一种新型的电弧喷涂自结合材料.PDF

2017-10-12

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     近年来, 电弧喷涂方法正逐渐成为国内最重要的热喷涂方法之一,无论从涂层性能还是从工艺方面, 它都优于其他方法。通常的热喷涂涂层与基体间的结合称为机械结合, 它是通过涂层粒子与凸凹不平的基体表面互相镶嵌结合起来, 涂层结合的可靠性主要取决于基体表面的粗糙程度。为了更好地实现这种结合, 在喷涂前必须对工件进行仔细的粗化处理, 如喷砂、粗车螺纹、电拉毛等, 以增加工件表面的粗糙度,但在某些情况下, 由于不具备合适的粗化设备, 或由于工件太薄、太硬不适于使用喷砂等或由于施工现场不允许使用这些粗化方法, 因而不能达到理想的粗化效果, 此时采用喷涂自结合粘结底层的方案成了最好的解决办法。有时对某些重要的机械零部件在采取了常规粗化处理后, 仍要喷涂自结合粘结底层, 为的是进一步提高工作涂层的可靠性,自结合涂层与工件基体表面间以冶金方式相结合, 这种结合方式不依赖于基体表面的粗糙程度, 它可以牢固地结合在不具备机械条件的光滑基体表面1自结合涂层在与基体形成可靠结合的同时, 又为随后喷涂的工作提供了一个良好的粗糙表面1自结合涂层充当了一个过渡涂层, 有效地将工作涂层与基体结合在一起。

    早期的自结合材料主要是难熔金属, 如钼、铌、钽等,其中钼作为丝材, 从40年代起就获得了实际应用, 是主要的火焰喷涂用自结合材料160年代以来, 又出现了以镍包铝为代表的放热反应自结合热喷涂材料。
    它们的使用形式可以是复合粉末, 也可以是复合丝材, 其中镍包铝或铝包镍复合粉末是火焰喷涂和等离子喷涂的主要自结合材料。镍铝复合丝既可以用于火焰喷涂, 也可用于电弧喷涂,几年前, 美国的 TA FA 公司研制的镍铝合金丝专供电弧喷涂使用,其性能和工艺都优于镍铝复合丝及复合粉末。
  80年代初, 沈阳工业大学跟踪国际热喷涂发展新动向, 在国内率先研制成功新型电弧喷涂设备后, 不久便开始了对电弧喷涂自结合材料的研究,最先开发的自结合材料是铝青铜, 对其自结合机理、喷涂工艺、组织和性能都做了仔细的研究。此后, 我们又成功地使用电弧喷涂喷涂了钼丝和镍铝复合丝, 其中钼丝的自结合效果非常好。
    无论镍铝复合丝、钼丝, 还是铝青铜丝经电弧喷涂后, 都可得到满意的自结合效果, 但是由于其它因素, 它们的应用受到了一些限制。镍铝复合丝以及钼丝的主要问题在价格方面, 它们的价格超过铝青铜丝材的十倍. 价格昂贵在一定程度上限制了它们的广泛使用。铝青铜丝价格便宜, 结合性能可靠, 它的缺点是在喷涂时产生大量的刺激性烟雾. 这种烟雾刺激人的呼吸系统, 表现为呼吸困难、咳嗽, 在接触烟雾几小时后出现类似感冒、发烧的症状. 尽管还没有查明对人体会造成持久危害, 但这些暂时症状也难以让人忍受。针对以上情况, 我们开始考虑寻找一种即便宜、又对人体无明显不良刺激的自结合材料,经过大量的研究和试验, 终于开发出一种铁基自结合材料. 这种自结合材料的价格略低于铝青铜丝, 其性能与后者相当, 无明显刺激性烟雾, 可以说是一种普及型的电弧喷涂自结合材料。
    自结合机理
    这种用于电弧喷涂的自结合材料以铁为主要成分, 同时添加了铬、铝以及若干种有助于产生自结合作用合金元素,初步研究结果表明, 它的自结合机理与铝青铜和镍铝丝类似。人们对于电弧喷涂铝青铜丝和镍铝丝的自结合机理已做了大量的研究。 铝青铜和镍铝丝所表现出冶金结合作用, 主要由于喷涂过程中强烈的电弧热及材料组成元素的放热结果,通常电弧的温度达摄氏5000℃以上, 这样高的温度可使任何金属或合金熔化和过热,喷涂粒子的过热又促进了粒子中组成元素的氧化, 一些元素在氧化过程中放出大量的热, 使喷涂粒子被二次加热,当含有这些合金元素的粒子撞击在钢铁基体表面时还可还原表面的氧化铁膜。在空气中, 即使经过仔细清理的钢铁表面在室温下放置十几分钟, 也会生成很薄的Fe2O3,这层氧化膜是喷涂粒子与钢铁基体直接接触的障碍, 使得多数材料的喷涂粒子不能直接结合在光滑的钢铁基体表面. 自结合材料中添加了一些强氧化的合金元素为突破钢铁基体表面的氧化膜屏障创造了条件,当高热的喷涂粒子撞击在基体表面时, 那些能量较高的喷涂粒子便在这层氧化膜表面打开若干个“窗口”, 使喷涂粒子与洁净的基体表面直接接触, 在界面瞬间造成的高温下发生扩散, 形成若干个冶金结合点, 把涂层与基
体结合起来。一般地讲, 形成的冶金结合点越多,材料的自结合效果越好。。。