廣州三鑫金屬科技有限公司
涂層工藝制備程序
熱噴涂工藝選擇
為了獲得滿足零件使用要求的涂層，應(yīng)結(jié)合零件使用工況條件及第3章中所述各種噴涂材料的成分、性能、工藝特性、涂層性能及適用的使用環(huán)境等綜合考慮，確定合適的噴涂材料，謹(jǐn)慎選擇熱噴涂工藝。
熱噴涂工藝的選擇原則如下：
熱噴涂工藝方法較多，但每一種方法都有其自身的優(yōu)點和局限性，從不同的角度進(jìn)行熱噴涂工藝選擇，會得出不同的結(jié)果。以高速火焰噴涂（簡稱HVOF）為例，當(dāng)采用HVOF工藝噴涂金屬、合金及金屬陶瓷類材料時，可獲得結(jié)合強(qiáng)度高（>70MPa）、致密度高（孔隙率<1%）、氧化物含量少的高質(zhì)量涂層，但該工藝也存在運行成倍較高、對基體輸入熱量較大、不能噴涂氧化物陶瓷（注：個別系統(tǒng)能夠噴涂Al2O3、Al2O3-TiO2等低熔點陶瓷，如HV2000超音速火焰噴涂）等缺點。因此，在選擇熱噴涂工藝時，應(yīng)針對具體需求進(jìn)行具體分析，下文分別從涂層性能、噴涂材料類型、涂層經(jīng)濟(jì)性及現(xiàn)場施工等四個方面進(jìn)行了分析。
1. 以涂層性能為出發(fā)點進(jìn)行選擇時，一般考慮如下幾點：
（1）涂層性能要求不高，使用環(huán)境無特殊要求，且噴涂材料熔點低于2500℃，可選擇設(shè)備簡單、成本較低的氧乙炔火焰噴涂工藝。如一般工件尺寸修復(fù)和常規(guī)表面防護(hù)等。
（2）涂層性能要求較高、工況條件較惡劣的貴重或關(guān)鍵零部件，可選用等離子噴涂工藝。相對于氧乙炔火焰噴涂來講，等離子噴涂的焰流溫度高，熔化充分，具有非氧化性，涂層結(jié)合強(qiáng)度高，孔隙率低。
（3）涂層要求具有高結(jié)合強(qiáng)度、極低孔隙率時，對金屬或金屬陶瓷涂層，可選用高速火焰（HVOF）噴涂工藝；對氧化物陶瓷涂層，可選用高速等離子噴涂工藝（如PlazJet等離子噴涂）。如果噴涂易氧化的金屬或金屬陶瓷，則必須選用可控氣氛或低壓等離子噴涂工藝，如Ti、B4C等涂層。
2．以噴涂材料類型為出發(fā)點進(jìn)行選擇時，基本原則如下：
（1）噴涂金屬或合金材料，可優(yōu)先選擇電弧噴涂工藝。
（2）噴涂陶瓷材料，特別是氧化物陶瓷材料或熔點超過3000℃的碳化物、氮化物陶瓷材料時，應(yīng)選擇等離子噴涂工藝。
（3）噴涂碳化物涂層，特別是WC-Co、Cr3C2-NiCr類碳化物涂層，可選用高速火焰噴涂工藝，涂層可獲得良好的綜合性能。
（4）噴涂生物涂層時，宜選用可控氣氛或低壓等離子噴涂工藝。
3．以涂層經(jīng)濟(jì)性為出發(fā)點進(jìn)行選擇時。應(yīng)盡可能選用電弧噴涂工藝。
在噴涂原材料成本差別不大的條件下，在所有熱噴涂工藝中，電弧噴涂的相對工藝成本最低，且該工藝具有噴涂效率高、涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高、適合現(xiàn)場施工等特點。幾種主要熱噴涂工藝的涂層特征及相對成本如表所示。
幾種熱噴涂工藝性能及成本比較
| 工藝 | 電弧 噴涂 | 火焰 噴涂 | HVOF | 等離子 | 低壓 等離子 | 爆炸 噴涂 |
| 孔隙率(%) | 10 | 10~20 | 0.1~2 | 2~5 | 0.5 | 0.1~1 |
| 結(jié)合強(qiáng)度 | 很好 | 一般 | 極好 | 很好~極好 | 極好 | 極好 |
| 相對工藝成本 | 1 | 3 | 5 | 5 | 10 | 10 |
4．以能否進(jìn)行現(xiàn)場施工為出發(fā)點進(jìn)行工藝選擇時，應(yīng)首選電弧噴涂，其次是火焰噴涂，便攜式HVOF及小功率等離子噴涂設(shè)備也可在現(xiàn)場進(jìn)行噴涂施工。目前，還有人將等離子噴涂設(shè)備安裝在可以移動的機(jī)動車上，形成可移動的噴涂車間，從而完成遠(yuǎn)距離現(xiàn)場噴涂作業(yè)。
涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計
