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            噴涂材料

            金海萊德熱噴涂工程技術

            超音速噴涂粉末

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            超音速噴涂粉末

            更新時間:2018-08-02 09:18:51點擊次數:1159次
            熱噴涂技術之未來趨勢--超音速噴涂技術? ? 

            表面處理技術;熱噴涂技術;超音速噴涂;?超音速火焰噴涂;超音速等離子噴涂;超音速電弧噴涂;冷噴涂?? 
            1.1?熱噴涂技術概況? 
                眾所周知,?除少數貴金屬外,金屬材料會與周圍介質發生化學反應和電化學反應而遭受腐蝕。?此外,金屬表面受各種機械作用而引起的磨損也極為嚴重。大量的金屬構件因腐蝕和磨損而失效,?造成極大的浪費和損失。?據一些工業發達國家統計,?每年鋼材因腐蝕和磨損而造成的損失約占鋼材總產量的10?%,?損失金額約占國民經濟總產值的2?-?4?%。?如果將因金屬腐蝕和磨損而造成的停工、停產和相應引起的工傷、失火、爆炸事故等損失統計在內的話,?其數值更加驚人。?因此,發展金屬表面防護和強化技術,?是各國普遍關心的重大課題。隨著尖端科學和現代工業的發展,各工業部門越來越多地要求機械設備能在高參數(高溫、高壓、高速度和高度自動化)和惡劣的工況條件(如嚴重的磨損和腐蝕)下長期穩定的運行。因此,對材料的性能也提出更高要求。?采用高性能的高級材料制造整體設備及零件以獲得表面防護和強化的效果,?顯然是不經濟的,有時甚至是不可能的。所以,?研究和發展材料的表面處理技術就具有重大的技術和經濟意義。而表面處理技術也在這種需求的推動下獲得了飛速的發展和提高。? 熱噴涂技術是表面防護和強化的技術之一,?是表面工程中一門重要的學科。?所謂熱噴涂,?就是利用某種熱源,?如電弧、等離子弧、燃燒火焰等將粉末狀或絲狀的金屬和非金屬涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態,?然后借助焰流本身的動力或外加的高速氣流霧化并以一定的速度噴射到經過預處理的基體材料表面,?與基體材料結合而形成具有各種功能的表面覆蓋涂層的一種技術。近年來,熱噴涂技術在國民經濟建設中所發揮的重大作用,越來越引起人們重視。它作為表面技術一個重要組成部分,在我國國家“六五”至“九五”連續四個五年計劃重點推廣應用中取得了顯著成績,獲得了重大經濟效益。目前,無論在設備、材料、工藝、科研等方面都在迅速發展與提高。從2006年10月在寧波舉行的“第十五屆全國熱噴涂技術經驗交流會”上國內外專家的專題報告以及宣讀的論文中可以看出,我國熱噴涂技術近期發展的概況及特點是:設備方面(噴槍)向高能、高速度方向發展;材料方面向系列化、標準化、商品化方向發展,以保證多功能高質量涂層的需要;工藝方面向機械化、自動化方向發展。?? 
            1.2?熱噴涂設備
               雖然因熱噴涂的方法不同其設備也各有差異,?但依據熱噴涂技術的原理,其設備都主要由噴槍、熱源、涂層材料供給裝置以及控制系統和冷卻系統組成。下圖為熱噴涂的設備配置圖。
            圖一?熱噴涂設備配置圖?? 
            1.3?熱噴涂材料? 
               目前實際應用中已實現工業化生產的噴涂材料有金屬、合金和陶瓷等,?主要以粉末、絲材、棒材狀態使用,?其中噴涂粉末占噴涂材料總用量的70?%以上。?用作涂層的材料有:
             1.3.1?熱噴涂用粉末? 純金屬粉末:?W,Mo,Al,Cu,Ni,Ti,Ta,Nb?等。? 合金粉末:?Al-Ni,Ni-Cr,Ti-Ni,Ni-Cr-Al,Co-Cr-W,MCrAlY(M=Co、Ni、Fe),Co?基、Ni?基、Fe?基自熔合金等。? 氧化物陶瓷粉末:?Al2O3,ZrO2,Cr2O3,TiO2?等。?碳化物粉末:?WC,TiC,Cr3C2?等。? 金屬陶瓷粉末:?WC-Co,Cr3C2-NiCr?等。?塑料粉末:?尼龍,?聚乙烯,聚苯硫醚等。
             1.3.2?熱噴涂用絲材? Al、Cu,Zn,Al-Zn?合金,巴氏合金,不銹鋼,Ni-Al?絲等。
             1.3.3?熱噴涂用棒材? Al2O3,Cr2O3,ZrO2?等。??? 
