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热喷涂技术应用及研究进展与挑战李长久【摘要】热喷涂作为重要的表面工程技术之一,是通过在材料表面制备材料保护涂层与功能涂层,赋予基体材料没有,但服役环境所必须的表面性能的方法.由于热喷涂可以制备从超过50％孔隙缺陷含量到接近完全致密的任意材料的涂层,基于缺陷控制可满足从可磨耗、耐高温隔热、耐磨损与耐腐蚀等不同服役要求,经过100余年的发展已经形成了包括等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂、普通火焰喷涂等一系列方法,已经成为在众多产业领域,包括航天航空、交通运输、石油化工、电力能源、冶金钢铁、纺织与造纸、机械制造等,提高产品寿命与竞争力不可或缺的技术.制备可以提供耐磨损、耐环境腐蚀防护、耐高温隔热防护等保护涂层是热喷涂尤为重要的应用方面,热喷涂作为可显著提升结构零件耐磨损的涂层制备方法应用非常广泛,但在动载如冲蚀、空蚀、疲劳磨损、或高应力磨料磨损条件下,涂层材料的耐磨性能尚不能完全发挥;由于涂层总是存在一定的孔隙,难以以制备态直接用作长效耐腐蚀防护涂层,适当的封孔处理成为其用作耐腐蚀涂层的必要条件;包括以燃气轮机热障涂层为代表的耐高温隔热涂层等在航空与地面重型燃机中的应用,在欧美热喷涂市场中约占比60％,随着我国燃气轮机技术的发展,该市场潜力有望逐步得到发掘.热喷涂耐磨损涂层性能的进一步提升不仅需要开发新型硬质耐磨材料以及宽温域自润滑材料,还需要结合材料开发,发展可使粒子间结合充分的涂层制备方法,其次,基于涂层结构特征与服役性能关系控制磨损服役条件,防止源于粒子间脱落的加速磨损是确保长效磨损保护的基础.如何制备在喷涂态即可满足腐蚀介质不浸渗的致密涂层依然是热喷涂耐腐蚀涂层制备需要攻克的挑战.冷喷涂、等离子喷涂、物理气相沉积、液料热喷涂等新方法近年来发展迅速,与这些方法相配套的材料制备技术的发展将是这些新方法得到广泛应用的基础.新能源、医疗、民生、半导体等对导电、催化、生物活性、绝缘、耐刻蚀等功能涂层的需求也将有力推动热喷涂技术的发展.本文将结合目前热喷涂技术在国内外的应用现状与存在的问题,展望热喷涂技术进一步发展过程中有待解决的主要挑战性技术问题,为本领域技术人员合理认识热喷涂技术的特点,直面挑战,深入开展开发与基础研究,推动技术提供参考.【期刊名称】《热喷涂技术》【年(卷),期】2018(010)004【总页数】22页(P1-22)【关键词】热喷涂;涂层应用;耐磨损;耐腐蚀;涂层设计;涂层组织;保护涂层;功能涂层【作者】李长久【作者单位】西安交通大学,陕西省西安市 710049【正文语种】中文【中图分类】TG174.40 引言80%以上机械零部件的失效通常由表面磨损与腐蚀而引起，每年由此造成的损失可达国民生产总值的10%以上，因此，通过各类表面工程技术将具有优越耐腐蚀或耐磨损性能的材料覆于满足承载能力要求的普通结构件表面，构筑复合结构材料已经成为提高机械零部件服役效能、零部件附加价值与产品核心竞争力的重要方法。
南京航空航天大学硕士学位论文摘要ＴｉＡＩ合金由于其密度低，比强度和比刚度高，是航空、航天工业理想的新型高温结构材料。
热障涂层（ＴｈｅｒｍａｌＢａｒｒｉｅｒＣｏａｔｉｎｇｓ，简称ＴＢＣｓ）具有良好的隔热效果、抗高温氧化、抗腐蚀、耐磨等性能特点，是目前最为先进的高温防护涂层之一。
因此，如何有机地结合基材和表面涂层的特点，充分发挥两者综合优势，获得理想的复合材料结构，以及如何提高ＴＢＣｓ高温热稳定性能及优异的综合机械性能是当前的研究热点。
本文采用等离子喷涂和等离子喷涂．激光重熔复合工艺在ＴｉＡｌ合金表面分别制备了常规和纳米ＴＢＣｓ，并对涂层的高温耐磨性能、高温抗氧化性能及高温抗热腐蚀性能进行了对比研究，所完成的主要工作如下：（１）ＬＰ，较了等离子喷涂和激光重熔常规／纳米ＴＢＣｓ的微观结构及物相组成，结果表明：激光重熔纳米ＴＢＣｓ具有更优的致密柱状晶结构，实验验证了激光重熔等离子喷涂复合工艺制备纳米结构涂层的可行性。
（２）对ＴｉＡｌ合金基体及涂层进行了高温摩擦磨损试验，结合摩擦系数、摩擦质量损失以及磨损形貌，分析了各涂层的耐磨性能，并讨论其摩擦磨损机理。
（３）研究了ＴｉＡＩ合金基体及涂层在８５００Ｃ下的高温抗氧化性能，得出纳米结构可以增加涂层的韧性和容限府变，激光重熔可消除涂层中的孔隙和微裂纹，并形成致密的重熔层，改变了氧在陶瓷层中直接扩散的方式，改善涂层的抗高温氧化性能。
（４）分析ＴｉＡＩ合金基体及涂层在８５０。
Ｃ７５％Ｎａ２Ｓ０４＋２５％ＮａＣＩ熔盐中的热腐蚀行为，表明激光重熔封闭了腐蚀介质向涂层内部扩散的腐蚀通道，阻碍其在陶瓷层中的扩散及发生腐蚀。
