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熱噴涂材料選擇指導

添加人:材料人 發布時間:2019-1-21 14:56:03 來源:微信公眾號

正確地選擇涂層材料是確保所需涂層性能的關鍵性工作。在選擇涂層材料時,首先要考慮工件工況條件和涂層需具備的性能,還要考慮工件的材質、批量、經濟性以及擬采用的熱噴涂方法。根據涂層的功能,涂層大體可分為耐腐蝕涂層、耐磨損涂層、減摩與封嚴涂層、耐高溫熱障涂層、絕緣或導電涂層、尺寸修復涂層等。
經表面涂層后的工件在使甩中引起失效的原因往往不是單一因素引起的,所以在滿足工況條件要求和涂層性能之間不一定存在簡單關系。應該詳細分析工況條件,并根據參考文獻或實驗數據對涂層結構、物理、化學、力學等性能進行綜合考慮,從而確定一種或幾種涂層材料。
耐磨損涂層是表面涂層技術的主要應用領域之一。雖然涂層硬度與耐磨損性能之間有一個粗略關系,但硬度并不能完全代表表面涂層的耐磨性。因為不同的磨損類型對材料性能要求是不一樣的,而且在磨損的同時常伴有沖擊、腐蝕、疲勞和溫度等影響。
表面涂層材料的選擇不能盲目地追求高性能或高價格的涂層材料,造成不必要的浪費,材料價格的高低更不能作為選擇涂層材料好壞的標準,相反應在滿足工作條件要求的前提下,盡可能采用價廉的涂層材料,在批量生產時尤為重要。例如,能用鎳基合金涂層材料就不用鉆基合金涂層材料。
在選擇表面涂層材料時,一般可按照下列步驟進行:
(1) 分析工況條件和零件性能,了解失效原因及對涂層性能的要求;
(2) 列出可供選擇的涂層材料;
(3) 分析待選材料與基體材料的相容性及能夠采用的熱噴涂方法;
(4) 必要時進行實驗室或現場試驗;
(5) 綜合考慮使用壽命、成本和工廠條件,確定涂層材料;
(6) 確定表面涂層方法并制定涂層工藝。
下面簡要介紹目前常用的涂層性能,為正確選擇噴涂工藝提供參考。
一般地說,采用熱噴涂層的主要目的有以下幾種:(1) 耐腐蝕涂層; (2)耐磨損涂層;(3) 減摩與封嚴涂層;(4) 耐高溫熱障涂層;(5) 絕緣或導電涂層;(6) 尺寸修復涂層等等。不同的目的應采用不同的涂層。
01耐腐蝕涂層
耐腐蝕涂層材料的選擇比較復雜。零件的工作狀態、工作溫度、工作環境和各種腐蝕介質都增加了對涂層材料的要求。腐蝕環境可能是水溶液、氣體或各種化學介質,還可能具有寬廣的溫度范圍。在有燃氣存在的條件下,燃燒的氣體或未燃燒的燃料也可能在適當的溫度下與其它物質發生反應,形成很復雜的腐蝕環境。防腐蝕的機理基本上有三種:
(1) 排斥腐蝕環境。這主要是依賴于涂層不滲透腐蝕介質,并不與腐蝕介質發生反應。
(2)防止電化學腐蝕。也就是利用基體金屬和涂層材料的性質,知道它們的氧化-還原電位,從而決定涂層對基體是陰極還是陽極,以及其電極電位如何等。涂層和基體材料若匹配不當就可能造成電化學腐蝕,下表列出了某些金屬元素在25oC時的標準電極電位。
某些金屬元素在25oC的水溶液中的標準電極電位
鎂 Mg++/Mg -2.38
