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爆炸噴涂技術的現狀和應用
欄目：業界資訊 發布時間：2021-04-07
爆炸噴涂技術的實質是利用脈沖式氣體爆炸的能量將被噴涂的粉末材料加熱加速轟擊到工作表面后形成堅固涂層。此技術是美國聯合碳化物公司林德公司(UnionCarbideCorp.LideDivi-sion)在上世紀50年代發明的專利技術,當時簡稱為D—GUN。但美國聯合碳化物公司從不對外出售該技術和設備,也不公開發表相關的論文,只是在其服務公司內為用戶進行噴涂加工。該公司至今已在世界各地設立了10多處服務廠,主要是進行航空發動機的修復。前蘇聯的烏克蘭科學院材料研究所和焊接研究所在上世紀60年代也開始從事爆炸噴涂技術的研究工作,并開發了一系列爆炸噴涂設備,并最后定型為“第聶泊”型和“捷米頓”型兩類設備。前蘇聯解體后,烏克蘭開始向外界轉讓該技術和設備。
我國使用的爆炸噴涂設備主要有三種:其一,北京621所自行研制的一臺爆炸噴涂裝置。由于開發研制早(上世紀80年代初),存在一些不足之處;其二,直接按烏克蘭圖紙在國內制作的設備2臺;其三,我國引進烏克蘭技術做了一些進一步改進的國產設備,主要是第聶泊—3型和捷米頓型兩種,已有10余臺。
第聶泊—3型采用步進缸取代美國聯合碳化物公司噴槍的多凸輪多閥門體系,簡化了噴槍結構,減小了尺寸,提高了工作的可靠性和穩定性。這一改進已在美國等七個發達國家獲得了專利權。第聶泊—3型設備采用C2H2做燃氣,氮氣或壓縮空氣做送粉氣和清掃氣,可噴涂金屬,陶瓷等粉末。捷米頓型是第聶泊—3型的簡化,用液化石油氣、天然氣作燃氣,價格較便宜,維護較方便,但涂層質量不如第聶泊—3型,且不能噴涂鈷質量分數高的金屬陶瓷。
1 爆炸噴涂原理
噴涂時,先將一定比例的氧氣和C2H2由供氣口送入水冷噴槍的燃爆室,然后由送粉氣將噴涂粉末送入燃爆室,經火花塞點火,氧氣和C2H2混合氣發生爆炸式燃燒,其熱能加熱噴涂粉末到一定狀態,而爆炸沖擊波則把噴涂粉末粒子高速噴向工件表面形成涂層。接著向燃爆室內送入清掃氣,為下次爆噴準備,如此循環反復進行。
氧氣和C2H2混合氣體的自由燃燒溫度為3100℃,但其爆炸式燃燒溫度可達4200℃或更高,因而噴涂粉末粒子的溫度可達3500℃以上;而其爆炸波傳播速度可達3000m/s,從而將噴涂粉末粒子的噴出速度提高到700～820m/s,最高可達1500m/s。每次爆噴可產生一個直徑約25mm、厚約數微米的圓形涂層斑,整個涂層即是由這樣一些小圓形涂層斑有序地相互錯落重疊而成。噴涂不同材料、不同粒度的粉末使用不同的爆炸頻率,最快可達10次/s。
2 爆炸噴涂的特點
爆炸噴涂最大的特點就是以突然爆發的熱能加熱熔化噴涂材料,并利用爆炸沖擊波產生的高壓把噴涂粉末材料高速噴射到工件基本表面形成涂層。其主要優點如下:
（1）爆炸噴涂涂層的結合強度高。由于噴涂粉末被加熱的溫度高,且粉末以超音速飛行,與工件表面碰撞時所具有的動能大,因此形成的涂層的結合強度高。噴涂陶瓷粉末時,涂層的結合強度可達70MPa,噴涂金屬陶瓷粉末時,涂層結合強度可達175MPa。有資料報導,爆炸噴涂涂層的結合強度曾達到過240MPa的高度。
(2)涂層致密,孔隙率低,一般小于1%。
(3)涂層的耐磨性高。由于噴涂時,粉末顆粒撞擊到工件表面后受到急冷,在涂層中可以形成超細組織,因此耐磨性較高。
