廣州三鑫金屬科技有限公司
涂層工藝制備程序
熱噴涂工藝選擇
為了獲得滿足零件使用要求的涂層，應結(jié)合零件使用工況條件及第3章中所述各種噴涂材料的成分、性能、工藝特性、涂層性能及適用的使用環(huán)境等綜合考慮，確定合適的噴涂材料，謹慎選擇熱噴涂工藝。
熱噴涂工藝的選擇原則如下：
熱噴涂工藝方法較多，但每一種方法都有其自身的優(yōu)點和局限性，從不同的角度進行熱噴涂工藝選擇，會得出不同的結(jié)果。以高速火焰噴涂（簡稱HVOF）為例，當采用HVOF工藝噴涂金屬、合金及金屬陶瓷類材料時，可獲得結(jié)合強度高（>70MPa）、致密度高（孔隙率<1%）、氧化物含量少的高質(zhì)量涂層，但該工藝也存在運行成倍較高、對基體輸入熱量較大、不能噴涂氧化物陶瓷（注：個別系統(tǒng)能夠噴涂Al2O3、Al2O3-TiO2等低熔點陶瓷，如HV2000超音速火焰噴涂）等缺點。因此，在選擇熱噴涂工藝時，應針對具體需求進行具體分析，下文分別從涂層性能、噴涂材料類型、涂層經(jīng)濟性及現(xiàn)場施工等四個方面進行了分析。
1. 以涂層性能為出發(fā)點進行選擇時，一般考慮如下幾點：
（1）涂層性能要求不高，使用環(huán)境無特殊要求，且噴涂材料熔點低于2500℃，可選擇設備簡單、成本較低的氧乙炔火焰噴涂工藝。如一般工件尺寸修復和常規(guī)表面防護等。
（2）涂層性能要求較高、工況條件較惡劣的貴重或關鍵零部件，可選用等離子噴涂工藝。相對于氧乙炔火焰噴涂來講，等離子噴涂的焰流溫度高，熔化充分，具有非氧化性，涂層結(jié)合強度高，孔隙率低。
（3）涂層要求具有高結(jié)合強度、極低孔隙率時，對金屬或金屬陶瓷涂層，可選用高速火焰（HVOF）噴涂工藝；對氧化物陶瓷涂層，可選用高速等離子噴涂工藝（如PlazJet等離子噴涂）。如果噴涂易氧化的金屬或金屬陶瓷，則必須選用可控氣氛或低壓等離子噴涂工藝，如Ti、B4C等涂層。
2．以噴涂材料類型為出發(fā)點進行選擇時，基本原則如下：
（1）噴涂金屬或合金材料，可優(yōu)先選擇電弧噴涂工藝。
（2）噴涂陶瓷材料，特別是氧化物陶瓷材料或熔點超過3000℃的碳化物、氮化物陶瓷材料時，應選擇等離子噴涂工藝。
（3）噴涂碳化物涂層，特別是WC-Co、Cr3C2-NiCr類碳化物涂層，可選用高速火焰噴涂工藝，涂層可獲得良好的綜合性能。
（4）噴涂生物涂層時，宜選用可控氣氛或低壓等離子噴涂工藝。
3．以涂層經(jīng)濟性為出發(fā)點進行選擇時。應盡可能選用電弧噴涂工藝。
在噴涂原材料成本差別不大的條件下，在所有熱噴涂工藝中，電弧噴涂的相對工藝成本最低，且該工藝具有噴涂效率高、涂層與基體結(jié)合強度較高、適合現(xiàn)場施工等特點。幾種主要熱噴涂工藝的涂層特征及相對成本如表所示。
幾種熱噴涂工藝性能及成本比較
| 工藝 | 電弧 噴涂 | 火焰 噴涂 | HVOF | 等離子 | 低壓 等離子 | 爆炸 噴涂 |
| 孔隙率(%) | 10 | 10~20 | 0.1~2 | 2~5 | 0.5 | 0.1~1 |
| 結(jié)合強度 | 很好 | 一般 | 極好 | 很好~極好 | 極好 | 極好 |
| 相對工藝成本 | 1 | 3 | 5 | 5 | 10 | 10 |
4．以能否進行現(xiàn)場施工為出發(fā)點進行工藝選擇時，應首選電弧噴涂，其次是火焰噴涂，便攜式HVOF及小功率等離子噴涂設備也可在現(xiàn)場進行噴涂施工。目前，還有人將等離子噴涂設備安裝在可以移動的機動車上，形成可移動的噴涂車間，從而完成遠距離現(xiàn)場噴涂作業(yè)。
涂層結(jié)構(gòu)設計
