高效能超音速等离子喷涂系统及其应用

作者：王海军 朱胜 郭永明

欢迎访问e展厅 展厅 7 喷涂/清洗/表面工程展厅 PVD涂层设备, 电镀设备, 热镀锌设备, 超声波清洗机, 静电喷粉机, ... 摘要：超音速等离子喷涂技术是当今热喷涂技术领域的重点发展方向之一。由于具有焰流温度高、射流速度快等特点，超音速等离子喷涂技术几乎可以喷涂任何粉末材料，且能够制备出高质量的涂层，特别是高质量的陶瓷涂层。装甲兵工程学院自行研制的具有自主知识产权的高效能超音速等离子喷涂系统成功实现了低功率(＜80KW)、小气体流量(＜5m3/h)下的超音速等离子喷涂，其各项性能指标明显优于国外同类产品。高效能超音速等离子喷涂技术在国防、工业及航空航天等重要领域有着广泛的应用前景，已成为高科技维修、制造与再制造的关键技术。 热喷涂技术是将喷涂材料(粉末或丝材)送人某种热源(电弧．燃烧火焰、等离子体等)中加热至比较好的熔融状态，并利用高速射流或气流将其喷射到基体表面形成涂层的一种工艺。热喷涂技术最早出现于20世纪初期的瑞士。近百年来，随着各种热喷涂设备的研制、新的热喷涂材料的开发及新技术的应用，热喷涂涂层的质量不断得到提高。特别是20世纪40年代等离子喷涂技术产生后，热喷涂技术已广泛应用于军事、航空航天、纺织、机械、电力及生物工程等各个领域。 随着高科技的发展，现代工业要求涂层更为致密、强度更高、可靠性更好。而涂层的致密性、结合强度和可靠性在很大程度上依赖于喷射熔滴的熔化程度和速度，于是高能、高速和高效喷涂成为了当今国内外热喷涂技术的主要发展方向。 所谓超音速等离子喷涂是利用非转移型等离子弧与高速气流混合时出现的“扩展弧”，得到稳定聚集的超音速等离子焰流进行喷涂的方法。与普通等离子喷涂、爆炸喷涂、高速火焰喷涂等其他喷涂技术相比，超音速等离子喷涂兼有焰流温度高和粒子飞行速度快的优点，等离子弧中心温度可达32000K，粒子速度能达到400～800m/s。超音速等离子喷涂特别适合喷涂各种高熔点陶瓷、难熔金属和金属陶瓷等喷涂材料，获得的涂层致密性、强韧性和结合强度都有显著的提高。 一．国内外现状 美国从20世纪80年代中期率先投入研究，到80年代后期，国际上对超音速等离子喷涂技术的研究仍处于起步阶段。美国Browning公司在1986年推出了试验研究型超音速等离子喷涂系统(P1azJet)，90年代中期美国TAFA公司将Browning公司的超音速等离子喷涂系统(P1azJet)商业化，并进一步加大了喷涂功率，代表了当时世界的先进水平。它是通过大气体流量(21m3/h)的气动力提高射流速度，以大功率(270KW)保证射流的足够热焓值。这种设计思路造成了能量消耗大、能量转换率低，以及喷涂成本较高，限制了其推广运用。 1997年，我国河北涿州引进了一套(P1azJet)系统。使用证明，该系统在喷涂速度和喷涂质量上与常规等离子喷涂相比有明显提高。但由于气体和功率消耗量大，运行成本大幅度提高，因此不适合我国的实际国情。 装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室瞄准国际热喷涂技术的发展前沿，结合国内情况自行研制成功了低功率、小气体流量的高效能超音速等离子喷涂系统(HEPJet)。