂过程中最主要的参数，又是需要经 常变动的参数。这两个参数是互相联系的，在确定这两个参数时，重点是保证 二者的适当匹配。送粉量和功率的恰当匹配，指的是对于由一定品牌一定粒度 组成的粉末，在不同的送粉量下，应当采用不同的功率。当送粉量不变时，如 果功率过小，则粉末熔化不良，涂层中夹杂的生粉多，粉末撞击工件时变形不 充分，并有较多的粉末弹跳损失，这时沉积率低，且涂层与基体结合不牢。反 之，如果功率过大，虽然粉末的熔化和撞击变形良好，但粉末受氧化烧蚀太多， 涂层中夹着较多的烟尘，同样使沉积率降低，结合不牢。因此，对于一定牌号 一定粒度组成的粉末，送粉量的大小和电功率的最佳值要相适应。生产中确定 送粉量和电功率最佳对应值是采用喷涂沉积效率试验方法，一般取沉积效率曲 线中最高点处的电功率值为最佳值。 4.1.5 等离子喷涂发展与展望 等离子喷涂自二十世纪五十年代以来，技术进步和生产应用发展很快，自二 十世纪六十年代等离子物理应用于热喷涂以来，等离子喷涂得到了飞速的发展， 尤其是七十年代初期以后，其发展可以说是突飞猛进。从空气等离子喷涂和水稳 吉林大学硕士学位论文文献综述 等离子喷涂发展到真空等离子喷涂以及后来的超音速等离子喷涂和反应等离子 喷涂、微束等离子喷涂等。从喷涂的材料上来看，经历了喷涂纯金属粉末、合金 粉末、陶瓷粉末和复合材料粉末的发展。等离子喷涂在传统的耐磨、耐热、抗氧 化/腐蚀方面已经有了广泛的应用，近年来正试图在生物、超导和复合材料等高 科技领域发挥特长，而且取得了一定的应用。喷涂耐高温陶瓷是目前发展的热点， 而复合材料和金属间化合物的喷涂也有增大的趋势。在一系列的技术领域里，等 离子涂层所显示的独特优越性已经引起越来越多的工业部门的重视，故在航空、 冶金、机械、机车车辆等部门得到广泛的应用[6-9]。特别是在三个重要产业(汽 车、钢铁、能源)方面得到了令人瞩目的成功[10-12]。在热喷涂技术中等离子喷 涂占据着最重要的地位。等离子喷涂喷枪也在不断地改进，大多主要是为了保证 喷涂粉末被充分加热和提高熔融粒子的喷射速度[13]，改进方法包括： （1）将喷嘴加长，使射流的温度和速度均匀化； （2）双阴极等离子喷涂，可大大调整流速和热烩； （3）三阴极等离子喷涂，使粉末在边缘处也被充分加热； （4）气体隧道等离子喷涂，通过涡流来形成一气体隧道使等离子射流能量密度 提高。 针对喷涂粉末和等离子喷涂处理过程进行数学分析和计算机模拟并对其实 行智能化控制。电力和电子技术的发展也不断使新型的功能器件得到应用，使设 备高效、节能和小型化，并具有优良的动态调节性能和控制方便等优点。 等离子喷涂参数多达几十种，而且有些之间相互影响。如何对喷涂工艺的控 制实现智能化，并对喷涂过程实施在线反馈控制做出及时调整是一个有待深入解 决的问题。近年来随着计算机技术的进步，对等离子喷涂过程和涂层的计算机模 拟也有较大的发展[14-16]。 4.2 高速火焰喷涂简介 4.2.1 高速火焰喷涂是将助燃气体与燃烧气体在燃烧室中连续燃烧，燃烧的火焰在 燃烧室内产生高压并通过与燃烧室出口联接的膨胀喷嘴产生高速焰流，喷涂材料 送入高速射流中被加热、加速喷射到经预处理的基体表面上形成涂层的方法。可 使用乙炔、丙烷、丙烯、氢气等作为燃气，也可使用柴油或煤油等液体燃料。煤 吉林大学硕士学位论文文献综述 油、氧气通过小孔进入燃烧室后混合，在燃烧室内稳定、均一地燃烧。有监测器 用来监控燃烧室内压力，以确保稳定燃烧，喷涂粉末的速度与燃烧室内压力成正 比。燃烧室的出口设计使高速气流急剧扩展加速，形成超音速区和低压区。粉末 在低压区域沿径向多点注入，粉末均一混合，在气流中加速喷出。高速火焰喷涂 焰流速度高达1500m/s～2000m/s，一般可观察到5-8 个明显的马赫锥，粒子流 速度高达300～650m/s[17-21]。 4.2.2 设备构成 高速火焰喷涂设备一般由喷枪、送粉器、控制系统、喷枪冷却系统、气体供 应系统五部分构成。目前我国在用的高速火焰喷涂设备绝大部分是进口的，使用 最多的型号为:Sulzer Metco 公司的DJ 一2700 和Praxair 公司的JP 一5000， JP 一5000 是原Hobart Tafa 公司研制成功的，后该公司并入了Praxair 公司。 