            1.4?熱噴涂工藝流程?熱噴工藝過程如下:
              工件表面預處理?→?工件預熱?→?噴涂?→?涂層后處理
             1.4.1?表面預處理? 為了使涂層與基體材料很好地結合,基材表面必須清潔及粗糙,?凈化和粗化表面的方法很多,?方法的選擇要根據涂層的設計要求及基材的材質、形狀、厚薄、表面原始狀況以及施工條件等因素而定。? 凈化處理的目的是除去工件表面的所有污垢,如氧化皮、油漬、油漆及其他污物,?關鍵是除去工件表面和滲入其中的油脂。?凈化處理的方法有,?溶劑清洗法、蒸汽清洗法、堿洗法及加熱脫脂法等。粗化處理的目的是增加涂層與基材間的接觸面,?增大涂層與基材的機械咬合力,?使凈化處理過的表面更加活化,以提高涂層與基材的結合強度。?同時基材表面粗化還改變涂層中的殘余應力分布,對提高涂層的結合強度也是有利的。粗化處理的方法有噴砂、機械加工法(如車螺紋、滾花)、電拉毛等。? 其中噴砂處理是最常用的粗化處理方法,常用的噴砂介質有氧化鋁、碳化硅和冷硬鑄鐵等。噴砂時,噴砂介質的種類和粒度、噴砂時風壓的大小等條件必須根據工件材質的硬度、工件的形狀和尺寸等進行合理的選擇。對于各種金屬基體,推薦采用的砂粒粒度約為16-60?號砂,粗砂用于堅固件和重型件的噴砂,噴砂壓力為0.5-0.7Mpa,薄工件易于變形,噴砂壓力為0.3-0.4Mpa。特別值得注意的一點是,用于噴砂的壓縮空氣一定要是無水無油的,否則會嚴重影響涂層的質量。噴涂前工件表面的粗化程度對大多數金屬材料來說2.5-13?μmRa?就夠了。隨著表面粗糙度的增加涂層與基體材料的結合增強,但是當表面粗糙度超過10μmRa?后,涂層結合強度的提高程度便會減低。? 對于一些與基材粘結不好的涂層材料,?還應選擇一種與基體材料粘結好的材料噴涂一層過渡層,稱為粘結底層,常用作粘結底層的材料有Mo、NiAl、NiCr?及鋁青銅等。粘結底層的厚度一般為0.08-0.18μm。
             1.4.2?預熱
            預熱的目的是為了消除工件表面的水分和濕氣,?提高噴涂粒子與工件接觸時的界面溫度,?以提高涂層與基體的結合強度;減少因基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的應力而導致的涂層開裂。?預熱溫度取決于工件的大小、形狀和材質,以及基材和涂層材料的熱膨脹系數等因素,一般情況下預熱溫度控制在60?-?120?℃之間。
             1.4.3?噴涂
            采用何種噴涂方法進行噴涂主要取決于選用的噴涂材料、工件的工況及對涂層質量的要求。例如,如果是陶瓷涂層,則最好選用等離子噴涂;如果是碳化物金屬陶瓷涂層則最好采用高速火焰噴涂;若是噴涂塑料則只能采用火焰噴涂;而若要在戶外進行大面積防腐工程的噴涂的話,那就非靈活高效的電弧噴涂或絲材火焰噴涂莫屬了??傊?,噴涂方法的選擇一般來說是多樣的,但對某種應用來說總有一種方法是最好的。預處理好的工件要在盡可能短的時間內進行噴涂,噴涂參數要根據涂層材料、噴槍性能和工件的具體情況而定,?優化的噴涂條件可以提高噴涂效率、并獲得致密度高、結合強度高的高質量涂層。
             1.4.4?涂層后處理
            噴涂所得涂層有時不能直接使用,?必須進行一系列的后處理。用于防腐蝕的涂層,為了防止腐蝕介質透過涂層的孔隙到達基材引起基材的腐蝕,必須對涂層進行封孔處理。?用作封孔劑的材料很多,有石臘、環氧樹脂、硅樹脂等有機材料及氧化物等無機材料,?如何選擇合適的封孔劑,?要根據工件的工作介質、環境、溫度及成本等多種因素進行考慮。?對于承受高應力載荷或沖擊磨損的工件,為了提高涂層的結合強度,要對噴涂層進行重熔處理(如火焰重熔、感應重熔、激光重熔以及熱等靜壓等),?使多孔的且與基體僅以機械結合的涂層變為與基材呈冶金結合的致密涂層。有尺寸精度要求的,要對涂層進行機械加工。?由于噴涂涂層具有與一般的金屬及陶瓷材料不同的特點,?如涂層有微孔,不利于散熱;涂層本身的強度較低,不能承受很大的切削力;涂層中有很多硬的質點,對刀具的磨損很快等,因而形成了噴涂涂層不同于一般材料的難于加工的特點。所以必須選用合理的加工方法和相應的工藝參數才能保證噴涂層機械加工的順利進行和保證達到所要求的尺寸精度。?? 