关键词：ＴｉＡＩ合金，热障涂层，等离子喷涂，激光重熔，摩擦磨损，高温氧化，热腐蚀南京航空航大人学硕十学位论文空计划的备选材料ｆ３】’这些计划包括：（ａ）可重复使用的运载火箭，他是计划代替宇宙匕船的单级轨道飞行器；（ｂ）ＮＡＳＡ朱来Ｘ飞机；（ｃ）联合战斗机；（ｄ）Ｘ．３８Ｃｒｅｗ救援车；（ｅ）军用航天飞机（可再用的运输火箭型航空飞行器）；（ｆ）机动航天器；（ｇ）超音速运输机。
热喷涂技术的研究进展及思考＊国洪建１，贾均红２，张振宇１，梁补女１，林小军１（１ 兰州工业学院机械工程系，兰州７３００５０；２ 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，兰州７３００００）摘要 综述了热喷涂技术的基本概念，喷涂层的成型过程原理以及热喷涂的发展历史与现状。
从喷涂方法、材料配比和工艺参数等方面介绍了防腐蚀涂层、抗高温氧化涂层、耐磨性涂层、热障涂层和生物涂层的研究进展，并阐述了上述功能涂层的应用原理，最后展望了热喷涂技术的研究方向。
关键词 热喷涂技术 涂层 耐腐蚀性 耐磨性 热障涂层 生物涂层中图分类号：ＴＧ１７４ 文献标识码：ＡＲｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｐｒａｙｉｎｇ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧＵＯ Ｈｏｎｇｊｉａｎ１，ＪＩＡ Ｊｕｎｈｏｎｇ２，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎｙｕ１，ＬＩＡＮＧ Ｂｕｎｕ１，ＬＩＮ Ｘｉａｏｊｕｎ１（１ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０；２ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＳｏｌｉｄ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｉｃ ｃｏｎｃｅｐｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｒ－ｍａｌ ｓｐｒａｙｉｎｇ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ｉｎ ａｎｔｉ－ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｃｏａｔｉｎｇ，ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅ－ｓｉｓｔａｎｔ ｃｏａｔｉｎｇ，ａｂｒａｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｃｏａｔｉｎｇ，ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ ａｎｄ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏａｔｉｎｇ ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｒｅｅ ｆａｃ－ｔｏｒｓ：ｓｐｒａｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｐｏｗｄｅｒ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ａｂｏｖｅ－ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ｃｏａｔｉｎｇｓ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓｓｕｅｓ ａｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃｏａｔｉｎｇ，ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉ－ｎｇ，ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏａｔｉｎｇ ＊国家自然科学基金（５０９７２１４８）；甘肃省自然科学基金（１１０７ＲＪＺ１１９） 国洪建：男，１９８４年生，硕士，讲师，主要从事纳米材料在热喷涂中应用的研究 Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｈｊ８７２８＠１６３．ｃｏｍ 随着现代工业的迅猛发展，复杂的生产环境对机械设备提出了不同的要求，由传统工业材料制造的机械零件已经很难满足各个生产领域的应用要求。