在實際使用中，因零件形狀、大小、材質(zhì)、使用環(huán)境及服役條件等存在千差萬別，要獲得最佳的涂層使用性能，必須將熱噴涂技術(shù)所涉及到的各個環(huán)節(jié)綜合在一起進(jìn)行優(yōu)化處理，特別是要注意將噴涂材料與各種熱噴涂工藝的特點結(jié)合起來，內(nèi)容涉及所選擇的噴涂材料、涂層厚度、相應(yīng)的噴涂設(shè)備和工藝參數(shù)等，涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理一般要通過生產(chǎn)檢驗或現(xiàn)場試驗才能確定。在熱噴涂應(yīng)用技術(shù)中，所涉及的涂層結(jié)構(gòu)大體可分為以下四種。
1．單層結(jié)構(gòu)
單層結(jié)構(gòu)涂層是指只需要在經(jīng)過預(yù)處理的零件表面噴涂單一成分涂層，即可滿足使用性能要求的涂層結(jié)構(gòu)模式。在實際應(yīng)用中所占比例較大，是最常用的熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)之一，可為基體提供防腐、耐磨、抗高溫氧化、導(dǎo)電、尺寸修復(fù)、延長使用壽命等功能。所有的熱噴涂工藝，包括普通火焰噴涂、噴焊、電弧噴涂、HVOF、爆炸噴涂、等離子噴涂等均可獲得具有特定性能的單層結(jié)構(gòu)涂層。
2．雙層結(jié)構(gòu)
雙層結(jié)構(gòu)涂層是指采用兩種噴涂材料在經(jīng)過預(yù)處理的零件表面分兩次噴涂形成的涂層結(jié)構(gòu)，每層具有不同的功能，通常與基體相鄰的涂層稱為粘結(jié)底層，其主要作用是提高基體與涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度；外層或表面層稱為工作層或面層，其主要作用是滿足零件所要求的性能。這種結(jié)構(gòu)涂層在實際應(yīng)用中所占的比例也較大，也是最常用的熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)之一。兩種涂層可采用同一種熱噴涂工藝方法來完成，如采用單一工藝方法，如普通火焰、爆炸噴涂或等離子噴涂來分別噴涂兩種涂層，也可采用不同的熱噴涂方法來完成，如可采用電弧噴涂粘結(jié)底層，再采用等離子噴涂表面工作層；或先采用超音速火焰噴涂粘結(jié)底層，再采用等離子噴涂表面工作層，該組合是目前飛機(jī)發(fā)動機(jī)用熱障涂層的典型工藝。
3．多層結(jié)構(gòu)
多層結(jié)構(gòu)是指涂層層數(shù)達(dá)三層或三層以上的涂層結(jié)構(gòu)，在實際應(yīng)用中并不常用，只在特殊工況條件下才采用。
有的多層結(jié)構(gòu)通過采用多種成分涂層來滿足一種性能要求，例如，為了開發(fā)出能夠滿足柴油發(fā)動機(jī)用的長壽命厚熱障涂層，Robert等采用了熱膨脹系數(shù)非常接近的三層結(jié)合底層來降低涂層熱應(yīng)力，其涂層結(jié)構(gòu)如圖所示，各層涂層的熱膨脹行為如右圖所示。由于基體材料4140、NiCrAlY、FeCrAlY、FeCoNiCrAl和ZrO2-Y2O3之間膨脹系數(shù)屬于逐漸變化的，從而可以大幅度減小ZrO2-Y2O3涂層與基體之間的熱膨脹不匹配性，從而達(dá)到減小熱應(yīng)力、延長使用壽命的目的。
多層結(jié)構(gòu)示意圖
有的多層結(jié)構(gòu)則具有多種功能，例如，為了顯著提高汽輪機(jī)用熱障涂層的使用壽命和工作可靠性，Leed等人提出在金屬粘結(jié)層和熱障涂層之間增加阻止氧擴(kuò)散涂層，并在金屬粘結(jié)層和阻止氧擴(kuò)散涂層、熱障涂層和阻止氧擴(kuò)散涂層之間增加梯度過渡層，以阻礙氧擴(kuò)散到金屬粘結(jié)層，形成脆性的金屬-陶瓷界面，
4．梯度結(jié)構(gòu)
在熱障涂層中，由于粘結(jié)層金屬和氧化鋯陶瓷的熱膨脹系數(shù)差異較大，這種差異將導(dǎo)致涂層內(nèi)應(yīng)力過大，并且在熱循環(huán)條件下常發(fā)生陶瓷涂層的早期破壞。為了減小內(nèi)應(yīng)力，提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，材料科學(xué)家開始在常規(guī)熱障涂層中引入功能梯度材料制備技術(shù)。
