涂层工艺制备程序

 

热喷涂工艺选择

为了获得满足零件使用要求的涂层，应结合零件使用工况条件及第3章中所述各种喷涂材料的成分、性能、工艺特性、涂层性能及适用的使用环境等综合考虑，确定合适的喷涂材料，谨慎选择热喷涂工艺。

热喷涂工艺的选择原则如下：
热喷涂工艺方法较多，但每一种方法都有其自身的优点和局限性，从不同的角度进行热喷涂工艺选择，会得出不同的结果。以高速火焰喷涂（简称HVOF）为例，当采用HVOF工艺喷涂金属、合金及金属陶瓷类材料时，可获得结合强度高（>70MPa）、致密度高（孔隙率<1%）、氧化物含量少的高质量涂层，但该工艺也存在运行成倍较高、对基体输入热量较大、不能喷涂氧化物陶瓷（注：个别系统能够喷涂Al2O3、Al2O3-TiO2等低熔点陶瓷，如HV2000超音速火焰喷涂）等缺点。因此，在选择热喷涂工艺时，应针对具体需求进行具体分析，下文分别从涂层性能、喷涂材料类型、涂层经济性及现场施工等四个方面进行了分析。

1. 以涂层性能为出发点进行选择时，一般考虑如下几点：
（1）涂层性能要求不高，使用环境无特殊要求，且喷涂材料熔点低于2500℃，可选择设备简单、成本较低的氧乙炔火焰喷涂工艺。如一般工件尺寸修复和常规表面防护等。
（2）涂层性能要求较高、工况条件较恶劣的贵重或关键零部件，可选用等离子喷涂工艺。相对于氧乙炔火焰喷涂来讲，等离子喷涂的焰流温度高，熔化充分，具有非氧化性，涂层结合强度高，孔隙率低。
（3）涂层要求具有高结合强度、极低孔隙率时，对金属或金属陶瓷涂层，可选用高速火焰（HVOF）喷涂工艺；对氧化物陶瓷涂层，可选用高速等离子喷涂工艺（如PlazJet等离子喷涂）。如果喷涂易氧化的金属或金属陶瓷，则必须选用可控气氛或低压等离子喷涂工艺，如Ti、B4C等涂层。

2．以喷涂材料类型为出发点进行选择时，基本原则如下：
（1）喷涂金属或合金材料，可优先选择电弧喷涂工艺。
（2）喷涂陶瓷材料，特别是氧化物陶瓷材料或熔点超过3000℃的碳化物、氮化物陶瓷材料时，应选择等离子喷涂工艺。
（3）喷涂碳化物涂层，特别是WC-Co、Cr3C2-NiCr类碳化物涂层，可选用高速火焰喷涂工艺，涂层可获得良好的综合性能。
（4）喷涂生物涂层时，宜选用可控气氛或低压等离子喷涂工艺。
 

3．以涂层经济性为出发点进行选择时。应尽可能选用电弧喷涂工艺。
在喷涂原材料成本差别不大的条件下，在所有热喷涂工艺中，电弧喷涂的相对工艺成本最低，且该工艺具有喷涂效率高、涂层与基体结合强度较高、适合现场施工等特点。几种主要热喷涂工艺的涂层特征及相对成本如表所示。

几种热喷涂工艺性能及成本比较

工艺	电弧 喷涂	火焰 喷涂	HVOF	等离子	低压 等离子	爆炸 喷涂
孔隙率(%)	10	10~20	0.1~2	2~5	0.5	0.1~1
结合强度	很好	一般	极好	很好~极好	极好	极好
相对工艺成本	1	3	5	5	10	10

 

4．以能否进行现场施工为出发点进行工艺选择时，应首选电弧喷涂，其次是火焰喷涂，便携式HVOF及小功率等离子喷涂设备也可在现场进行喷涂施工。目前，还有人将等离子喷涂设备安装在可以移动的机动车上，形成可移动的喷涂车间，从而完成远距离现场喷涂作业。

 

