应用等离子喷涂

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,由于材料表面工程技术是应用物理、化学、电子学、机械学、材料学等多学科的最新知识，对产品或材料表面进行处理，赋予材料表面减摩、耐磨、耐蚀、耐热、隔热、抗氧化、抗疲劳、防辐射以及声光电磁热等特殊功能的技术。不仅技术含量高，产品附加值高，综合收益大，投资见效快，而且节约材料资源，保护环境，降低能耗，所以它的应用及其广泛和重要。从当前工程应用量较大上看，表面工程技术主要是改善机械零部件、电子、电器元器件、人体生物医学植入体等部件基体材质表面性能的科学和技术。对机械零部件，主要通过表面技术处理提高机械零部件表面的耐磨、耐蚀、耐热性和抗疲劳强度等性能，使整个机器在高速、高温、高压、重载、强介质腐蚀等恶劣工况下能持续、安全的运行；对电子电器元器件，主要通过表面处理提高元器件表面的电、磁、声、光等物理性能，使经表面处理的元器件产品容量大、传输快、体积小，具有高转换率、高可靠性、高稳定性；对于家电产品，主要通过表面处理提高家电产品表面的耐蚀、美观等性能；对于生物医学材料，主要通过表面处理提高人造骨骼等人体植人件的耐磨、耐蚀及与人体的生物相容性，以保证患者的健康，能正常生活。可以说，表面工程技术的应用，已成为2 1世纪工业发展的关键技术之一。下面对一些具有代表性，又十分重要的方面看一看它的应用。,1,6.1航空航天工业中的应用,表61 热喷涂耐磨涂层在国内航空上的应用,零部件,耐磨涂层材料,发动机涡轮轴,NiCrBSiNiAl,涡轮叶片叶冠,X一40,三叉戟发电机轴,C,o,一WC,三叉戟机翼滑轨,Ni,3,AlWC,三叉戟前轮轴、套筒,C,o,W,发动机燃油导管,NiCrSi,某机型发动机用涡轮机叶片,NiCoCrAlYTa,2,表6-2,3,抗热障、抗高温氧化上常采用渗镀、磁控溅射、低压等离子喷涂(LPPS)和阴极多弧镀技术和渗镀技术。还有封严、耐磨、减摩、阻燃、润滑等涂层。如在叶片上早期渗镀Al-Cr，AlSi，A1-Ti，用PVD法在叶片上沉积.A1-Cr，.A1-Si，A1-Ti，20世纪80年代用PVD法沉积MCr.A1Y一和用LPPS法喷涂NiCoCrAlYTa，NiCoCrAIYHt，NiCoCrAlYHfSi，NiCoCrAlYTaHf超合金涂层。现今已用NiCoCrAlYTa六元超合金涂层装备了国产的战机，进一步提高了叶片的抗氧化性能和抗热腐蚀的能力。还研制成功适用于450钛合金叶片WCCo耐磨涂层；适用于840以下涡轮机叶片、叶冠、涡轮后机匣的CoNiCrW耐磨涂层；适用于350-1600的聚苯脂铝封严涂层，镍包石墨封严涂层。根据不同使用环境特点，发动机部件涂覆大量的、类型各异的涂覆层，甚至在一个关键零部件上，采用多种涂层。如在钛合金压气机转子叶片、叶身上喷涂耐磨耐冲刷的涂层，而在榫头部位电镀防粘防啮合的银镀层，在叶尖上用防钛燃烧的阻燃涂层。又如在涡轮机叶片、叶身上用PVD法沉积MCr.A1Y。抗高温氧化粘结涂层，再沉积Y2O3稳定的ZnO2陶瓷涂层，而榫头仅允许沉积厚度较薄，对机械疲劳性不损伤的抗氧化涂层，叶尖则喷涂抗氧化的高温耐磨封严涂层等。今天波音飞机先进的起落架也已使用超音速火焰喷涂的WC涂层，军机上用的钛合金传动轴花键、摩擦受力的关键部位都沉积有类金刚石膜层。,4,6.2汽车工业中的应用,当今的现代汽车工业，充分利用各种表面技术，已使汽车成为深受人们喜爱的、完美艺术的现代交通工具。,在汽车车身、底盘、电气设备、发动机、塑料件都在涂装生产线上进行表面处理。,在汽车钢构件的耐蚀与耐磨以及汽车的活塞环、连杆、齿轮、销轴与表面技术都已完全实用化。,此外运用喷涂技术在轿车、载重汽车的变速箱从动齿轮表面喷金属钼涂层，使表面硬度HV可达700-1000，大大提高了齿轮使用的耐磨寿命。,在汽车用铸模、铝模具上进行表面处理，不仅提高了脱模效果，还提高模具使用寿命50，且零部件的光洁度高。