            1.5?熱噴涂技術的特點
               從熱噴涂技術的原理及工藝過程分析,熱噴涂技術具有以下一些特點。
              (1).?由于熱源的溫度范圍很寬,因而可噴涂的涂層材料幾乎包括所有固態工程材料,如金屬、合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料以及由它們組成的復合物等。因而能賦予基體以各種功能(如耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、絕緣、隔熱、生物相容、紅外吸收等)的表面。?    (2).?噴涂過程中基體表面受熱的程度較小而且可以控制,因此可以在各種材料上進行噴涂(如金屬、陶瓷、玻璃、布疋、紙張、塑料等),并且對基材的組織和性能幾乎沒有影響,工件變形也小。
            (3).設備簡單、操作靈活,?既可對大型構件進行大面積噴涂,也可在指定的局部進行噴涂;既可在工廠室內進行噴涂也可在室外現場進行施工。
            (4).噴涂操作的程序較少,施工時間較短,效率高,比較經濟。隨著熱噴涂應用要求的提高和領域的擴大,?特別是噴涂技術本身的進步,如噴涂設備的日益高能和精良,涂層材料品種的逐漸增多、性能逐漸提高,?熱噴涂技術近十年來獲得了飛速的發展,?不但應用領域大為擴展,?而且該技術已由早期的制備一般的防護涂層發展到制備各種功能涂層;由單個工件的維修發展到大批的產品制造;由單一的涂層制備發展到包括產品失效分析、表面預處理、?涂層材料和設備的研制、選擇,涂層系統設計和涂層后加工在內的噴涂系統工程;成為材料表面科學領域中一個十分活躍的學科。并且在現代工業中逐漸形成象鑄、鍛、焊和熱處理那樣的獨立的材料加工技術。成為工業部門節約貴重材料、節約能源、提高產品質量、延長產品使用壽命、降低成本、提高工效的重要的工藝手段,在國民經濟的各個領域內得到越來越廣泛的應用。? 總體上來說,熱噴涂技術正朝著高能高速噴涂的方向發展,?并且超音速噴涂已成為一些發達國家競相研究的熱點,?并形成了超音速火焰噴涂、超音速等離子噴涂、超音速電弧噴涂及冷噴涂等幾種重要技術。
            2.1?超音速噴涂技術發展概況
            超音速火焰噴涂包括超音速氧氣火焰噴涂(HVO?F:?High?Velocity?O?xy-Fuel)?和超音速空氣火焰噴涂(HVA?F:?H?igh?Velocity?A?ir2Fuel)?兩種。該技術及設備在上世紀80?年代初期首先由美國SKS?公司的B?row?n?ing.?J.?A?公司研制成功,?至今已經歷了3?個發展階段。第一代的HVO?F?噴涂系統以“JET?2KO?TE”為代表,?第二代超音速火焰噴涂系統以1989年出現的Top-Gun,?D?iamond-Jet?和CDS?(Continuous?Detonation?Spray?gun)?為代表,?第三代超音速火焰噴涂系統以JP25000?噴涂系統為代表。第一、二代設備的功率偏小,?粒子速度偏低,?涂層的整體性能不夠理想。第三代在設計上有了較大改進,?使粒子飛行速度大幅度提高,涂層質量顯著改善。國內西安交通大學在這方面開展的研究較多。由于HVOF系統使用氣體燃料和氧氣助燃劑,?故生產成本很高。例如JP25000,?典型工藝參數需氧氣流量為0.?9438?m?3?m?in,?每瓶氧氣只能維持5~?6?min。為此,?美國、英國、日本等國又研制了HVAF系統,?使用壓縮空氣代替價格昂貴的純氧氣做助燃氣體,?且噴槍采用氣冷方式。除了大幅度降低成本外,?噴涂溫度可以控制在較低范圍內,?是熱噴涂技術上的一項革新。沈陽工業大學、裝甲兵工程學院均已研制成功了自己的HVAF系統。?