热喷涂涂层的重熔后处理工艺研究进展安树春,程汉池,栗桌新,高晨表面技术引言热喷涂涂层是由熔化状态热喷涂粉末粒子以高速喷向基体,一层一层有规律地叠加形成不连续结构,在基体表面经过碰撞、变形和凝固等过程后形成,涂层呈典型的层状结构,内部不同程度地存在着微孔,从而影响了与金属基体的结合强度和表面层致密度,因此难以适应较恶劣的环境,这限制了它的应用范围及使用寿命。
重熔处理是利用热源将合金中最易熔化的成分熔化,产生的液相有助于扩散过程的强化和成分的渗透,熔化的结果使热喷涂涂层与基体的结合区由原来堆叠的层状组织变为致密和较均匀的组织,孔隙减少甚至消失。
因此采用适当的重熔处理,可改善涂层与基体间的结合强度和涂层内在质量,从而提高涂层的耐磨、耐蚀性。
目前,重熔处理技术主要有激光、电子束、TIG重熔、火焰重熔、整体加热和感应重熔等,本文拟对这些重熔技术进行综述,以期促进这些工艺技术的发展,指导实际应用。
[摘要]热喷涂涂层呈典型的层状结构,孔隙度较高,且与基体结合为物理结合,难以适应较恶劣的环境,这限制了它的应用范围及使用寿命。
重熔处理可以改善涂层与基体间的结合强度和涂层内在质量,提高涂层使用性能。
综述了各种涂层重熔处理新工艺的研究现状,介绍了重熔后的组织和性能,分析比较了各工艺的不同,以期促进该技术的发展,指导实际应用,并展望了其推广应用的前景。
[关键词]重熔处理;等离子喷涂;热喷涂涂层;组织;裂纹1激光重熔1.1激光重熔原理热喷涂激光重熔工艺,即先用火焰、电弧、等离子或爆炸喷涂等方法在基材上制备金属或陶瓷涂层,然后在使用保护气氛的条件下用激光束进行扫描熔化处理(即二步法),见图1。
激光具有很高的能量密度和稳定的输出功率,可以明显改善涂层的组织和性能。
激光重熔时,试件在高能量激光束的照射下,使基体材料表面薄层与根据需要加入的陶瓷或合金涂层同时快速熔化、混合,形成厚度为10~1 000μm的表面熔化层。
熔化层在凝固时获得的冷却速度可达105~108℃/s,相当于急冷淬火技术所能达到的冷却速度,又由于熔化层液体内部存在扩散作用和表面张力效应等物理现象,使材料表面仅在很短时间(50μs~2ms)内就形成了具有所需深度和化学成分的表面合金化层。
技术热喷涂技术在防腐工程中的应用和研究进展张婧1 姜源庆2 孔祥峰1 王芳1(1. 山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛266001；2. 国家海洋局烟台海洋环境监测中心站，山东烟台264006)摘要：本文简要介绍了热喷涂技术的工艺原理及技术特点，分析了热喷涂涂层的防腐机理，并对近年来我国热喷涂防腐材料的研究进展做了总结。
最后详细介绍了热喷涂在国内防腐工程中的实际应用情况。
关键词：热喷涂防腐喷涂材料中图分类号：TG174.44 文献标识码：A 文章编号：10.13726/ki.11-2706/tq.2014.09.016.05Application and Research Progress of Thermal SprayingTechniques in Anti-corrosion EngineeringZHANG Jing1, JIANG Yuan-qing2, KONG Xiang-feng1, Wang Fang1(1. Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266100, China;2. Yantai Oceanic Environmental Monitoring Central Station of State Oceanic Administration, Yantai264006, China)Abstract: The process principle and technical characteristics of thermal spraying techniques were briefly reviewed, the antiseptic mechanism of thermal spraying techniques was analyzed, and the research progress of the thermal spraying anti-corrosion materials in recent years in China was summarized. The practical application situation of thermal spraying techniques in domestic anticorrosive engineering was detailed introduced.Key words: thermal spraying techniques; anti-corrosion engineering; spraying material0 引言 1 热喷涂简介二十世纪初瑞士人M.U . S c h o o p发明了一种火热喷涂是利用某种热源，将粉末状或丝状的焰喷涂技术并首次在金属表面喷涂锌生成涂层，发金属或者非金属材料加热、熔化或软化，以一定速现锌涂层比油漆具有更好的防腐效果。