这两种设备在国外应用也最为广泛，代表了当今世界高速火焰喷涂技术的发展水 SulZerMetco DJ 一2700，该设备由 Sulzer Metco 公司生产，以丙烷或丙 烯作为燃气，国内大多采用丙烷作燃气。该设备分手动控制型和自动控制型两种， 手动型设备仅由喷枪、送粉器、流量控制器三部分构成，具有很好的机动性，可 用于现场喷涂生产。同JP 一5000 相比，DJ 一2700 具有配置简单实用，操作方 便、氧一燃气耗量低的特点[22]。 4.2.3 高速火焰喷涂的涂层及工艺特点 高速火焰喷涂工艺因其鲜明的特点:超高的焰流速度和相对较低的温度，使 其涂层性能和喷涂工艺具有许多特点: (l)火焰及喷涂粒子速度高。火焰速度达到1800耐s以上，粒子速度:300～650m/S。 (2)粉粒受热均匀。喷涂粉粒沿轴向或径向注入燃烧室，使粉末在火焰中停留时 间相对较长，熔融充分，产生集中的喷射束流。 (3)粉粒与周围大气接触时间短，粉末粒子飞行速度高，和周围大气接触时间短， 很少与大气发生反应，喷涂材料中活泼元素烧损少。这对碳化物材料尤为有利， 可避免分解和脱碳[23-25]。 (4)喷涂粉末细微，涂层光滑用于高速火焰喷涂的粉末粒度一般为:10m～45m， 属于细粒度粉末，同时喷涂粒子速度高，熔融充分，形成涂层时变形充分，使得 吉林大学硕士学位论文文献综述 涂层表面粗糙度小。 (5)涂层致密，结合强度高一般高速火焰喷涂涂层的孔隙率＜2%，结合强度＞ 70MPa。 4.2.4 主要工艺参数 (1)粉末特性。目前粉末供应商提供了品种繁多的碳化物粉末，而粉末特性往 往因其制粉工艺方法的不同而表现出较大的差异。粉末特性包括:粉末粒度分布、 颗粒形状、表面粗糙度等[26-28]。对DJ 一2700 设备来说，适宜的粉末粒度 为:15m～40m。 (2)氧-燃气流量和比例。高速火焰喷涂的焰流温度及特性取决于氧-燃气流量 和混合比例。高速火焰喷涂时，首先应按照设备的规定要求确定氧气和燃气的流 量，以保证喷枪焰流达到设计的功率水平。实际生产过程中有多种因素可导致氧 -燃气比例的波动，而氧-燃气比例对确定最终的涂层组织十分重要。理论上，丙 烷完全燃烧要求氧与丙烷的比例为5:l(C3H8+5O2=H2O+3CO2)，这一燃烧比例产生 的是中性焰(即燃烧时氧与燃气分子全部耗尽)。若燃气比例下降，焰流中未消耗 尽的氧分子将产生“氧化”气氛，导致熔融粉末粒子的过度氧化，涂层中氧化物 含量增多。混合气中燃气过多会产生低温贫氧的火焰，所得涂层中未熔粒子和孔 洞增多，而氧化物含量降低。事实上，中性焰是不存在的，在高温，燃烧过程不 是完全可逆的，反应物与反应产物以热平衡和化学平衡方式共存[29]。研究结果 表明:对DJ 型高速火焰喷涂系统，当氧-燃气比例在4.2～5.6 之间时，可获得高 性能的涂层[30]。 (3)喷涂距离。研究表明:DJ 型高速火焰喷涂系统，当粉末粒子在距喷枪出口 100rnln 以内即己经达到了其最高温度，随着喷距的增加粒子温度逐渐降低，在 100～230mm 范围内，粒子温度大约降低了60，其降低幅度并不大，粒子仍可 保持约1775的高温;而粒子速度在距喷枪出口大约190mm 内是一个逐渐加速的 过程，在距喷枪出口190～200mm 左右达到480m/s 以上的最高速度，170～230mm 喷距上，粒子速度基本维持在480m/s 以上[31-35]。考虑到高温焰流对基体传热 的不利影响，喷距在可能的情况下应尽量增大，故对DJ 型高速火焰喷涂系统来 说，适宜的喷距应为:190～230mm。与其它喷涂工艺相比，高速火焰喷涂喷距的 可调整范围是比较大的，这得益于粒子的高速度。较大的喷距可调范围对实际生 吉林大学硕士学位论文文献综述 产十分有利，因为可以根据工件的形状、大小、涂层厚度等要求选择适宜的喷距， 以得到综合性能最好的涂层[36-38]。 (4)送粉量。对任何热喷涂工艺来说，送粉量都是影响涂层性能的一个重要参 数[40-42]。