日本學(xué)者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三首先提出了FGM的概念，與此同時，中國學(xué)者袁潤章等也提出了FGM的概念，并率先在國內(nèi)開展了這方面的研究。FGM的設(shè)計思想是針對兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料，通過連續(xù)改變其組成、組織、結(jié)構(gòu)與孔隙等要素, 使其內(nèi)部界面消失，得到性能呈連續(xù)平穩(wěn)變化的新型非均質(zhì)復(fù)合材料。借助功能梯度材料的概念，使熱障涂層結(jié)構(gòu)梯度化，相應(yīng)地，熱膨脹系數(shù)將沿涂層厚度方向逐漸變化，從而緩和涂層制備過程中和熱循環(huán)使用過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。
梯度功能材料為金屬/陶瓷涂層材料無法解決的熱應(yīng)力緩和問題提供了一種有效的方法，這為熱障涂層的應(yīng)用帶來了令人興奮的前景，因此倍受世界各國材料界的重視。德國與美國繼日本之后也開始大規(guī)模的研制，我國也將此研究列入了“863”計劃，短短十幾年中，迅速發(fā)展取得了令人矚目的成就。航天、航空、飛機(jī)、衛(wèi)星、運載火箭等需要耐超高溫的熱屏障材料，核反應(yīng)堆、發(fā)動機(jī)用耐熱材料、熱遮蔽材料，使用FGM熱障涂層后可大幅度提高熱效率。
國內(nèi)已經(jīng)對功能梯度熱障涂層的抗熱震性能進(jìn)行了研究，王富恥等人對等離子噴涂方法制備的ZrO2-NiCrAl系梯度熱障涂層在瞬態(tài)熱負(fù)荷下的破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，指出：陶瓷面層除了冷卻過程中的徑向拉力超過陶瓷材料的強(qiáng)度導(dǎo)致涂層破壞的模式以外，在加熱的過程中陶瓷層間界面出現(xiàn)大的軸向拉伸應(yīng)力，最終可以導(dǎo)致涂層剝落。朱景川等人對ZrO2-Ni系梯度熱障涂層的熱沖擊與熱疲勞行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：ZrO2-Ni系梯度熱障涂層的抗熱沖擊參數(shù)呈梯度分布，熱沖擊破壞符合熱疲勞損傷機(jī)理，裂紋的準(zhǔn)靜態(tài)擴(kuò)展為其控制因素；熱疲勞裂紋在梯度層內(nèi)以微孔聚集、連接方式萌生和擴(kuò)展，而在梯度層間無橫向貫穿裂紋，克服了傳統(tǒng)涂層的熱應(yīng)力剝落問題。黃維剛對ZrO2-NiCoCrAlY系梯度熱障涂層進(jìn)行了研究，認(rèn)為去應(yīng)力退火可以進(jìn)一步提高涂層的抗熱沖擊性能。
熱噴涂與再制造 ：材料-設(shè)備-工藝-解決方案
我們在涂層應(yīng)用方向積累了大量的經(jīng)驗，目前我們在再現(xiàn)著這些成功案例。我們將引領(lǐng)您完成涂層制造轉(zhuǎn)換過程，確保：快速生產(chǎn)啟動；從材料、設(shè)備、工藝一應(yīng)俱全的、可靠的供應(yīng)解決方案；在您的現(xiàn)場或我們的技術(shù)中心進(jìn)行涂層試驗；始終如一的涂層質(zhì)量和效率。
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加強(qiáng)合作互利共贏，以終為始感恩同行
涂層工藝制備程序
原材料-設(shè)備-工藝-解決方案
涂層創(chuàng)新與發(fā)展
科技工藝涂層實用性 - 運用粉末和線材原材料 噴涂設(shè)備可制備出耐腐蝕，耐磨損，耐高熱，抗高溫氧化，導(dǎo)電，絕緣，
遠(yuǎn)紅外輻射，等優(yōu)異性能的涂層。
最終目的益處---是使零部件獲得良好的工作性能，延長使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗，節(jié)約貴重金屬材料的有
效途徑。
產(chǎn)品合格 按圖紙施工—使用拋光和研磨設(shè)備涂層后加工 達(dá)到 所需 公差和光潔度
基本程序：
按涂層目的防磨來確定原材料選擇---噴涂設(shè)備配置有效運用---生產(chǎn)線工裝夾具生產(chǎn)效率-涂層檢測儀器中心-涂層后加工拋光磨研按圖紙施工- 出產(chǎn)成品
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