爆炸噴涂研究的現(xiàn)狀及趨勢

摘要：爆炸噴涂是目前制備高質(zhì)量涂層的最好噴涂技術(shù)。本文詳細介紹了爆炸噴涂的原理、特點及爆炸噴涂涂層的發(fā)展現(xiàn)狀，并對爆炸噴涂涂層發(fā)展趨勢作了推測，提出納米涂層是爆炸噴涂涂層的新的發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞：爆炸噴涂；耐磨涂層；熱障涂層；納米涂層 20世紀50年代初期，美國聯(lián)合碳化物公司利德分公司發(fā)明了粉末爆炸噴涂（簡稱爆炸噴涂）技術(shù)，申請了專利，并于1953年投入生產(chǎn)。但他們只在本公司內(nèi)為用戶提供制備涂層的服務，而不出售該技術(shù)和設(shè)備，并且至今沒有發(fā)表過關(guān)于該技術(shù)的任何論文。到上世紀60年代，前蘇聯(lián)烏克蘭科學院材料研究所和焊接研究所開始研究爆炸噴涂技術(shù)，并研制出一系列的爆炸噴涂設(shè)備。由于此技術(shù)有一定的危險性，且技術(shù)難度大，所以其它國家沒有進行該技術(shù)的研究。90年代蘇聯(lián)解體后，烏克蘭科學院與中國鈦得公司合作開發(fā)產(chǎn)品，使該技術(shù)公開化。俄羅斯、烏克蘭材料所和焊接所開始向外出售該技術(shù)和設(shè)備。1970年，我國的航天部六二一所也成功研制出了爆炸噴涂設(shè)備，但由于性能與烏克蘭的設(shè)備相差較大，所以國內(nèi)使用的爆炸噴涂設(shè)備大多是從烏克蘭和俄羅斯引進的。目前約有近10臺爆炸噴涂設(shè)備在國內(nèi)開始使用。 爆炸噴涂技術(shù)研制成功后，因其涂層比其它噴涂方法得到的涂層質(zhì)量高得多，所以得到了人們的廣泛認可。一般認為，爆炸噴涂是當前熱噴涂領(lǐng)域內(nèi)最高的技術(shù)。最初一直應用于航天和核工業(yè)等軍事領(lǐng)域，并逐漸向民用品發(fā)展，目前已應用到鋼鐵工業(yè)、能源工業(yè)、汽車工業(yè)等部門。 1 爆炸噴涂的原理及特點 爆炸噴涂是利用氣體爆炸產(chǎn)生高能量，將噴涂粉末加熱加速，使粉末顆粒以較高的溫度和速度轟擊到工件表面形成涂層。噴涂時，先將一定壓力、比例的氧氣和乙炔由進氣口通入水冷噴槍內(nèi)腔，然后由供粉口將粉末送入，接著火花塞點火，氧氣和乙炔的混合氣體燃燒并爆炸，產(chǎn)生高溫高速氣流，將粉末加熱，并以高速（超過音速約3倍）撞擊到基材表面，形成涂層，通入氮氣清理槍管，為下一次噴涂做準備。如此重復進行。圖1為爆炸噴涂實驗裝置的示意圖。 圖1 爆炸噴涂實驗裝置示意圖 爆炸噴涂與其它噴涂工藝相比有很多優(yōu)點：1) 爆炸噴涂涂層結(jié)合強度高、致密、孔隙率低。噴涂時，由于粉末顆粒迅速被加熱、加速，半熔粉末對基體的撞擊力大，所以涂層結(jié)合強度高，噴涂陶瓷粉末可達70MPa，噴涂金屬陶瓷粉末可達175MPa，涂層致密，孔隙率<2%；2) 工件熱損傷小。爆炸噴涂是脈沖式噴涂，熱氣流對工件表面作用時間短，因而工件的溫升不高于200℃，不會造成工件變形和組織變化；3) 涂層均勻、厚度易控制。爆炸噴涂每次噴涂形成的涂層厚度約為0.006mm，所以涂層的厚度均勻、易控制，工件加工余量??；4) 涂層硬度高、耐磨性好。涂層材料相同時，爆炸噴涂形成的涂層硬度更高、耐磨性更好，硬質(zhì)合金涂層硬度可達1100HV；5) 爆炸噴涂可用微機控制，易于實現(xiàn)自動化。 