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爆炸喷涂技术的现状和应用 | 吴和元,闵小兵,孙金贵,叶锐曾 |
爆炸喷涂技术的实质是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作表面后形成坚固涂层。此技术是美国联合碳化物公司林德公司(UnionCarbideCorp.LideDivi-sion)在上世纪50年代发明的专利技术,当时简称为D—GUN。但美国联合碳化物公司从不对外出售该技术和设备,也不公开发表相关的论文,只是在其服务公司内为用户进行喷涂加工。该公司至今已在世界各地设立了10多处服务厂,主要是进行航空发动机的修复。前苏联的乌克兰科学院材料研究所和焊接研究所在上世纪60年代也开始从事爆炸喷涂技术的研究工作,并开发了一系列爆炸喷涂设备,并最后定型为“第聂泊”型和“捷米顿”型两类设备。前苏联解体后,乌克兰开始向外界转让该技术和设备。
4 Z& F1 z6 i8 X' q 我国使用的爆炸喷涂设备主要有三种:其一,北京621所自行研制的一台爆炸喷涂装置。由于开发研制早(上世纪80年代初),存在一些不足之处;其二,直接按乌克兰图纸在国内制作的设备2台;其三,我国引进乌克兰技术做了一些进一步改进的国产设备,主要是第聂泊—3型和捷米顿型两种,已有10余台。$ G/ y1 O1 h# @6 u
第聂泊—3型采用步进缸取代美国联合碳化物公司喷枪的多凸轮多阀门体系,简化了喷枪结构,减小了尺寸,提高了工作的可靠性和稳定性。这一改进已在美国等七个发达国家获得了专利权。第聂泊—3型设备采用C2H2做燃气,氮气或压缩空气做送粉气和清扫气,可喷涂金属,陶瓷等粉末。捷米顿型是第聂泊—3型的简化,用液化石油气、天然气作燃气,价格较便宜,维护较方便,但涂层质量不如第聂泊—3型,且不能喷涂钴质量分数高的金属陶瓷。
. L' l& G1 e8 G1.爆炸喷涂原理
3 K; V) g4 m' ` 喷涂时,先将一定比例的氧气和C2H2由供气口送入水冷喷枪的燃爆室,然后由送粉气将喷涂粉末送入燃爆室,经火花塞点火,氧气和C2H2混合气发生爆炸式燃烧,其热能加热喷涂粉末到一定状态,而爆炸冲击波则把喷涂粉末粒子高速喷向工件表面形成涂层。接着向燃爆室内送入清扫气,为下次爆喷准备,如此循环反复进行。
5 I; H1 W% n* g: z 氧气和C2H2混合气体的自由燃烧温度为3100℃,但其爆炸式燃烧温度可达4200℃或更高,因而喷涂粉末粒子的温度可达3500℃以上;而其爆炸波传播速度可达3000m/s,从而将喷涂粉末粒子的喷出速度提高到700～820m/s,最高可达1500m/s。每次爆喷可产生一个直径约25mm、厚约数微米的圆形涂层斑,整个涂层即是由这样一些小圆形涂层斑有序地相互错落重叠而成。喷涂不同材料、不同粒度的粉末使用不同的爆炸频率,最快可达10次/s。
# }5 B/ U) \4 Y* t- q2. 爆炸喷涂的特点& s) a. C& I5 i; y
爆炸喷涂最大的特点就是以突然爆发的热能加热熔化喷涂材料,并利用爆炸冲击波产生的高压把喷涂粉末材料高速喷射到工件基本表面形成涂层。其主要优点如下:% L0 _ ]% Z3 `$ j) T
（1）爆炸喷涂涂层的结合强度高。由于喷涂粉末被加热的温度高,且粉末以超音速飞行,与工件表面碰撞时所具有的动能大,因此形成的涂层的结合强度高。喷涂陶瓷粉末时,涂层的结合强度可达70MPa,喷涂金属陶瓷粉末时,涂层结合强度可达175MPa。有资料报导,爆炸喷涂涂层的结合强度曾达到过240MPa的高度。) X4 X* m* s$ r- V Z
(2)涂层致密,孔隙率低,一般小于1%。
# Z1 F% {9 h; d. F(3)涂层的耐磨性高。由于喷涂时,粉末颗粒撞击到工件表面后受到急冷,在涂层中可以形成超细组织,因此耐磨性较高。
% v! e1 ?$ f; M* E; y(4)涂层的硬度高。如YG12硬质合金涂层的硬度达HV1300,而一般O2—C2H2火焰涂层却只能达HV800,等离子涂层只能达HV1100。& X9 O3 [7 \6 N' K1 o% p
(5)爆炸喷涂涂层的粗糙度低,可低于Ra1.6μm,经磨削加工可达Ra0.025μm。9 T h( N* g3 ]! N
