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热喷涂材料选择指导

添加人:材料人 发布时间:2019-1-21 14:56:03 来源:微信公众号

正确地选择涂层材料是确保所需涂层性能的关键性工作。在选择涂层材料时,首先要考虑工件工况条件和涂层需具备的性能,还要考虑工件的材质、批量、经济性以及拟采用的热喷涂方法。根据涂层的功能,涂层大体可分为耐腐蚀涂层、耐磨损涂层、减摩与封严涂层、耐高温热障涂层、绝缘或导电涂层、尺寸修复涂层等。
经表面涂层后的工件在使甩中引起失效的原因往往不是单一因素引起的,所以在满足工况条件要求和涂层性能之间不一定存在简单关系。应该详细分析工况条件,并根据参考文献或实验数据对涂层结构、物理、化学、力学等性能进行综合考虑,从而确定一种或几种涂层材料。
耐磨损涂层是表面涂层技术的主要应用领域之一。虽然涂层硬度与耐磨损性能之间有一个粗略关系,但硬度并不能完全代表表面涂层的耐磨性。因为不同的磨损类型对材料性能要求是不一样的,而且在磨损的同时常伴有冲击、腐蚀、疲劳和温度等影响。
表面涂层材料的选择不能盲目地追求高性能或高价格的涂层材料,造成不必要的浪费,材料价格的高低更不能作为选择涂层材料好坏的标准,相反应在满足工作条件要求的前提下,尽可能采用价廉的涂层材料,在批量生产时尤为重要。例如,能用镍基合金涂层材料就不用钻基合金涂层材料。
在选择表面涂层材料时,一般可按照下列步骤进行:
(1) 分析工况条件和零件性能,了解失效原因及对涂层性能的要求;
(2) 列出可供选择的涂层材料;
(3) 分析待选材料与基体材料的相容性及能够采用的热喷涂方法;
(4) 必要时进行实验室或现场试验;
(5) 综合考虑使用寿命、成本和工厂条件,确定涂层材料;
(6) 确定表面涂层方法并制定涂层工艺。
下面简要介绍目前常用的涂层性能,为正确选择喷涂工艺提供参考。
一般地说,采用热喷涂层的主要目的有以下几种:(1) 耐腐蚀涂层; (2)耐磨损涂层;(3) 减摩与封严涂层;(4) 耐高温热障涂层;(5) 绝缘或导电涂层;(6) 尺寸修复涂层等等。不同的目的应采用不同的涂层。
01耐腐蚀涂层
耐腐蚀涂层材料的选择比较复杂。零件的工作状态、工作温度、工作环境和各种腐蚀介质都增加了对涂层材料的要求。腐蚀环境可能是水溶液、气体或各种化学介质,还可能具有宽广的温度范围。在有燃气存在的条件下,燃烧的气体或未燃烧的燃料也可能在适当的温度下与其它物质发生反应,形成很复杂的腐蚀环境。防腐蚀的机理基本上有三种:
(1) 排斥腐蚀环境。这主要是依赖于涂层不渗透腐蚀介质,并不与腐蚀介质发生反应。
(2)防止电化学腐蚀。也就是利用基体金属和涂层材料的性质,知道它们的氧化-还原电位,从而决定涂层对基体是阴极还是阳极,以及其电极电位如何等。涂层和基体材料若匹配不当就可能造成电化学腐蚀,下表列出了某些金属元素在25oC时的标准电极电位。
某些金属元素在25oC的水溶液中的标准电极电位
镁 Mg++/Mg -2.38