但是爆炸噴涂也存在著一些缺點：1) 產(chǎn)生的噪音大（高達180dB），需要在專用的隔音間中進行，并由設(shè)在隔音室外的微機控制，噴涂時產(chǎn)生粉末飛散現(xiàn)象，使爆炸噴涂的使用受到一定的限制；2) 爆炸噴涂頻率為2-10次／s，每次只能形成約φ25mmX0.006mm的涂層，效率較低；3) 爆炸噴涂的噴涂粉末從噴槍中噴出，只能以直線行進，所以噴涂受基材形狀限制較大，對于形狀復雜的工件很難噴涂。 2 爆炸噴涂涂層研究 爆炸噴涂因其涂層的質(zhì)量高，受到了各行業(yè)廣泛的認同和歡迎，國內(nèi)外都做了大量的研究。現(xiàn)在，爆炸噴涂已在能源工業(yè)、汽車工業(yè)、紡織工業(yè)、鋼鐵工業(yè)及造紙行業(yè)等部門內(nèi)得到了快速的發(fā)展和應用。它在許多材料上成功應用，其涂層材料的研究也得到了發(fā)展，較成功的涂層主要有耐磨涂層和熱障涂層。 2.1 爆炸噴涂耐磨涂層 磨損是材料失效的三種主要形式之一，而且是避免不了的，每年因磨損造成的經(jīng)濟損失是非常驚人的。據(jù)資料統(tǒng)計，美國1981年因磨損造成的損失約1000億美元。我國沒有做過具體的統(tǒng)計，但我國材料的耐磨性與國外先進材料的耐磨性相比還有一定的差距，磨損帶來的損失也是巨大的。最初只靠發(fā)展結(jié)構(gòu)材料來提高材料的耐磨性能，但結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展已接近極限，不能滿足更高的耐磨要求，噴涂技術(shù)的發(fā)展為解決材料的磨損問題帶來了新的途徑。自20世紀60年代末，各國都對耐磨涂層展開了研究。一方面，不斷地發(fā)展新的噴涂技術(shù)，爆炸噴涂因其涂層結(jié)合強度高、致密度高、對工件無熱影響性及涂層均勻、表面光潔度好等優(yōu)點，成為高質(zhì)量耐磨涂層主要的制造技術(shù)。另一方面，不斷地開發(fā)新的涂層材料，目前常用的耐磨涂層主要有：碳化鎢涂層、碳化鉻涂層、氧化鋁涂層、碳化鈦涂層等。 （1）碳化鎢涂層碳化鎢是一種常用的耐磨涂層材料，具有較高的硬度和優(yōu)異的耐磨粒磨損性能，其硬度僅次于金剛石。噴涂碳化鎢時，由于溫度較高，WC容易分解，使涂層的結(jié)合強度和致密度大大降低。隨著復合工藝的發(fā)展，采用鈷將碳化鎢包覆起來，制成鈷包碳化鎢粉末。鈷的包覆減小了碳化鎢的氧化和分解，爆炸噴涂鈷包碳化鎢試驗表明，涂層的主要組成相為WC、W和Co，只有極少量碳化鎢發(fā)生分解產(chǎn)生W2C相。鈷的溫度較低，在高溫下鈷熔化，噴涂時增強了涂層與基體及涂層自身的結(jié)合強度，涂層的致密度增大，氣孔率下降（<2%），而且提高了涂層的沖擊韌度，降低了涂層的摩擦系數(shù)，提高了涂層的耐磨性。但是鈷的含量過高，將使涂層的硬度和耐磨性能下降。常用的碳化鎢涂層多是WC-12Co、WC-17Co和WC-25Co。不過碳化鎢的抗氧化性較差，所以只適用于低溫（<500℃）、非腐蝕性環(huán)境下耐磨、耐擦傷涂層。目前碳化鎢涂層主要用于提高航空航天發(fā)動機葉片、主動齒輪及一些傳動件和軸類等部件的耐磨性能。 （2）碳化鉻涂層碳化鉻呈灰白色、斜方晶系（菱面體），熔點為1895℃。常用的碳化鉻粉末為Cr3C2-25NiCr復合粉末，是由75%的Cr3C2和25%的鎳鉻合金（80Ni-20Cr）復合而成的。碳化鉻的硬度較高，在高溫環(huán)境下具有較好的耐磨損、抗氧化及耐擦傷性能，常用于噴涂腐蝕性環(huán)境下耐高溫磨損涂層（<900℃）。