热喷涂技术白皮书

  • 分类:行业新闻
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  • 来源:
  • 发布时间:2017-11-30 11:54
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【概要描述】本文旨在推动热喷涂技术的发展,对政府、工业领域和学术领域的规划发展和研究 应用进行更好的指导。

热喷涂技术白皮书

【概要描述】本文旨在推动热喷涂技术的发展,对政府、工业领域和学术领域的规划发展和研究 应用进行更好的指导。

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  本文着重阐述了热喷涂技术教育、培训和实习的重要性,鼓 励开展应用科学/工程/基础科学的研究工作,提倡学术界、政府和高校联合合作, 推动热喷涂技术理论到实践的发展。希望更好的理解和重视热喷涂技术的可持续 发展,将有助于推动政府和社会经济的额外增长。 热喷涂技术的价值 热喷涂技术是一种低消耗、环境友好的科学技术,给人类带来舒适并减少材料的浪 费,让我们的生活更和谐美好。 什么是热喷涂? 热喷涂是一种被公认的工业技术,其主要用于工程部件的表面喷涂和修复1,2。通常 将金属、合金、金属氧化物、金属/陶瓷混合物、碳化物、线材、棒材以及各种复 合材料沉积在不同的基体材料上,形成具有独特微观结构的涂层或者精准成型的 部件。热喷涂技术使基体材料或工件形成了保护性或功能性表面涂层,其在世界范 围内诸多工业领域都有着广泛重要的应用2,包括修复和复原、防腐蚀、各种形式 的耐磨损,如磨蚀、侵蚀和削磨,还有绝热或导电、抗氧化和抗热腐蚀、用作电 导体或绝缘体、精准成型制造、封严、发射系数设计、可磨耗涂层以及装饰等等。 热喷涂工艺非常便捷,操作成本相对较低,几乎能应用在所有工业领域,其不破坏 环境的工艺的优势在于成本低,显著改善工程部件性能或者提高部件使用寿命。

喷涂技术

  工作原理 图 2a 和 2b 展示了热喷涂工作所需要具备的要素:热源、能量源和喷涂材料。原 理:借助气体(有些情况下混合空气)把喷涂材料注入到热喷涂喷枪内,产生的热 量使材料熔化,高速气体将喷涂材料变成细小的熔融液滴,撞击在基体上,固化并 附着。涂层与基体的结合大多是机械结合,但是在某些情况也有冶金结合。最终一 层层涂层紧密结合,形成像薄饼状结构。涂层的性能取决于动能和热能的结合情况。

喷涂技术

 

喷涂技术

  上述工艺中,前五种是基本的热喷涂工艺,已广泛应用于实际生产中,另外一种是 新兴工艺,目前仍在起步阶段。粉末/丝材火焰喷涂、爆炸喷涂和超音速火焰喷涂 (HVOF)这三种基本工艺都有燃烧这一步骤。而等离子喷涂和电弧喷涂这两种是 利用电能熔融喷涂材料。在这五种工艺中,超音速火焰喷涂(HVOF)和爆炸喷涂 可以制备具有超致密微观结构和高结合强度的涂层。低压等离子喷涂(LPPS)或 者真空等离子喷涂(VPS)同样也能制得高结合强度而且相对致密不含氧的微观结 构涂层。“冷喷涂”是一种依靠更高速度和动能而相对减少了对热能依赖的新兴喷 涂工艺。实际上它是一种固态工艺过程,也就是说,颗粒在喷涂过程中没有熔融, 其颗粒温度低于超音速喷涂 HVOF 的颗粒温度,但是速度更高,最终能获得类似 锻造件的致密涂层。

喷涂技术

  图 4b 介绍了各种热喷涂材料其对应的颗粒温度和速度的关系。这对于喷涂工艺参 数和材料的优化至关重要。例如,高熔点、低热导率的金属氧化物陶瓷通常在较低 的火焰速度下需要高焓值和高的颗粒温度,以达到涂层的最高性价比。碳化物陶瓷 金属陶瓷则刚好相反,其所需颗粒温度较低但是需要速度较高,这样能达到最佳 的耐磨效果,原因是涂层中的脱碳现象和脆性相的形成降至了最低。在图 4b 中可 以看到,其它类型的材料的颗粒温度和速度介于金属氧化物陶瓷和碳化物金属陶 瓷之间。

喷涂技术

  图 4b 不同材料类型的颗粒速度和温度关系

  市场规模和增长领域

  目前,热喷涂市场规模约为 65 亿美元

  3。主要应用领域在航空航天和工业燃气轮机 行业,产值约占总数的 60%

  4。喷涂设备和材料的供应占市场总数约 20%,其余的 为涂层加工与修复。一直以来,北美和欧洲是热喷涂技术最发达的地区,但是在过 去几年里亚洲和南美地区呈现出迅速发展态势。例如,在中国随着国家经济的增 长和专业技术人员学历水平的逐年提升,使得热喷涂技术发展迅猛。传统的应用市 场如航空航天领域仍占据着市场的主导,但是能源领域、半导体/电子、钢铁和造 纸领域所占的比重将日益增长

