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熱噴涂耐高溫陶瓷涂層最能體現(xiàn)熱噴涂技術(shù)特點,應(yīng)用效果最突出,是影響最大的一個應(yīng)用領(lǐng)域。

1.熱障涂層(TBCs)

燃氣輪機的受熱部件,如葉片、噴嘴和燃燒室處于高溫、氧化和高速氣流沖蝕等惡劣環(huán)境中。對于承受溫度高達1 100 ℃的燃氣輪機部件,已超過了鎳基高溫合金使用的極限溫度(1 075 ℃)。有效辦法就是涂覆絕熱性好的高熔點陶瓷涂層,為高溫合金基體穿上"防火鎧甲",起絕熱屏蔽作用。這稱為熱障涂層。

熱障涂層的基本要求是:

(1) 耐高溫;
(2) 抗高溫氧化;
(3) 與金屬基體結(jié)合牢固;
(4) 熱導(dǎo)率低,絕熱性好;
(5) 熱膨脹系數(shù)與金屬基體匹配好,耐熱循環(huán)次數(shù)高。實踐表明,采用MCrAlY合金作粘結(jié)底層,噴涂Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2絕熱陶瓷涂層,涂層堅硬、致密,抗高溫燃氣沖蝕和抗熱震性能優(yōu)異,即使在1 650 ℃高溫下長期使用,其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都很好。Y2O3ZrO2中加入少量CeO能進一步改善涂層的抗熱震性能。在使用溫度更低一些的情況下,可采用MgO或CaO穩(wěn)定的ZrO2作熱障陶瓷障礙層。

對熱障涂層的粘結(jié)底層進行預(yù)氧化處理,對熱障陶瓷涂層進行滲鋁處理,對面層陶瓷涂層進行激光重熔改性處理以及發(fā)展多層或梯度功能涂層,是熱障涂層領(lǐng)域的一些最新發(fā)展。

熱障涂層主要用于航空、艦船及陸用燃氣輪機的受熱部件,現(xiàn)正推廣應(yīng)用于民用內(nèi)燃機、增壓渦輪、冶金工業(yè)用噴氧槍等領(lǐng)域。

2 可磨耗密封涂層

現(xiàn)代航空發(fā)動機采用壓氣機使空氣增壓升溫,高溫壓縮空氣進入燃燒室使燃料充分燃燒是提高發(fā)動機的功率和熱效率的主要措施之一。采用熱噴涂技術(shù)在壓氣機渦殼內(nèi)表面噴涂可磨耗密封涂層,與壓氣機葉片尖部的硬質(zhì)涂層形成一對可磨耗密封磨損副,在運行過程中能形成理想的徑向氣流間隙,獲得最大的壓差,從而顯著提高發(fā)動機的功率,降低航空汽油的消耗,提高發(fā)動機整機一次試車合格率。這是熱噴涂技術(shù)在航空發(fā)動機領(lǐng)域重大的應(yīng)用成果之一。

隨著壓縮空氣溫度的逐級升高,可磨耗密封涂層的使用溫度從300 ℃提到1100 ℃,現(xiàn)代可磨耗密封涂層的最高溫度已達1350 ℃。AlSi-聚苯脂、鎳/石墨、Ni/硅藻土、NiCrAl/BN、Y2O3.ZrO2-BN等復(fù)合粉末系列材料已獲得成功的應(yīng)用。其中,尤以高溫可磨耗密封涂層的工作條件最為惡劣,要承受1 000~1 350 ℃的高溫,遭受2~3倍音速的高溫氣流的沖蝕,受到超過300 m/s線速度的葉片尖部刮削而不會發(fā)生剝落。因此,除了必須具備耐高溫涂層應(yīng)有的耐高溫、抗氧化、耐熱震、呈化學(xué)惰性、結(jié)合牢固的性能外,其最主要的特點就是質(zhì)軟(通常涂層的表面洛氏硬度在50~80 HR15Y)、多孔(孔隙率約為25%~30%)。