铝 Al+++/Al -1.66
锰 Mn++/Mn -1.05
锌 Zn++/Zn -0.763
铬 Cr++/Cr -0.56
铁 Fe++/Fe -0.44
钴 Co++/Co -0.28
镍 Ni++/Ni -0.23
铁 Fe+++/Fe -0.05
氢 H+/H 0
铜 Cu++/Cu +0.47
钯 Pd++/Pd +0.82
铂 Pt+/Pt +0.86
金 Au+/Au +1.5
  (3)抑制腐蚀作用。通过使用化学腐蚀抑制剂作为喷涂层的密封剂可以起到某些防护作用。这种方法是多孔状喷涂层用腐蚀抑制剂饱相或用无机密封剂填充。使用较薄的涂层就能达到完全排斥腐蚀环境的要求。在某些情况卞,耐腐蚀金属也可以作为防腐蚀涂层,但大多数是采用氧化物陶瓷作为防腐蚀涂层。
耐腐蚀涂层主要有如下几种:
(1) 耐大气腐蚀涂层
这类涂层耐下述条件的腐蚀,金属或合金暴露在户外或室内的大气中,但是不能浸渍在液体中,涂层在大气中能抵抗风、雨、阳光和其他气候变化条件的腐蚀。所有的质量评定都以户外暴露获得的结果为依据。在户外使用的涂层在室内也能很好地使用。
这类涂层有:
a. 耐工业气氛的涂层。这种涂层能承受具有烟尘或化学烟雾 (如大城市和重工业区等) 的恶劣气氛。
b. 耐海洋气氛腐蚀的涂层。这种涂层能承受海洋附近或具有盐雾条件下的腐蚀,这种气氛中具有大量的盐分而且是潮湿的。
c. 耐农村大气腐蚀的涂层。农村大气中虽然没有工业烟雾和海洋性气候的盐雾,但含有少许的污染物。
(2) 耐浸渍腐蚀涂层
浸渍腐蚀是金属或其涂层暴露在液体中并且是全部或部分、或二者交替地受到浸渍,防腐蚀涂层必须能够耐液面以上或液面以下环境的腐蚀。这类涂层有如下几种:
a. 耐食用淡水的涂层。这种涂层耐淡水,并且不能改变水的化学成分,以免不适于食用。
b. 耐非饮用淡水的涂层。这种涂层耐非饮用淡水,水温不超52oC,PH值为5~10。
c. 耐热淡水涂层。这种水系非饮用水,水温在52~204 oC,PH值为5~10。
d. 耐盐水腐蚀涂层。这种涂层可以全部或部分浸在静止的或运动的食盐水或海水中。
e. 化学和食品工业使用的涂层。这种涂层能耐诸如油、燃料和溶剂等的化学作用,并且能耐各种食品的腐蚀,但不能改变食品的化学成分和味道。
上述两种耐腐蚀涂层可以采用电弧喷涂 (包括高速电弧喷涂)或火焰喷涂锌或铝来制备。
(3) 耐化学腐蚀涂层
这类涂层能承受各种酸、碱、盐类的溶液、蒸汽和固体的腐蚀。这类涂层主要是各种铁基、镍基和钻基合金、自熔性合金、有色金属,氧化物陶瓷,碳化铬和碳化钨等金属陶瓷。由于热喷涂层都有一定的孔隙率,所以,各种涂层必须进行填充密封处理。密封剂本身也必须耐化学介质的腐蚀。
02耐磨损涂层
零件磨损通常都伴随着温度升高,其原因或是由于摩擦引起的或是与工作环境有关。一般情况下,耐磨涂层应用在遭受撞击磨损的条件下或腐蚀环境中。因此,作为耐磨涂层必须坚硬、不易破碎,而且具有一定的耐热和耐化学介质腐蚀的性能。许多碳化物、氮化物、氧化物、镍基或钻基合金都具有这些性能。