热喷涂技术研究报告热喷涂技术是一种将热能转化为动能并喷射到被涂物表面的喷涂技术，已经被广泛应用于各个领域，如航空、航天、汽车、电力等。
本文主要介绍热喷涂技术的原理、分类、应用及发展趋势，并探讨了热喷涂技术在未来的发展方向。
一、热喷涂技术的原理热喷涂技术是一种将热能转化为动能并喷射到被涂物表面的喷涂技术。
热喷涂技术可以将固态、液态、气态的物质喷涂到被涂物表面，形成一层保护层或者改性层。
热喷涂技术主要包括火焰喷涂、等离子喷涂、高速气流喷涂、爆炸喷涂等几种类型。
二、热喷涂技术的分类1.火焰喷涂火焰喷涂是最普及的喷涂技术，通过燃烧燃料和氧气产生高温火焰，将喷涂材料加热熔化，并通过氧化反应形成一层涂层。
火焰喷涂涂层具有优异的耐腐蚀性、耐磨性和抗氧化性。
2.等离子喷涂等离子喷涂是一种高温等离子体喷涂技术，通过电弧放电或者离子束轰击等方式将喷涂材料加热熔化，并通过化学反应形成一层涂层。
等离子喷涂涂层具有优异的耐高温、耐腐蚀等性能。
3.高速气流喷涂高速气流喷涂是一种将喷涂材料加热熔化后通过高速气流喷涂到被涂物表面的喷涂技术。
高速气流喷涂涂层具有优异的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性。
4.爆炸喷涂爆炸喷涂是一种通过爆炸将喷涂材料加热熔化后喷涂到被涂物表面的喷涂技术。
爆炸喷涂涂层具有优异的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性。
三、热喷涂技术的应用热喷涂技术已经被广泛应用于各个领域，如航空、航天、汽车、电力等。
以下是热喷涂技术的应用领域：1.航空航天热喷涂技术可以用于飞机发动机叶片、涡轮叶片、火箭发动机喷管等高温部件的保护和修复。
热喷涂技术可以提高这些部件的耐高温性能和耐腐蚀性能。
2.汽车制造热喷涂技术可以用于汽车发动机缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴等零部件的修复和加固。
热喷涂技术可以提高这些部件的耐磨性能和耐腐蚀性能。
3.电力工业热喷涂技术可以用于涡轮机叶片、蒸汽涡轮机叶片、汽轮机叶片等高温部件的保护和修复。
热喷涂技术可以提高这些部件的耐高温性能和耐腐蚀性能。
制造工艺中的热喷涂与涂层技术制造工艺中的热喷涂与涂层技术是一种常见且广泛应用于各行各业的技术方法，可为材料和零部件提供保护、改善性能以及增加附加功能。
本文将介绍热喷涂与涂层技术的原理、应用以及未来发展趋势。
一、热喷涂技术原理热喷涂技术是利用高速喷涂设备将热源与材料喷涂在被加工物品表面形成涂层。
它的主要原理是将热能与材料粉末互相作用，使材料粉末熔融或半熔融状态，并通过高速气流将其喷涂在被处理物的表面上。
在接触被处理物表面后，喷涂材料迅速冷却并凝固，形成坚固的涂层。
二、热喷涂技术的应用1. 表面保护：热喷涂技术可以为金属和非金属材料提供有效的表面保护层，常用于防止锈蚀、氧化以及抗磨损等。
例如，在航空航天领域，热喷涂技术用于飞机引擎的涡轮叶片上，可提供高温耐受、防腐蚀和提高动力性能。
2. 功能改善：通过热喷涂技术，可以对材料的表面性能进行改善。
例如，通过在汽车发动机缸膜上喷涂高温涂层，可以提高燃烧效率并减少排放。
3. 摩擦减少：在机械设备或工具等领域，热喷涂技术可以降低材料的摩擦系数，提高工作效率并减少磨损。
4. 修复和再制造：热喷涂技术可以修复受损部件的表面，并延长其使用寿命。
例如，船舶领域中利用热喷涂技术修复受腐蚀的金属外壳。
三、涂层技术的发展趋势1. 环保减排：未来，热喷涂技术将更加注重环境保护和资源可持续利用。
研发更环保、低排放的喷涂材料以及开发高效能的喷涂设备将成为行业发展的趋势。
2. 超级涂层：随着科技的进步，涂层技术将朝着更高性能方向发展。
超级涂层的应用将使材料具备更高的强度、更好的耐磨性和更高的防腐蚀性能。
3. 智能喷涂：热喷涂技术的自动化和智能化将成为未来的发展方向。
智能喷涂技术将实现对肉眼无法观察到的微观缺陷的检测和快速喷涂。
综上所述，热喷涂与涂层技术在制造工艺中扮演着不可或缺的角色。
它为材料和零部件提供了保护和功能改善，广泛应用于各行各业。
未来，热喷涂技术将逐渐向着环保减排、超级涂层和智能喷涂方向发展，并为制造业的创新和进步做出更大贡献。
