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爆炸喷涂研究的现状及趋势

作者:许磊  
评论: 更新日期:2014年07月30日

    (2)碳化铬涂层
    碳化铬呈灰白色、斜方晶系(菱面体),熔点为1895℃。常用的碳化铬粉末为Cr3C2-25NiCr复合粉末,是由75%的Cr3C2和25%的镍铬合金(80Ni-20Cr)复合而成的。碳化铬的硬度较高,在高温环境下具有较好的耐磨损、抗氧化及耐擦伤性能,常用于喷涂腐蚀性环境下耐高温磨损涂层(<900℃)。国内外都对这种涂层的制备工艺及涂层的性能做了全面的研究,并将其与等离子喷涂的碳化铬涂层的性能做出了比较,发现爆炸喷涂的碳化铬涂层比等离子喷涂的碳化铬涂层具有更少的缺陷、更高的结合强度和更好的耐高温磨损性能。但碳化铬的硬度很高,在实际使用中虽提高了涂层的耐磨性,却使摩擦副产生了严重的磨损。为了解决这个问题,龙彦辉等采用了向碳化铬涂层中加入润滑剂(CaF2)的办法。虽然降低涂层的硬度和结合强度,但同时也减小了涂层的摩擦系数,提高了涂层的塑性变形能力,从而降低了碳化铬和摩擦副的磨损量。由于碳化铬的耐磨耐腐蚀性能,其涂层在石油和化工工业中得到了广泛使用,如在油泵柱塞和化工阀芯喷涂碳化铬涂层,使其寿命提高了数倍。
    (3)氧化铝涂层
    氧化铝在自然界中自然资源丰富,价格低廉,具有多方面的优良性能,是使用最广的高熔点氧化物材料。氧化铝呈白色,有多种同质异晶体,常见的有α-Al203和γ-Al203两种。α-Al203为六方结构,密度为3.95g/cm3,是各种同质异晶体中最稳定的结构,其稳定温度可达熔化温度。γ-Al203为立方结构晶型,密度为3.47/cm3,是低温形态的氧化铝结晶,在1200℃以上就开始单向转化为高温型α-Al203,并使体积收缩13%。喷涂中所使用的氧化铝粉末是用高纯氧化铝形成的α-Al203经熔炼粉碎后获得的。氧化铝在一定高温条件下具有优良的力学性能和化学性能,在1700-1800℃高温时具有较强的抗气体腐蚀作用(除了氟),在1900℃以下的强氧化性气氛或强还原性气氛中很稳定,氧化铝还有良好的耐磨损、电绝缘性能。由于氧化铝的优良性能,常用来制备高温下要求隔热、耐磨、绝缘的涂层。目前氧化铝涂层广泛应用于曲轴、凸轮轴等表面耐磨耐腐蚀涂层的制备。
    2.2 爆炸喷涂热障涂层
    航空航天业的迅速发展,对发动机性能提出了越来越高的要求,要求有较高的涡轮前温度。国外先进的发动机,在20世纪70年代涡轮前温度高达1600k以上,90年代达到1900k左右。过去为了解决这个难题,主要是靠发展高温合金,并在高温合金研究上取得了一定的成功。但高温合金的研制不仅困难很大,而且进展缓慢,靠发展高温合金的方法已满足不了发展的要求,所以需要利用在高温部件上喷涂热障涂层来降低基体合金温度。氧化锆涂层就是典型的热障涂层。
    氧化锆的熔点较高,导热系数低,是较好的热障涂层材料。氧化锆具有两种主要的同质异晶体:低温型单斜晶和高温型四方晶。在高温下,这两种晶型会发生转变,并附带着体积突变,所以喷涂纯氧化锆会发生涂层开裂和剥落。为解决这个问题,常在氧化锆中加入适量的氧化钇(Y203)等氧化物,来稳定氧化锆,避免涂层的开裂和剥落。一般采用ZrO3-8Y2O3(部分稳定)和ZrO2-20Y2O3(稳定)等涂层。另外,氧化锆涂层和高温合金基体的热膨胀系数相差很大,高温工作时易产生较高的热应力,使涂层剥落,因此常将氧化锆涂层做成双层结构,在基体上先喷涂一层底层,然后再喷涂氧化锆涂层。
    对于氧化锆涂层的制备,多年以来一直主要用等离子喷涂和电子束物理气相沉积。但是等离子喷涂制备的热障涂层,涂层呈层状结构,结合强度不高,喷涂过程基体温升较高,易使组织发生变化。而且涂层表面粗糙度大,涂层中含有气孔和未熔颗粒,易使涂层产生裂纹及降低热障性和耐高温腐蚀性。电子束物理气相沉积得到的涂层,工艺复杂,沉积率低,不易制备较厚的涂层。利用爆炸喷涂的氧化锆涂层均匀、致密度高、结合强度高,其硬度约为等离子喷涂层的两倍,抗高温氧化性更高。