熱噴涂可磨耗密封涂層技術(shù)可用于壓縮機行業(yè)的旋轉(zhuǎn)壓氣部件的間隙控制等民用工業(yè)領(lǐng)域。

3 抗高溫粘著磨損涂層

退火爐輥、熱處理爐爐輥、連鑄機拉伸輥、支承輥、燒結(jié)爐輥等高溫輥子,多在800~1 200 ℃高溫下運行。在這樣的高溫下,鋼鐵軟化并在表面生成氧化鐵鱗,同時爐輥的高溫硬度也顯著降低。當(dāng)軟態(tài)的高溫鋼件特別是鋼帶在爐輥上運動甚至輕微滑動時,就會因高溫粘著而產(chǎn)生結(jié)瘤,這種結(jié)瘤在剪切力的作用下脫落為磨料,使鋼件(帶)

表面產(chǎn)生劃痕、劃傷、犁溝、凹陷等缺陷。這些缺陷在后續(xù)的表面光軋輥上往往難以消除,將最終影響熱軋鋼帶的質(zhì)量。

采用高速燃氣火焰噴涂(HVOF)、爆炸噴涂(DGS)或等離子噴涂技術(shù),在高溫爐輥表面噴涂特種陶瓷或金屬陶瓷涂層,具有優(yōu)異的耐高溫、抗氧化、抗粘著、防結(jié)瘤和自清理凈化性能,既可顯著提高爐輥使用壽命,又能生產(chǎn)表面光潔質(zhì)量優(yōu)良的鋼材,如優(yōu)質(zhì)硅鋼板、優(yōu)質(zhì)汽車薄板和熱浸鍍薄板等。熱軋不銹鋼帶退火爐爐輥,噴涂含BN的金屬陶瓷涂層,其耐高溫磨損性能可提高4倍以上。

在日本,鋼鐵工業(yè)應(yīng)用熱噴涂技術(shù)的主要對象是各種輥子,熱噴涂的輥子占全部熱噴涂部件的85%以上,具有極其顯著的技術(shù)經(jīng)濟效果。如退火爐導(dǎo)輥,過去平均每月停機檢修30 min,噴涂后則可保持3年內(nèi)不檢修,并極大地提高了帶鋼的品質(zhì)。日本鋼鐵公司熱噴涂退火爐輥的比率,從1982年時的20%上升到1989年的100%,而帶鋼因結(jié)瘤等引起的廢次品率則由80%下降到0。

4 抗高溫熔融金屬或熔體侵蝕涂層

各種金屬熔煉用爐襯材料,基本上都是陶瓷耐火材料,這是因為它不僅具有熔點高、高溫化學(xué)性能穩(wěn)定等特點,還具有與熔體潤濕角小、甚至不潤濕的特點。利用這些特性,對在熔池內(nèi)使用的金屬制件如熱浸鍍槽內(nèi)的沉沒輥、穩(wěn)定輥,熔池攪拌器、吹管、熱電偶套管、熱壓鑄模具等表面,噴涂耐火陶瓷或金屬陶瓷涂層,就能獲得性能優(yōu)異的耐高溫熔融金屬或熔體侵蝕涂層。例如,熱浸鍍鋁槽內(nèi)的沉沒輥和穩(wěn)定輥,

由于鋁液具有極高的化學(xué)活性,能與多種金屬發(fā)生鋁熱反應(yīng)形成金屬間化合物,被稱為金屬的"溶劑"。因此,金屬合金爐輥在鍍鋁槽中腐蝕極快,使用壽命僅5~10天。

