文档介绍：河北工业大学硕士学位论文
第一章 绪论
表面工程技术是材料科学的重要分支之一,是各种表面强化及防护技术的统称。它包括所有表面涂层、表面改性、表面热处理和表面加工等内容,常见的方法有:首先对表面进行预处理后,再经过表面烧结、表面涂覆、表面渗透或采用多种表面工程技术的复合处理,改变材料表面的物质形态、化学成分、及其内部的组织结构和应力分布状态,以获得所需要表面性能[1]。表面工程技术具有良好的发展前途,其主要任务为分析研究基体在不同条件下的表面机理和表面状态,研制开发各种表面加工设备,制备优化各种表面层的工艺方法,研究发现各种性能的表面层所需要材料以及相应的表面层质量检测方法等[2]。热喷涂技术是表面科学与工程中的重要组成,是表面科学与工程发展应用的前瞻领域。热喷涂技术利用相应设备产生的热能将喷涂材料熔化成为熔融态或半熔融态,并且通过外加的压缩气流,对喷涂材料产生一定的推动作用,使喷涂材料以一定的速度沉积在基体表面, 最终喷涂材料冷却后形成具有良好表面性能的涂层。
热喷涂技术的研究概况
热喷涂技术是机械制造和设备维修中被广泛应用的表面加工技术之一。热喷涂是以快速升温熔化材料并瞬间冷却为特征的表面工程,由于整个形成过程时间较短有利于形成良好的复合涂层,既可以发挥热喷涂高效率、优品质、低成本的优势,同时又可以获得具有高硬度,优质耐磨、防腐、耐高温、绝缘等性能的表面防护涂层。从 1910 年热喷涂技术的诞生,热喷涂设备与材料得到不断发展,特别是在汽车,能源,冶金,航空,航天等产业上的作用日趋重要,技术日趋成熟。其喷涂过程中的温度,熔融的喷涂材料对基体表面的冲击速度,以及形成涂层的喷涂材料的性能成为了热喷涂技术的发展核心[3]。制备优质的复合涂层是新型材料制备的拓展,也是热喷涂技术研究的重要方向,具有广阔的工业应用前景[4]。
热喷涂工艺按其采用热源的不同可以分为以下几大类:
(1)气体放电热源类:包括等离子喷涂、电弧喷涂和等离子喷焊等三类。
(2)气体燃烧火焰热源类:包括燃气重复爆炸喷涂、粉末火焰喷涂、超音速火焰喷涂、线材火焰喷涂等等。
(3)电热热源类:包括高频喷涂、线材电爆喷涂等方法。
(4)激光热源类:包括激光喷焊、激光喷涂等方法[5]。
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等离子喷涂
等离子喷涂作为热喷涂技术的关键环节之一,在当今生产中得到了最为广泛的应用, 顾名思义等离子喷涂所采用的热源来自等离子焰流,其焰流中心的温度可达 30000K,喷枪喷嘴处的温度也能达到 15000K。高温可以将金属材料或者陶瓷材料加热到熔化或者半熔化状态,同时用高速电离气流将液化的涂层材料沉积到经过处理的基体表面上,形成牢固的涂层[6-7]。根据电离的介质不同,等离子喷涂又可以分为液体稳定等离子喷涂和气体稳定等离子喷涂两大类。生产和实验中经常使用的气体稳定等离子喷涂。
气体稳定等离子喷涂产生等离子弧和等离子体的原理如下:正常状态下任何原子都呈现中性,气体在常温的情况下不导电。当外界通过特殊的方式对气体原子或分子做功,使其具有足够高能量时候,就可以使气体中的电子脱离出来,形成自由电子,进而原子或分子称为带正电的离子,产生了电离。持续的对气体原子或分子做功,等离子电场持续强烈的电离,从而放电,产生了等离子电弧。被电离的气体原子或分子,与气体中逃脱出的电子电极相反,但数量相同,所以在整体环境下仍保持中性,这种游离的电离气体被称为等离子体。在做功过程中,等离子喷枪内部,阳极和阴极喷嘴之间气体出现强烈而持续的电离状态,产生直流等离子电弧,该电弧把导入的气体电离成为高温的等离子体,并在热压缩效应,自磁压缩效应和喷嘴水冷壁的机械压缩效应的相互作用下使气体的电离率达到 1% 以上,温度可达到几万度的非转移性等离子电弧。从 1980 年起,随着计算科学与激光科学等学科的发展,等离子喷涂设备也得到了不断的强化。目前,等离子喷涂设备发展方向为实时控制技术、多功能集成技术、正向轴向送粉技术、喷涂功率两极分化(小功率或大功率)[8-9]等。
等离子喷涂特点:(1)等离子喷涂时焰流温度高,可以熔化一些难溶的喷涂粉末, 并且形成的涂层具有较高的结合强度,应用范围更大。(2)电弧产生的高压气体和外送气体相互作用,提高了焰流的喷射速度,使粉末具有较高的速度沉积在基体上,可以提高涂层密度,增强涂层的性能。(3)喷涂后形成的涂层均匀,光滑,以便对其进行精加工。
(4)等离子喷涂采用惰性气体作为工作气体,起到保护作用,防止在喷涂的高温下使涂层材料变质氧化。
等离子喷涂缺点:(1)送粉方法的问题:内送粉易磨损送粉通道或喷嘴内孔,且在
喷嘴中易堆积或结块,湍急高速的等离子射流及其硬边界层使外送粉困难。( 2)制备涂层过程中,消耗大量的电能并产生辐射和噪声,不利于长时间的工