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熱噴塗方法

如按塗層的功能分為耐腐,耐磨,隔熱等塗層,按加熱和結合方式可分為噴塗和噴熔:前者是機體不熔化,塗層與基體形成機械結合;後者則是塗層再加熱重熔,塗層與基體互溶並擴散形成冶金結合。

平常接觸較多的一種分類方法是按照加熱噴塗材料的熱源種類來分的,按此可分為:①火焰類,包括火焰噴塗、爆炸噴塗、超音速噴塗;②電弧類,包括電弧噴塗和等離子噴塗;③電熱法,包括電爆噴塗、感應加熱噴塗和電容放電噴塗;④鐳射類:鐳射噴塗。

火焰類噴塗

1.火焰噴塗:火焰噴塗包括線材火焰噴塗和粉末火焰噴塗。
<1>線材火焰噴塗法:是最早發明的噴塗法。它是把金屬線以一定的速度送進噴槍裡,使端部在高溫火焰中熔化,隨即用壓縮空氣把其霧化並吹走,沉積在預處理過的工件表面上。
絲材火焰裝置
圖1 絲材火焰噴吐的裝置示意圖
絲材火焰原理示意圖
圖2 絲材火焰噴塗的原理示意圖
圖1表示絲材火焰噴塗的裝置。圖2則是絲材火焰噴塗槍的剖面圖,它示出了絲材火焰噴塗的基本原理。噴塗源為噴嘴,金屬絲穿過噴嘴中心,通過圍繞噴嘴和氣罩 形成的環形火焰中,金屬絲的尖端連續地被加熱到其熔點。然後,由通過氣罩的壓縮空氣將其霧化成噴射粒子,依靠空氣流加速噴射到基體上,從而熔融的粒子冷卻 到塑性或半熔化狀態,也發生一定程度的氧化。粒子與基體撞擊時變平並粘結到基體表面上,隨後而來的與基體撞擊的粒子也變平並粘結到先前已粘結到基體的粒子 上,從而堆積成塗層。
絲材的傳送靠噴槍中空氣渦輪或電動馬達旋轉,其轉速可以調節,以控制送絲速度。採用空氣渦輪的噴槍,送絲速度的微調比較困難,而且其速度受壓縮空氣的影響 而難以恒定,但噴槍的品質輕,適用於手工操作;採用電動馬達傳送絲材的噴塗設備,雖然送絲速度容易調節,也能保持恒定,噴塗自動化程度高,但噴槍笨重,只 適用於機械噴塗。在絲材火焰噴槍中,燃氣火焰主要用於線材的熔化,適宜於噴塗的金屬絲直徑一般為1.8~4.8mm。但有時直徑較大的棒材,甚至一些帶材 亦可噴塗,不過此時須配以特定的噴槍。
<2>粉末火焰噴塗法:它與絲材火焰噴塗的不同之處是噴塗材料不是絲材而是粉末。圖3和圖4分別為為粉末火焰噴塗裝置和原理示意圖。
粉末火焰噴塗典型裝置
圖3 粉末火焰噴塗的典型裝置
粉末火焰噴塗原理示意圖
圖4 粉末火焰噴塗的原理示意圖
在火焰噴塗中通常使用乙炔和氧組合燃燒而提供熱量,也可以用甲基乙炔,丙二烯(MPS),丙烷,氫氣或天然氣。火焰噴塗可噴塗金屬,陶瓷,塑膠等材料,應 用非常靈活,噴塗設備輕便簡單,可移動,價格低於其他噴塗設備,經濟型好,是目前噴塗技術中使用較廣泛的一種方法。但是,火焰噴塗也存在明顯的不足。如噴 出的顆粒速度較小,火焰溫度較低,塗層的粘結強度及塗層本身的綜合強度都比較低,且比其他方法得到的氣孔率都。此外,火焰中心為氧化氣氛,所以對高熔點材 料和易氧化材料,使用時應注意。為了改善火焰噴塗的不足,提高結合強度及塗層密度,可採用將壓縮空氣或氣流加速裝置來提高顆粒速度;也可以採用將壓縮氣流 由空氣改為惰性氣體的辦法來降低氧化程度,但這同時也提高了成本。
2.爆炸噴塗
爆炸噴塗:利用氧氣和乙炔氣點火燃燒,造成氣體膨脹而產生爆炸,釋放出熱能和衝擊波,熱能使噴塗粉末熔化,衝擊波則使熔融粉末以700~800m/s的速度噴射到工件表面上形成塗層。圖5為爆炸噴槍示意圖
爆炸噴塗原理圖
圖5 爆炸噴塗原理圖
爆炸塗層形成的基本特徵,一般認為仍然是高速熔融粒子碰撞基體的結果。爆炸噴塗的最大特點是粒子飛行速度高,動能大,所以爆炸噴塗塗層具有:①塗層和基體 的結合強度高,②塗層緻密,氣孔率很低,③塗層表面加工後粗糙度低,④工件表面溫度低。爆炸噴塗可噴塗金屬,金屬陶瓷及陶瓷材料,但是由於該設備價格高, 噪音大,屬氧化性氣氛等原因,國內外應用還不廣泛。目前世界上應用最成功的爆炸噴塗是美國聯合碳化物公司林德分公司1955年取得的專利,其設備及工藝參 數至今仍然保密。我國於1985年左右,由中國航太工業部航空材料研究所研製成功爆炸噴塗設備,就Co/WC塗層性能來看,噴塗性能與美國聯合碳化物公司 的水準接近。
在爆炸噴塗中,當乙炔含量為45%時,氧-乙炔混合氣可產生3140℃的自由燃燒溫度,但在爆炸條件下可能超出4200℃,所以絕大多數粉末能夠熔化。粉末在高速槍中被輸運的長度遠大於等離子槍,這也是其粒子速度高的原因。
3.超音速噴塗
為了與美國碳化物公司的爆炸噴塗抗爭,上世紀60年代初期,美國人J.Browning發明了超音速火焰噴塗技術,稱之為"Jet-Kote",並於 1983年獲得美國專利。近些年來,國外超音速火焰噴塗技術發展迅速,許多新型裝置出現,在不少領域正在取代傳統的等離子噴塗。在國內,武漢材料保護研究 所,北京鋼鐵研究總院,北京鈦得新工藝材料有限公司等也在進行這方面研究,並生產出有自己特色的超音速噴塗裝置。
超音速火焰噴塗槍
圖6 超音速火焰噴塗槍

燃料氣體(氫氣,丙烷,丙烯或乙炔-甲烷-丙烷混合氣體等)與助燃劑(O2)以一定的比例導入燃燒室內混合,爆炸式燃燒,因燃燒產生的高溫氣體以高速通過 膨脹管獲得超音速。同時通入送粉氣(Ar或N2),定量沿燃燒頭內碳化鎢中心套管送入高溫燃氣中,一同射出噴塗于工件上形成塗層。

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