(4)涂層的硬度高。如YG12硬質合金涂層的硬度達HV1300,而一般O2—C2H2火焰涂層卻只能達HV800,等離子涂層只能達HV1100。
(5)爆炸噴涂涂層的粗糙度低,可低于Ra1.6μm,經磨削加工可達Ra0.025μm。
(6)工件的熱損傷小。爆炸噴涂是脈沖式的,工件每次受熱氣流沖擊的時間短,只有幾毫秒,再加上O2—C2H2焰流的溫度只3000℃左右,而不是等離子焰流的上萬度,以及清掃氣又可在一定程度上對工件表面起冷卻作用。因此爆炸噴涂時,工件表面的溫升可控制在100℃以下,工件不會發生相變及形變。
(7)在噴涂碳化物或碳化物基粉末材料時,這些材料中的碳化物不會像一般O2—C2H2火焰噴涂、等離子噴涂時那樣發生分解、脫碳現象,從而保證涂層成分的可控制性和涂層性能。
爆炸噴涂的缺點為:
(1)效率低。爆炸頻率低,不超過10次/s,而每次噴涂的涂層厚度僅4～6μm,面積僅ф25mm一個圓域。
(2)爆炸噴涂時噪音強烈,達到或超過150dB。
(3)爆炸噴涂時會產生極細的塵粒,因此需專用的防塵室等措施。
(4)形狀復雜的工件表面和小內徑內腔表面和長內腔內表面無法噴涂。爆炸噴涂涂層與等離子涂層的性能對比見附表。
對于技術先進性低于等離子噴涂的電弧噴涂及一般氧乙炔火焰噴涂,爆炸噴涂層的性能在各個指標上的優勝性就更顯巨大了。
3 爆炸噴涂的應用
爆炸噴涂由于其涂層結合強度高、硬度高、耐磨性好、以及工件的熱影響小,故一出現,就廣泛應用到飛行器零部件的噴涂上,如高低壓壓氣機葉片、渦輪葉片、輪殼封嚴槽、齒輪軸、火焰筒外壁、襯套副翼、襟翼滑軌、制動裝置等,僅JT3D發動機上采用爆炸噴涂涂層的零件就有80多件。
近年來爆炸噴涂在鋼鐵、能源、汽車、卷煙機械、紡織機械等行業中的應用也越來越廣泛,主要用于制備涂層質量要求高的工件。例如目前各種機械密封件、軸類、輥類、柱棒類等表面的耐磨強化,切紙刀片、導衛板等表面的耐磨強化,煙氣輪機葉片、風機葉輪、汽輪機葉片等表面的耐磨耐沖蝕耐腐蝕強化,過絲輪、導流板、拉絲機滾筒等紡織機械零件表面的耐磨減摩強化等,均大量采用爆炸噴涂技術來制備預保護涂層。
4 國外煙氣輪機葉片涂層的發展趨勢
國外煙氣輪機葉片,輪盤等過流部件表面,在上世紀70年代以前,廣泛采用的是等離子噴涂的X—40涂層。隨著煙機運行參數的不斷提高,X—40涂層日漸顯得不堪勝任。爆炸噴涂技術的出現,恰為解決此問題提供了可能。經過近30年的探索,目前國外煙氣輪機葉片、渦輪盤等部件逐漸采用爆炸噴涂技術生產的金屬陶瓷涂層代替原來的X—40涂層(金屬涂層)。如美國ELLIOTT公司生產的10000kW煙氣輪機的葉片的涂層便是由聯合碳化物公司采用爆炸噴涂技術噴涂的金屬陶瓷涂層(LC—IC涂層),其性能指標如下:
硬度HV0.3 775
硬度HRC 63
結合強度 ≥68.9Mpa
金相表觀孔隙率 ≤1%
最高工作溫度 760℃
5 結 語
表面熱噴涂作為先進復合材料的制造技術,近幾年來日益受到專家們的認可和親睞,獲得了長足的發展。爆炸噴涂技術的推廣應用,極大地提高了熱噴涂涂層的質量,尤其是在其涂層與基體的結合強度,涂層硬度和涂層表觀孔隙率方面達到了常規熱噴涂技術無法企及的程度,它使復合材料的綜合性能達到了一個新的高度。
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