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等离子喷涂,火焰喷涂和超音速火焰喷涂工艺对比
浏览: 发布日期:2020-04-09
本文叙述了等离子喷涂、火焰喷涂和超音速火焰喷涂3种喷涂试验,并对获得的涂层进行了对比、分析、评价,说明了超音速火焰喷涂的优越性。
 
超音速火焰喷涂的优点
 
超音速火焰喷涂由于具有焰流速度快、焰流长、直径收缩小、粉末动能和能量密度大等特点,使其涂层呈现致密、氧化物含量和未熔颗粒少、孔隙率低、结合强度高、加工性能好、不易剥落等特性。
 
传统火焰喷涂工艺缺点
 
传统的火焰喷涂工艺以氧-乙炔火焰来熔化待喷涂的粉末,由于焰流速度慢,热量不集中,粉末在空气中飞行时间长,因而形成的涂层粗糙多孔(孔隙率多为10%~15%),氧化物和未熔颗粒多,涂层的结合硬度和结合强度(多为20~30MPa)较低而且易产生裂纹和剥落。等离子喷涂工艺以等离子弧作为热源将粉末熔化,高速喷到零件表面形成涂层,由于等离子。
 
弧温度高(弧柱中心温度可达15000~33000K),能量大,粉末粒子飞行速度快,而且采用氩气作为等离子气体、氢气作为辅助气体,又具有还原气氛,因而粉末的氧化程度低,所形成的涂层致密,孔隙率(3%~8%)和氧化物含量都很低,结合强度(40~50MPa)和硬度较高,但由于残余应力的存在,涂层不能过厚,否则会产生裂纹和剥落。此外,等离子喷涂还有一个明显的缺点,就是使用和维护费用较为昂贵。
 
20世纪80年代以来,随着超音速火焰(HighVelocityOxygenFlame,HVOF)喷涂工艺的研发,涂层的性能产生了质的飞跃。超音速喷枪的结构独特,在燃烧室的末端即咽喉部位采用了拉瓦尔曲线设计,使得燃烧室的压力增加,通过该处的焰流获得数倍于音速的速度;
 
而且采用了径向内送粉的方式,使得粉末在10~30cm的枪管内得到充分的加热和加速,虽然温度不是很高(2870℃),但由于能量集中,受热均匀,因此熔化得非常好;
 
此外,由于粉末粒子的动能大,速度快,粒子在空气中的飞行时间极短,被氧化的机会极少,再加上喷枪系统本身的温度不高
 
(2870℃),所以涂层中几乎没有氧化物,空隙率也极低(小于2%),涂层致密,剪切强度和结合强度都非常高(可达到60MPa以上),而且涂层内的残余应力几乎都是压应力,这样就使得涂层可以具有很大的厚度而不至于产生裂纹和剥落,例如316不锈钢涂层的厚度可以达到12mm。尤其是WC-Co涂层,HVOF喷涂更具优越性。
 
本课题以等离子喷涂、火焰喷涂、HVOF喷涂3种工艺分别喷涂了WC/12Co、WC/17Co、NiCrBSi3种涂层,并对涂层的各项性能进行了分析和研究。
 
热喷涂涂层的性能和微观结构与所使用的粉末有较大的关系,不同的粉末粒度、化学成分都会对涂层性能造成影响。
 
WC-Co涂层是一种典型的抗磨损涂层,WC-Co粉末有铸造/粉碎型、烧结/粉碎型、团聚/烧结型和钴包覆型4种形式。试验采用的粉末是美国TAFA公司生产的烧结/粉碎型粉末。
 
NiCrBSi自粘涂层也是一种高质量的抗摩擦磨损涂层,试验采用的是TAFA公司生产的1276NiCrBSi粉末。用GSL-100激光粒度分析仪对粉末进行粒度分析,粒度分布非常好,范围集中,90%在5×10-3~10×10-3mm之间且颗粒均匀,可以肯定,这3种粉末具有非常好的流动性。
 
