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熱噴涂技術(shù)+氧化鋁:為部件披上“保護(hù)外衣”
瀏覽:1460次      發(fā)布時(shí)間:2020-07-08

對(duì)于普通材料來說,其性能多少會(huì)因長(zhǎng)期暴露在某些特定環(huán)境中,受周圍介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)作用的影響而發(fā)生改變,比如說長(zhǎng)期暴露在戶外大氣的鋼鐵結(jié)構(gòu)件就容易被腐蝕。因此為了保護(hù)材料表面,往往需要利用熱噴涂技術(shù)制造一個(gè)特殊的工作表面,使其達(dá)到:防腐、耐磨、減摩、抗高溫、抗氧化、隔熱、絕緣、導(dǎo)電、防微波輻射等一系多種功能。

熱噴涂技術(shù)的具體過程,是指利用某種熱源將粉狀、絲狀或棒狀的金屬或非金屬涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài),然后借助焰流本身的動(dòng)力或外加的高速氣流將其霧化,并以一定的速度噴射沉積到經(jīng)過預(yù)處理的基體材料表面,與基體材料相結(jié)合。較之以其它表面工程技術(shù),熱噴涂技術(shù)的突出特點(diǎn)在于:


①熱源的溫度范圍很寬,所以可供噴涂用的涂層材料幾乎包括所有固態(tài)工程材料,如金屬、合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料以及由他們組成的復(fù)合物;

②噴涂過程中基體受熱的程度較小且可以控制,因此可以在各種材料上進(jìn)行噴涂,對(duì)基體的組織和性能幾乎沒有影響;

③設(shè)備簡(jiǎn)單,操作靈活,既可對(duì)大型構(gòu)件進(jìn)行大面積噴涂,也可在指定的局部進(jìn)行噴涂;既可在工廠室內(nèi)進(jìn)行噴涂也可在室外現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工。



在可供選擇的噴涂材料中,陶瓷材料因具有熔點(diǎn)高、硬度大、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)而成為熱噴涂技術(shù)中常用的一種噴涂材料,常用的氧化鋁、氧化鈦、氧化鉻、碳化鎢、碳化鉻、碳化硅、氮化鈦、氮化硅等,主要用于部件的腐蝕、氧化及磨損防護(hù)。其中氧化鋁是使用最廣泛的高熔點(diǎn)氧化物材料,其在熱噴涂領(lǐng)域的具體應(yīng)用狀況可看下方:

氧化鋁概述

氧化鋁在自然界中資源豐富,價(jià)格低廉,并兼具有多方面的優(yōu)良性能,其熔點(diǎn)為2050℃,呈白色,有多種同質(zhì)異晶體。常見的有γ-Al2O3,δ-Al2O3、θ-Al2O3α-Al2O3γ-Al2O3是低溫形態(tài)的氧化鋁結(jié)晶.為立方結(jié)構(gòu)晶型,其密度為3.47g/cm3。在1200℃以上就開始轉(zhuǎn)化為高溫型α-Al2O3,轉(zhuǎn)變是單向的.體積收縮13%。α-Al2O3是各種變體中最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),它的穩(wěn)定溫度可達(dá)熔化溫度,其密度為3.95g/cm3,其晶型為六方結(jié)構(gòu)。

氧化鋁在一定的高溫條件下具有優(yōu)良的力學(xué)性能和化學(xué)性能。在充分燒結(jié)后對(duì)無機(jī)酸和鹽類具有不溶性;有較強(qiáng)的抗氟化氫和良好的抗氫氧化鈉,碳酸鈉,熔融玻璃等腐蝕性能。在1700~1800℃高溫時(shí)具有較強(qiáng)的抗除氟以外氣體的腐蝕作用;可在1900℃以下的氧化性氣氛或強(qiáng)還原性氣氛中使用,在1950℃可短時(shí)間使用。