在實際使用中，因零件形狀、大小、材質(zhì)、使用環(huán)境及服役條件等存在千差萬別，要獲得最佳的涂層使用性能，必須將熱噴涂技術(shù)所涉及到的各個環(huán)節(jié)綜合在一起進行優(yōu)化處理，特別是要注意將噴涂材料與各種熱噴涂工藝的特點結(jié)合起來，內(nèi)容涉及所選擇的噴涂材料、涂層厚度、相應的噴涂設備和工藝參數(shù)等，涂層結(jié)構(gòu)設計是否合理一般要通過生產(chǎn)檢驗或現(xiàn)場試驗才能確定。在熱噴涂應用技術(shù)中，所涉及的涂層結(jié)構(gòu)大體可分為以下四種。
1．單層結(jié)構(gòu)
單層結(jié)構(gòu)涂層是指只需要在經(jīng)過預處理的零件表面噴涂單一成分涂層，即可滿足使用性能要求的涂層結(jié)構(gòu)模式。在實際應用中所占比例較大，是最常用的熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)之一，可為基體提供防腐、耐磨、抗高溫氧化、導電、尺寸修復、延長使用壽命等功能。所有的熱噴涂工藝，包括普通火焰噴涂、噴焊、電弧噴涂、HVOF、爆炸噴涂、等離子噴涂等均可獲得具有特定性能的單層結(jié)構(gòu)涂層。
2．雙層結(jié)構(gòu)
雙層結(jié)構(gòu)涂層是指采用兩種噴涂材料在經(jīng)過預處理的零件表面分兩次噴涂形成的涂層結(jié)構(gòu)，每層具有不同的功能，通常與基體相鄰的涂層稱為粘結(jié)底層，其主要作用是提高基體與涂層之間的結(jié)合強度；外層或表面層稱為工作層或面層，其主要作用是滿足零件所要求的性能。這種結(jié)構(gòu)涂層在實際應用中所占的比例也較大，也是最常用的熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)之一。兩種涂層可采用同一種熱噴涂工藝方法來完成，如采用單一工藝方法，如普通火焰、爆炸噴涂或等離子噴涂來分別噴涂兩種涂層，也可采用不同的熱噴涂方法來完成，如可采用電弧噴涂粘結(jié)底層，再采用等離子噴涂表面工作層；或先采用超音速火焰噴涂粘結(jié)底層，再采用等離子噴涂表面工作層，該組合是目前飛機發(fā)動機用熱障涂層的典型工藝。
3．多層結(jié)構(gòu)
多層結(jié)構(gòu)是指涂層層數(shù)達三層或三層以上的涂層結(jié)構(gòu)，在實際應用中并不常用，只在特殊工況條件下才采用。
有的多層結(jié)構(gòu)通過采用多種成分涂層來滿足一種性能要求，例如，為了開發(fā)出能夠滿足柴油發(fā)動機用的長壽命厚熱障涂層，Robert等采用了熱膨脹系數(shù)非常接近的三層結(jié)合底層來降低涂層熱應力，其涂層結(jié)構(gòu)如圖所示，各層涂層的熱膨脹行為如右圖所示。由于基體材料4140、NiCrAlY、FeCrAlY、FeCoNiCrAl和ZrO2-Y2O3之間膨脹系數(shù)屬于逐漸變化的，從而可以大幅度減小ZrO2-Y2O3涂層與基體之間的熱膨脹不匹配性，從而達到減小熱應力、延長使用壽命的目的。
多層結(jié)構(gòu)示意圖
有的多層結(jié)構(gòu)則具有多種功能，例如，為了顯著提高汽輪機用熱障涂層的使用壽命和工作可靠性，Leed等人提出在金屬粘結(jié)層和熱障涂層之間增加阻止氧擴散涂層，并在金屬粘結(jié)層和阻止氧擴散涂層、熱障涂層和阻止氧擴散涂層之間增加梯度過渡層，以阻礙氧擴散到金屬粘結(jié)層，形成脆性的金屬-陶瓷界面，
4．梯度結(jié)構(gòu)