采用熱噴涂特種陶瓷涂層,德國人認為是唯一有效的解決辦法,使用壽命可提高到20~30天。

5 抗腐蝕磨損

石油、化工、制藥、造紙、印染、冶金、建材、海洋開發(fā)、環(huán)保等部門使用的許多機械設(shè)備,因受到各種化學(xué)介質(zhì)、腐蝕性氣體和海水等的作用而被腐蝕,腐蝕產(chǎn)物成為磨粒,與外來微粒或粉塵,或介質(zhì)生產(chǎn)過程中的結(jié)晶晶體一起,都能使相對運動的機械零部件的表面之間既產(chǎn)生腐蝕又產(chǎn)生磨損。磨料使金屬表面產(chǎn)生"犁皺"、"劃傷"而裸露新生表面使腐蝕加速,腐蝕產(chǎn)物又成為磨粒加速磨損。由于腐蝕和磨損同時起破壞作用,相互促進,更加快了這類機械零部件的過早失效,甚至釀成重大事故。

在腐蝕磨損工況條件下,不銹鋼或鈦合金的耐蝕性雖好,但不耐磨。

工業(yè)上廣泛采用鍍硬鉻,但鍍硬鉻存在三大缺點:

(1) 工藝流程長,工序多,占地面積大,沉積速率低,難于沉積厚涂層。材料保護990119

(2) 在260 ℃以上,鍍鉻層會發(fā)生軟化,耐磨性顯著下降。局部無油臨界潤滑或磨粒劃傷都會使鍍層出現(xiàn)局部過熱而軟化,拉成溝槽;

(3) 環(huán)境污染。鍍鉻中產(chǎn)生的幾種危害環(huán)境的有毒廢棄物(如六價鉻等)加劇水、土壤和空氣的污染。鉻的化合物大都含有較強的致癌物質(zhì),其毒性比業(yè)已在大部分工業(yè)上禁止使用的亞甲氯化物還高4個數(shù)量級。顯然,盡可能取代電鍍硬鉻技術(shù)已成為迫在眉睫的任務(wù)。

熱噴涂陶瓷涂層和金屬陶瓷涂層不僅具有高的硬度,優(yōu)異的耐蝕性,而且摩擦系數(shù)小,能耗低,對密封填料的磨損小,涂層硬度和耐磨性不會因為局部過熱而降低。

因此,它在抗腐蝕磨損領(lǐng)域正在成為電鍍硬鉻技術(shù)的最強有力的競爭者和取代者。例如,化工廠用高壓往復(fù)計量泵柱塞,采用等離子噴涂Al2O3.TiO2復(fù)合氧化物陶瓷涂層,其使用壽命比原用鍍鉻柱塞提高6倍,密封填料的壽命也提高3倍。大型水庫、水電站及海洋開發(fā)用液壓啟閉機液壓缸的大型活塞桿,采用等離子噴涂陶瓷涂層代替鍍硬鉻,可以達到高質(zhì)量、長壽命、免維修,在德國已成為這一領(lǐng)域的先進制造技術(shù),已制造出長16 m、重10 t以上的超大型陶瓷涂覆活塞桿及相應(yīng)的液壓啟閉機。大型推土機用液壓活塞桿、軋鋼機用液壓活塞桿、建筑瓷磚壓坯用液壓機活塞桿、水輪機葉輪軸和磨環(huán)、電樞軸頭、磨床軸、燃油泵軸、抗咬死軸套、活塞環(huán)、凸輪隨動件等,在低應(yīng)力滑動磨損和腐蝕工況下,幾乎所有原用鍍鉻的制品都可以用熱噴涂陶瓷或金屬陶瓷涂層代替。

6 耐纖維磨損涂層

6.1 耐紡織纖維磨損陶瓷涂層

現(xiàn)代紡織機械特別是化纖機械,向高速、輕質(zhì)、節(jié)能方向發(fā)展。紡絲過程中,各種導(dǎo)絲、紡絲部件,為了減輕重量,提高轉(zhuǎn)速和降低能耗,多采用鋁合金制造,其表面遭受很細的高速化纖絲(達700~1 000 m/s)的磨損而形成溝槽,更換不僅造成停機損失,而且影響紡絲的質(zhì)量和等級。

