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等離子熱噴涂知識

更新時間  2022-01-24 11:09:20 閱讀

我們以常見的氧化鋁-氧化鈦陶瓷復合涂層來舉例。此類涂層性價比高,應用廣泛,增強、改性潛力較大。尤其是即便使用自熔性底粉來等離子熱噴涂進行應力的減少,基體與過渡層、過度層與面層之間的冶金結合也不足以使整個涂層系統之結合強度有質的飛躍。這種情況下,引入激光熔覆技術,主要目的就是重熔過程中,粉體成分互融、沿著熱源方向形成以冶金結合為主的柱狀結構。

經過等離子熱噴涂和激光熔覆工藝聯合處理的涂層,告別了松散的片狀結構,涂層的耐滑動磨損得到增強,而且涂層硬度較單獨等離子熱噴涂工藝下的性能增強2-2.5倍。因為涂層更加致密,其耐腐蝕的性能也有提升。但考慮到粉體熔點固定,其耐高溫性能未做考量。

對于普通材料來說,其性能多少會因長期暴露在某些特定環境中,受周圍介質的化學或電化學作用的影響而發生改變,比如說長期暴露在戶外大氣的鋼鐵結構件就容易被腐蝕。因此為了保護材料表面,往往需要利用熱噴涂技術制造一個特殊的工作表面,使其達到:防腐、耐磨、減摩、抗高溫、抗氧化、隔熱、絕緣、導電、防微波輻射等一系多種功能。

熱噴涂技術的具體過程,是指利用某種熱源將粉狀、絲狀或棒狀的金屬或非金屬涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態,然后借助焰流本身的動力或外加的高速氣流將其霧化,并以一定的速度噴射沉積到經過預處理的基體材料表面,與基體材料相結合。較之以其它表面工程技術,熱噴涂技術的突出特點在于:

 

①熱源的溫度范圍很寬,所以可供噴涂用的涂層材料幾乎包括所有固態工程材料,如金屬、合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料以及由他們組成的復合物;

②噴涂過程中基體受熱的程度較小且可以控制,因此可以在各種材料上進行噴涂,對基體的組織和性能幾乎沒有影響;

③設備簡單,操作靈活,既可對大型構件進行大面積噴涂,也可在指定的局部進行噴涂;既可在工廠室內進行噴涂也可在室外現場進行施工。

在可供選擇的噴涂材料中,陶瓷材料因具有熔點高、硬度大、化學穩定性好等優點而成為熱噴涂技術中常用的一種噴涂材料,常用的有氧化鋁、氧化鈦、氧化鉻、碳化鎢、碳化鉻、碳化硅、氮化鈦、氮化硅等,主要用于部件的腐蝕、氧化及磨損防護。其中氧化鋁是使用最廣泛的高熔點氧化物材料,其在熱噴涂領域的具體應用狀況可看下方:

氧化鋁在自然界中資源豐富,價格低廉,并兼具有多方面的優良性能,其熔點為2050℃,呈白色,有多種同質異晶體。常見的有γ-Al2O3,δ-Al2O3、θ-Al2O3和α-Al2O3。γ-Al2O3是低溫形態的氧化鋁結晶.為立方結構晶型,其密度為3.47g/cm3。在1200℃以上就開始轉化為高溫型α-Al2O3,轉變是單向的.體積收縮13%。α-Al2O3是各種變體中最穩定的結構,它的穩定溫度可達熔化溫度,其密度為3.95g/cm3,其晶型為六方結構。

氧化鋁在一定的高溫條件下具有優良的力學性能和化學性能。在充分燒結后對無機酸和鹽類具有不溶性;有較強的抗氟化氫和良好的抗氫氧化鈉,碳酸鈉,熔融玻璃等腐蝕性能。在1700~1800℃高溫時具有較強的抗除氟以外氣體的腐蝕作用;可在1900℃以下的氧化性氣氛或強還原性氣氛中使用,在1950℃可短時間使用。

用納米尺寸粉末作原料不能直接用于噴涂。為了解決這個問題,需要將納米顆粒進行再處理,使之形成具有納米結構特征的球狀微米尺寸粒子,改善粒子的流動性。當等離子噴涂時,熔化顆粒經歷撞擊基材、展丌、平鋪、凝固成準圓小薄片。熔融顆粒的液滴在基材上撞擊成盤狀,具體形狀由表面張力、密度、粘度和液滴的速度決定。這個過程的時間很短,就形成了有小薄片疊加而成層狀結構的涂層。由于從碰撞到凝固的時間很短,熔化顆粒無法達到前一個已鋪開的小薄片邊角處,從而涂層中必出現孔隙。

制備單一的氧化鋁涂層噴涂層,得到的涂層組織較疏松,結合力差,涂層在磨損時表現為脆性剝落。原始粉未顆粒的大小對噴涂后涂層的組織結構有著不同的影響,研究表明原始粉料尺寸越細小,涂層的最終性能越優越。對涂層進行x衍射分析,涂層都是由α-Al2O3和γ-Al2O3兩相組成,微觀結構的不同在于原始粉末尺寸不同和噴涂過程中粒子的熔融程度不同。粒子在撞擊基材前的充分熔融和較高的顆粒速度,能使粒子撞擊時有很好的變形,并導致層間的良好結合和低的氣孔率。不同粒徑的粉末制得的涂層可在一定程度上說明,涂層中γ-Al2O3相越多,則噴涂過程中粉末的熔化就越充分,所得到的涂層結構越致密。

但在Al2O3粉木中添加一定量的TiO2粉末后,制備Al2O3/TiO2復合涂層,可改善涂層的綜合性能。Ti02的熔點為1840℃,Al2O3的熔點為2050℃,在噴涂時TiO2的熔化狀態較好,粘結力強,在凝固時可粘結在Al2O3涂層粒子之間的孔隙中,而且與Al2O3存在成分擴散,產生固溶,從而顯著提高了涂層的致密程度和粘結強度,有利于耐蝕性及耐磨性的提高。當TiO2的含量在13%~20%時涂層的耐磨性為最好。隨著TiO2含量的增加,涂層的致密性逐漸提高,硬度逐漸下降,這是因為TiO2的硬度比Al2O3要低。涂層的磨損失效由脆性剝落向類似于金屬材料的粘著磨損、疲勞磨損和磨粒磨損轉化。

 


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