热喷涂材料及应用 | 热喷涂材料的分类与发展展望

原则上, 只要在一定温度以下不升华, 不分解的固态材料均可用于喷涂。所以被广泛应用于喷涂的材料既包括金属、陶瓷, 也包括塑料聚合物及其复合材料。但热喷涂材料在热喷涂过程中承受高温, 且是在空气中飞行,随后以高速撞击工件表面产生形变, 冷后形成看层, 涂层在冷却收缩时会产生应力, 因此热喷涂材料除了应满足使用性能的要求外, 还应满足喷涂工艺性能的要求。归纳如下:

(1)具有良好的使用性能。所选用的热喷涂材料必须能满足零部件表面工况要求,如具有耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、导电、绝缘等使用性能。

(2)具有良好的化学稳定性和热稳定性。热喷涂材料在喷涂过程中承受高温, 应具有化学稳定性和热稳定性,即在高温下不挥发、不升华、不发生有害的化学反应和晶形转变,以保持原材料的优良性能。

(3)涂层材料和基体应有相近的热膨胀系数。以防在涂层形成过程中的急冷造成与基体的热膨胀系数相差过大,收缩不均匀,形成很大的热应力,使涂层从基体上剥离或龟裂。

(4)涂层材料在熔融或半熔融状态下应和基体有较好的润湿性。以保证涂层与基体有良好的结合性能。

(5)涂层材料是粉末时,其形状、粒度分布、表面状态应符合要求,且要有好的流动性才能获得好的均匀的涂层;当涂层材料是棒材或丝材时,应有较好的成形性能, 且具有一定的强度、径值也应均匀准确、表面清洁无污染。

进入 21世纪以后,随着科学进步和工业生产的发展,人们对热喷涂技术的需求不断扩大。这就要求热喷涂技术以更快的速度发展,不断完善。然而热喷涂技术的发展是受到材料和工艺双重制约的。近年来热喷涂工艺已有重大突破,先后研制出超声速火焰喷涂、真空等离子喷涂、超声速等离子喷涂、冷喷涂等。相对而言, 热喷涂材料以其突出特点, 成为了热喷涂技术发展的决定因素和驱动力。这些突出特点主要表现在:

(1)喷涂材料的种类非常广泛;

(2)喷涂材料的化学成分可方便地调节;

(3)各种材料的复合可以满足许多工况的需求;

(4)多层涂层结构可以具备多种功能。

总结近几年所发表的技术文献, 纵观热喷涂材料的发展趋势, 大体可归结以下几点:

1.涂层功能不断拓展、性能不断提高

随着热喷涂工艺的不断发展,越来越多的材料可以应用于热喷涂,从而使热喷涂涂层的功能不断拓展,涂层的性能也不断的提高。例如,应用于高温部件的热障涂层(TBCS)是热喷涂工艺的主要应用领域之一。但更高的使用温度和使用寿命的需要,已对热障涂层提出了挑战,必须在研发新的热障涂层材料或改进涂层的结构上下功夫。利用近年来研制开发成功的高效能超声速等离子喷涂技术,采用全新的制备梯度热障涂层的工艺方法,制备出有着更高的抗热震性能和更长的使用寿命的梯度热障涂层,显示出很好的研究与应用前景。又如,在生物医学领域,许多生物金属和生物激活陶瓷涂层材料利用热喷涂技术得到了应用。

最初应用等离子喷涂沉积羟基磷灰石涂层[HA]用来恢复人体骨骼的功能。然而,HA 涂层显示出低的承载能力和裂纹断裂倾向。通过在HA中添加Y-ZeO2等硬质相陶瓷粉,该类材料无毒且生物惰性,获得的生物陶瓷复合涂层不但可显著提高强度、断裂韧性和寿命,而且具有生物相容性。研究表明应用热喷涂方法获得的生物涂层材料应用于人体骨骼功能恢复、植入和愈合极具潜力。

2.复合材料倍受关注

复合涂层不但具有单一结构涂层所具备的性能,而且可以获得具有特殊性能或具有多功能的涂层。由各种材料复合获得的复合涂层种类主要有金属间复合涂层、金属基陶瓷复合涂层、陶瓷复合涂层、多层复合涂层、梯度功能复合涂层等。例如, Al是具有较好耐蚀性能的涂层材料,但纯铝的耐性差,通过在铝中添加硬质陶瓷相 AlN、Al2O3、SiC、TiC等获得金属基复合涂层,可显著提高其耐磨性能。MoS2是一种优异的高温结构材料。它抗氧化、熔点高,在各种腐蚀和氧化环境中稳定,但在低温下较脆,在中温倾向发生突发性失效,使其应用受到很大限制。应用等离子喷涂制备层状或梯度结构复合涂层,可有效克服这些缺点。总之,具有优越的高温强度和抗氧化性的金属间化合物和金属陶瓷复合材料、生物陶瓷复合材料、特殊功能复合材料等等,多种复合材料已成为未来热喷涂领域研究的重要方面之一。

3.细微级粉有较好的发展前途

通常喷涂粉的粒度范围为-140目~+325目,有些陶瓷粉可细到5um左右。过细的粉末会产生烧损和飞扬等问题, 送粉加大困难,沉积效率也受影响。近些年,由于HVOF和高能高速等离子喷涂的出现,使喷涂粉向细微级靠近其原因是焰流和颗粒飞行速度极高,缩短了颗粒在焰流中的受热时间,造成粉末熔化不良。而粉末细级化,可改善这一状况。当前,细微级粉已有了较快的发展,并将在以后会有更好的发展前途。

4.纳米材料前景可观

近年来在材料科学与工程领域,纳米材料已成为热点。纳米材料与其相应的微米级材料相比,具有许多优异的性能。随着高质量纳米粉体制备技术的重大突破,采用热喷涂法制备纳米级晶粒涂层的研究和应用受到了普遍的关注。超声速等离子喷涂由于射流洁净、速度高、温度可控是制备纳米结构涂层的理想工艺方法。至今为止已制备出 Al2O3-TiO2、ZrO2、12Co-WC 等纳米涂层。从结果看纳米涂层具有与基体结合好,显微硬度明显增加,具有极好的抗晶粒长大的热稳定性等特点。然而热喷涂纳米材料的研究尚处于试验阶段。相信未来纳米材料在热喷涂技术当中的应用将会成为非常重要的一个研究方向。

总之, 喷涂材料的发展是与热喷涂工艺的发展相协调的, 随着热喷涂工艺的发展而发展, 既不断满足热喷涂工艺的要求, 同时也制约着热喷涂工艺的发展相信, 随着热喷涂技术的应用范围越来越广, 喷涂材料的发展前景非常可观。