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等离子喷涂技术因喷涂层致密迅速发展

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等离子喷涂技术因喷涂层致密、结合强度高、喷涂效率高、喷涂材料广泛、 成本低等优点在表面工程中迅速发展。等离子喷涂Al2O3-TiO2陶瓷涂层是新型Al2O3基复合陶瓷涂层,TiO2粉末的加入有效的降低纯Al2O3涂层的脆性,减少复合涂层的孔隙率,提高强度、韧性和耐磨性。等离子喷涂在大型舰船传动轴和减速齿轮等关重部件的表面强化及维修与再制造中广泛应用。

由于舰船在高温、高湿、高盐雾的海洋环境中长时间远距离航行,其关重部件极易损坏失效,严重影响舰船的正常航行。在维修过程中发现,关重部件表面出现磨损或腐蚀等失效现象,因此关重部件的表面修复与强化就显得十分重要。前人大部分对纳米Al2O3-TiO2涂层的性能进行了研究,但Al2O3-40%TiO2涂层在机械零部件的维修与再制造中应用研究很少。文中采用大气等离子喷涂技术制备Al2O3-40%TiO2陶瓷涂层,分析了该涂层的微观结构,测试了显微硬度、气孔率等性能,研究其在干摩擦条件下的摩擦磨损性能,以便为舰船关重部件的绿色维修与再制造提供技术支持和理论参考。

4.爆炸喷涂

爆炸喷涂技术的原理是利用气体爆炸后产生的能量将粉末原料加热熔化,使其以极高速度沉积在工件表面,形成坚固的涂层。该技术在航空发动机等关键零部件修复和耐磨防护中表现出无法替代的优势,受到世界范围的研究和重视,已成为生产高质量耐磨涂层最有效的技术。

爆炸喷涂

爆炸喷涂也特备适合制备多相复合涂层,例如用于弹性箔片气体轴承启停阶段的润滑防护的宽温域固体润滑涂层NiCr-Cr2O3-Ag-BaF2/CaF2涂层(PS304),其中金属粘接相、润滑相(软金属Ag、氟化物共晶)、陶瓷耐磨相之间理化性能差别大,采用爆炸喷涂的结合强度高于APSHVOF所制备的该涂层,同时相比于HVOF,爆炸喷涂可以沉积更多的BaF2/CaF2

由于爆炸喷涂是脉冲式进行的,基体受热时间短,碳化物粉末原料发生氧化、脱碳现象的程度较其他热喷涂技术低,因而可以保证涂层组织与粉末成分的一致性,这一特点也使其在沉积易分解材料方面具有一定优势。

5.超低压等离子喷涂

超低压等离子喷涂技术(VLPPS)是在低压/真空等离子喷涂(LPPS)技术的基础上,通过熔化液滴在进一步降低压力的真空室中,同时大幅提高等离子喷枪功率,将粉未加热、加速,并达到一定比例的气化,最终沉积形成涂层。LPPS5000~20000Pa下进行,而VLPPS是在小于100Pa的低压室中应用100kW以上大功率等离子喷枪进行喷涂。

传统的热喷涂技术主要用于制备厚度超过100um的涂层,由于VLPPS的焰流温度和速度分布比LPPS更均匀,且覆盖面积大,且等离子体焰流及喷射距离较长,适用于快速制备大面积、致密均匀的薄涂层,可填补在大型基材上制备厚度为5~100um涂层技术的空白。VLPPS涂层的微观形貌既可以呈现出层状结构(类似于APSLPPS涂层),也可以呈现出柱状结构(类似于PVDCVD涂层)。

目前,VLPPS作为一项前沿的热喷涂技术多被用于制备热障涂层,研究人员主要研究其抗氧化性能,应用该技术制备减摩耐磨涂层的相关研究较少。

6.悬浮液等离子喷涂

纳米结构有利于提高涂层韧性、耐磨性等方面,但由于纳米颗粒的粒径小、质量小,传统的热喷涂过程中无法在常规条件下直接注入纳米粉末原料,从而出现粉末团聚,堵塞进粉系统等问题。此外纳米粉末由于热能较高,在喷涂过程中会迅速分解。悬浮液等离子喷涂(SSPS)技术的出现解决了这一问题,它的核心原理是将原始粉末和水或有机溶剂混合在一起形成悬浮液,主要用于纳米涂层的制备,应用此方法制备纳米涂层时可在很大程度上避免出现粉末团聚、堵塞进粉系统等问题。

由于粒子在注入等离子射流之前就为液态,焰流密度较高,因此SSPS中等离子体流向基体的热流密度比常规APS在相同功率水平下的热流密度要高一个数量级,可以制备传统喷涂技术不能制备的涂层,如直接将APS工艺无法喷涂的颗粒(如SiC)掺入陶瓷基体中。

7.高速电弧喷涂

电弧喷涂技术主要应用于防护涂层中,其原理是应用2根连续且均匀送进的金属丝短接产生电弧,并以此熔化金属丝,外加压缩空气使熔融颗粒雾化并且加速,熔融的液滴撞击经过预处理的基材表面发生变形、展平,并快速凝固、沉积,逐渐形成涂层。

早期的电弧喷涂技术制备的涂层存在孔隙率较大、与基体的结合强度较低等问题,因此,研究人员在普通电弧喷涂技术的基础上研究出高速电弧喷涂技术(HVAS)HVAS对喷枪部分进行了优化,在一定程度上提高了雾化气体压力和流速,缩短了粒子飞行时间,降低了粒子被氧化的程度,提高了粒子变形与合金化程度,从而改善了涂层的微观结构。相比普通的电弧喷涂,HVAS具有较高的电弧稳定性、沉积效率以及涂层组织致密程度。

基于工业与科技的快速发展,机械设备的工况要求越来越高,需要研制出性能更加优异的减摩耐磨涂层。一方面,可从涂层材料的组分入手,设计出具有高强度、硬度或具有自润滑功能的新材料体系,如在硬质的陶瓷涂层或金属-陶瓷涂层中添加具有自润滑作用的润滑相(如石墨、二硫化钼、高分子材料等),提高涂层的减摩性能;另一方面,可从优化热喷涂工艺入手,研究不同体系涂层的最佳工艺参数,为后续的研究工作奠定基础。除上述两方面外,还需在提高涂层质量的同时降低成本,才能更好地令该技术应用在实际生产中。

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