氧化鋁粉體在熱噴涂領(lǐng)域的應(yīng)用

用納米尺寸粉末作原料不能直接用于噴涂。為了解決這個(gè)問題,需要將納米顆粒進(jìn)行再處理,使之形成具有納米結(jié)構(gòu)特征的球狀微米尺寸粒子,改善粒子的流動(dòng)性。當(dāng)?shù)入x子噴涂時(shí),熔化顆粒經(jīng)歷撞擊基材、展開、平鋪、凝固成準(zhǔn)圓小薄片。熔融顆粒的液滴在基材上撞擊成盤狀,具體形狀由表面張力、密度、粘度和液滴的速度決定。這個(gè)過程的時(shí)間很短,就形成了有小薄片疊加而成層狀結(jié)構(gòu)的涂層。由于從碰撞到凝固的時(shí)間很短,熔化顆粒無法達(dá)到前一個(gè)已鋪開的小薄片邊角處,從而涂層中必出現(xiàn)孔隙。

處理后的團(tuán)聚體粉末

制備單一的氧化鋁涂層噴涂層,得到的涂層組織較疏松,結(jié)合力差,涂層在磨損時(shí)表現(xiàn)為脆性剝落。原始粉未顆粒的大小對(duì)噴涂后涂層的組織結(jié)構(gòu)有著不同的影響,研究表明原始粉料尺寸越細(xì)小,涂層的最終性能越優(yōu)越。對(duì)涂層進(jìn)行x衍射分析,涂層都是由α-Al2O3和γ-Al2O3兩相組成,微觀結(jié)構(gòu)的不同在于原始粉末尺寸不同和噴涂過程中粒子的熔融程度不同。粒子在撞擊基材前的充分熔融和較高的顆粒速度,能使粒子撞擊時(shí)有很好的變形,并導(dǎo)致層間的良好結(jié)合和低的氣孔率。不同粒徑的粉末制得的涂層可在一定程度上說明,涂層中γ-Al2O3相越多,則噴涂過程中粉末的熔化就越充分,所得到的涂層結(jié)構(gòu)越致密。

但在Al2O3粉木中添加一定量的TiO2粉末后,制備Al2O3/TiO2復(fù)合涂層,可改善涂層的綜合性能。Ti02的熔點(diǎn)為1840℃,Al2O3的熔點(diǎn)為2050℃,在噴涂時(shí)TiO2的熔化狀態(tài)較好,粘結(jié)力強(qiáng),在凝固時(shí)可粘結(jié)在Al2O3涂層粒子之間的孔隙中,而且與Al2O3存在成分?jǐn)U散,產(chǎn)生固溶,從而顯著提高了涂層的致密程度和粘結(jié)強(qiáng)度,有利于耐蝕性及耐磨性的提高。當(dāng)TiO2的含量在13%~20%時(shí)涂層的耐磨性為最好。隨著TiO2含量的增加,涂層的致密性逐漸提高,硬度逐漸下降,這是因?yàn)門iO2的硬度比Al2O3要低。涂層的磨損失效由脆性剝落向類似于金屬材料的粘著磨損、疲勞磨損和磨粒磨損轉(zhuǎn)化。

涂層的表面形貌圖

應(yīng)用實(shí)例:

李春福,王戎等對(duì)AT13粉摻雜納米級(jí)顆粒Al2O3+13wt%TiO2的復(fù)合粉在等離子噴涂中的應(yīng)用進(jìn)行了研究,試驗(yàn)證明:噴涂過程中,摻雜納米顆粒的AT13粉末平鋪性能好,涂層組織均勻性提高;納米顆粒的加入致使涂層殘余應(yīng)力降低;摻雜納米顆粒的涂層組織結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于常規(guī)涂層,在相近硬度條件下,摩擦系數(shù)降低,耐磨性能提高了30%以上,耐腐蝕性提高近一倍。

邸英浩,閻殿然等人使用聚乙烯醇作為粘結(jié)劑,采用液相噴霧造粒合成法將粒徑均在60~150nm的Al2O3和TiO2顆粒造粒成-150~+300目的微米級(jí)噴涂顆粒,經(jīng)等離子噴涂后,對(duì)涂層進(jìn)行檢測(cè)與分析獲知:涂層中夾雜有一定量未熔或半熔的納米顆粒;納米13AT涂層的顯微硬度比傳統(tǒng)ATl3涂層的硬度有了一定的提高,并且在相同條件下,納米13AT涂層的耐磨性也明顯好于傳統(tǒng)ATl3涂層。


資料來源:

熱噴涂技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,張祝喜,趙衛(wèi)東,畢虎才。

納米結(jié)構(gòu)Al2O3,TiO2,SiO2熱噴涂粉末和涂層的研究,曾富。

熱噴涂用納米氧化物粉體的制備研究,楊保興