冷气动力喷涂技术优化方案

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-50 冷气动力喷涂设备组成2.临界速度临界速度是指喷涂粒子碰撞基体材料时能正常形成涂层的速度。气体携带粉末材料经喷枪喷嘴加速后能否形成所期望的涂层，粉末材料的飞行速度十分关键，是冷气动力喷涂最重要的工艺参数。5）氧化物含量低，冷气动力喷涂涂层的氧化物含量仅为0.2%，粉末火焰喷涂和HVOF喷涂涂层的氧化物含量分别为1.1%和0.5%。

冷气动力喷涂的原理如图2-49所示。

图2-49 冷气动力喷涂的原理

1.冷气动力喷涂设备组成

如图2-50所示，冷气动力喷涂设备由控制装备、喷枪、加热器、送粉器、喷涂机械手及其他辅助装置组成。冷气动力喷涂系统的核心是喷枪拉瓦尔喷嘴（Laval nozzle）和加热器。

图2-50 冷气动力喷涂设备组成

2.临界速度

临界速度是指喷涂粒子碰撞基体材料时能正常形成涂层的速度。气体携带粉末材料经喷枪喷嘴加速后能否形成所期望的涂层，粉末材料的飞行速度十分关键，是冷气动力喷涂最重要的工艺参数。对于一定的喷涂材料存在一定的临界速度，只有超过临界速度的喷涂粒子才能形成涂层。根据不同的种类的材料，喷涂粒子的临界速度一般为500～700m/s。高速金属粒子碰撞基体后产生局部高压以极大的塑性变形破碎基体表面的氧化膜，使粒子与基体间达到新鲜金属间紧密接触。对于给定材料，临界速度的存在意味着粒子的结合需要一定的塑性变形量，因此喷涂粒子的加速行为以及碰撞基体的变形行为是非常重要的，碰撞粒子速度对粒子与基体变形碰撞界面温度升高影响较大。随着喷涂粒子速度的增加，粒子的扁平率以及界面接触面积增加，随着粒子初始温度的增加，碰撞界面的最高温度增加。当粒子速度超过临界速度后将产生剧烈塑性变形，提供有效接触面积而形成结合。在临界速度附近，界面局部温度可能达到喷涂粒子的熔点。当喷涂粒子速度超过临界速度后，有可能发生碰撞熔化，形成局部冶金结合。这将有利于提高涂层结合强度和涂层自身强度。部分涂层材料的临界速度见表2-12。

表2-12 部分涂层材料的临界速度

3.影响冷气动力喷涂工艺的因素

除临界速度外，影响冷气动力喷涂工艺的主要因素有气体压力（约3.5MPa）、气体温度（350～680℃）、粉末材料粒度（5～45μm）和喷涂距离（约10mm）。一般来说，随着气体压力的增加，临界速度增加；气体初始温度的增加，碰撞界面局部温度随着升高。对于同种粉末材料，由于粒度的不同、喷涂距离的不同，有不同的临界速度。图2-51所示为不同Al颗粒的喷涂距离和粉末速度的关系曲线。

4.涂层材料与基体材料的匹配性

在一定的喷涂工艺参数条件下，用不同的涂层材料在相同的基体材料上或用相同的涂层材料在不同的基体材料上制备涂层，其结合强度有显著的不同。图2-52所示为不同的涂层材料在不同的基体材料上形成涂层粒子变形。

图2-51 Al颗粒的喷涂距离和粉末速度的关系曲线

图2-52 不同涂层材料与不同基体材料匹配喷涂粒子的变形

从图2-52中可以清楚地看出，具有塑性的粉末粒子在一定的喷涂速度下，无论是碰撞在光滑的还是粗糙的刚性基体材料（如不锈钢等）上，均将产生塑性变形，在基体表面上形成涂层；而具有塑性或刚性的涂层材料粒子在一定喷涂速度下，碰撞在光滑的软基体材料（铝、铜等）上，均将产生嵌入式或嵌入式变形，形成涂层。两者具有不同的结合强度。表2-13列举涂层材料与基体材料的匹配，分别在N₂和He作为工作气体时，涂层与基体的结合强度。

表2-13 N₂和He作为工作气体时不同涂层材料与基体材料配对时涂层结合强度