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                              等離子噴涂,火焰噴涂和超音速火焰噴涂工藝對比
                              瀏覽: 發布日期:2020-04-09
                              本文敘述了等離子噴涂、火焰噴涂和超音速火焰噴涂3種噴涂試驗,并對獲得的涂層進行了對比、分析、評價,說明了超音速火焰噴涂的優越性。
                               
                              超音速火焰噴涂的優點
                               
                              超音速火焰噴涂由于具有焰流速度快、焰流長、直徑收縮小、粉末動能和能量密度大等特點,使其涂層呈現致密、氧化物含量和未熔顆粒少、孔隙率低、結合強度高、加工性能好、不易剝落等特性。
                               
                              傳統火焰噴涂工藝缺點
                               
                              傳統的火焰噴涂工藝以氧-乙炔火焰來熔化待噴涂的粉末,由于焰流速度慢,熱量不集中,粉末在空氣中飛行時間長,因而形成的涂層粗糙多孔(孔隙率多為10%~15%),氧化物和未熔顆粒多,涂層的結合硬度和結合強度(多為20~30MPa)較低而且易產生裂紋和剝落。等離子噴涂工藝以等離子弧作為熱源將粉末熔化,高速噴到零件表面形成涂層,由于等離子。
                               
                              弧溫度高(弧柱中心溫度可達15000~33000K),能量大,粉末粒子飛行速度快,而且采用氬氣作為等離子氣體、氫氣作為輔助氣體,又具有還原氣氛,因而粉末的氧化程度低,所形成的涂層致密,孔隙率(3%~8%)和氧化物含量都很低,結合強度(40~50MPa)和硬度較高,但由于殘余應力的存在,涂層不能過厚,否則會產生裂紋和剝落。此外,等離子噴涂還有一個明顯的缺點,就是使用和維護費用較為昂貴。
                               
                              20世紀80年代以來,隨著超音速火焰(HighVelocityOxygenFlame,HVOF)噴涂工藝的研發,涂層的性能產生了質的飛躍。超音速噴槍的結構獨特,在燃燒室的末端即咽喉部位采用了拉瓦爾曲線設計,使得燃燒室的壓力增加,通過該處的焰流獲得數倍于音速的速度;
                               
                              而且采用了徑向內送粉的方式,使得粉末在10~30cm的槍管內得到充分的加熱和加速,雖然溫度不是很高(2870℃),但由于能量集中,受熱均勻,因此熔化得非常好;
                               
                              此外,由于粉末粒子的動能大,速度快,粒子在空氣中的飛行時間極短,被氧化的機會極少,再加上噴槍系統本身的溫度不高
                               
                              (2870℃),所以涂層中幾乎沒有氧化物,空隙率也極低(小于2%),涂層致密,剪切強度和結合強度都非常高(可達到60MPa以上),而且涂層內的殘余應力幾乎都是壓應力,這樣就使得涂層可以具有很大的厚度而不至于產生裂紋和剝落,例如316不銹鋼涂層的厚度可以達到12mm。尤其是WC-Co涂層,HVOF噴涂更具優越性。
                               
                              本課題以等離子噴涂、火焰噴涂、HVOF噴涂3種工藝分別噴涂了WC/12Co、WC/17Co、NiCrBSi3種涂層,并對涂層的各項性能進行了分析和研究。
                               
                              熱噴涂涂層的性能和微觀結構與所使用的粉末有較大的關系,不同的粉末粒度、化學成分都會對涂層性能造成影響。
                               
                              WC-Co涂層是一種典型的抗磨損涂層,WC-Co粉末有鑄造/粉碎型、燒結/粉碎型、團聚/燒結型和鈷包覆型4種形式。試驗采用的粉末是美國TAFA公司生產的燒結/粉碎型粉末。
                               
                              NiCrBSi自粘涂層也是一種高質量的抗摩擦磨損涂層,試驗采用的是TAFA公司生產的1276NiCrBSi粉末。用GSL-100激光粒度分析儀對粉末進行粒度分析,粒度分布非常好,范圍集中,90%在5×10-3~10×10-3mm之間且顆粒均勻,可以肯定,這3種粉末具有非常好的流動性。
                               