由于使用环境、工作温度和磨损条件的不同,磨损的情况比较复杂,归纳起来有如下4种情况:
(1) 粘着磨损    这种耐磨涂层主要作为软轴承和硬轴承表面使用。
a. 软轴承表面。这种涂层可以使润滑剂中携带的磨料粒子嵌入涂层内,也能使轴承表面的基准线变形。软轴承成本较低,但必须进行很好的润滑,否则磨损速度太快。
b. 硬轴承表面。这种涂层可以用作高耐磨和硬轴承材料,能耐磨料磨损,减少划痕和划伤,可用于高负荷低速度的硬轴承表面上。
(2) 磨料磨损
a. 耐磨料粒子磨损的涂层。这种涂层能耐滑动表面之间的外来粒子的切削和划槽作用,故涂层的硬度大于外来磨料粒子的硬度。在高温下使用的涂层,其工作温度为540~845oC,在低温下使用的涂层,其工作温度在540 oC以下。
b. 耐硬面磨损的涂层。这种涂层能耐硬面或含有硬磨料的软面滑动磨损。涂层需光滑以减小磨损程度,还应具有适当的摩擦系数。在高温下使用的涂层,其工作温度为540~845 oC,在低温下使用的涂层,其工作温度在540oC以下。在低温使用的耐硬面磨损的涂层中,还包括耐纤维和纺织线磨损的涂层。
(3) 表面疲劳磨损
a. 耐定向运动磨损的涂层。这种涂层能承受在轨道上滑动、滚动或撞击引起的磨损,并足以承受连续的撞击磨损。
b. 耐无定向运动磨损的涂层。这种涂层能耐相互接触的表面发生小量位移引起的振动摩擦,由于接触摩擦系统无定向运动,涂层的磨损是很难预料的,振动是这类磨损中最常见的现象。这种涂层也分为高温下使用和低温下使用的两类。
c. 耐气蚀涂层。这种涂层能够承受由于液体流的空穴造成的机械冲击磨损,并具有韧性高、耐磨和耐腐蚀性能。
(4) 冲蚀磨损
这种涂层耐尖锐和坚硬粒子的冲蚀。这些粒子由气体或液体传递并以一定速度运动。当粒子的冲蚀角度小于45o时,粒子沿表面飞行而产生磨料磨损。这时对涂层硬度的要求是主要的,当粒子的冲蚀角度大于45o时,涂层的韧性则是主要的。这种涂层也有在高温和低温条件下使用的两种类型。
03机械零件间隙控制涂层(可磨耗密封涂层)
由气体在压力之下驱动的机器其机械效率取决于转子的密封能力,密封能力高可以减小或防止气体的泄漏,因此,要求转子与定子之间具有非常紧密的配合间隙。由于转动零件在工作条件下可能延伸或膨胀,而与静止零件发生碰撞,所以,要制造具有紧密间隙的机器是很困难的,但使用可磨耗密封层即可解决这一问题。方法是在静止零件上喷涂一层可磨耗封严层,通过转动部分的零件,使涂层形成紧密尺寸配合的密封通道。
典型的可磨耗涂层用于喷气发动机压气机匣和涡轮机匣上。涂层应有足够厚度,以使发动机装配时,转子叶片和机匣之间互相搭接。当发动机启动时,叶片顶端与涂层磨擦,磨去一些涂层,形成通道,而叶片本身不受损伤,由于涂层适应叶片径向和轴向移动,每个叶片的顶端都能在涂层中获得最佳密封。在设计可磨耗涂层时,必须解决两个根本对立的要求,即涂层不仅是可磨耗的,而且必须耐气流的冲刷和粒子的冲蚀。因此有必要比较涂层的可磨耗性能相抗浸蚀性能,以及耐热性能和抗化学腐蚀性能。下表给出了几种常用的可磨耗密封涂层材料及性能。
可磨耗密封涂层
涂层名称 喷涂
方法 涂层硬度 喷涂态涂层表面粗糙度(AA) 最高使用温度(oC) 说明
聚苯酯-硅铝 等离子喷涂 HR15Y
55-65 600~900 340 涂层中含约55%(以体积计)的硅铝和45%的聚苯酯,涂层的孔隙率约2%
镍/石墨 粉末火焰喷涂 HR15Y
10-40 1000~1300 480 以镍/铝为底层,涂层中含石墨约15% (以体积计),余为镍或镍的氧化物,孔隙率约为25%
镍/石墨 粉末火焰喷涂 HR15Y
75-80 1000~1200 480 以镍/铝为底层,涂层中含石墨约12% (以体积计),其余为镍或镍的氧化物,孔隙率约为25%
氮化硼-镍、铬、铝 粉末火焰喷涂 HR15Y
40-50 900~1300 815 以镍/铝为底层,涂层中含氮化硼约25%,其余为镍-铬-铝合金,孔隙率约25%
镍/铝 粉末火焰喷涂 HR15W
32±5 1000~1500 815 以镍/铝为底层,采用特殊的喷涂方法制备孔隙率较高的铝-镍涂层
镍、铬/铝 粉末火焰喷涂 HRB85 300~400 1040 涂层为含铝6%的镍铬合金
 04耐高温热障涂层
(1)耐高温涂层  这类涂层能改善基体零件的高温工作条件,并能承受高温条件下的化学或物理分解作用或由于腐蚀造成的化学损坏。
(2)耐大气氧化涂层。这种涂层能防止基体由于高温氧化造成的损坏。涂层的熔点高于工作温度,在工作温度下具有低蒸气压。不要求涂层承受机械磨损。
(3) 耐气体腐蚀涂层。这类涂层能保护基体使之免于暴露在高温腐蚀气体中。必须考虑到气体与涂层发生反应时,要防止形成吸附氧化物,或形成易碎的成分或穿透涂层侵蚀基体。不要求这种涂层具有承受机械冲击或磨损的作用。
(4)耐高温 (850oC以上) 冲蚀涂层。这类涂层能耐高温同时也要能耐粒子冲蚀。在高温下的高速粒子和高压气体形成各种恶劣环境,因此,涂层必须能承受由运动着的尖锐和坚硬的粒子所造成的冲蚀。当粒子的冲蚀角度小于45o时,粒子沿表面产生磨料磨损,故要求涂层具有高硬度;当粒子的冲蚀角度大于45o时,要求涂层具有高的韧性。
(5)热障涂层。这类涂层具有较低的热传导性能,此种热障作用可以防止基体材料达到其熔点,也具有转移辐射热的作用。
(6) 耐熔融金属侵蚀涂层  这类涂层能承受熔融金属的腐蚀,并对熔融金属不发生润湿作用。如耐熔融的锌、铝、钢和铁、以及铜等的涂层。


