中国热喷涂材料的发展趋势

2016-11-25 09:30:33 作者：本网整理来源：网络分享至：

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    热喷涂通过赋予材料表面优异的功能，从而满足更高性能的使用需要或显著延长零部件的服役寿命，并通过零部件的循环修复使用显著延长材料的总体寿命。因而，减少了资源消耗，提高了资源利用效率。在我国大力推进循环经济、建设节约型社会的今天，进一步推广热喷涂技术的应用意义重大。腐蚀与磨损是造成材料和零部件失效的主要原因，据报道发达国家因此造成的经济损失约占国民经济总产值的3%～5%。我国每年因腐蚀、磨损造成的损失已达几千亿元，这其中应有相当部分可以通过热喷涂防护而挽回。因此热喷涂技术在国民经济发展中应用空间广阔、潜力巨大。

    1. 材料组成的复合化与低杂质化

    各类喷涂材料随着应用对涂层性能需求的提高，单一或少组元的材料、杂质含量高的材料难于满足要求。合金粉末向多元素合金化方向发展，而不同组份的复合趋向多组元化。针对冶金行业大量消耗使用的各种规格大型炉底辊，由于最高使用温度超过1100℃，抗氧化、耐磨性要求苛刻，为了达到使用寿命需要，必须在MCrAlY基础上进一步开发多组元的合金粉末。北京矿冶研究总院研究采用真空惰气雾化法研究开发了CoCrAlTaYCA系7组元的合金粉末，合金粉末含8%～10%Ta，控制其氧含量低于0.1%，并将其与纯Al2O3混合后进行爆炸喷涂，涂层结合强度可达100MPa，这种多元合金粉与氧化物陶瓷的复合材料高温性能优异，使炉底辊寿命延长至一年。

    针对航空应用的高温封严涂层，要求涂层700℃以上保持良好可磨耗性能的同时具有较强的综合性能，在Ni/Cg基础上结合NiCr/Al进一步研究开发的“金属/合金/非金属”型NiCrAl/NiCg材料的等离子涂层满足了严格的使用要求。

    适用于常规机械部件表面强化或修复的低成本、一步喷涂耐磨涂层材料是将FeCrBSi合金粉末、碳化钨、镍铝三种材料结合的新型热喷涂材料。使重型车辆轴等磨损部件的寿命较之单独采用FeCrBSi合金粉末喷涂提高显著，且综合成本降低，在生产中获得了很好的应用效果。

    在实芯、粉芯复合丝材中多组元的使用，充分发挥了涂层的综合性能，如北京工业大学开发的FeCrNiBSiRE粉芯丝材电弧喷涂涂层的耐磨性为3Cr13的两倍，具有良好的抗冲击磨损性能，在电站锅炉“四管”防护上获得应用；北京有色金属研究院开发的Ni-Cr-Ti合金丝电弧喷涂涂层性能达到TAFA公司的45CT水平，而价格仅为其1/3。

    2.材料结构的超微与纳米化

    采用纳米材料制备新型喷涂材料或添加纳米材料对热喷涂材料进行改性日益受到关注。纳米材料的使用，有助于使涂层的组织结构细化、均匀化，从而获得更高的涂层性能。目前我国研究较多的纳米热喷涂材料包括纳米WC/Co、ZrO2、ZrO2·Y2O3、Al2O3·TiO2、NiAl等，制备途径多是先获得原始纳米粉末，再通过造粒获得适宜喷涂的颗粒。北京矿冶研究总院采用离心喷雾干燥以平均粒径为60nm的Cr2O3粉末为主要原料研制出Cr2O3·5%SiO2·3%TiO2团聚粉末，经热处理后粉末松装密度达到1.30g/cm3、流动性达到21.5s/50g，满足了喷涂需要。武汉理工大学采用晶粒尺寸为60～80nm、造粒后平均粒径为29nm的WC·12%Co粉末进行HVOF喷涂，结果显示纳米WC·12%Co材料比常规的微米WC·12%Co材料喷涂后涂层的显微硬度明显提高、冲蚀失重明显减少。武汉材料保护研究所采用晶粒尺寸20.3nm的ZrO2·8%Y2O3纳米氧化锆团聚粉末，经合适的等离子喷涂工艺获得了晶粒尺寸为46.9nm的涂层。涂层在镍基高温合金表面制取，底层NiCrAlY厚度0.09～0.11mm，面层厚度0.25mm。与微米ZrO2·8%Y2O3涂层相比，涂层的孔隙率增加，涂层的热震性能提高约50%，热导率低约36%，1200℃时的隔热温度为162℃，比喷涂热障涂层提高31℃。