國內(nèi)外都對這種涂層的制備工藝及涂層的性能做了全面的研究，并將其與等離子噴涂的碳化鉻涂層的性能做出了比較，發(fā)現(xiàn)爆炸噴涂的碳化鉻涂層比等離子噴涂的碳化鉻涂層具有更少的缺陷、更高的結(jié)合強度和更好的耐高溫磨損性能。但碳化鉻的硬度很高，在實際使用中雖提高了涂層的耐磨性，卻使摩擦副產(chǎn)生了嚴重的磨損。為了解決這個問題，龍彥輝等采用了向碳化鉻涂層中加入潤滑劑（CaF2）的辦法。雖然降低涂層的硬度和結(jié)合強度，但同時也減小了涂層的摩擦系數(shù)，提高了涂層的塑性變形能力，從而降低了碳化鉻和摩擦副的磨損量。由于碳化鉻的耐磨耐腐蝕性能，其涂層在石油和化工工業(yè)中得到了廣泛使用，如在油泵柱塞和化工閥芯噴涂碳化鉻涂層，使其壽命提高了數(shù)倍。 （3）氧化鋁涂層氧化鋁在自然界中自然資源豐富，價格低廉，具有多方面的優(yōu)良性能，是使用最廣的高熔點氧化物材料。氧化鋁呈白色，有多種同質(zhì)異晶體，常見的有α-Al203和γ-Al203兩種。α-Al203為六方結(jié)構(gòu)，密度為3.95g／cm3，是各種同質(zhì)異晶體中最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定溫度可達熔化溫度。γ-Al203為立方結(jié)構(gòu)晶型，密度為3.47／cm3，是低溫形態(tài)的氧化鋁結(jié)晶，在1200℃以上就開始單向轉(zhuǎn)化為高溫型α-Al203，并使體積收縮13%。噴涂中所使用的氧化鋁粉末是用高純氧化鋁形成的α-Al203經(jīng)熔煉粉碎后獲得的。氧化鋁在一定高溫條件下具有優(yōu)良的力學性能和化學性能，在1700-1800℃高溫時具有較強的抗氣體腐蝕作用（除了氟），在1900℃以下的強氧化性氣氛或強還原性氣氛中很穩(wěn)定，氧化鋁還有良好的耐磨損、電絕緣性能。由于氧化鋁的優(yōu)良性能，常用來制備高溫下要求隔熱、耐磨、絕緣的涂層。目前氧化鋁涂層廣泛應用于曲軸、凸輪軸等表面耐磨耐腐蝕涂層的制備。 2.2 爆炸噴涂熱障涂層 航空航天業(yè)的迅速發(fā)展，對發(fā)動機性能提出了越來越高的要求，要求有較高的渦輪前溫度。國外先進的發(fā)動機，在20世紀70年代渦輪前溫度高達1600k以上，90年代達到1900k左右。過去為了解決這個難題，主要是靠發(fā)展高溫合金，并在高溫合金研究上取得了一定的成功。但高溫合金的研制不僅困難很大，而且進展緩慢，靠發(fā)展高溫合金的方法已滿足不了發(fā)展的要求，所以需要利用在高溫部件上噴涂熱障涂層來降低基體合金溫度。氧化鋯涂層就是典型的熱障涂層。 氧化鋯的熔點較高，導熱系數(shù)低，是較好的熱障涂層材料。氧化鋯具有兩種主要的同質(zhì)異晶體：低溫型單斜晶和高溫型四方晶。在高溫下，這兩種晶型會發(fā)生轉(zhuǎn)變，并附帶著體積突變，所以噴涂純氧化鋯會發(fā)生涂層開裂和剝落。為解決這個問題，常在氧化鋯中加入適量的氧化釔（Y203）等氧化物，來穩(wěn)定氧化鋯，避免涂層的開裂和剝落。一般采用ZrO3-8Y2O3(部分穩(wěn)定)和ZrO2-20Y2O3（穩(wěn)定）等涂層。另外，氧化鋯涂層和高溫合金基體的熱膨脹系數(shù)相差很大，高溫工作時易產(chǎn)生較高的熱應力，使涂層剝落，因此常將氧化鋯涂層做成雙層結(jié)構(gòu)，在基體上先噴涂一層底層，然后再噴涂氧化鋯涂層。 