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热喷涂材料:现状与未来
2006年7月26日 9:7   作者:北京矿冶研究总院 贾永昌

热喷涂材料是热喷涂技术的重要组成部分。它与热喷涂工艺及热喷涂设备共同构成热喷涂技术的主体。整个热喷涂技术的发展,实际上受设备与材料的进展而被推动与牵引的。

一、历史的回顾

迄今,热喷涂材料的发展大体跨分三个阶段。第一阶段是以金属和合金为主要成份的粉末和线材,主要包括铝、锌、铜、镍、钻和铁等金属及它们的合金。这些材料制成粉末,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作出一定线径的金属丝或合金丝。这些材料主要供火焰粉喷、线喷及电弧喷涂等工艺使用,涂层功能较单一,大体是防腐和耐磨损,应用面相对较小;第二阶段始于五十年代中期。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。等离子焰高达1万度,几乎可以喷涂一切材料。于是,人们打开了思路,先后发展了一系列的陶瓷材料和金属陶瓷材料。实际上,只有进入七十年代中期,1976年迈阿密第八届国际热喷涂会议之后,在航空工业迅速发展的需求与推动下,这些材料才真正找到了用武之地,相继出现了高性能、高技术的耐磨、耐高温、抗燃气腐蚀及隔热等表面工程涂层材料,使热喷涂技术开始从简易的维修车间步入宇航和飞机等高技术产业领域,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放下了心,而且自那时起,一架航空发动机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。第三阶段是以七十年代中期出现了一系列的复合粉和自粘一次喷徐粉末,直至八十年代夹芯焊丝作为电弧喷涂材料进入市场为主要标志。其特征是材料在成份与结构的“复合”,达到喷涂工艺的改进和涂 层性能的强化。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;自粘一次粉综合了打底粉与工作粉双重功能,简化了喷涂工艺。不少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,同时又会与核心发生化学或冶金方面的反应,赋于涂层更好的性能。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,这些复合丝可以用火焰线材喷枪,但主要用电弧喷枪喷涂,使这些原来只能形成金属一合金涂层的工艺,可以喷涂带有陶瓷一类的硬质耐磨材料,使涂层 的应用面大为拓展。

二、传统的制粉方法居主要

喷涂粉末在整个热喷涂材料中占据十分重要的地位。除电弧和线材火焰喷涂外,其它所有喷涂工艺都是以粉末为喷涂材料的。粉末材料包罗万象、适应性强、工艺可靠,提供各种涂层功能,在高技术领域中应用成熟,这些特点是其它形式的材料无法比拟的。经过多年的发展与创新,对各种化学组成的材料都建立了相当完善的制粉方法:金属、合金、自熔合金通常采用雾化法,即水雾化——水冷,气雾化——气冷和气雾化一水冷三种方式。雾化工艺自六十年代初问 世以来,给热喷涂材料开创了新局面,同时当两种或两种以上的粉末在比重上相近的情况下,混合法仍不失为一种经济而实用的制粉手段,至今,仍有不少生产厂家供应各种混合粉。第三种,是熔炼一烧结再经破碎与筛分的制粉工艺,它是制造陶瓷或金属陶瓷的主要方法;第四种是团聚法与喷雾干燥法,此法是生产团聚型复合粉的手段,包括某些陶瓷粉,如A120 2-TiO2,ZrO -Y2O:等常见粉末,也可采用此法生产。

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