    等离子喷涂过程当涂层为0.6～0.9mm厚时，涂层的结合强度由微米铝包镍的32.2MPa提高到纳米铝包镍的35.8MPa；0.06～0.15mm厚时由44.0～51.5MPa提高到48.7～55.0MPa，相对耐磨性显著提高。制备的复合粉末包括Ni/Al、NiCr/Al、NiCr/AlCoY2O3及FeCrNiWC/Al等。纳米铝粉包覆的铝包镍、镍铬铝适用于不同的条件的粘结底层或工作面层，镍铬铝钴氧化钇用于高温热障涂层底层，铁铬镍铝碳化钨作自粘结耐磨工作涂层使用，几种涂层材料产品在性能上优于国外同类材料水平、成本低，均已获得工业应用。

    3.材料性能的高端化

    随着涂层性能的不断追求，需要材料适应单一性能的高端发展或综合性能的充分配合。如WC/Co在许多使用中着重中低温抗磨损性能，而对某些则需要保持较高抗微动磨损性能的同时涂层具有更高的结合力、韧性及较低的摩擦系数，为此发展了一种含钴量较高的WC·25%Co材料，并使其适应爆炸喷涂的工艺要求。对ZrO2·Y2O3隔热涂层一直追求材料应具有最高的隔热效果，即最低的导热系数。NiAl材料有多种形式，适应不同的喷涂工艺、不同部件或基材的底层应用，结合力则是最重要的技术指标。为了使冶金行业的沉没辊表面获得更高的耐金属液热蚀特性，采用的强化相由WC到Cr3C2，再到MoB2。为了最终应用，材料性能的追求必须以可接受的成本为限。

    4.用途的专业化、系列化

    热喷涂材料的不断发展，为应用提供了越来越多的选择，也使材料本身进一步走向专业化、系列化。封严涂层材料已发展成聚苯脂、氮化硼、石墨、硅藻土和膨润土等为主要可磨组份的数十种材料，如AlSi/聚苯脂、Al/BN、Cu/Cg、Ni/Cg、CuAl/Cg、NiCrAl/Cg、Ni/硅藻土、NiCrAl/膨润土等，适应不同使用温度、耐磨性以至基材、部件形状等使用要求。NiCrBSi则根据涂层硬度要求发展成系列化的合金粉末品种，还通过加入不同含量的WC系组份延伸品种数量。WC/Co也根据Co含量的不同、碳化钨形态的差异形成多个品种。各类丝材、棒材也已逐步走向系列化。如用于电站锅炉“四管”的电弧喷涂面层粉芯丝材7Cr13、3Cr13、NiCr/ Cr3C2、NiCrBSi等，底层NiAl合金丝、NiCr合金丝、NiCrTi合金丝、FeCrAl合金丝等。我国目前已有百种以上的热喷涂材料在工业生产中应用。

    民用与军工两大应用领域需求的牵引及包括新型热喷涂材料在内的自身科技水平的不断推进，使我国热喷涂行业近年来发展速度显著加快。民用市场的高速发展刺激了材料用量规模的增长，而军工需求则从实质上带动了高质量、新型热喷涂材料走向实用化。我国热喷涂行业已形成规模，据估计国内目前从事热喷涂技术研究开发或生产的单位约1500家。各类热喷涂材料的应用已随着热喷涂技术的推广渗透到航空航天、冶金、机械、石化、电力和汽车等国民经济及国防军工的几乎各个工业领域，目前已进入了新的快速发展阶段，应用领域不断拓展，在各类工业部件的新件制造与旧件修复、延长部件或材料的服役寿命或赋予材料特殊性能等方面发挥越来越重要的作用。

    结语

    （1）经过多年的发展，我国热喷涂材料的品种繁多，百种粉末、丝材、棒材产品已随着热喷涂技术应用到各个工业领域。对一系列金属合金、陶瓷粉末、复合等粉末材料，合金、粉芯丝材，氧化物陶瓷棒材产品均已形成成熟的生产技术。

    （2）热喷涂材料总的技术发展趋势在于：组成的复合化与低杂质化，结构的超微或纳米化，性能的高端化，用途的专业化、系列化。纳米结构、复合型、多元合金等各种新型材料成为研究开发热点并迅速走向应用。

    （3）我国热喷涂行业已形成规模，热喷涂材料随着热喷涂技术的发展进入了新的快速发展阶段，应用不断拓展，在大力倡导节约型社会的今天，发展前景广阔。