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爆炸喷涂研究的现状及趋势
2006年7月11日 9:35  
   摘要:爆炸喷涂是目前制备高质量涂层的最好喷涂技术。本文详细介绍了爆炸喷涂的原理、特点及爆炸喷涂涂层的发展现状,并对爆炸喷涂涂层发展趋势作了推测,提出纳米涂层是爆炸喷涂涂层的新的发展方向。
   关键词:爆炸喷涂;耐磨涂层;热障涂层;纳米涂层

   20世纪50年代初期,美国联合碳化物公司利德分公司发明了粉末爆炸喷涂(简称爆炸喷涂)技术,申请了专利,并于1953年投入生产。但他们只在本公司内为用户提供制备涂层的服务,而不出售该技术和设备,并且至今没有发表过关于该技术的任何论文。到上世纪60年代,前苏联乌克兰科学院材料研究所和焊接研究所开始研究爆炸喷涂技术,并研制出一系列的爆炸喷涂设备。由于此技术有一定的危险性,且技术难度大,所以其它国家没有进行该技术的研究。90年代苏联解体后,乌克兰科学院与中国钛得公司合作开发产品,使该技术公开化。俄罗斯、乌克兰材料所和焊接所开始向外出售该技术和设备。1970年,我国的航天部六二一所也成功研制出了爆炸喷涂设备,但由于性能与乌克兰的设备相差较大,所以国内使用的爆炸喷涂设备大多是从乌克兰和俄罗斯引进的。目前约有近10台爆炸喷涂设备在国内开始使用。

   爆炸喷涂技术研制成功后,因其涂层比其它喷涂方法得到的涂层质量高得多,所以得到了人们的广泛认可。一般认为,爆炸喷涂是当前热喷涂领域内最高的技术。最初一直应用于航天和核工业等军事领域,并逐渐向民用品发展,目前已应用到钢铁工业、能源工业、汽车工业等部门。

   1 爆炸喷涂的原理及特点

   爆炸喷涂是利用气体爆炸产生高能量,将喷涂粉末加热加速,使粉末颗粒以较高的温度和速度轰击到工件表面形成涂层。喷涂时,先将一定压力、比例的氧气和乙炔由进气口通入水冷喷枪内腔,然后由供粉口将粉末送入,接着火花塞点火,氧气和乙炔的混合气体燃烧并爆炸,产生高温高速气流,将粉末加热,并以高速(超过音速约3倍)撞击到基材表面,形成涂层,通入氮气清理枪管,为下一次喷涂做准备。如此重复进行。图1为爆炸喷涂实验装置的示意图。


   爆炸喷涂与其它喷涂工艺相比有很多优点:1) 爆炸喷涂涂层结合强度高、致密、孔隙率低。喷涂时,由于粉末颗粒迅速被加热、加速,半熔粉末对基体的撞击力大,所以涂层结合强度高,喷涂陶瓷粉末可达70MPa,喷涂金属陶瓷粉末可达175MPa,涂层致密,孔隙率<2%;2) 工件热损伤小。爆炸喷涂是脉冲式喷涂,热气流对工件表面作用时间短,因而工件的温升不高于200℃,不会造成工件变形和组织变化;3) 涂层均匀、厚度易控制。爆炸喷涂每次喷涂形成的涂层厚度约为0.006mm,所以涂层的厚度均匀、易控制,工件加工余量小;4) 涂层硬度高、耐磨性好。涂层材料相同时,爆炸喷涂形成的涂层硬度更高、耐磨性更好,硬质合金涂层硬度可达1100HV;5) 爆炸喷涂可用微机控制,易于实现自动化。

   但是爆炸喷涂也存在着一些缺点:1) 产生的噪音大(高达180dB),需要在专用的隔音间中进行,并由设在隔音室外的微机控制,喷涂时产生粉末飞散现象,使爆炸喷涂的使用受到一定的限制;2) 爆炸喷涂频率为2-10次/s,每次只能形成约φ25mmX0.006mm的涂层,效率较低;3) 爆炸喷涂的喷涂粉末从喷枪中喷出,只能以直线行进,所以喷涂受基材形状限制较大,对于形状复杂的工件很难喷涂。

   2 爆炸喷涂涂层研究

   爆炸喷涂因其涂层的质量高,受到了各行业广泛的认同和欢迎,国内外都做了大量的研究。现在,爆炸喷涂已在能源工业、汽车工业、纺织工业、钢铁工业及造纸行业等部门内得到了快速的发展和应用。它在许多材料上成功应用,其涂层材料的研究也得到了发展,较成功的涂层主要有耐磨涂层和热障涂层。

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