某种粉末在某一具体的喷涂工艺条件下，都对应有一适宜的送粉量 范围。若送粉量过小，可能的不利影响有: 延长了喷涂时间易造成工件过热涂层开裂和生产成本的增大。若送粉量过大，可能的不利影响有: 粉末熔化不充分，涂层结合强度降低，孔隙率增大。 涂层应力增大，导致涂层开裂。 粉末沉积率下降，生产成本提高[43-45]。 研究表明:使用DJ 系统，喷涂WC-Co 涂层时，当送粉量在38～60g/min 之间 变化时，涂层孔隙率在1.12～2%之间，显微硬度在HV1000 一1300，粉末沉积率 为40 一50%，涂层性能优。喷涂Cr-NiCr 涂层时:当送粉量在27～45g/min 之间 变化时，可获得令人满意的涂层质量[46]。 实验方案的制定吉林大学硕士学位论文文献综述 5.1 试样的预处理 基材的原始表面状况，对喷涂层的质量(特别是结合力)有直接影响[47]。因 此在喷涂前必须把基材的表面按要求进行适当处理，才可以得到良好的喷涂层。 基体表面预处理的目的是提高涂层与基体的结合强度以及改善涂层内应力的分 布状况[48-50]。热喷涂涂层与基体的结合主要是机械结合，实际上涂层的组成 物—熔融或半熔融的涂层材料微粒经过与基体碰撞和冲击变形后，与基体表面啮 合而勃附，因此必须尽量提高工件表面积及其净化程度，才能使涂层结合更紧， “抛锚”作用更强。 喷涂前基体表面要经过机械加工、清洗、和喷砂。零件可在汽油、柴油、或 煤油中粗洗，接着对待喷表面进行精洗，最后在丙酮溶液中对待喷表面进行清洗。 零件经清洗后要及时喷砂，喷砂是使表面粗化应用最广泛的方法，被喷表面的喷 砂印痕应十分均匀，经喷砂后的零件应放在不受污染的环境中，以保持其清洁 [51-54]。 5.2 金相试样的制备 涂层金相组织的研究方法与整体金属材料金相组织的研究方法基本相同。但 是由于涂层本身的特点及其基体材料的性质有着很大的差异，因而比整体材料的 检验要困难和复杂。主要的问题是如何确保涂层组织结构的完整性和真实性。为 此，必须对金相试样的制备特别注意和严格，以免出现假象。制备过程中要特别 注意不能破坏涂层中微粒的组织结构，尽量避免涂层粒子在磨制试样时脱落。 光学金相试样的制备通常包括取样、镶样、研磨抛光和腐蚀等步骤，在制备 吉林大学硕士学位论文文献综述 涂层试样时，每个步骤都须正确、谨慎地操作，才能保证检验的准确性。 试样的选择应符合国家标准GB/T 13298 金属显微组织检验方法规定进行， 用细砂切割机、线切割机或者火焰切割等方法截取一定尺寸具有研究价值的部位， 且应保持所观察部位的组织不改变。取样最好采用线切割，砂轮切割机取样易发 生涂层脱落和过热，为避免切割力不均和不稳定，最好用程序控制的线切割机进 行切割取样。 涂层的金相检验试样通常都进行镶嵌，一方面是为随后的研磨抛光和腐蚀提 供方便，避免涂层的倒角、翘起和微粒脱落，另一方面是使试样的尺寸和形状标 准化以利于对棱边、刃口等的观察分析。因涂层检查多是对横断面，故一般是将 两块试样镶嵌在一起。对硬质涂层应将两试样按前对后的位置镶嵌，对较软的涂 层则可按面对面位置镶嵌，使涂层收到保护而有利于反映真实的组织结构。涂层 试样的镶嵌可用一般的金相试样镶嵌方法，本实验采用struers 自动镶嵌机镶嵌 试样[55]。 试样的研磨抛光步骤包括粗磨(预磨、磨平)、精磨和抛光，其操作方式有手 工制样和自动化操作两种。粗磨的要求是磨去取样时产生的损伤和缺陷，同时将 试样的检验面磨平。在粗磨过程中会使试样表面产生一层极薄的变形层，它的存 在将可能造成一些显微组织假象，故要进行精磨，其目的是去除变形层。为此， 须采用更细和更硬的磨料，在使用的砂纸研磨方法中，所用砂纸的粒度依次为 240 目、400 目、600 目、800 目和1000 目。抛光的目的是进一步去除精磨中产 生的微小变形和表面污垢，并获得光反射率高的试样表面。试样抛光的方法分为 粗抛和精抛，粗抛是在磨盘上所加的一块粗抛布上加氧化铬悬浮液，磨粒的尺寸 范围为0.3m～1m，而精抛则是在精抛布上加金刚石磨膏，磨粒尺寸约为0.3。 5.3 涂层的检测 5.3．