超音速火焰喷涂(HVOF)
超音速火焰喷涂是20世纪80年代出现的一种高能喷涂方法,它的开发是继等离子喷涂之后热喷涂工业最具创造性的进展。超音速火焰喷涂是应用火箭发动机的原理获得温度较低(3400K),但速度却很高的喷涂燃流(如图所示)。超音速火焰喷涂最为突出的贡献是大幅度提高了涂层的结合强度(见图)、密度、硬度(见图),同时降低了涂层中的氧化物含量,使涂层更加纯净。因此,超音速火焰喷涂涂层具有卓著的耐磨和抗腐蚀性能。此外,超音速火焰喷涂涂层内部的残余应力为压应力,所以其涂层厚度基本不受限制,可达到数毫米。
等离子喷涂(PlasmaSpraying,简称PS)
等离子喷涂技术是二十世纪五十年代开发出来的一种表面处理工艺。等离子喷涂设备及工艺是采用等离子弧发生器(喷枪)将通入喷嘴内的气体(常用Ar、N和H等气体)加热和电离,形成高温高速等离子射流,熔化和雾化金属或非金属物料,并使其以高速喷射到经预处理的工件表面上形成涂层的方法(见图)。等离子喷涂原理
等离子喷涂的工艺特性:
1)热源温度高(17000K),适用于难熔材料的喷涂
2)等离子射流速度大,可高达几十至几百米/秒,因此涂层与基体具有较高的结合强度,而且涂层较为致密;
3)喷涂过程中对基体的热影响较小,可以对已成型的工件进行表面喷涂;
4)喷涂工艺规程稳定,操作比较简便,喷涂效率较高。
目前,等离子喷涂技术用于制备热障涂层的陶瓷面层和金属过渡层。按喷涂环境不同而分类的等离子喷涂有以下几种工艺:大气等离子喷涂(APS),保护气氛(氩气)等离子喷涂(ASPS),低压(LPPS)或真空等离子喷涂(VPS)。
大气等离子喷涂法是应用最为广泛的常规喷涂方法,具有操作方便,生产效率高的特点,但涂层中杂质含量高,而且涂层致密度和结合强度低。真空等离子喷涂法由于从根本上克服了等离子射流同环境气氛的相互作用,因此可获得与原始喷涂材料成分一致的纯净涂层,而且等离子射流速度快(240~610m/s),由此形成的涂层致密,结合强度与APS涂层相比较高。通常,MCrAlY粘结层采用LPPS或VPS工艺制备,而YSZ陶瓷层的制备则采用APS方法。
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爆炸喷涂是20世纪50年代由美国联合碳化物公司发明,问世后多年都由该公司所垄断,不对外出售技术和设备, 只在其服务公司内为用户进行喷涂加工,主要喷涂陶瓷材料,进行航空发动机的维修。爆炸喷涂的原理见图,其是利用氧和可燃性气体的混合气,经点火后在喷枪中爆炸,利用脉冲式气体爆炸的能量,将被喷涂的粉末材料加热、加速轰击到工件表面而形成涂层。由于爆炸波的传播速度高达3000m/s,其中心温度可达3450℃,粉末粒子的飞行速度可达1200m/s,所以其喷涂层涂层致密,与基体的结合强度高。
电弧喷涂
电弧喷涂技术是以两根金属丝材为电极在喷枪端口处相交短路产生的电弧为热源,使金属丝材熔化,然后用压缩空气将熔化金属雾化成微熔滴,并将微熔滴加速喷射到工件表面,继而沉积、冷却形成涂层的一种工艺(原理祥见图)。该工艺除上述的涂层残余应力较低且其随涂层厚度增长较慢的特点外,还有生产效率高、能源利用率高、涂层质量较好且稳定、对基体热输入小、烟尘污染小、设备投资少、操作简单易于培训和涂层成本低的优点。因此电弧喷涂工艺在航空等领域的应用非常广泛,已占全球热喷涂总量的15%,仅次于等离子喷涂和超音速火焰喷涂(HVOF)。