摘要本文采用冷态涂敷方法，用水玻璃和松香作黏结剂，在45钢表面涂敷了镍基自熔性合金粉末Ni60和Ni60+WC25，利用炉内加热和感应加热的方法对涂层进行了重熔处理，并对重熔试样进行了销盘式磨粒磨损实验；对重熔涂层进行了显微硬度分析和金相组织分析，利用扫描电子显微镜(SEM)对涂层磨损后的形貌进行了分析。
结果表明：重熔涂层具有很高的耐磨性，明显高于T10钢淬火后的试样；Ni60+WC重熔涂层的耐磨性稍高于Ni60重熔涂层；感应重熔涂层的耐磨性要高于炉内重熔的涂层；用松香作黏结剂的涂层稍高于用水玻璃作黏结剂的涂层；重熔涂层磨损表面的SEM形貌表明磨损属于磨粒磨损。
关键词：自熔性合金，感应重熔涂层，炉内重熔涂层，镍基WC，磨粒磨损AbstractNickel base self-fluxed alloy powder Ni60 and Ni60+WC25 are spreaded on the surface of 45 steel by cold-state coating technique has been shown in this paper，the bonding agents use water glass and rosin，and the coatings are remelted using furnace and induction heating methods，the wear-resistant of the remelting coatings are investigated by the abrasive wear machine. The hardness and microstructure of the coatings are also analzyed，the worn surface morphology of the coatings are observed by electron scanning microscope(SEM). The results indicate that the remelting coatings have very high wear-resistant，and apparently higher than the quenched T10 sample. The wear-resistant of Ni60+WC25 remelting coatings are better than that of Ni60 coatings，and the induction remelting coatings are better than that of the furnace remelting coatings，also the remelting coatings of rosin bonding agents are better than that of water glass bonding agents coatings. The SEM morphology of the worn surface shown it belongs to abrasive wear.Keywords：self-fluxed alloy, induction remelting coatings, furnace remelting coatings，WC nickel base，abrasive wear目录第一章概论 (1)1.1 课题背景及意义 (1)1.2 本课题及相关领域的国内外现状及发展 (1)1.2.1 金属表面涂层强化发展现状 (1)1.2.2 重熔方式简介 (2)1.2.3 重熔涂层的研究现状及发展 (4)1.3 主要研究内容 (5)第二章实验方法 (6)2.1 实验所用材料 (6)2.1.1 自熔性合金粉末 (6)2.1.2 实验所用自熔性合金粉末的基本特性 (7)2.1.3 基体材料 (7)2.1.4 冷涂涂层所用黏结剂材料 (8)2.1.5 磨损实验所用试样 (8)2.2 实验方法 (8)2.2.1 预处理 (8)2.2.2 涂层的预制备 (8)2.2.3 炉内重熔 (9)2.2.4 感应重熔 (9)2.2.5 磨损实验 (9)2.3 实验设备 (10)第三章实验结果及分析 (11)3.1 涂层磨损实验结果 (11)3.1.1 涂层随时间变化的磨损曲线 (11)3.1.2 涂层随载荷变化的磨损曲线 (16)3.2 涂层磨损形貌分析 (16)第四章结论 (18)致谢 (19)附录 (20)参考文献 (21)第1章概论1.1 课题背景及意义表面工程技术是适应工业生产当中对于机件表面的特殊需求而产生的。
热喷涂耐高温涂层研究现状及发展趋势无机非金属12-2班，祝超锋1201130633摘要：热喷涂技术，高温可磨耗封严涂层的研制，以及对喷涂层技术的发展及展望。