1 涂层组织的金相检验 材料的宏光性能是由其微观组织结构决定的，热喷涂涂层也不例外，金相检 验是涂层检测的重要内容，是判定涂层质量和适用性的主要依据之一。涂层金相 检验的目的是观察研究涂层的组织结构、与基体的结合情况、以及涂层的微观缺 陷(孔洞、裂纹、夹杂物等)，从而评定涂层的质量。 涂层组织结构的检验，主要是采用光学金相显微镜和电子显微镜观察研究其 吉林大学硕士学位论文文献综述 金相组织，此外，还常用到X 射线衍射、电子探针等手段进行分析。涂层孔隙率 表征涂层致密度，是评价涂层质量的一个重要指标。测定涂层孔隙率的方法很多， 金相法测定孔隙率是一种简单的近似计算方法。 实验中，使用OLYMPUS GX51 型金相显微镜观察涂层的断面组织形貌，使用 OLYCIA m3 专业金相分析系统计算涂层的孔隙率。由于涂层中的孔隙在金相照片 中显示为较涂层材料较深的颜色，所以使用OLYCIA 软件通过面积含量软件包中 的第二相含量测量，在一定的放大倍数下，将金相照片中涂层材料区域与涂层孔 隙区域区别开来，计算得出涂层空隙区域面积占整个涂层区域的面积比，即可以 测量涂层的孔隙率[56]。 采用PhihPs 一XL30 扫描电镜(分辨率3.5nm，方法倍数为5～40000 速电压为0.1～3.OKV)观察粉末颗粒的形貌。5.3.2 涂层的硬度测试 涂层硬度对涂层的强度、耐磨性和使用寿命等多种特性有很大相关性，因而 是涂层的重要力学性能之一，在很多场合下都需要有涂层硬度的数据。涂层硬度 和涂层材料的性质是分不开的，但涂层硬度和涂层材料的硬度有区别，即使是用 同一种喷涂材料，涂层硬度通常也是不同的。涂层的宏观硬度是用一般的布氏硬 度计或洛氏硬度计，以涂层表面较大范围(宏观)压痕为定对象测得的平均硬度值; 涂层的显微硬度是用显微硬度计，以涂层中的微粒为测定对象所测定的硬度值， 反映的是涂层微观颗粒的硬度。两者的本质不同，同一涂层所测出的数值也有差 异，它们分别适用于不同条件。一般来说，对厚度大于几十微米的厚涂层可选用 宏观硬度检测，而厚度小于几十微米的薄涂层，则宜选用显微硬度检测，以避免 基体材料对测得的硬度值的影响。 由于涂层存在微观的组织不均匀性，因此涂层硬度值也存在涨落现象。显微 硬度测定的主要目的是测定涂层中单个粒子和相的硬度值。标准洛氏硬度计和表 面洛氏硬度计压痕太大，仅能反应该区的平均硬度。但对于变形熔滴中心与边界， 涂层中镶嵌的硬质相与基相，涂层中氧化物夹杂和相变组织之间的硬度不同，需 要用显微硬度计来判别。显微硬度(HV)能正确反映涂层微区的硬度值和变化状态。 显微硬度测定实验一般使用金相试样。首先，涂层试样的制备要能在显微镜 视场中辨认出各种组织的形貌。显微硬度计所产生的压痕小，能在所选择的颗粒 吉林大学硕士学位论文文献综述 或相结构中压痕去分开。其压痕的深度，有载荷引起的应力变形“影响区”，能 被限制在进行试验的颗粒范围内，所以能较准确表征涂层的硬度性质。显微硬度 的数值可能有正常分散的情况，因此，至少应选取10 个读数，取其算数平均值。 六参考文献 徐滨士，李长久，刘世参等.表面工程与热喷涂技术及其发展.中国表面工程，1998，(1):3-9 赖世强．等离子喷涂过程中液态颗粒平化过程数值模拟[J]．焊接，1998，(6)：7～10． 郑济宏．GE篦吃盘涂层等离子喷涂工艺研究[J]．红旗技术，2002，１（2）： 24～29． Takeuchi,MurataY.An improvement -NiCrsprayed coatings followed chromiumdiffusion treatment.Proceedings 15th intermational[J].Thermal spray coference[J].1998:1425～1430 张永清，阴生毅．等离子喷涂复合涂层在修复超差零件中的应用[J]．新工艺新技术，1996，1(2)：12～13． HuiWang,WeiMing Xia.A study abrasiveresistance Ni-based coatings

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