突破了传统的依靠提高功率和气体流量来获得超音速射流的方法；首次提出了在低功率、小气体流量条件下实现超音速等离子射流的设计思路；发明了高效能超音速等离子喷涂枪；在国内外率先研制出大功率(80kw)、高电压(200V)逆变式等离子喷涂电源；配备了先进的喷涂过程自动控制、故障自动监测控制柜。该系统具有明显的独创性、新颖性和实用性，其价格和运行成本仅为美国TAFA公司的PlazJet高能高速等离子喷涂系统的l/3。高效能超音速等离子喷涂系统(HEPJet)的研制成功，使我国成为继美国之后第二个能够生产成套超音速等离子喷涂系统的国家，填补了我国自主制造超音速等离子喷涂设备的空白，并率先在国内外将该系统推向工程应用的前沿。而且提高了我国热喷涂技术的发展水平，为我军现代武器装备提供了高科技的表面工程和绿色再制造手段，具有重大的军事效益和经济效益，应用前景广阔。 该系统总体达到国际先进水平，其核心技术——高效能超音速等离子喷枪属国际领先。获得了国防发明专利，专利号：01101077.0。2002年获得全军科技进步一等奖，2003年获得国家科技进步二等奖。 二、高效能超音速等离子喷涂系统(HEPJet) 1．系统组成 HEPJet系统主要包括：核心部件——超音速等离子喷枪、HEPJ－Ⅱ型逆变式等离子喷涂电源、PLC过程控制与状态点监测和报警控制柜、循环冷却制冷式热交换器、螺杆推进式送粉器及水电气分配器等部件。如图1所示。 2．系统的特点 (1)突破传统的依靠大功率、大气体流量来获得超音速射流的思想，科学应用单阳极拉伐尔喷管技术，采用独具特色的低功率、小气体流量的结构设计，在较低的能耗下得到了高能量密度、高稳定性的超音速等离子射流。 (2)采用以机械压缩为主、气动力压缩为辅的射流加速方案，降低了气体流量。应用拉伐尔喷管技术，依靠对电弧初始段的强烈压缩效应迫使阳极斑点前移来拉长电弧，从而实现对电弧区段的加速。突破了传统的双阳极结构逐级拉长电弧、仅对焰流区加速的方法。攻克了拉伐尔喷嘴型面直接作阳极而易烧喷嘴的难题，提高了喷嘴的工作稳定性和使用寿命。 (3)采用内送粉结构，可直接将喷涂粉末送到等离子焰流的高温区。相对目前国内外通用的外送粉方式下存在的粉末加热不均、沉积效率低等问题，有效提高了等离子弧热能利用率，改善了粉末的熔化状况，提高了涂层沉积率，并较好地解决了普通内送粉喷枪易堵嘴、粘嘴的技术难题。 (4)喷枪工作电压适用范围宽(60～220V)，可使用不同的工作气体种类(A r、N2、Ar+H，及N：+H2)。通过对电参数和气体流量的合理匹配，可实现等离子射流热焓和速度的大范围调节，满足喷涂不同性能材料的需要。可制备高熔点的氧化物陶瓷涂层、金属陶瓷涂层、常用的自熔合金涂层以及易于高温失碳的碳化物涂层等，具有很宽的材料适用范围和丁艺适刖范围。 (5)可多次修复使用的阴极头设计和阴阳极间隙调节功能，是现有超音速等离子喷枪和普通等离子喷枪所不具备的功能与特点。 (6)枪体结构合理，具有体积小重量轻、可维修性和可操作性强等特点，能够方便地实现手持和机装作业两种功能。 三、高效能超音速等离子喷涂系统制备的典型涂层 1．Al2O3涂层 Al2O3陶瓷涂层由于具有良好的树磨性、耐热性、耐蚀性、而}氧化性以及电绝缘性，被广泛用作隔热涂层、绝缘涂层以及耐滑动摩擦磨损涂层。目前，一般采川等离子喷涂工艺制备Al2O3，陶瓷涂层。