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等離子噴塗,火焰噴塗和廣東超音速火焰噴塗工藝對比
瀏覽: 發布日期:2020-07-10
本文敘述了等離子噴塗、火焰噴塗和超音速火焰噴塗3種噴塗試驗,並對獲得的塗層進行了對比、分析、評價,說明了超音速火焰噴塗的優越性。
 
超音速火焰噴塗的優點
 
廣東超音速火焰噴塗由於具有焰流速度快、焰流長、直徑收縮小、粉末動能和能量密度大等特點,使其塗層呈現致密、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。
 
傳統火焰噴塗工藝缺點
 
傳統的火焰噴塗工藝以氧-乙炔火焰來熔化待噴塗的粉末,由於焰流速度慢,熱量不集中,粉末在空氣中飛行時間長,因而形成的塗層粗糙多孔(孔隙率多為10%~15%),氧化物和未熔顆粒多,塗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。等離子噴塗工藝以等離子弧作為熱源將粉末熔化,高速噴到零件表麵形成塗層,由於等離子。
 
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,所形成的塗層致密,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,但由於殘餘應力的存在,塗層不能過厚,否則會產生裂紋和剝落。此外,等離子噴塗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,隨著廣東超音速火焰(HighVelocityOxygenFlame,HVOF)噴塗工藝的研發,塗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於音速的速度;
 
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℃),但由於能量集中,受熱均勻,因此熔化得非常好;
 
此外,由於粉末粒子的動能大,速度快,粒子在空氣中的飛行時間極短,被氧化的機會極少,再加上噴槍係統本身的溫度不高
 
(2870℃),所以塗層中幾乎沒有氧化物,空隙率也極低(小於2%),塗層致密,剪切強度和結合強度都非常高(可達到60MPa以上),而且塗層內的殘餘應力幾乎都是壓應力,這樣就使得塗層可以具有很大的厚度而不至於產生裂紋和剝落,例如316不鏽鋼塗層的厚度可以達到12mm。尤其是WC-Co塗層,HVOF噴塗更具優越性。
 
本課題以等離子噴塗、火焰噴塗、HVOF噴塗3種工藝分別噴塗了WC/12Co、WC/17Co、NiCrBSi3種塗層,並對塗層的各項性能進行了分析和研究。
 
熱噴塗塗層的性能和微觀結構與所使用的粉末有較大的關係,不同的粉末粒度、化學成分都會對塗層性能造成影響。
 
WC-Co塗層是一種典型的抗磨損塗層,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自粘塗層也是一種高質量的抗摩擦磨損塗層,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,範圍集中,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。
 
熱噴塗噴塗工藝
 
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,吹砂後表麵粗糙度為Ra3.0~3.5μm。
 
噴塗設備及參數,采用METCO6P火焰噴塗設備、METCO-7M等離子噴塗設備和JP-5000超音速火焰(HVOF)噴塗設備進行噴塗。
 
熱噴塗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,所有試樣的塗層厚度均為0.25~0.30mm;剪切強度試驗設備為單擺刮削磨損試驗機。
 
由於在廣東噴塗過程中具有不同機械性能的材料有著很高的溫度梯度,因此在塗層中會產生殘餘應力,這種殘餘應力對塗層的性能有很大的影響,最明顯的就是引起塗層裂紋和剝落,它直接限製著噴塗層的厚度。塗層的殘餘應力狀況是評價塗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)法完成對塗層的殘餘應力測試。
 
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為塗層厚度,σc為塗層殘餘應力,正值表示拉應力,負值表示壓應力。從表中可以看出,隨著塗層厚度的增加,應力值也增加。對於NiCrBSi塗層來說,火焰噴塗和等離子噴塗產生的都是拉應力,而HVOF噴塗產生的是壓應力。對於WC-12Co塗層來說,雖然3種噴塗方法產生的都是壓應力,但HVOF噴塗產生的壓應力值要遠遠高於另外兩種噴塗方法。拉應力是造成塗層裂紋和剝落的主要原因,因此對於塗層來講,殘餘應力最好是壓應力,而不是拉應力。通過以上分析可以看出,HVOF噴塗塗層的性能要優於另外兩種塗層。
 
熱噴塗後塗層的X射線衍射分析
 
對WC-12Co粉末和3種工藝所噴塗的塗層進行了X射線衍射分析。下文以WC-12Co塗層為例進行說明,可以看出在粉末中WC相為主要相,其餘的是雜質相。
 
塗層中起主要作用的是WC相,在3種工藝所噴塗的塗層中,HVOF噴塗塗層的WC含量最多,而且占大多數,等離子噴塗的次之,火焰噴塗的幾乎沒有WC相。WC-12Co塗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塗層的失效原因,對照X射線衍射圖,可以說明HVOF噴塗塗層的失效程度最低,等離子噴塗塗層次之,火焰噴塗塗層失效程度最嚴重。
 
根據3種粉末的不同廣東熱噴塗工藝試驗以及對所得塗層進行的各項性能試驗,可以得出以下結論:
 
(1)HVOF噴塗工藝與等離子、火焰噴塗工藝一樣操作簡單,易於控製,可重複性強;但HVOF噴塗的效率要遠高於等離子噴塗和火焰噴塗。
 
(2)在塗層的抗拉結合強度和抗剪切強度方麵,HVOF噴塗的最高,等離子噴塗次之,火焰噴塗最差。
 
(3)HVOF噴塗後的殘餘應力為壓應力,這也是HVOF噴塗結合強度高的重要原因之一。
 
(4)HVOF噴塗塗層中主要成分的失效最少,與粉末相比幾乎沒有多大變化,而等離子噴塗和火焰噴塗塗層成分失效較多,因此HVOF噴塗塗層的各項性能優於等離子噴塗層和火焰噴塗層。HVOF噴塗最能反映粉末的原始設計性能。
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