超音速等離子噴涂技術采用非轉移型等離子弧與高速氣流混合時出現的“擴展弧”得到穩定聚集的超音速等離子焰流。它保留了普通空氣等離子噴涂的優點,?而且噴涂速度有顯著提高。1986?年美國B?rowning??Eingeering?公司推出了第一臺超音速等離子噴槍Plaz-Jet;?隨后超音速等離子噴涂的發展主要集中在噴槍射流速度的提高和送粉方式的改良方面。我國已經研制成功了超音速等離子噴涂系統的核心部件——高效能超音速等離子噴槍(HEPJ:?High?Eff?iciency?P?laz-Jet)。電弧噴涂技術具有設備簡單、生產率高、能耗低等優點,?因其適合我國國情而在我國得到了長足的發展。上世紀90?年代以來,?第二炮兵工程學院和裝甲兵工程學院的科研人員成功研制出超音速電弧噴涂技術(HVA?S:?H?igh?Velocity?A?rc?Spray)?,?粒子速度大大超過了普通電弧噴涂的水平,?達到了385.?7?m??s,?而且設備結構簡單,?易于操作,?與普通電弧噴槍具有互換性,涂層結合強度和噴涂沉積效率明顯提高。美國U?nique?Coat?公司也研制生產了SB50?型等超音速活性電弧噴涂設備。
              1. 冷噴涂全名冷空氣動力噴涂法(CGDS:?Cold?Gas?Dynamic?Spray)
               是一種以高速(500~200?m?/s)?小顆粒(1~?50?ǖm)?氣流撞擊金屬或絕緣基體表面,?在整個過程中粒子沒有熔化,?保持固體狀態,?粒子發生純塑性變形聚合形成涂層。冷噴涂于20?世紀80?年代中期,在俄羅斯科學院理論及應用力學研究所最早開發,?近年來受到廣泛關注,?并在俄國、美國、德國等國家得到了快速發展。大連理工大學等單位也在進行該技術的研究,?不過還處于機理研究和探索階段。
            2.?超音速噴涂技術原理
             ? 現有設備中,?熱源有火焰、等離子、電弧等幾種,?工作氣體(或工作液體)?也有所不同,?但均采用L?aval?噴嘴或等截面噴嘴兩種方式獲得超音速。如超音速火焰噴涂是利用可燃氣(如氫氣、丙烷或丙烯)?或液體燃料(如航空煤油)?等與氧氣混合,?在燃燒室點燃,?劇烈膨脹的氣體受噴嘴的約束形成超音速高溫火焰流,?粉末沿燃燒室軸心由惰性氣體(如氮氣)?送入,受到加熱與加速而噴出。超音速等離子噴涂是借助氬氣和氮氣通過L?aval?噴嘴產生擴展型等離子弧,?再利用擴展弧來加熱氣體得到超音速等離子射流同時有效地加溫加熱噴涂粉末。超音速電弧噴涂則是利用丙烷等燃氣與壓縮空氣燃燒產生焰流,?并且燃氣被調節成過量,?使焰流具有一定的還原性。冷噴涂技術基于加壓的預熱氣流、漸縮放的噴嘴和加壓的粉末送料器,?產生細的高度聚焦的噴涂氣流;?氣體壓力越高,?粒子速度越大。
             ? 焰流是否達到超音速可通過觀察火焰中是否存在馬赫錐來判斷。當焰流達到超音速時,焰流的速度可以達到2~?5?馬赫。將粉末沿軸向或徑向送進焰流中,?即可實現噴涂。
               在燃燒過程中產生的能量將用來加熱和加速焰流及粉末。氣流的速度與氣體的成分、壓力、流量、溫度、密度以及噴槍噴嘴的通徑等有關。L?aval?噴嘴是按流體動力學的原理設計的。噴嘴的流道是由細的喉管和逐漸加粗到某一尺寸的錐形管組成,?在瑞利流和范諾流效應下,L?aval?噴嘴在噴嘴內部焰流達到阻塞狀態,從而在出口處獲得超音速射流,?當亞音速氣流進入L?aval噴嘴的收縮段后,由于過流斷面積逐漸減小,?氣流膨脹加速到噴嘴喉部,壓力值下降到臨界壓強值:
             ?P?=?P?0?[2k?+?1]?kk?-?1