在化纖紡機的導(dǎo)絲部件表面,采用等離子噴涂Al2O3基復(fù)合陶瓷涂層,經(jīng)處理獲得"桔皮狀"外觀形貌,達到Ra約為1.5 μm的表面粗糙度。這種陶瓷涂層的突出特點是:

(1) 具有優(yōu)異的耐高速纖維磨損的性能,使用壽命比鍍鉻件提高5倍;

(2) 具有適度的摩擦力,能對纖維施以適度的"捻力",使纖維達到必要的強度和韌度;

(3) 具有適度的表面粗糙度,能使纖維獲得必要的"絨度",達到染色性能好,有一定的吸濕性等。

由于陶瓷涂層的這些特點,使化纖機械關(guān)鍵基礎(chǔ)零部件的壽命比原用鍍鉻件提高了5倍,生產(chǎn)達到了一個新的水平。捷克國應(yīng)用這一技術(shù),使其化纖機械的出口更具競爭性。

6.2耐金屬拉絲磨損涂層

金屬拉絲工業(yè)如鋼絲、鋼絲繩和電線電纜生產(chǎn)等都使用大量的導(dǎo)絲輪和輥。金屬絲在其表面高速滑動并發(fā)生冷作硬化,對導(dǎo)輪接觸面產(chǎn)生很強的摩擦磨損,以致產(chǎn)生"犁溝"、凹坑等缺陷,造成壽命低,更換維修頻繁并影響拉絲質(zhì)量等弊端。采用超音速火焰噴涂或爆炸噴涂技術(shù),在金屬拉絲導(dǎo)輪表面噴涂含Wc的硬質(zhì)合金涂層,具有很高的硬度和耐磨特性,壽命提高5~10倍,獲得了很大的成功。

6.3 親水與介電涂層

現(xiàn)代造紙和印刷機械,盡管運行速度很高,但因負荷輕,故均處于低應(yīng)力狀態(tài),特別適用于熱噴涂涂層。

等離子噴涂陶瓷涂層技術(shù),在國外的造紙和印刷機輥子上已成功應(yīng)用多年,應(yīng)用面正日益擴大,這是因為陶瓷涂層具有許多特點:高耐磨蝕性;高選擇性潤濕性、親水性;高電絕緣與介電性;高防粘性;高可刻蝕性及圖紋清晰性;保持適度粗糙度的紙張咬入性等。

例如彩色膠印機水輥噴涂陶瓷涂層,不僅耐磨、耐油墨腐蝕,且經(jīng)刻蝕后留下的陶瓷涂層部分,由于親水性好,能在其表面形成一層薄薄的水膜,防止油墨混入,無陶瓷涂層的刻蝕輥面則為油墨覆蓋,因而能獲得圖像清晰的彩色印刷品,不串色。又如塑料薄膜電刻蝕用電暈處理機輥子,需要在1~2×104 V下運行。輥子表面噴涂高介電陶瓷涂層,滿足了這一需要。

等離子噴涂陶瓷涂層的表面粗糙度,噴涂約為2~5 μm,磨削后可達Ra 0.13~0.20μm,精研后可達0.03~0.10 μm,可滿足不同等級紙張生產(chǎn)的需要。

從以上幾個應(yīng)用領(lǐng)域足見,熱噴涂高性能陶瓷涂層具有廣闊的市場和巨大的經(jīng)濟效益。

在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用及潛力展望熱噴涂高性能陶瓷涂層技術(shù),正在高科技領(lǐng)域展露頭角,它將帶動和促進一系列高科技技術(shù)的發(fā)展和興起。高溫超導(dǎo)體制件具有高臨界電阻溫度的復(fù)合氧化物超導(dǎo)陶瓷材料的發(fā)現(xiàn),是80年代材料領(lǐng)域的重大突破。釔鋇銅氧超導(dǎo)陶瓷材料的零電阻溫度tc>90 K(高于液氮溫度),磁轉(zhuǎn)變溫度tB>96 K。