由于Al2O3，粉末熔点高、比重轻，剀此制备出性能优异的Al2O3涂层一直是个难点问题。高效能趟音速等离子喷涂系统焰流更加集中、射流速度虹快，是制箭性能优异的Al2O3，涂甚优选的技术工艺方法。 使用从芬兰引进的SprayWatch-2iCCD在线监测系统对超音速等离子射流中的粒子速度、温度进行监控。喷涂Al2O3中粒子的平均速度达到650m/s，平均温度达3150℃左右，如图2所示。 如图3所示，利用高效能超音速等离子喷涂系统制备的Al2O3涂层具有粒子熔化状态好、变形充分、涂层非常致密、无分层、裂纹和叫显的孔隙等优异特点。 采用灰度法测量涂层孔隙率仅为0.86%，在ⅡMT-3型显微硬度计上测得涂层戡断的显微硬度HV0.3平均达到1000以上。 2．WC-Co涂层 WC-Co是腆型坝顷合金材料，由于WC-Co涂层有很高的硬度和良好的强韧性，常用超音速火焰喷涂和爆炸喷涂制备超硬(1200～1400HV0.2)耐磨涂以。这两种喷涂方法由于火焰流速度高、温度较低，可以行效地减轻WC在喷涂过程中的分解现象，是制备WC-Co涂层较常用的工艺方法。采用常规等离子喷涂工艺进行喷涂，由于等离子射流温度高，WC粉木易发生氧化、脱碳和烧损，致使涂层性能降低。而使用高效能超超音速等离子喷涂系统(HEPJet)，可在较大范围调控等离子射流的热焓值，加上射流速度大幅提高，WC-Co粒子在射流中的停留时间缩短，涂层的氧化和失碳问题比常规等离子喷涂大为减轻，涂层的密度引硬度也大幅提高。相对于超音速火焰喷涂和爆炸喷涂方法，涂层的沉积率和喷涂效率大幅提高，综合成本显著降低，涂以受氧化的程度也有所降低。 图4所示为WC-Co粒子位焰流中的速度，温度状态图。显示粒子的平均速度达420m/s，平均温度达2600℃． 如图5所示，利用高效能超音速等离子喷涂系制备的WC-Co涂层粒子变形充分，涂层均匀，非常致密，无分层、裂纹和明显的孔隙。 图6是WC-Co涂层的XRD衍射图谱。从整体衍射曲线来看，涂层的WC相保持完好，证明射流速度的提高对抑制WC的分解和氧化效果明显。 采用灰度法测量涂层孔隙率仅为0.66%，在ⅡMT-3型显微硬度计上测得涂层截面的显徽硬度HV0.3平均达到1:300以上。 3．连续梯度热障涂层 热障涂层(thermal barrier coatings，TBCs)是当今热喷涂技术领域研究最多、应用水平最高，也是最有发展潜力的少数几种最蘑要的涂层之一。选用Y2O3复合稳定的多晶ZrO2陶瓷粉末和NiCoCrAlY合金粉术，根据高效能超音速等离子喷涂的内送粉特点，开发了两路内送粉，分别输送熔点高的陶瓷和熔点低的金属至等离子射流的小同温区的“双通道、双温区”专用喷枪，较好地解决了普通等离子喷涂梯度TBCs时，高熔点存在陶瓷“夹生”和低熔点合金存在“过熔”的难题。获得了陶瓷组分和金属组分各自都良好熔化，沿涂层厚度方向呈均匀梯度分伽的连续梯度热障涂层系统CG-TBCs。 如图7所示,用“双通道、双温区”高效能超音速等离子喷涂(HEPJ)制备的CG—TBCs涂层硅得十分敛密、均匀，陶瓷相(白区)与合金相(灰区)相互层叠交错，实现了沿涂层厚度方向呈均匀的连续梯度分布，整个CG-TBCs系统看不出明显的宏观界面。 采用图8所示的武验拳自行研制的热震试验机，对CGTBCs试样进行了1200℃加热淬水热冲击试验。