                              熱噴涂噴涂工藝
                               
                              首先對所有的試樣進行吹砂,吹砂用的磨料為白剛玉砂,壓縮空氣壓力為0.2~0.3MPa,吹砂距離為100~120mm,吹砂后表面粗糙度為Ra3.0~3.5μm。
                               
                              噴涂設備及參數,采用METCO6P火焰噴涂設備、METCO-7M等離子噴涂設備和JP-5000超音速火焰(HVOF)噴涂設備進行噴涂。
                               
                              熱噴涂結合強度和剪切強度試驗
                               
                              采用膠接法進行結合強度試驗,試樣尺寸為6.5mm×25.4mm,粘接劑為FM-1000膠,所有試樣的涂層厚度均為0.25~0.30mm;剪切強度試驗設備為單擺刮削磨損試驗機。
                               
                              由于在噴涂過程中具有不同機械性能的材料有著很高的溫度梯度,因此在涂層中會產生殘余應力,這種殘余應力對涂層的性能有很大的影響,最明顯的就是引起涂層裂紋和剝落,它直接限制著噴涂層的厚度。涂層的殘余應力狀況是評價涂層性能的一個極其重要的指標,本課題采用修正的艾爾曼(Almen)法完成對涂層的殘余應力測試。
                               
                              測試用的試片材料為65Mn,規格為120mm×15mm×1mm;采用BHP-700溫度補償應變片,規格為16mm×7mm,電阻值為120Ω,應變極限溫度為700℃。
                               
                              δ為涂層厚度,σc為涂層殘余應力,正值表示拉應力,負值表示壓應力。從表中可以看出,隨著涂層厚度的增加,應力值也增加。對于NiCrBSi涂層來說,火焰噴涂和等離子噴涂產生的都是拉應力,而HVOF噴涂產生的是壓應力。對于WC-12Co涂層來說,雖然3種噴涂方法產生的都是壓應力,但HVOF噴涂產生的壓應力值要遠遠高于另外兩種噴涂方法。拉應力是造成涂層裂紋和剝落的主要原因,因此對于涂層來講,殘余應力最好是壓應力,而不是拉應力。通過以上分析可以看出,HVOF噴涂涂層的性能要優于另外兩種涂層。
                               
                              熱噴涂后涂層的X射線衍射分析
                               
                              對WC-12Co粉末和3種工藝所噴涂的涂層進行了X射線衍射分析。下文以WC-12Co涂層為例進行說明,可以看出在粉末中WC相為主要相,其余的是雜質相。
                               
                              涂層中起主要作用的是WC相,在3種工藝所噴涂的涂層中,HVOF噴涂涂層的WC含量最多,而且占大多數,等離子噴涂的次之,火焰噴涂的幾乎沒有WC相。WC-12Co涂層的失效可以從下列反應式中看出。
                               
                              2WC→W2C+C,
                               
                              W2C+O→W2(C,O),
                               
                              W2(C,O)→2W+CO,
                               
                              4Co+4WC+O2→2Co2W2C+2CO,
                               
                              3Co+3WC+O2→Co3W3C+2CO,
                               
                              12Co+12WC+5O2→2Co6W6C+10CO。
                               
                              通過上列反應式可以看出WC-12Co涂層的失效原因,對照X射線衍射圖,可以說明HVOF噴涂涂層的失效程度最低,等離子噴涂涂層次之,火焰噴涂涂層失效程度最嚴重。
                               
                              根據3種粉末的不同熱噴涂工藝試驗以及對所得涂層進行的各項性能試驗,可以得出以下結論:
                               
                              (1)HVOF噴涂工藝與等離子、火焰噴涂工藝一樣操作簡單,易于控制,可重復性強;但HVOF噴涂的效率要遠高于等離子噴涂和火焰噴涂。
                               
                              (2)在涂層的抗拉結合強度和抗剪切強度方面,HVOF噴涂的最高,等離子噴涂次之,火焰噴涂最差。
                               
                              (3)HVOF噴涂后的殘余應力為壓應力,這也是HVOF噴涂結合強度高的重要原因之一。
                               
                              (4)HVOF噴涂涂層中主要成分的失效最少,與粉末相比幾乎沒有多大變化,而等離子噴涂和火焰噴涂涂層成分失效較多,因此HVOF噴涂涂層的各項性能優于等離子噴涂層和火焰噴涂層。HVOF噴涂最能反映粉末的原始設計性能。
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