1热喷涂技术的发展情况1.1热喷涂技术的发展热喷涂是通过火焰、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, 通过气流吹动使其雾化, 并高速喷射到经过预处理的基体表面, 以形成喷涂层的表面加工技术。
热喷涂技术的产生和应用已有近百年[ 3] , 最早的热喷涂技术始于1882年, 德国人用一种简单的装置将熔融态金属喷射成粉体。
真正的热喷涂技术则产生于1910年, 在瑞士被V.SCHOOP博士研究出来, 他发明了固定式坩埚熔融喷射装置。
20世纪后期, 热喷涂技术的基础研究越来越受到重视, 主要集中于喷涂过程中的粒子状态及其影响因素的研究。
在其应用研究中, 涂层与基体的结合技术是一个热点。
进入21世纪, 纳米技术的研究为热喷涂一个研究的热点, 其引入为改善涂层的性能开拓了新途径。
可磨耗封严涂层发展趋势随着新型航空发动机使用温度的不断提升以及航空发动机材料的更新换代，对可磨耗封严涂层的综合使用性能提出了越来越高的要求，因此亟需在国内现有可磨耗封严涂层研究的基础上，开发研制具有更高使用温度和适应更新一代发动机材料的新型可磨耗封严涂层。
2.1 高温可磨耗封严涂层的研制随着航空涡轮发动机向高流量比、高推重比和高进口气体温度方向的发展，对高温部件的耐高温能力提出了越来越高的要求。
目前，发动机叶片的使用温度已经从20 世纪70 年代的960~1100℃发展到现在商用飞机的1500℃以及军用飞机的1700℃[24]。
随着压缩空气温度的逐级升高，可磨耗密封涂层的使用温度也从300℃提高到1100℃，目前其使用的最高温度已经达到1200℃以上[25]。
因此，研制适用于1100℃以上的新型高温可磨耗封严涂层材料已成为可磨耗封严涂层领域的重要研究方向之一。
涂层热处理工艺研究及改进随着工业的不断发展，各种金属材料的使用范围越来越广泛，而涂层热处理技术也随之得到了广泛的应用。
这种技术的主要作用是通过在表面形成一定的化学反应，来提高金属材料的硬度和抗腐蚀性能，以及改善其耐磨性能和延展性等物理和化学特性，从而满足各种不同的应用需求。
以下将着重探讨涂层热处理工艺研究与改进的一些相关问题。
一、研究主流技术的特点和优劣目前，涂层热处理工艺的主流技术包括氮化、氧化、碳化和镀铬等。
其中，氮化技术可以增强金属材料的表面硬度和耐磨性，而氧化技术则可以提高其抗氧化性能和电化学稳定性。
碳化技术则主要用于提高金属材料的耐磨性和耐腐蚀性，而镀铬技术则可以有效地防止材料表面的氧化腐蚀。
每种技术都有其优点和缺陷，因此在应用时需要根据具体情况选择最合适的技术。
二、加强原材料的研究与开发其中一个重要的环节就是加强对涂层原材料的研究和开发。
在研究和开发原材料时，应该注重材料的纯度、材质耗损、成本效益等问题，使得所研发的涂层原材料能够满足不同类型的金属工件的需求，在硬度、耐腐蚀等多方面得到改善。
同时，也要加强原材料的环保性能，减少对环境的污染。
三、针对具体行业提出深度改进方案还应该按照不同的行业和应用领域，提出更为具体的涂层热处理技术改进方案，以满足各行各业的不同需求。
例如，在机械工业中，可改进金属材料的耐磨性、抗腐蚀性等特性，提高机械零件的使用寿命和稳定性；在航空工业中，可针对高温、低温、高压等复杂环境的特殊要求，研发出更为适合的涂层热处理技术；在汽车工业中，可通过改善金属材料的表面硬度和防锈性能，提高汽车的安全性和舒适性等方面指标。
总结而言，在涂层热处理技术的研究和改进方面，应当注重深入研究金属材料的表面结构和化学反应机理，加强原材料的研究和开发工作，以及根据不同行业和应用领域的特点，提出更具体有效的技术改进方案。
只有这样，才能真正利用涂层热处理技术来提高金属材料的性能，满足各种不同的各种工业应用需求。
热喷涂涂层的重熔后处理工艺研究进展安树春,程汉池,栗桌新,高晨表面技术引言热喷涂涂层是由熔化状态热喷涂粉末粒子以高速喷向基体,一层一层有规律地叠加形成不连续结构,在基体表面经过碰撞、变形和凝固等过程后形成,涂层呈典型的层状结构,内部不同程度地存在着微孔,从而影响了与金属基体的结合强度和表面层致密度,因此难以适应较恶劣的环境,这限制了它的应用范围及使用寿命。
重熔处理是利用热源将合金中最易熔化的成分熔化,产生的液相有助于扩散过程的强化和成分的渗透,熔化的结果使热喷涂涂层与基体的结合区由原来堆叠的层状组织变为致密和较均匀的组织,孔隙减少甚至消失。
因此采用适当的重熔处理,可改善涂层与基体间的结合强度和涂层内在质量,从而提高涂层的耐磨、耐蚀性。
目前,重熔处理技术主要有激光、电子束、TIG重熔、火焰重熔、整体加热和感应重熔等,本文拟对这些重熔技术进行综述,以期促进这些工艺技术的发展,指导实际应用。