3 爆炸喷涂的发展趋势
    爆炸喷涂的高质量涂层已得到广泛的认可,但爆炸喷涂涂层仍然存在问题,涂层和基体的热膨胀系数不同,容易造成涂层的开裂和剥落。发展梯度涂层,虽然可使涂层之间及涂层和基体的膨胀系数差缩小,降低热膨胀产生的热应力,但难度挺大,发展十分缓慢。另外随着工业的发展,对涂层性能的要求越来越高,需要发展性能更高的涂层。
    近年来,纳米技术得到飞速发展。纳米材料的前景是广阔的,但目前由于技术原因,除了少数几个方面(如烧结纳米结构WC-Co制造石油和钻探领域中的刀头),总的来说还处在纳米粉体的研究和制备阶段。喷涂技术为纳米材料的研究和应用提供了一个新的发展方向,其中爆炸喷涂尤为适合喷涂纳米材料。纳米微粒的熔点和晶化温度均比常规粉体低得多。采用等离子喷涂方法,容易使纳米微粒长大而失去纳米材料的特性。超音速喷涂虽然可保持微粒的纳米尺寸,涂层的结合强度和致密度与爆炸喷涂相当,但设备的投资大,且束流周沿的低速低温微粒的直径是爆炸喷涂的5-10倍,涂层性能均匀性不如爆炸喷涂,对工件造成的热损伤也比爆炸喷涂大。爆炸喷涂纳米粉末时,由于粉末尺寸较小,粉末颗粒更容易被加热到熔化状态,可以提高涂层与基体的结合强度,涂层的致密度也将大大提高。同时粉末颗粒撞击到工件表面时,将急剧冷却,避免了纳米颗粒的长大,保护了涂层的纳米特性。
    许多试验表明,纳米材料与传统材料相比,纳米材料的力学性能可得到显著变化,材料的强度和硬度可得到成倍的提高。一般,纳米材料的硬度随着粒径的减小而增长。采用纳米微粒进行喷涂可以提高涂层的硬度和耐磨性,提高涂层的结合强度和致密度。试验证明,纳米结构涂层的耐磨性与传统粉末涂层相比提高了3-8倍。而且纳米微粒的热膨胀系数可调,可将不同热膨胀系数材料连接,降低涂层与基体的热膨胀系数的差距,是解决涂层开裂和剥落的一个新的方向。另外,纳米热障涂层导热系数远低于传统热障涂层,国外认为纳米热障涂层有可能把高压涡轮叶片的使用温度提高260℃,因此可以说纳米热障涂层将是热障涂层的发展趋势。
    随着粉体技术、纳米技术和爆炸喷涂技术、设备的发展,爆炸喷涂的应用领域将逐渐拓宽。相信,不久爆炸喷涂纳米涂层将成为喷涂技术发展的主流,对我国的经济的发展发挥越来越重要的影响。
 

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