经200次热震循环后，约1mm厚的CG-TBCs涂层仅在最表层的纯陶瓷层(0.2～0.3mm)形成了一些网状微裂纹(如图9所示)，表现出优异的抗热震性能。 四、应用 高效能超音速等离子喷涂系统(HEPJ)喷涂材料范围广，涂层组织致密、孔隙率小，与基体结合强度高，解决了许多重要装备贵重零部件过去无法修复或使用寿命短的难题。由于其突出的特点，国内多家单位有意订购选用。中国人民解放军第6456工厂发动机再制造生产线选用该套系统作为再制造关键技术，西安交通大学选用该套系统用于科研试验。高效能超音速等离子喷涂(HEPJ)系统必将在更多领域得到广泛应用。 1．热障涂层 随着主战坦克、船舰、两栖车辆装备的动力系统(如大功率柴油内燃机、燃气或烟汽轮机)向高功率、高效能、高可靠性和长寿命方向发展，其热端工作部件(如活塞、活塞环、缸套、缸盖、排气管及涡轮导向叶片等)将经受更严酷的高温、高应力和海洋环境(C1-1)以及复杂燃气(S、SO2、SO3、V、K和Na)的冲蚀磨损和热腐蚀、热疲劳等协同作用，传统的材料已难以满足这种工况的要求，往往在远低于正常维修寿命的情况下，造成早期损伤、失效，严重影响装备的战斗力。热障涂层的应用可以降低发动机高温合金温度，不仅可以大幅度提高发动机的可靠性，而且在同样推力条件下节约燃料。为此，自20世纪50年代以来，在国内外受到广泛关注与开发。 目前，由金属结合层与氧化锆陶瓷构成的热障涂层体系(TBCs)已经在航空发动机与燃气轮机中获得了成功应用。然而，热障涂层在使用过程中将发生氧化锆涂层的脱落而失效，致使寿命有限。本试验室采用国内外独创的“双通道、双温区”超音速等离子喷涂新工艺，成功制备出性能优异的连续梯度热障涂层(CG-TBC s)，涂层内部合金与陶瓷成分连续变化，无明显内界面，涂层的抗热震性能大幅度提升。 2．耐磨、耐高温涂层 瓦楞辊在造纸业的使用比例相当大，由于生产过程中，重压下参与啮合的只是齿的顶部和沟部一段很小的范围，相对滑动率很大，齿顶齿根磨损相当严重。目前在制造材料的选择上已发挥到极限，但通过高效能超音速等离子喷涂WC-Co涂层对磨损报废的瓦楞辊进行修复、硬化和耐磨性处理，可使再制造处理的瓦楞辊性能超过新。而且工艺简单，成本低，修复成本仅为新品的1/2～l/3。 钢厂使用的各种高温炉辊，为了提高辊子的耐高温、耐磨损性能，通常采用热喷涂方法制备陶瓷涂层，目前高温段(大于850℃)辊子表面的涂层在很大程度上还依赖进口。国内通常采用爆炸喷涂技术制备涂层，但该技术喷涂效率太低。如果采用高效能超音速等离子喷涂技术，喷涂效率可比爆炸喷涂技术提高5～6倍，涂层质量与爆炸喷涂相当，而且还可以喷涂爆炸喷涂无法制备的高温耐磨陶瓷涂层。 五、结语 高效能超音速等离子喷涂技术(HEPJ)，具有能耗和气耗低、喷涂材料范同广、粉末沉积效率高及涂层质量好等优点，能制备出性能优异的耐磨、耐蚀及热障等涂层，已在国防、工业和航空航天等重要领域有了广泛的应用。 高效能超音速等离子喷涂技术(HEPJ)是再制造技术中一项先进、高效、高质量的表面强化与修复技术，对提升我国热喷涂技术的整体水平产生了积极促进作用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/12/2009)