鋁 Al+++/Al -1.66
錳 Mn++/Mn -1.05
鋅 Zn++/Zn -0.763
鉻 Cr++/Cr -0.56
鐵 Fe++/Fe -0.44
鈷 Co++/Co -0.28
鎳 Ni++/Ni -0.23
鐵 Fe+++/Fe -0.05
氫 H+/H 0
銅 Cu++/Cu +0.47
鈀 Pd++/Pd +0.82
鉑 Pt+/Pt +0.86
金 Au+/Au +1.5
  (3)抑制腐蝕作用。通過使用化學腐蝕抑制劑作為噴涂層的密封劑可以起到某些防護作用。這種方法是多孔狀噴涂層用腐蝕抑制劑飽相或用無機密封劑填充。使用較薄的涂層就能達到完全排斥腐蝕環境的要求。在某些情況卞,耐腐蝕金屬也可以作為防腐蝕涂層,但大多數是采用氧化物陶瓷作為防腐蝕涂層。
耐腐蝕涂層主要有如下幾種:
(1) 耐大氣腐蝕涂層
這類涂層耐下述條件的腐蝕,金屬或合金暴露在戶外或室內的大氣中,但是不能浸漬在液體中,涂層在大氣中能抵抗風、雨、陽光和其他氣候變化條件的腐蝕。所有的質量評定都以戶外暴露獲得的結果為依據。在戶外使用的涂層在室內也能很好地使用。
這類涂層有:
a. 耐工業氣氛的涂層。這種涂層能承受具有煙塵或化學煙霧 (如大城市和重工業區等) 的惡劣氣氛。
b. 耐海洋氣氛腐蝕的涂層。這種涂層能承受海洋附近或具有鹽霧條件下的腐蝕,這種氣氛中具有大量的鹽分而且是潮濕的。
c. 耐農村大氣腐蝕的涂層。農村大氣中雖然沒有工業煙霧和海洋性氣候的鹽霧,但含有少許的污染物。
(2) 耐浸漬腐蝕涂層
浸漬腐蝕是金屬或其涂層暴露在液體中并且是全部或部分、或二者交替地受到浸漬,防腐蝕涂層必須能夠耐液面以上或液面以下環境的腐蝕。這類涂層有如下幾種:
a. 耐食用淡水的涂層。這種涂層耐淡水,并且不能改變水的化學成分,以免不適于食用。
b. 耐非飲用淡水的涂層。這種涂層耐非飲用淡水,水溫不超52oC,PH值為5~10。
c. 耐熱淡水涂層。這種水系非飲用水,水溫在52~204 oC,PH值為5~10。
d. 耐鹽水腐蝕涂層。這種涂層可以全部或部分浸在靜止的或運動的食鹽水或海水中。
e. 化學和食品工業使用的涂層。這種涂層能耐諸如油、燃料和溶劑等的化學作用,并且能耐各種食品的腐蝕,但不能改變食品的化學成分和味道。
上述兩種耐腐蝕涂層可以采用電弧噴涂 (包括高速電弧噴涂)或火焰噴涂鋅或鋁來制備。
(3) 耐化學腐蝕涂層
這類涂層能承受各種酸、堿、鹽類的溶液、蒸汽和固體的腐蝕。這類涂層主要是各種鐵基、鎳基和鉆基合金、自熔性合金、有色金屬,氧化物陶瓷,碳化鉻和碳化鎢等金屬陶瓷。由于熱噴涂層都有一定的孔隙率,所以,各種涂層必須進行填充密封處理。密封劑本身也必須耐化學介質的腐蝕。
02耐磨損涂層
零件磨損通常都伴隨著溫度升高,其原因或是由于摩擦引起的或是與工作環境有關。一般情況下,耐磨涂層應用在遭受撞擊磨損的條件下或腐蝕環境中。因此,作為耐磨涂層必須堅硬、不易破碎,而且具有一定的耐熱和耐化學介質腐蝕的性能。許多碳化物、氮化物、氧化物、鎳基或鉆基合金都具有這些性能。