            對于空氣,?k=?14,則P?=?0.?528P?0,?此時焰速達到音速,氣體流量達最大值,此氣流在其后的擴張管內的流動將會是繼續減壓增速,?因而在噴嘴出口處可獲得超音速焰流。其速度由可壓縮流體力學公式計算:
              V?=
             ?當P?0?達到一定值后,按噴嘴入口和出口的壓力,存在一個能夠獲得超音速焰流的合理的噴嘴形狀,?燃氣通過噴嘴后就可獲得超音速流。而且,?隨著P?0?的增大,噴嘴出口處氣流的速度增高。
            但對于等截面噴嘴的噴槍,?是在噴嘴出口處達到阻塞狀態,?在噴嘴可以得到的最大焰流速度為當地音速。理想氣體的當地超音速C?定義為:
              C?=?K?R?T?(1)
            其中:?K?為氣體的比熱比,?R?為氣體常數,?T?為當地溫度。當地馬赫數M?定義為當地氣流速度V?與當地音速C?之比:
             ?M?=?V??C?(2)
            馬赫數M?=?1?的狀態為臨界狀態,?此時,?流動狀態被稱為阻塞,?對于等截面噴管,?噴槍出口處焰流速度達到最大,?等于當地音速。因為,?對于流過等截面噴管的焰流,?對焰流的加熱(瑞利流:?Reyleigh?f?low?)?和摩擦(范諾流:?Fanno?f?low?)?都將增加焰流的速度和馬赫數。當焰流達到阻塞狀態時,?在自由射流中將產生膨脹波和壓縮波,?這兩種波相交將在射流中產生明亮的馬赫錐。錐角的一半稱為馬赫角,?馬赫角的正弦與馬赫數成正比。
              根據馬赫角的大小就可以確定馬赫數,?再由(1)?式和(2)?式即可得出焰流的速度V?。
            3?超音速噴槍的結構特點
             ? 較先進的HVOF系統如JP25000,?使用安全的液體燃料、高壓噴涂、吸入式送粉,?設備熱效率高。氧氣和液體燃料被送進噴槍后部的燃燒室,?并用火花塞點燃。粉末沿徑向并從雙孔加入內噴嘴喉管后的過度膨脹負壓區,?從而不需要高壓送粉系統。
             ? 現有超音速火焰噴涂系統之間結構上的主要差別在于:?冷卻方式:?空氣冷卻和水冷卻;?送粉方式:?軸向送粉和徑向送粉;?燃料種類:?氣體燃料(包括丙烯、丙烷、氫氣或乙炔)?和液體燃料(包括煤油、酒精、汽油等)?;?噴嘴結構:?L?aval?噴嘴及等截面長噴管結構。
             ? HVA?F?噴槍的結構原理與HVO?F?相近,?只是在燃氣霧化后采用空氣取代氧氣與之混合助燃,?燃燒室設計上要求燃燒的完善程度盡可能高、燃燒穩定性好、點火容易可靠。所以一般采用最常用的圓筒型燃燒室并使燃油通過很細的噴嘴有效霧化;?燃燒室外壁預熱空?氣時同時冷卻燃燒室。
             ? 裝甲兵工程學院自行研制的空氣超音速火焰噴槍采用圓筒形燃燒室,?中心送粉、空氣冷卻方式,?結構簡單;?使用液體燃料和壓縮空氣助燃,?焰流溫度較低,?但粒子飛行速度高,?可有效抑制涂層材料的相變、氧化和分解。
             ? HEPJ?設備中等離子體發生器是其關鍵部件之一。由噴槍后槍體輸入主氣(氬氣)?和大流量的次級氣(氮氣)?,?經氣體旋流環作用,?通過拉伐爾管型的二次噴嘴射出。而同時鎢極接負極,?引弧時一次噴嘴接正極,在主氣中經高頻引弧,?正極接二次噴嘴,?即在二次噴嘴內壁間產生電弧,?在旋轉的次級氣強烈作用下,?電弧被壓縮在噴嘴中心并被拉長至噴嘴外緣,?形成弧壓高達幾百伏的擴展型等離子弧,?大功率的擴展弧有效地加熱氣體,?從噴嘴中射出穩定集聚的超音速等離子射流,送入的噴涂粉末被有效地升溫加速,?撞擊工件形成涂層。