  5。 热喷涂技术的价值:成功应用的典型案例 以下几个例子,充分证实了热喷涂技术是一种低能耗、环保的科学技术,能为人类 带来更多便利、减少材料浪费,让我们的生活更舒适和美好。更多的成功案例可参 见“ASM 手册 5A 卷:热喷涂技术手册”。这本手册阐述了热喷涂技术在以下行业 应用中产生社会效益和经济价值:汽轮机、海洋和大气腐蚀、可再生能源、油砂、 汽车、电子和半导体、生物医学应用、起落架(替代镀硬铬)、金属/钢铁、造纸、 印刷、核工业、石油化工、纺织。

  附录 2 也概况了本手册中多数重点介绍的应用 案例。

  以下简要讨论推动热喷涂技术发展和市场增长的关键应用方面:

  a.航空航天和工业燃气轮机(6,7) :随着热喷涂技术可靠性的提高,在航空航 天和工业燃气涡轮机应用方面将继续扩大和增长。重要领域的增长主要包括先进 的隔热材料(热障涂层)、耐磨涂层、间隙控制涂层、抗氧化和防热腐蚀合金。 这些涂层拥有更高的服役温度直接提升了发动机工作效率提高,降低能源成本, 减少二氧化碳的排放,减少对环境的温室效应,并且减少维修次数和降低材料浪 费。

  b.能源和可替代能源(6,7) :目前,全世界人口已超过 70 亿,许多发展中国 家、新兴国家以及技术先进的发达国家,都面临着新能源解决方案的需求。在可 再生能源,如水电、风能、燃料电池、生物燃料、生物质能、太阳能等新能源领域, 热喷涂技术都扮演的重要的角色,同时仍旧服务在传统的矿物燃料行业如煤炭、 石油和天然气。汽轮机制造商和能源供应商都已意识到能源资源的重要性,都开始 寻找低成本合作、整合技术资源的方案。

  c.生物医学(6) :医药技术能帮助人类延续生命,今后,医用植入将变得更 加普遍热喷涂技术应用将发挥更大的作用。热喷涂技术在生物医学领域的一个关键 应用是制备骨骼和组织生长的惰性表面。目前,该类涂层已用于膝关节和髋关节并 植入人体中。

  d.汽车工业(6) :政府新颁布的环境管理条例中,对汽车行驶里程明确加以 限制,迫使汽车制造商不得不寻找新的解决方案,以减少汽车的重量,提高发动 机的效率。目前是在铝制气缸应用多孔涂层。铝材有助于减轻车辆重量而涂层的 多孔性有助于减少汽缸和活塞环之间的摩擦。

  e.附加制造业(冷喷涂应用)(6,8) :除了传统热喷涂工艺方面持续改进, 冷喷涂技术在工业中的应用也有所发展。这将推动关键昂贵零部件修复应用的增 长。美国军方正在研发冷喷涂关键零部件技术规范和使用的说明书。涉及的材料包 括铝、锌铝、铝镁、铜、钛和 NiFeCr 合金等。冷喷涂在材料开发和材料制备工 艺方面有很大潜能。

  f.环境卫生和安全(6,9) :实践证明,热喷涂技术是一种更加环保、可持续 发展的科学技术。目前,超音速喷涂的碳化物涂层已代替传统电镀硬铬应用于飞 机起落架和液压杆行业。这种环保、可持续发展的应用案例对于推动市场增长十 分有利的。 工业、政府和学术界该如何推动热喷涂技术的应用与发展

  附录 3 是热喷涂的资源链接,介绍了与热喷涂行业相关的重要行业协会、研究机构、 国际会议、环境、健康和安全及惯例等相关文件。

  相关重点如下:

  1. 行业协会/学会:美国金属学会国际热喷涂协会(ASM-TSS)、德国焊接学会 (DVS)、日本热喷涂学会(JTSS)、欧洲热喷涂学会(ETSA),中国表面工程协会 热喷涂委员会(TSCC)、日本热喷涂协会(JTSA)、韩国热喷涂协会(KTSA)、国际热喷 涂协会(ITSA)、德国热喷涂协会(GTS)及其它学会和协会都致力于推动热喷涂技 术应用和技术水平提升,促进行业发展。为此,年度国际和地区大会都是由知名的 行业协会主办,如国际热喷涂大会(ITSC)就是由美国金属学会热喷涂协会(ASMTSS)及德国焊接学会(DVS)共同主办的。这一全球大会每年在亚洲、欧洲和北美 地区轮流举办。

  另外,TSS 还出版了《热喷涂技术杂志》和《热喷涂技术手册》。这 些文件资料和国际会议,如国际热喷涂大会(ITSC)及一些小型的主题活动,都极 大地促进了新兴热喷涂技术的应用和发展。 其它的一些在亚洲的组织也举办行业会议,如亚洲热喷涂大会(ATSC)涵盖了日本、 中国、韩国、印度和新加坡等国家。 欧洲热喷涂学会、中国热喷涂学会、日本热喷涂学会及韩国热喷涂学会也会举办各 类行业活动。其他行业组织,如德国的热喷涂协会(GTS)、国际热喷涂协会 (ITSA)、日本热喷涂协会(JTSA)也会举办各种行业活动来推动热喷涂的发展。

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