由于使用環境、工作溫度和磨損條件的不同,磨損的情況比較復雜,歸納起來有如下4種情況:
(1) 粘著磨損    這種耐磨涂層主要作為軟軸承和硬軸承表面使用。
a. 軟軸承表面。這種涂層可以使潤滑劑中攜帶的磨料粒子嵌入涂層內,也能使軸承表面的基準線變形。軟軸承成本較低,但必須進行很好的潤滑,否則磨損速度太快。
b. 硬軸承表面。這種涂層可以用作高耐磨和硬軸承材料,能耐磨料磨損,減少劃痕和劃傷,可用于高負荷低速度的硬軸承表面上。
(2) 磨料磨損
a. 耐磨料粒子磨損的涂層。這種涂層能耐滑動表面之間的外來粒子的切削和劃槽作用,故涂層的硬度大于外來磨料粒子的硬度。在高溫下使用的涂層,其工作溫度為540~845oC,在低溫下使用的涂層,其工作溫度在540 oC以下。
b. 耐硬面磨損的涂層。這種涂層能耐硬面或含有硬磨料的軟面滑動磨損。涂層需光滑以減小磨損程度,還應具有適當的摩擦系數。在高溫下使用的涂層,其工作溫度為540~845 oC,在低溫下使用的涂層,其工作溫度在540oC以下。在低溫使用的耐硬面磨損的涂層中,還包括耐纖維和紡織線磨損的涂層。
(3) 表面疲勞磨損
a. 耐定向運動磨損的涂層。這種涂層能承受在軌道上滑動、滾動或撞擊引起的磨損,并足以承受連續的撞擊磨損。
b. 耐無定向運動磨損的涂層。這種涂層能耐相互接觸的表面發生小量位移引起的振動摩擦,由于接觸摩擦系統無定向運動,涂層的磨損是很難預料的,振動是這類磨損中最常見的現象。這種涂層也分為高溫下使用和低溫下使用的兩類。
c. 耐氣蝕涂層。這種涂層能夠承受由于液體流的空穴造成的機械沖擊磨損,并具有韌性高、耐磨和耐腐蝕性能。
(4) 沖蝕磨損
這種涂層耐尖銳和堅硬粒子的沖蝕。這些粒子由氣體或液體傳遞并以一定速度運動。當粒子的沖蝕角度小于45o時,粒子沿表面飛行而產生磨料磨損。這時對涂層硬度的要求是主要的,當粒子的沖蝕角度大于45o時,涂層的韌性則是主要的。這種涂層也有在高溫和低溫條件下使用的兩種類型。
03機械零件間隙控制涂層(可磨耗密封涂層)
由氣體在壓力之下驅動的機器其機械效率取決于轉子的密封能力,密封能力高可以減小或防止氣體的泄漏,因此,要求轉子與定子之間具有非常緊密的配合間隙。由于轉動零件在工作條件下可能延伸或膨脹,而與靜止零件發生碰撞,所以,要制造具有緊密間隙的機器是很困難的,但使用可磨耗密封層即可解決這一問題。方法是在靜止零件上噴涂一層可磨耗封嚴層,通過轉動部分的零件,使涂層形成緊密尺寸配合的密封通道。
典型的可磨耗涂層用于噴氣發動機壓氣機匣和渦輪機匣上。涂層應有足夠厚度,以使發動機裝配時,轉子葉片和機匣之間互相搭接。當發動機啟動時,葉片頂端與涂層磨擦,磨去一些涂層,形成通道,而葉片本身不受損傷,由于涂層適應葉片徑向和軸向移動,每個葉片的頂端都能在涂層中獲得最佳密封。在設計可磨耗涂層時,必須解決兩個根本對立的要求,即涂層不僅是可磨耗的,而且必須耐氣流的沖刷和粒子的沖蝕。因此有必要比較涂層的可磨耗性能相抗浸蝕性能,以及耐熱性能和抗化學腐蝕性能。下表給出了幾種常用的可磨耗密封涂層材料及性能。
可磨耗密封涂層
涂層名稱 噴涂
方法 涂層硬度 噴涂態涂層表面粗糙度(AA) 最高使用溫度(oC) 說明
聚苯酯-硅鋁 等離子噴涂 HR15Y
55-65 600~900 340 涂層中含約55%(以體積計)的硅鋁和45%的聚苯酯,涂層的孔隙率約2%
鎳/石墨 粉末火焰噴涂 HR15Y
10-40 1000~1300 480 以鎳/鋁為底層,涂層中含石墨約15% (以體積計),余為鎳或鎳的氧化物,孔隙率約為25%
鎳/石墨 粉末火焰噴涂 HR15Y
75-80 1000~1200 480 以鎳/鋁為底層,涂層中含石墨約12% (以體積計),其余為鎳或鎳的氧化物,孔隙率約為25%
氮化硼-鎳、鉻、鋁 粉末火焰噴涂 HR15Y
40-50 900~1300 815 以鎳/鋁為底層,涂層中含氮化硼約25%,其余為鎳-鉻-鋁合金,孔隙率約25%
鎳/鋁 粉末火焰噴涂 HR15W
32±5 1000~1500 815 以鎳/鋁為底層,采用特殊的噴涂方法制備孔隙率較高的鋁-鎳涂層
鎳、鉻/鋁 粉末火焰噴涂 HRB85 300~400 1040 涂層為含鋁6%的鎳鉻合金
 04耐高溫熱障涂層
(1)耐高溫涂層  這類涂層能改善基體零件的高溫工作條件,并能承受高溫條件下的化學或物理分解作用或由于腐蝕造成的化學損壞。
(2)耐大氣氧化涂層。這種涂層能防止基體由于高溫氧化造成的損壞。涂層的熔點高于工作溫度,在工作溫度下具有低蒸氣壓。不要求涂層承受機械磨損。
(3) 耐氣體腐蝕涂層。這類涂層能保護基體使之免于暴露在高溫腐蝕氣體中。必須考慮到氣體與涂層發生反應時,要防止形成吸附氧化物,或形成易碎的成分或穿透涂層侵蝕基體。不要求這種涂層具有承受機械沖擊或磨損的作用。
(4)耐高溫 (850oC以上) 沖蝕涂層。這類涂層能耐高溫同時也要能耐粒子沖蝕。在高溫下的高速粒子和高壓氣體形成各種惡劣環境,因此,涂層必須能承受由運動著的尖銳和堅硬的粒子所造成的沖蝕。當粒子的沖蝕角度小于45o時,粒子沿表面產生磨料磨損,故要求涂層具有高硬度;當粒子的沖蝕角度大于45o時,要求涂層具有高的韌性。
(5)熱障涂層。這類涂層具有較低的熱傳導性能,此種熱障作用可以防止基體材料達到其熔點,也具有轉移輻射熱的作用。
(6) 耐熔融金屬侵蝕涂層  這類涂層能承受熔融金屬的腐蝕,并對熔融金屬不發生潤濕作用。如耐熔融的鋅、鋁、鋼和鐵、以及銅等的涂層。


