【原创】热喷涂陶瓷涂层,让金属“支棱”起来!


来源:中国粉体网   山川

[导读]  在金属表面制备陶瓷涂层的方法有很多,气相沉积法、溶胶凝胶法、自蔓延高温合成法、热喷涂法、高温熔烧法和激光熔覆法等,其中热喷涂技术的应用尤为广泛。

中国粉体网讯  在工程材料中,金属材料是应用最广泛的材料,但由于其具有易磨损、硬度低和易腐蚀等缺点,已经难以满足现代生产的要求。为了弥补金属材料的缺陷,表面工程技术应运而生。在金属材料表面制备陶瓷涂层,形成金属陶瓷复合材料,不仅可以保留该材料的金属特性,同时还使其具备陶瓷材料耐磨、耐热、耐高温和耐腐蚀等优点,因而该技术在电力、化工、印刷、航空航天和医疗等领域备受关注。


 

图片来源:佛山市炫科机电有限公司


在金属表面制备陶瓷涂层的方法有很多,气相沉积法、溶胶凝胶法、自蔓延高温合成法、热喷涂法、高温熔烧法和激光熔覆法等,其中热喷涂技术的应用尤为广泛。


热喷涂技术及优点


 


热喷涂技术具有以下优点:


(1)喷涂基体和喷涂材料很广泛,不受限制;


(2)喷涂对象可以是复杂零件,不受零件形状的限制;


(3)操作简单方便,能够对基体的耐磨性、硬度和导热等性能有较好的改善效果,且不会引起基体较大的应力变形。


陶瓷涂层材料


陶瓷涂层材料主要包括氧化物、硼化物、硅化物、碳化物陶瓷,它们的熔点都很高,大多在2000℃以上,化学稳定性良好。


其中氧化物应用较多,它们在氧化性气氛中有优良的化学稳定性,熔点很高,还具有很好的耐磨性和电绝缘性能。因而多作为耐高温、耐隔热、绝缘、耐磨、耐腐蚀涂层。应用较多的氧化物陶瓷有氧化铝、氧化镁、氧化钛、氧化铬、氧化锆等。


金属碳化物的熔点比其化合物中金属元素的熔点高,在高温下有良好的机械性能,所以适宜于耐热涂层。几乎所有碳化物都是电和热的良导体。典型的碳化物是碳化钨,它还具有很高的硬度,因而有良好的耐磨性,常用于机械密封和要求耐磨的轴颈等。


其它陶瓷也都可作为热喷涂材料。所有陶瓷都有一个共同的缺点,就是材料没有延展性,硬而脆,因此不可能制成线材,绝大多数是以粉末材料出现,也有将其制成棒材用于熔棒式喷涂的。


热喷涂陶瓷涂层技术


1、电弧喷涂


电弧喷涂是利用燃烧于两根连续送进的金属丝之间的电弧将金属熔化,熔融金属通过压缩空气雾化、喷涂,在工件表面形成涂层的技术。这项技术具有以下特点:


(1)具有普遍适用性和较高的效率;


(2)制备涂层质量较高,防腐性较好,并且与基体结合度良好;


(3)制备的陶瓷涂层具有较好的可修复性。


 

电弧喷涂工艺工作原理图


2、火焰喷涂


火焰喷涂是一种用于表面防护和强化的工艺,近年来得到了快速发展。它是利用可燃气体(C2H2、H2、C3H8和石油液化气等)燃烧产生的高温来熔化喷涂材料,然后通过压缩空气以较快的速度喷涂到基体表面,从而形成涂层。该技术具有以下特点:


(1)基体可以是金属也可以是非金属;


(2)可以喷涂多种材料;


(3)喷涂后基体变形量较小;


(4)具有巨大的能量输出,可以达到普通火焰喷涂的7倍;


(5)涂层综合性能较高,孔隙率可以达到等离子喷涂的1/6左右。


3、等离子喷涂


等离子喷涂是热喷涂技术中最为重要的一种。利用直流电弧放电,把高温加热的氩气、氮气、氦气等气体部分电离成离子束,在电弧放电部位四周强制流过低温气体,产生热收缩效应,使电弧放电部位断面缩小,导致能量密度和电流密度升高,最高温度可达20000℃。由于等离子喷涂温度高,气氛可控制,可以用来喷涂各类高熔点的金属、氧化物和其他各种材料。


 

等离子喷涂工艺工作原理图


等离子喷涂具有以下特点:


(1)可喷涂材料种类多样,应用广泛;


(2)生产效率高,并且可制备较高质量的涂层;


(3)对基体的影响较小,几乎不会引起基体热变形。


热喷涂陶瓷涂层技术的应用


1、热障涂层


 


2、可磨耗密封涂层


现代航空发动机采用压气机使空气增压升温,高温压缩空气进入燃烧室使燃料充分燃烧是提高发动机的功率和热效率的主要措施之一。采用热喷涂技术在压气机涡壳内表面喷涂可磨耗密封涂层,与压气机叶片尖部的硬质涂层形成一对可磨耗密封磨损副,在运行过程中能形成理想的径向气流间隙,获得最大的压差,从而显著提高发动机的功率,降低航空汽油的消耗。


3、功能涂层


等离子喷涂超音速喷涂超导陶瓷涂层都已应用成功。超导陶瓷涂层在磁屏蔽、微波元件、各类传输器、量子电子器件等方面显示出良好的应用前景。


4、抗高温黏着磨损涂层


热处理炉辊、支承辊、烧结炉辊等高温辊子多在800℃~1200℃高温下运行,采用热喷涂技术,在高温炉辊表面喷涂特种陶瓷或金属陶瓷涂层,具有良好的耐高温、抗氧化、抗黏着、防节瘤和自清理净化功能,既可显著提高炉辊使用寿命,又能生产表面光洁质量优良的钢材。


参考来源:

[1]朱昱等.热喷涂技术制备陶瓷涂层的研究进展

[2]肖九梅.关注陶瓷材料在汽车上的热喷涂新技术

[3]肖军.陶瓷热喷涂技术与涂层材料探密


(中国粉体网编辑整理/山川)

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作者:山川

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