對于氧化鋯涂層的制備，多年以來一直主要用等離子噴涂和電子束物理氣相沉積。但是等離子噴涂制備的熱障涂層，涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)合強度不高，噴涂過程基體溫升較高，易使組織發(fā)生變化。而且涂層表面粗糙度大，涂層中含有氣孔和未熔顆粒，易使涂層產(chǎn)生裂紋及降低熱障性和耐高溫腐蝕性。電子束物理氣相沉積得到的涂層，工藝復雜，沉積率低，不易制備較厚的涂層。利用爆炸噴涂的氧化鋯涂層均勻、致密度高、結(jié)合強度高，其硬度約為等離子噴涂層的兩倍，抗高溫氧化性更高。 3 爆炸噴涂的發(fā)展趨勢 爆炸噴涂的高質(zhì)量涂層已得到廣泛的認可，但爆炸噴涂涂層仍然存在問題，涂層和基體的熱膨脹系數(shù)不同，容易造成涂層的開裂和剝落。發(fā)展梯度涂層，雖然可使涂層之間及涂層和基體的膨脹系數(shù)差縮小，降低熱膨脹產(chǎn)生的熱應力，但難度挺大，發(fā)展十分緩慢。另外隨著工業(yè)的發(fā)展，對涂層性能的要求越來越高，需要發(fā)展性能更高的涂層。 近年來，納米技術(shù)得到飛速發(fā)展。納米材料的前景是廣闊的，但目前由于技術(shù)原因，除了少數(shù)幾個方面（如燒結(jié)納米結(jié)構(gòu)WC-Co制造石油和鉆探領(lǐng)域中的刀頭），總的來說還處在納米粉體的研究和制備階段。噴涂技術(shù)為納米材料的研究和應用提供了一個新的發(fā)展方向，其中爆炸噴涂尤為適合噴涂納米材料。納米微粒的熔點和晶化溫度均比常規(guī)粉體低得多。采用等離子噴涂方法，容易使納米微粒長大而失去納米材料的特性。超音速噴涂雖然可保持微粒的納米尺寸，涂層的結(jié)合強度和致密度與爆炸噴涂相當，但設(shè)備的投資大，且束流周沿的低速低溫微粒的直徑是爆炸噴涂的5-10倍，涂層性能均勻性不如爆炸噴涂，對工件造成的熱損傷也比爆炸噴涂大。爆炸噴涂納米粉末時，由于粉末尺寸較小，粉末顆粒更容易被加熱到熔化狀態(tài)，可以提高涂層與基體的結(jié)合強度，涂層的致密度也將大大提高。同時粉末顆粒撞擊到工件表面時，將急劇冷卻，避免了納米顆粒的長大，保護了涂層的納米特性。 許多試驗表明，納米材料與傳統(tǒng)材料相比，納米材料的力學性能可得到顯著變化，材料的強度和硬度可得到成倍的提高。一般，納米材料的硬度隨著粒徑的減小而增長。采用納米微粒進行噴涂可以提高涂層的硬度和耐磨性，提高涂層的結(jié)合強度和致密度。試驗證明，納米結(jié)構(gòu)涂層的耐磨性與傳統(tǒng)粉末涂層相比提高了3-8倍。而且納米微粒的熱膨脹系數(shù)可調(diào)，可將不同熱膨脹系數(shù)材料連接，降低涂層與基體的熱膨脹系數(shù)的差距，是解決涂層開裂和剝落的一個新的方向。另外，納米熱障涂層導熱系數(shù)遠低于傳統(tǒng)熱障涂層，國外認為納米熱障涂層有可能把高壓渦輪葉片的使用溫度提高260℃，因此可以說納米熱障涂層將是熱障涂層的發(fā)展趨勢。 隨著粉體技術(shù)、納米技術(shù)和爆炸噴涂技術(shù)、設(shè)備的發(fā)展，爆炸噴涂的應用領(lǐng)域?qū)⒅饾u拓寬。相信，不久爆炸噴涂納米涂層將成為噴涂技術(shù)發(fā)展的主流，對我國的經(jīng)濟的發(fā)展發(fā)揮越來越重要的影響。 作者簡介：許磊（1980.5—），男，江蘇連云港人，在讀碩士研究生，主要從事爆炸噴涂WC-Co涂層研究。聯(lián)系電話：024-25691750