(6)工件的热损伤小。爆炸喷涂是脉冲式的,工件每次受热气流冲击的时间短,只有几毫秒,再加上O2—C2H2焰流的温度只3000℃左右,而不是等离子焰流的上万度,以及清扫气又可在一定程度上对工件表面起冷却作用。因此爆炸喷涂时,工件表面的温升可控制在100℃以下,工件不会发生相变及形变。; x! [" c. Z; N, {
(7)在喷涂碳化物或碳化物基粉末材料时,这些材料中的碳化物不会像一般O2—C2H2火焰喷涂、等离子喷涂时那样发生分解、脱碳现象,从而保证涂层成分的可控制性和涂层性能。! A2 ~! G k0 _4 g9 N
爆炸喷涂的缺点为:% e" i) O) u, C/ @: E6 |
(1)效率低。爆炸频率低,不超过10次/s,而每次喷涂的涂层厚度仅4～6μm,面积仅ф25mm一个圆域。
' v1 c# w( U2 p$ f1 g8 H& n(2)爆炸喷涂时噪音强烈,达到或超过150dB。
- e+ X' b% t6 x' D(3)爆炸喷涂时会产生极细的尘粒,因此需专用的防尘室等措施。
+ K2 H! }3 u7 \( u2 E(4)形状复杂的工件表面和小内径内腔表面和长内腔内表面无法喷涂。爆炸喷涂涂层与等离子涂层的性能对比见附表（略）。# z' c# E/ V3 }6 }% N$ Q
对于技术先进性低于等离子喷涂的电弧喷涂及一般氧乙炔火焰喷涂,爆炸喷涂层的性能在各个指标上的优胜性就更显巨大了。6 W, e7 C2 M) j& l
3.爆炸喷涂的应用
B5 ~. S/ y3 @9 s5 m/ l 爆炸喷涂由于其涂层结合强度高、硬度高、耐磨性好、以及工件的热影响小,故一出现,就广泛应用到飞行器零部件的喷涂上,如高低压压气机叶片、涡轮叶片、轮壳封严槽、齿轮轴、火焰筒外壁、衬套副翼、襟翼滑轨、制动装置等,仅JT3D发动机上采用爆炸喷涂涂层的零件就有80多件。( z7 K8 F8 u d# ^& K+ h9 O
近年来爆炸喷涂在钢铁、能源、汽车、卷烟机械、纺织机械等行业中的应用也越来越广泛,主要用于制备涂层质量要求高的工件。例如目前各种机械密封件、轴类、辊类、柱棒类等表面的耐磨强化,切纸刀片、导卫板等表面的耐磨强化,烟气轮机叶片、风机叶轮、汽轮机叶片等表面的耐磨耐冲蚀耐腐蚀强化,过丝轮、导流板、拉丝机滚筒等纺织机械零件表面的耐磨减摩强化等,均大量采用爆炸喷涂技术来制备预保护涂层。: ]- P; ?. ^2 d' M
4.国外烟气轮机叶片涂层的发展趋势
( ^2 J8 l2 |# k7 f% h# k- [ 国外烟气轮机叶片,轮盘等过流部件表面,在上世纪70年代以前,广泛采用的是等离子喷涂的X—40涂层。随着烟机运行参数的不断提高,X—40涂层日渐显得不堪胜任。爆炸喷涂技术的出现,恰为解决此问题提供了可能。经过近30年的探索,目前国外烟气轮机叶片、涡轮盘等部件逐渐采用爆炸喷涂技术生产的金属陶瓷涂层代替原来的X—40涂层(金属涂层)。如美国ELLIOTT公司生产的10000kW烟气轮机的叶片的涂层便是由联合碳化物公司采用爆炸喷涂技术喷涂的金属陶瓷涂层(LC—IC涂层),其性能指标如下:+ ]9 k& H$ I7 H+ y1 y5 V. x! |$ `" i
硬度HV0.3 775" `, W9 X& l$ V, w- ]* Q, p3 d
硬度HRC 63
: h# I$ `" A* v% I# y" a5 P# P' Q结合强度 ≥68.9Mpa; _0 Y6 t$ }' U5 x- X& Q( j0 A
金相表观孔隙率 ≤1%. q/ H# Y( h; L' T
最高工作温度 760℃
$ x) C3 m1 f7 A- @! h9 A5.结 语
% c0 j; g% @) c" [# y3 }0 D 表面热喷涂作为先进复合材料的制造技术,近几年来日益受到专家们的认可和亲睐,获得了长足的发展。爆炸喷涂技术的推广应用,极大地提高了热喷涂涂层的质量,尤其是在其涂层与基体的结合强度,涂层硬度和涂层表观孔隙率方面达到了常规热喷涂技术无法企及的程度,它使复合材料的综合性能达到了一个新的高度。2 F, Q9 X7 c+ b
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发表于 2007-1-13 21:55:51