等離子噴涂超導(dǎo)陶瓷涂層獨特的優(yōu)點為:沉積速率高,容易制備厚涂層和大面積涂層,能夠噴涂具有復(fù)雜形狀的超導(dǎo)制件,可直接在大氣中噴涂,不需保護氣體,是實現(xiàn)超導(dǎo)材料實用化的很有希望的工藝。等離子噴涂釔鋇銅氧(YBaCuO)、鉍鍶鈣銅氧(BiSrCaCuO)超導(dǎo)陶瓷涂層都已有應(yīng)用成功的報道。在磁屏蔽、微波元件、各類傳感器、量子電子器件等方面,展示出很好的應(yīng)用前景。

采用等離子噴涂技術(shù)制造濺射用靶材,如用于物理氣相沉積(PVD)的釔鋇銅氧(YBa2Cu3Ox)靶,能夠制造出高性能的超導(dǎo)薄膜,其臨界電流密度高達105~106 A/cm2。

6.4 在微電子工業(yè)中

金屬-陶瓷復(fù)合材料是微電子工業(yè)基板材料的一種理想材料。在金屬板(如科伐合金、銅、鋁、鋼)上熱噴涂絕緣陶瓷涂層,具有高熱導(dǎo)率的金屬能將強電流所產(chǎn)生的熱發(fā)散開,而陶瓷涂層則提供很好的介電絕緣性能。以銅板上噴涂Al2O3陶瓷涂層為例,其總熱導(dǎo)率比在相同厚度銅板上燒結(jié)氧化鋁層的總熱導(dǎo)率高5倍,這十分有利于集成電路板的散熱和提高功率。美國已能噴涂25 mm×25 mm介電陶瓷涂層復(fù)合電路板,并達到5×104件的批量生產(chǎn)規(guī)模。

6.5 生物醫(yī)學(xué)功能陶瓷涂層

人們生活水平的提高和人類平均壽命延長對人工骨骼的需要日增。以前采用不銹鋼或鈦合金等金屬骨架,鑲植入人體內(nèi)以替換損壞的骨骼,但存在耐體液腐蝕性不足,與肌肉細胞組織不親合而產(chǎn)生積水等問題。

現(xiàn)代研究表明,構(gòu)成生物體硬組織的晶體是磷灰石類無機陶瓷材料。

在金屬基體上等離子噴涂生物醫(yī)學(xué)功能陶瓷涂層,具有以下特點:
(1) 對生物體無毒,適于體內(nèi)安全使用;
(2) 對生物體和細胞有良好的適應(yīng)性和親和性,不會產(chǎn)生副作用;
(3) 耐人體體液腐蝕;
(4) 耐長期使用過程中的磨損;
(5) 具有人體運動所必須的強度、韌性等力學(xué)性能;
(6) 噴涂層的多孔性和粗糙表面有利于生物體組織向人工骨骼表面的生長和親和。因此,熱噴涂金屬基生物陶瓷涂層的人工骨骼,是比較理想的人工骨骼材料,已在人體股骨、髖關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、骨盆、人造牙齒等方面臨床應(yīng)用試驗成功,美國人稱為"醫(yī)學(xué)生物功能材料的一場革命。"

熱噴涂高性能陶瓷涂層技術(shù),在國外是一項已獲得相當(dāng)廣泛應(yīng)用及效益突出的高新技術(shù),在我國還剛剛起步。誠然,沒有"點石成金","泥土變金"的魔方,但采用熱噴涂陶瓷涂層技術(shù),以很少的物耗獲得高的附加值,開拓巨大的潛在市場,無疑可達到事半功倍的效果。

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滿量程輸出:2.0~4.8mV/V

溫度特性(溫補范圍:0~70℃):±0.015 %FS/℃

穩(wěn)定性:<0.2%FSO/年

工作溫度:-40~135℃

抗絕緣性:>2kV

0…200kPa

0…500kPa

0…1Mpa

0…2Mpa

0…5Mpa

0…10Mpa

0…25Mpa

0…40Mpa

0…60Mpa

0…200kPa