[摘要]热喷涂涂层呈典型的层状结构,孔隙度较高,且与基体结合为物理结合,难以适应较恶劣的环境,这限制了它的应用范围及使用寿命。
重熔处理可以改善涂层与基体间的结合强度和涂层内在质量,提高涂层使用性能。
综述了各种涂层重熔处理新工艺的研究现状,介绍了重熔后的组织和性能,分析比较了各工艺的不同,以期促进该技术的发展,指导实际应用,并展望了其推广应用的前景。
[关键词]重熔处理;等离子喷涂;热喷涂涂层;组织;裂纹1激光重熔1.1激光重熔原理热喷涂激光重熔工艺,即先用火焰、电弧、等离子或爆炸喷涂等方法在基材上制备金属或陶瓷涂层,然后在使用保护气氛的条件下用激光束进行扫描熔化处理(即二步法),见图1。
激光具有很高的能量密度和稳定的输出功率,可以明显改善涂层的组织和性能。
激光重熔时,试件在高能量激光束的照射下,使基体材料表面薄层与根据需要加入的陶瓷或合金涂层同时快速熔化、混合,形成厚度为10~1 000μm的表面熔化层。
熔化层在凝固时获得的冷却速度可达105~108℃/s,相当于急冷淬火技术所能达到的冷却速度,又由于熔化层液体内部存在扩散作用和表面张力效应等物理现象,使材料表面仅在很短时间(50μs~2ms)内就形成了具有所需深度和化学成分的表面合金化层。
这种合金化层具有某些高于基材的性能,所以通过该技术能达到表面改性的目的。
1.2激光重熔涂层组织和性能热喷涂Cr3C2-NiCr陶瓷涂层具有高温耐磨和高温耐腐蚀性能,已成功应用于航空发动机和热轧钢辊。
对于热喷涂涂层存在的缺陷,激光重熔技术可有效提高涂层的致密度,消除大部分孔隙,改善涂层与金属的结合情况,从而更好地发挥陶瓷涂层的使用性能。
J.Mateos等[1]用大气等离子喷涂工艺在AISI 1043钢辊上喷涂0. 4mm涂层,经激光重熔后,孔隙率由9. 2%减小到几乎为0,微观组织变得均匀;显微硬度HV0. 3由重熔前的561增加到655,提高了大约17%;耐磨性能也得到很大提高。
Junji Morimoto等[2]利用超音速火焰喷涂,用成分为Cr3C2-25%NiCr、80%Ni-20% Cr的热喷涂粉末制备涂层,激光重熔时发现:随激光能量密度由100W增加到200W,在涂层冷却到室温后,逐渐出现纵向裂纹;随扫描速度由2mm /s增加到12mm /s,重熔层深度由大约300μm逐渐减低到150μm。
重熔后,显微硬度由860~922增加到955~1 048。
腐蚀试验结果证明,重熔后涂层的腐蚀减少量是未重熔涂层的50%,是基体的5%,可见激光重熔显著提高了耐腐蚀性能。
激光重熔Al2O3+TiO2后,会促进涂层中化学稳定性差的亚稳定相γ-Al2O3转变为α-Al2O3,原涂层的层片状结构消失,消除表层中的疏松、孔隙等缺陷,提高其致密度,从而防止腐蚀介质渗入,减少阳极溶解。
重熔还促使合金元素均匀分布,减少微电池数目,从而提高耐蚀性。
纳米改性的Al2O3+13% (质量分数)TiO2复合陶瓷涂层重熔后,纳米Al2O3颗粒主要分布在粗颗粒表面,填充在粗颗粒间,阻隔了腐蚀的途径,因此其耐腐蚀性能最高[3];此外,激光重熔还可提高Al2O3涂层的显微硬度和耐磨性[4]。
ZrO2是典型的热障涂层,被广泛应用于陶瓷发动机和透气机叶片上。
在等离子喷涂ZrO2涂层中由于存在m相,极易被钒和硫的化合物腐蚀,重熔后消除了m相,提高了涂层的化学稳定性[5]。
向兴华[6]在保证梯度涂层的成分分布方式不被影响的情况下,只对ZrO2表层进行了激光重熔处理,发现重熔区有致密的等轴晶结晶组织,由于熔区各部位凝固冷却速度不同,边缘晶粒较为细小,中部晶粒较为粗大;其表面硬度由960HV增加到1 800~2 200HV;重熔处理使孔隙基本得以消除,有效阻止了氧化性气氛渗入到涂层中,因此使得涂层的抗氧化性能得到较大改善。
激光重熔还能提高ZrO2涂层的热疲劳性能, PetitbonA[7]研究发现热疲劳抗力的提高与重熔后涂层结合力的提高和柱状晶的形成对热应力起到一定的协调作用有关,且随着涂层厚度的增加,热疲劳抗力的提高幅度增大。
镍基WC复合涂层具有高耐磨性和抗疲劳性,张学秋等[8]在45号钢基体上火焰喷涂Ni60+20%WC,经激光重熔后发现,基体和涂层结合处存在垂直方向的柱状晶,说明结合处的温度超过合金元素熔点,基体金属和涂层相互溶解和扩散,形成紧的冶金结合;涂层中有新的硬质相和共晶组织,WC均匀地分布在涂层中,细小的共晶化合物Cr7C3、Cr23C6、Ni3B、CrB 弥散分布在固溶体中,有效改善了涂层的组织和性能,使得表面硬度达到HRC60,显微硬度达到800HV。
G.Y.Liang等[9]对在Al-Si合金表面等离子喷涂的Ni-Cr-B-Si涂层进行了激光重熔,发现重熔区出现成分偏析,富Al相———Al3Ni出现在表层,富Ni相———AlNi和Ni3Al出现在次表层,同时还出现非晶态组织。