在熱障涂層中，由于粘結(jié)層金屬和氧化鋯陶瓷的熱膨脹系數(shù)差異較大，這種差異將導致涂層內(nèi)應力過大，并且在熱循環(huán)條件下常發(fā)生陶瓷涂層的早期破壞。為了減小內(nèi)應力，提高涂層與基體的結(jié)合強度，材料科學家開始在常規(guī)熱障涂層中引入功能梯度材料制備技術(shù)。
日本學者新野正之、平井敏雄和渡邊龍三首先提出了FGM的概念，與此同時，中國學者袁潤章等也提出了FGM的概念，并率先在國內(nèi)開展了這方面的研究。FGM的設計思想是針對兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料，通過連續(xù)改變其組成、組織、結(jié)構(gòu)與孔隙等要素, 使其內(nèi)部界面消失，得到性能呈連續(xù)平穩(wěn)變化的新型非均質(zhì)復合材料。借助功能梯度材料的概念，使熱障涂層結(jié)構(gòu)梯度化，相應地，熱膨脹系數(shù)將沿涂層厚度方向逐漸變化，從而緩和涂層制備過程中和熱循環(huán)使用過程中產(chǎn)生的熱應力。
梯度功能材料為金屬/陶瓷涂層材料無法解決的熱應力緩和問題提供了一種有效的方法，這為熱障涂層的應用帶來了令人興奮的前景，因此倍受世界各國材料界的重視。德國與美國繼日本之后也開始大規(guī)模的研制，我國也將此研究列入了“863”計劃，短短十幾年中，迅速發(fā)展取得了令人矚目的成就。航天、航空、飛機、衛(wèi)星、運載火箭等需要耐超高溫的熱屏障材料，核反應堆、發(fā)動機用耐熱材料、熱遮蔽材料，使用FGM熱障涂層后可大幅度提高熱效率。
國內(nèi)已經(jīng)對功能梯度熱障涂層的抗熱震性能進行了研究，王富恥等人對等離子噴涂方法制備的ZrO2-NiCrAl系梯度熱障涂層在瞬態(tài)熱負荷下的破壞機理進行了研究，指出：陶瓷面層除了冷卻過程中的徑向拉力超過陶瓷材料的強度導致涂層破壞的模式以外，在加熱的過程中陶瓷層間界面出現(xiàn)大的軸向拉伸應力，最終可以導致涂層剝落。朱景川等人對ZrO2-Ni系梯度熱障涂層的熱沖擊與熱疲勞行為進行了研究，結(jié)果表明：ZrO2-Ni系梯度熱障涂層的抗熱沖擊參數(shù)呈梯度分布，熱沖擊破壞符合熱疲勞損傷機理，裂紋的準靜態(tài)擴展為其控制因素；熱疲勞裂紋在梯度層內(nèi)以微孔聚集、連接方式萌生和擴展，而在梯度層間無橫向貫穿裂紋，克服了傳統(tǒng)涂層的熱應力剝落問題。黃維剛對ZrO2-NiCoCrAlY系梯度熱障涂層進行了研究，認為去應力退火可以進一步提高涂層的抗熱沖擊性能。
熱噴涂與再制造 ：材料-設備-工藝-解決方案
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涂層工藝制備程序
原材料-設備-工藝-解決方案
涂層創(chuàng)新與發(fā)展
科技工藝涂層實用性 - 運用粉末和線材原材料 噴涂設備可制備出耐腐蝕，耐磨損，耐高熱，抗高溫氧化，導電，絕緣，
遠紅外輻射，等優(yōu)異性能的涂層。
最終目的益處---是使零部件獲得良好的工作性能，延長使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能耗，節(jié)約貴重金屬材料的有
效途徑。
產(chǎn)品合格 按圖紙施工—使用拋光和研磨設備涂層后加工 達到 所需 公差和光潔度
基本程序：
按涂層目的防磨來確定原材料選擇---噴涂設備配置有效運用---生產(chǎn)線工裝夾具生產(chǎn)效率-涂層檢測儀器中心-涂層后加工拋光磨研按圖紙施工- 出產(chǎn)成品
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