热喷涂喷涂工艺
 
首先对所有的试样进行吹砂,吹砂用的磨料为白刚玉砂,压缩空气压力为0.2~0.3MPa,吹砂距离为100~120mm,吹砂后表面粗糙度为Ra3.0~3.5μm。
 
喷涂设备及参数,采用METCO6P火焰喷涂设备、METCO-7M等离子喷涂设备和JP-5000超音速火焰(HVOF)喷涂设备进行喷涂。
 
热喷涂结合强度和剪切强度试验
 
采用胶接法进行结合强度试验,试样尺寸为6.5mm×25.4mm,粘接剂为FM-1000胶,所有试样的涂层厚度均为0.25~0.30mm;剪切强度试验设备为单摆刮削磨损试验机。
 
由于在喷涂过程中具有不同机械性能的材料有着很高的温度梯度,因此在涂层中会产生残余应力,这种残余应力对涂层的性能有很大的影响,最明显的就是引起涂层裂纹和剥落,它直接限制着喷涂层的厚度。涂层的残余应力状况是评价涂层性能的一个极其重要的指标,本课题采用修正的艾尔曼(Almen)法完成对涂层的残余应力测试。
 
测试用的试片材料为65Mn,规格为120mm×15mm×1mm;采用BHP-700温度补偿应变片,规格为16mm×7mm,电阻值为120Ω,应变极限温度为700℃。
 
δ为涂层厚度,σc为涂层残余应力,正值表示拉应力,负值表示压应力。从表中可以看出,随着涂层厚度的增加,应力值也增加。对于NiCrBSi涂层来说,火焰喷涂和等离子喷涂产生的都是拉应力,而HVOF喷涂产生的是压应力。对于WC-12Co涂层来说,虽然3种喷涂方法产生的都是压应力,但HVOF喷涂产生的压应力值要远远高于另外两种喷涂方法。拉应力是造成涂层裂纹和剥落的主要原因,因此对于涂层来讲,残余应力最好是压应力,而不是拉应力。通过以上分析可以看出,HVOF喷涂涂层的性能要优于另外两种涂层。
 
热喷涂后涂层的X射线衍射分析
 
对WC-12Co粉末和3种工艺所喷涂的涂层进行了X射线衍射分析。下文以WC-12Co涂层为例进行说明,可以看出在粉末中WC相为主要相,其余的是杂质相。
 
涂层中起主要作用的是WC相,在3种工艺所喷涂的涂层中,HVOF喷涂涂层的WC含量最多,而且占大多数,等离子喷涂的次之,火焰喷涂的几乎没有WC相。WC-12Co涂层的失效可以从下列反应式中看出。
 
2WC→W2C+C,
 
W2C+O→W2(C,O),
 
W2(C,O)→2W+CO,
 
4Co+4WC+O2→2Co2W2C+2CO,
 
3Co+3WC+O2→Co3W3C+2CO,
 
12Co+12WC+5O2→2Co6W6C+10CO。
 
通过上列反应式可以看出WC-12Co涂层的失效原因,对照X射线衍射图,可以说明HVOF喷涂涂层的失效程度最低,等离子喷涂涂层次之,火焰喷涂涂层失效程度最严重。
 
根据3种粉末的不同热喷涂工艺试验以及对所得涂层进行的各项性能试验,可以得出以下结论:
 
(1)HVOF喷涂工艺与等离子、火焰喷涂工艺一样操作简单,易于控制,可重复性强;但HVOF喷涂的效率要远高于等离子喷涂和火焰喷涂。
 
(2)在涂层的抗拉结合强度和抗剪切强度方面,HVOF喷涂的最高,等离子喷涂次之,火焰喷涂最差。
 
(3)HVOF喷涂后的残余应力为压应力,这也是HVOF喷涂结合强度高的重要原因之一。
 
(4)HVOF喷涂涂层中主要成分的失效最少,与粉末相比几乎没有多大变化,而等离子喷涂和火焰喷涂涂层成分失效较多,因此HVOF喷涂涂层的各项性能优于等离子喷涂层和火焰喷涂层。HVOF喷涂最能反映粉末的原始设计性能。
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