,5,车刀、铣刀、滚刀、发动机凸轮轴、缸套等的强化其中涂层刀具在汽车机械加工中的应用效果十分明显。不仅减少了刀具的消耗，延长了刀具的使用寿命，更使机械加工切削速度加快，被加工的零件光洁度高。目前，汽车工业用的齿轮滚刀、花键滚刀、插齿刀、圆盘拉刀、圆形样板刀、钻头、丝锥大都采用物理化学气相沉积的现代表面技术，在刀具上沉积TiN，Ti(CN)，(TiAl)N，ZrN，HfN等。如经TiN沉积的剃齿滚刀、花键滚刀使用寿命分别提高22.5倍和34倍。在我国的成都、哈尔滨、上海、北京等地已建有专用的涂层刀具生产线，供应TiN的涂层刀具系列产品。,在采用表面改性技术上，如用喷丸强化，使汽车的汽阀弹簧、变速箱的倒挡齿轮解决了断裂；用滚压强化，使球铁曲轴抗变疲劳极限提高152；发动机用凸轮轴，用离子渗氮，使凸轮轴的表面硬度HV达到650720，其轴的耐磨性、抗擦伤性能显著提高；发动机的缸体、缸套采用激光表面淬火处理，在表面形成螺旋状分布的激光强化层硬度HV可达680750，不仅改善了缸套与活塞的润滑，还使摩擦系数降低，耐磨性提高2530，延寿2542。1998年国内已形成12条年产120万件汽车缸套的激光表面处理生产线。此外，用离子注入N，C的改性技术，也可大幅度提高金属成形刀具、模具的使用寿命，因其目前生产成本相对较高，离子注入没有普遍采用。,6,6.3城市建设中的应用,居民的住房越来越舒适漂亮；高级宾馆、文化娱乐大剧院、歌舞厅、音乐厅、超级市场、购物中心、高层的摩天大厦等现代城市建筑，所用的各种玻璃幕墙、精美华丽的表面装饰，都是采用表面涂镀技术。电视机、收音机、移动通讯用的发射塔以及进人家庭的自来水、电话、暖气、煤气、天然气埋入的各种管线，用钢结构的都需要进行表面防护。为解决城市交通的拥挤，各种立交桥、钢缆斜拉桥、路灯杆、路标等都在设计上采用了表面防护技术。,7,6.4 家用电器工业中的应用,表面技术不仅制备出精美的家电产品，更重要的是提高和改善了家电产品的使用性能，创造出许多具有时代特征、美好形象和市场竞争力的质优产品。如含氟涂料具有的耐热、耐磨、防粘等优良特性，在家电中的电饭锅、抽油烟机、煎锅、电熨斗、烤炉上得到应用，大大地提高了这类家电产品的使用性能。在空调器中的蒸发铝肋片中，因制冷过程中凝露水的腐蚀，使空调器的使用寿命大为降低，现今在铝肋片的表面涂敷上一层薄薄的疏水膜，就可使凝露水珠粗化，迅速从铝肋片上脱落，从而避免了对铝肋片的腐蚀，提高了空调器的整体使用性能，并延长了空调器的使用寿命。各种花色品种的闪光涂料、透明涂料、多彩涂料、无光涂料，在洗衣机、电冰箱、电饭锅、电风扇、空调器、电视机、收音机、VCD、DVD机都普遍得到应用，从而促进了家用电器的发展和档次的提升。,目前看，用表面技术主要是提高家电产品的防护、装饰和使用性能。主要有涂料涂装、电镀、功能转化膜、表面抛光、表面着色等。在表面涂装上，广泛采用静电粉末喷涂技术，就粉末涂料用量而言，1998年，年用量为8 t，其中70以上用于家用电器，不仅提高了外观品质，还提高了耐蚀性能。有的空调器设备外壳，先用阴极电泳底漆，再涂耐候粉末涂料，一些室内机的塑料外壳，用光固涂料，总体品质和外观装饰都可和国外同类产品外观相媲美，远销海外。塑料金属化、塑料镀膜、耐磨耐蚀塑料镀膜、无铬钝化、低温磷化、高红外(高强度红外辐射)快速凝固技术等一些表面工程技术，都会在我国家用电器的市场竞争中得到广泛的应用和发展。,8,6.5钢铁工业中大型部件的应用,在传统的钢铁工业中，解决大型部件耐磨、耐蚀的难题，大多以各种表面喷涂的技术为主。从西方发达国家各种“辊类”在钢铁工业中的应用上看，取得显著应用实效的热喷涂辊类占各种辊类数的85以上。如CoWC喷涂的张紧辊，使用寿命由镀硬Cr的2.5年提高到5年；又如退火炉辊，过去平均每月需停机30 min进行检修，经热喷涂后，则可保持3年内不检修，还大幅提高了钢带的品质。