 

 05电绝缘和导电涂层
热喷涂层也可以作为导电体使用,如印刷线路和炉子加热元件的触点。氧化物和有机塑料的热喷涂层可作为电绝缘体。基体材料的电性能受到喷涂材料影响。喷涂材料一般应根据材料的已知性能和它的使用状态来选择。
(1)导电涂层  这类涂层必须具有良好的导电性能和低电阻。
(2)介电涂层  这类涂层必须具有阻止电流通过的绝缘体作用。击穿涂层的强度 (通常以单位长度上的电压表示) 和容许的电导是介电强度的表征参量。
(3)屏蔽涂层
a. 无线电频率屏蔽涂层。这种涂层必须能接收干扰无线电频率并将其传导到大地,能对无线电频率起屏蔽作用使超高频通过。
b. 原子能屏蔽涂层。这类涂层通过阻止热中子或 g 射线的通过,对射线起屏蔽作用。高原子密度的材料,如铅和钢能有效地屏蔽 g 射线。吸收中子较好的一些元素有硼、氢、锂和镉,其中以硼和硼化物最好,这种材料可以用热喷涂的方法喷涂,并具有吸收热中子的能力,而不产生大量的次级强烈的 g 射线。

涂层类型 选用涂层与喷涂方法
 丝材火焰喷涂 粉末火焰喷涂 冷喷涂 等离子喷涂
(1)导电涂层 铝、铜 铜 铝、铜 铝、铜
(2)介电涂层  白色氧化铝、氧化铝-氧化钛  白色氧化铝、氧化铝-氧化钛、氧化铬-氧化硅
(3)屏蔽涂层 无线电频率屏蔽 铝、锡、锌 铜 铜、铝、锡、锌 铜、铝
 原子能屏蔽 铅、钢 钢 钢 钢、硼化物
 06修补涂层
这些涂层可用于磨损的零件或加工不当 (如错误的加工、毛料有缺陷等)零件尺寸超差的修复,涂层应具有和基体材料相同的性能。零件的修复一般应先进行机械加工,达到适当的光滑程度后再喷砂和喷涂。对涂层性能的要求主要取决于使用,例如要求耐磨、耐腐蚀、耐热或涂层材料与基体相同,等等。

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