 

 05電絕緣和導電涂層
熱噴涂層也可以作為導電體使用,如印刷線路和爐子加熱元件的觸點。氧化物和有機塑料的熱噴涂層可作為電絕緣體。基體材料的電性能受到噴涂材料影響。噴涂材料一般應根據材料的已知性能和它的使用狀態來選擇。
(1)導電涂層  這類涂層必須具有良好的導電性能和低電阻。
(2)介電涂層  這類涂層必須具有阻止電流通過的絕緣體作用。擊穿涂層的強度 (通常以單位長度上的電壓表示) 和容許的電導是介電強度的表征參量。
(3)屏蔽涂層
a. 無線電頻率屏蔽涂層。這種涂層必須能接收干擾無線電頻率并將其傳導到大地,能對無線電頻率起屏蔽作用使超高頻通過。
b. 原子能屏蔽涂層。這類涂層通過阻止熱中子或 g 射線的通過,對射線起屏蔽作用。高原子密度的材料,如鉛和鋼能有效地屏蔽 g 射線。吸收中子較好的一些元素有硼、氫、鋰和鎘,其中以硼和硼化物最好,這種材料可以用熱噴涂的方法噴涂,并具有吸收熱中子的能力,而不產生大量的次級強烈的 g 射線。

涂層類型 選用涂層與噴涂方法
 絲材火焰噴涂 粉末火焰噴涂 冷噴涂 等離子噴涂
(1)導電涂層 鋁、銅 銅 鋁、銅 鋁、銅
(2)介電涂層  白色氧化鋁、氧化鋁-氧化鈦  白色氧化鋁、氧化鋁-氧化鈦、氧化鉻-氧化硅
(3)屏蔽涂層 無線電頻率屏蔽 鋁、錫、鋅 銅 銅、鋁、錫、鋅 銅、鋁
 原子能屏蔽 鉛、鋼 鋼 鋼 鋼、硼化物
 06修補涂層
這些涂層可用于磨損的零件或加工不當 (如錯誤的加工、毛料有缺陷等)零件尺寸超差的修復,涂層應具有和基體材料相同的性能。零件的修復一般應先進行機械加工,達到適當的光滑程度后再噴砂和噴涂。對涂層性能的要求主要取決于使用,例如要求耐磨、耐腐蝕、耐熱或涂層材料與基體相同,等等。

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