在日本钢铁公司热喷涂的退火炉辊的比例，从1 982年的20上升到1989年的100，而带钢因辊面“结瘤”引起产品报废，由80下降到零。在热浸镀Zn、Al、Sn生产线上应用的沉浸辊，因受熔融液体对沉浸辊、稳定辊694800铝液和452570 C|C锌液的浸蚀，同时又因钢带内辊面带动，运动速度高达3540 ms，合金辊一般在铝液和锌液中的使用寿命分别为23天和10天，就在辊面上产生很深的磨痕和蚀坑，并划伤钢带表面，使钢带次品率增加，采用等离子喷涂A12O3+TiO2、MgO一ZrO2、MoAl2O3与NiCrAlY形成梯度涂层，涂层总厚为1 mm；和用HVOF喷涂CoWC涂层，由于喷涂的涂层材料与Al、Zn液不润湿，不发生化学反应，上述两种喷涂工艺的涂层分别在热浸A1、Zn生产线上运作，其使用寿命提高34倍。表63是各种辊类经热喷涂在钢铁工业中的应用实例。,9,表6-3,10,在我国，钢铁工业巾的轧辊、炉底辊，通过表面耐磨热喷涂涂层技术处理，其使用寿命提高24倍。如在武钢硅钢片生产线上采用等离子喷涂NiCr一8Y2O3ZrO2涂层于硅钢片高温退火炉辊防积瘤，该炉辊长2700 mm，工作部位长1500 mm，辊径,20 mm,，T作温度890920 CC，二作介质为氮氢还原性气氛，并具有不同露点，涂层后使用寿命超过6个月，最长达两年，抗积瘤效果明显，硅钢片品质达设计要求。又如，在宝钢轿车用薄板生产线上的大型退火炉辊(CAPL辊)，用HVOF喷涂工艺喷涂厂一层与铁的亲和力低、膨胀系数与炉辊基体材质相匹配，能耐高温磨损，能长期维持表面粗糙度的涂层，该涂层可使炉辊面减少积瘤的发生，使生产的轿车薄板获得了高的品质，使用寿命达4年以上。此外，高炉的渣口、风口、各种加热管、热偶保护管、连铸机的轧辊以及大型挤压机的柱塞等大型关键部件，都可通过喷涂耐高温氧化的复合陶瓷涂层加以解决，大大减轻了连续生产过程中的检修、抢修，延长了大型部件的使用寿命，经济效益十分明显。,11,6.6 电力、石化、机械工业中的大型部件上的应用,电力工业中的锅炉“四管”通过喷涂耐磨、耐蚀的NiCr，FeCrA1，可使锅炉的使用寿命提高61 0倍。汽轮机汽缸结合面，由于气蚀造成漏气，致使汽缸结合面损坏。通过涂镀耐高温耐磨的镍基合金，完全可以得到修复，完好如新的使用，如我国大亚湾核电站用的汽轮机汽缸盖。又如火电厂用的磨煤机，火轮机的叶轮，吸排风机叶轮，喷涂耐磨耐蚀的镍基合金，WC，使排风吸风叶轮使用寿命提高3倍以上。,在石化工业中，大量的石油贮罐，通过喷涂防腐铝，可使防腐年限达1 5年以上。化工中的容器、管道、各种反应釜通过喷涂耐蚀的金属、陶瓷、塑料都可使使用寿命延长。化工厂大量的液泵、叶轮、耐磨环喷上耐蚀耐磨的Cr2 03。各种阀门喷上耐蚀耐磨的镍基不锈钢都十分见效。,在机械工业中表面技术的用途更为宽广，一些大型的轴类、电机转子喷上镍基合金，高碳钢，在耐磨上已经很普遍。一些机械的密封环喷涂WC+Co十分耐磨，效果显著。还有在长江三峡工程用的挖泥船用的柴油机大型曲辊，磨损后采用电弧喷涂在现场施工，用铝青铜作底层，再喷3 Crl 3工作层，修复后使用寿命大大延长。,12,6.7功能材料和元器件中的应用,这里所指的功能材料主要是那些具有优异的物理、化学、生物功能，以及一些声、电、光、磁等互相转换的功能，并用之于高新技术的材料。,如电学特性的导电性、超导性、电阻特性、绝缘性、半导体性、波导性、低接触电阻特性、约瑟夫逊效应等。通过表面技术中的涂装技术，化学镀技术，气相沉积(物理、化学)技术，离子束表面改性技术，离子注入等技术来制备。如现今的液晶显示用的导电玻璃，表面扩散制成的NbSn线材，一些薄膜电阻材料，绝缘涂层，半导体薄膜材料，波导管，低接触电阻开关，约瑟夫逊器件等等。,磁学特性的磁记录，存储记忆，电磁屏蔽和磁阻等，通过气相沉积技术，涂装等表面技术制备出磁记录介质、磁带、磁泡材料、电磁屏蔽材料、薄膜磁阻元件等等。,光学特性的发光特性，反射性，防反射性，增透性，光选择透过性，分光性，光