激光扫描热传递的后续热处理作用,使得许多Ni3Al相从非晶结构中分离出来,其表现为:最高硬度出现在非晶态和超微晶存在的区域(平均硬度达952HV),其次是快速凝固表面Al+Ni3Al的枝晶结构区和紧邻非晶区域的针状Al3Ni2区域,粗Al3Ni2区域硬度最低(仅为72HV)。
虽然普遍认为涂层表面经激光重熔后,硬度、耐磨性、耐蚀性得到改善,但并非都能得到类似结果。
例如: Buta Singh Sidhua[10]等人研究发现,激光重熔等离子喷涂NiCrAlY作为粘接层的Ni3Al涂层后,虽然孔隙率明显减小,层状结构消失,但是显微硬度却降低了近50%,从XRD分析可知,是由于基体中的Fe和粘接层中的Al扩散到涂层中的缘故。
将喷涂热喷涂粉末由Ni+Al换为Stellite-6和Ni-20Cr,同样发现显微硬度降低[11]。
R.Gonzalez[12]用激光对火焰喷涂NiCrBSi重熔后,也发现显微硬度由1 100HV100g降低到900HV100g。
显微硬度降低的深层次原因和如何防止还有待于科学家进一步研究。
1.3激光重熔存在的问题由于陶瓷材料的耐热冲击性差、断裂韧性值低,因此在激光重熔过程中急剧加热、冷却的条件下易产生裂纹;激光表面重熔工艺中所用陶瓷涂层材料的熔点大大高于金属基体,且它们之间的热膨胀系数、弹性模量和导热系数相差极大,由此所产生的热应力易导致裂纹和涂层剥落;等离子喷涂时金属基体与陶瓷热喷涂粉末之间的相容性较差,熔融金属不能很好地浸润固体陶瓷热喷涂粉末,也易使涂层出现裂纹和孔洞。
调整尺寸、降低膨胀系数、提高塑韧性对解决涂层开裂的效果不明显,从工艺方面还难以从根本上得到解决。
对于大面积激光重熔,由于激光光斑面积小,必须采用多次搭接技术或大面积光斑技术(散焦法、宽带法和转镜法)。
多次搭接时,每个相邻扫描带存在1个重合区,因此,各区域显微硬度值是波动的;从金相组织上看,搭接涂层在整体上呈一种宏观的周期性性能变化。
对大面积光斑技术而言,当输出功率一定时,光斑面积越大,功率密度越低;增大光束直径,可能削弱激光的高能密度和超快速加热优势。
因此,大面积光斑技术的应用有其局限性。
2电子束重熔技术电子束重熔是利用高速定向运动的电子束,在撞击涂层表面后将部分动能转化为热能,对表面进行强化处理的一种技术。
电子束重熔可以扩大合金的固溶度,细化晶粒,减少偏析,同时具有真空脱气的效果;并使其中的氧化物和硫化物等夹杂物溶解,起到固溶强化的作用,能有效地改善材料的耐磨、抗冲击、抗腐蚀、抗高温氧化等性能。
HidekiHamatani等[13]在镍基体上超音速火焰喷涂钨铬钴合金后用电子束重熔时发现,不仅电子束能量,而且基体板的厚度都影响重熔时的熔深和表面重熔层的宽度,随着厚度的增加(7. 5mm、15mm、30mm),重熔层熔宽也增大。
在2~8kHz频率范围内,随着扫描频率的增加,能量增加,重熔后气孔量都明显减少,基体和涂层的结合强度提高,其值最高可达350MPa。
D.Utu[14]等用超音速火焰喷涂工艺在铜基体上喷涂0. 7~1mm厚的CoNiCrAlY(含质量分数为8%的Al),经电子束重熔后发现,涂层表面形貌变得均匀,气孔率明显下降。
由于超音速喷涂工艺熔化颗粒的淬火速度非常高,因此遗留下的氧化物都是非晶态的AlNi3,由于重熔使Al氧化物发生重结晶,因此重熔后出现新相AlCo和Al2O3及AlYO3。
通过H2SO4腐蚀试验,发现重熔后的涂层抗腐蚀性明显提高。
S.M.Miao[15]在耐热钢表面用等离子喷涂Cr2O3,经电子束重熔后,涂层典型的层状结构消失,涂层变得更致密,与基体间的结合强度更高。
作为高密度能量的热源,电子束与激光束在工艺上有许多相似之处。
但是,由于产生原理和工艺条件的差异,它们各具优缺点。
电子束加热重熔时,必须具备真空室(动力压力P<10-4Pa),大件及深孔的重熔处理受到限制,缺乏灵活性;但热转换率高,其电子束能量的75%能被涂层吸收(而激光束的吸收率仅为2% ~8% ),且成本比激光重熔低一半多;受电磁波(较短波长)和电子束波(受电场强度控制)的联合作用以及由于电子光学快速发展的结果,电子束光斑可以限定在一个很小的范围内,甚至比激光光斑还要小,因此当试样较小或者要求重熔区域精确时,电子束重熔是一个非常有用的后处理技术[16]。
3钨极氩弧重熔钨极氩弧(Tungsten InertGas,简称TIG)重熔处理技术是利用电弧束能量对工件进行表面强化,由于其成本低,强化效果好,操作简单,易于推广,在国内外已经被越来越多地用于灰铸铁和球磨铸铁零部件的表面强化,如汽车发动机缸体、缸套、凸轮轴以及许多泵体和阀体等。
S.Mridha[17]在CPTi基体上预加热喷涂粉末,利用TIG重熔工艺成功制得没有孔洞和裂纹的金属涂层,其硬度可达450~600HV。