涂层结构设计

在实际使用中，因零件形状、大小、材质、使用环境及服役条件等存在千差万别，要获得最佳的涂层使用性能，必须将热喷涂技术所涉及到的各个环节综合在一起进行优化处理，特别是要注意将喷涂材料与各种热喷涂工艺的特点结合起来，内容涉及所选择的喷涂材料、涂层厚度、相应的喷涂设备和工艺参数等，涂层结构设计是否合理一般要通过生产检验或现场试验才能确定。在热喷涂应用技术中，所涉及的涂层结构大体可分为以下四种。
1．单层结构
单层结构涂层是指只需要在经过预处理的零件表面喷涂单一成分涂层，即可满足使用性能要求的涂层结构模式。在实际应用中所占比例较大，是最常用的热喷涂涂层结构之一，可为基体提供防腐、耐磨、抗高温氧化、导电、尺寸修复、延长使用寿命等功能。所有的热喷涂工艺，包括普通火焰喷涂、喷焊、电弧喷涂、HVOF、爆炸喷涂、等离子喷涂等均可获得具有特定性能的单层结构涂层。
2．双层结构
双层结构涂层是指采用两种喷涂材料在经过预处理的零件表面分两次喷涂形成的涂层结构，每层具有不同的功能，通常与基体相邻的涂层称为粘结底层，其主要作用是提高基体与涂层之间的结合强度；外层或表面层称为工作层或面层，其主要作用是满足零件所要求的性能。这种结构涂层在实际应用中所占的比例也较大，也是最常用的热喷涂涂层结构之一。两种涂层可采用同一种热喷涂工艺方法来完成，如采用单一工艺方法，如普通火焰、爆炸喷涂或等离子喷涂来分别喷涂两种涂层，也可采用不同的热喷涂方法来完成，如可采用电弧喷涂粘结底层，再采用等离子喷涂表面工作层；或先采用超音速火焰喷涂粘结底层，再采用等离子喷涂表面工作层，该组合是目前飞机发动机用热障涂层的典型工艺。
3．多层结构
多层结构是指涂层层数达三层或三层以上的涂层结构，在实际应用中并不常用，只在特殊工况条件下才采用。
有的多层结构通过采用多种成分涂层来满足一种性能要求，例如，为了开发出能够满足柴油发动机用的长寿命厚热障涂层，Robert等采用了热膨胀系数非常接近的三层结合底层来降低涂层热应力，其涂层结构如图所示，各层涂层的热膨胀行为如右图所示。由于基体材料4140、NiCrAlY、FeCrAlY、FeCoNiCrAl和ZrO2-Y2O3之间膨胀系数属于逐渐变化的，从而可以大幅度减小ZrO2-Y2O3涂层与基体之间的热膨胀不匹配性，从而达到减小热应力、延长使用寿命的目的。

多层结构示意图

有的多层结构则具有多种功能，例如，为了显著提高汽轮机用热障涂层的使用寿命和工作可靠性，Leed等人提出在金属粘结层和热障涂层之间增加阻止氧扩散涂层，并在金属粘结层和阻止氧扩散涂层、热障涂层和阻止氧扩散涂层之间增加梯度过渡层，以阻碍氧扩散到金属粘结层，形成脆性的金属-陶瓷界面，
4．梯度结构
在热障涂层中，由于粘结层金属和氧化锆陶瓷的热膨胀系数差异较大，这种差异将导致涂层内应力过大，并且在热循环条件下常发生陶瓷涂层的早期破坏。为了减小内应力，提高涂层与基体的结合强度，材料科学家开始在常规热障涂层中引入功能梯度材料制备技术。
日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三首先提出了FGM的概念，与此同时，中国学者袁润章等也提出了FGM的概念，并率先在国内开展了这方面的研究。FGM的设计思想是针对两种或两种以上性质不同的材料，通过连续改变其组成、组织、结构与孔隙等要素, 使其内部界面消失，得到性能呈连续平稳变化的新型非均质复合材料。借助功能梯度材料的概念，使热障涂层结构梯度化，相应地，热膨胀系数将沿涂层厚度方向逐渐变化，从而缓和涂层制备过程中和热循环使用过程中产生的热应力。
梯度功能材料为金属/陶瓷涂层材料无法解决的热应力缓和问题提供了一种有效的方法，这为热障涂层的应用带来了令人兴奋的前景，因此倍受世界各国材料界的重视。德国与美国继日本之后也开始大规模的研制，我国也将此研究列入了“863”计划，短短十几年中，迅速发展取得了令人瞩目的成就。航天、航空、飞机、卫星、运载火箭等需要耐超高温的热屏障材料，核反应堆、发动机用耐热材料、热遮蔽材料，使用FGM热障涂层后可大幅度提高热效率。

国内已经对功能梯度热障涂层的抗热震性能进行了研究，王富耻等人对等离子喷涂方法制备的ZrO2-NiCrAl系梯度热障涂层在瞬态热负荷下的破坏机理进行了研究，指出：陶瓷面层除了冷却过程中的径向拉力超过陶瓷材料的强度导致涂层破坏的模式以外，在加热的过程中陶瓷层间界面出现大的轴向拉伸应力，最终可以导致涂层剥落。朱景川等人对ZrO2-Ni系梯度热障涂层的热冲击与热疲劳行为进行了研究，结果表明：ZrO2-Ni系梯度热障涂层的抗热冲击参数呈梯度分布，热冲击破坏符合热疲劳损伤机理，裂纹的准静态扩展为其控制因素；热疲劳裂纹在梯度层内以微孔聚集、连接方式萌生和扩展，而在梯度层间无横向贯穿裂纹，克服了传统涂层的热应力剥落问题。黄维刚对ZrO2-NiCoCrAlY系梯度热障涂层进行了研究，认为去应力退火可以进一步提高涂层的抗热冲击性能。

 

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涂层创新与发展

 

科技工艺涂层实用性 -  运用粉末和线材原材料 喷涂设备可制备出耐腐蚀，耐磨损，耐高热，抗高温氧化，导电，绝缘，

远红外辐射，等优异性能的涂层。

 

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基本程序：

 

按涂层目的防磨来确定原材料选择---喷涂设备配置有效运用---生产线工装夹具生产效率-涂层检测仪器中心-涂层后加工抛光磨研按图纸施工- 出产成品