             ? HVAA?是一種新發展的電弧噴涂技術,?它是在普通壓縮空氣氣流的基礎上,?加入丙烷或者丙稀等燃氣,與壓縮空氣混合燃燒產生焰流,?并且燃氣被調節成過量,?使焰流具有一定的還原性。由于燃燒產生的加速作用,?最終的焰流速度可高達2?馬赫以上。同時燃燒于絲材端部的電弧將均勻送進的絲材熔化,?經超音速火焰氣流將熔化的絲材霧化為粒度細小、分布均勻的粒子,通過噴嘴,?噴向基體表面形成涂層。
             ? CGDS?技術中,?經低溫預熱的高壓氣體通過縮放噴管產生超音速氣體射流,?將噴涂粒子從軸向送入氣體射流中加速,?以固態的形式撞擊基體形成涂層。通常的冷噴涂將高壓氣流分為兩部分:?一部分經電阻加熱后進入噴管;?另一部分加熱后攜帶顆粒進入噴管,?在噴管中定位并加速后噴向基體并堆積形成涂層。冷噴涂技術的工作氣體一般為He?和N?2,?而He?比N?2?的加速效果更好。
              4?超音速噴涂的工藝控制
             ? 超音速噴涂主要是依靠大幅度提高噴涂顆粒的速度來獲得高質量的涂層,?即:?高的燃燒室壓力→高的燃流速度→高的顆粒飛行速度→高的涂層質量。涂層性能與氣流的速度和溫度有關,?但目前研究結論趨向于認為:?粒子的速度或動能對涂層質量的貢獻更大。由動量定理可知,?粒子速度越高,?動量越大,?沉積時的沖量越大;?粒子速度越高,?粒子對基體的撞擊作用越強,?粒子變形越充分,?使涂層中顆粒之間的連接更加緊密,?從而減小了涂層孔隙率,?增大了涂層的結合強度。因此,?新一代超音速噴涂系統的設計都是將溫度定位在某一區間內,?將速度的提高作為結構優化的主要目標函數。按照噴涂過程中粒子的加熱形式可以分為熱噴涂、溫噴涂和冷噴涂三個區間。
             ? 在HVO?F?噴涂中可控工藝參數有:?噴嘴長度,?噴涂距離,?氧氣流量及壓力,?燃料流量及壓力,?送粉氣體流量及壓力,?壓縮空氣壓力,?冷卻水流量,?噴槍移動距離。大多數噴槍采用圓筒型燃燒室,?壓力為0.?4~?0.?5M?Pa,?主要由噴槍結構和燃料與空氣流量比決定。燃燒火焰溫度2?700~?3?000℃,?焰流速度可達1?500m?/s?以上,?粒子速度400~?800?m?/?s。HVOF在噴涂金屬陶瓷材料過程中能有效地抑制碳化物等硬質相的分解,?涂層質量優越,?結合強度可高達70?M?Pa?以上,?孔隙率低,?約為1%?左右。
             ? HVA?F?技術的特點就是將噴涂粉末加熱到它們的熔點以下同時加速到700?m?/s?以上,?在熱退化影響最低的前提下,?形成致密、幾乎不含氧化物的高質量涂層。其工藝特點是通過在高熱氣體中加入適量水,?使粒子溫度控制在800~?1?500℃,?從而使粒子溫度填補了HVO?F?工藝到冷噴工藝中間的空白溫度區,?因此也可以稱為溫噴涂。其水流量可調,?使粒子盡量不熔化,但比在冷噴條件下的延展性好。
             ? 超音速等離子噴涂中通過氣體的旋流穩定作用與收縮作用得到穩定集聚的高熱焓、超高速等離子體焰流,?其弧壓高達200~?400?V?,?電流400~?500?A?,?噴嘴噴射出的等離子射流溫度達到2?500℃以上,?焰流速度超過3?600?m??s,?噴涂顆粒速度可達500?m??s?以上。而且工藝參數可通過噴涂功率、工作電壓、工作電流、主氣(A?r)、次氣(N?2)?的壓力和流量、噴涂距離等加以控制。超音速等離子弧噴涂功率高,?氣流量大,?速度極高,?具有極高的噴涂效率,?而且等離子弧不發散,?熱焓高,?使涂層質量明顯優于一般等離子噴涂,?與爆炸噴涂和超音速火焰噴涂相近,?而且非常適用于高熔點陶瓷材料的噴涂。
             ? 超音速電弧噴涂與火焰噴涂相比,?其特點是:?熱效率高,?生產效率高,?噴涂成本低,?操作簡單,?易于現場操作。超音速電弧噴涂需要控制的工藝參數有:?噴涂電壓,?噴涂電流,?空氣壓力,?燃氣壓力。相對傳統電弧噴涂,?由于超音速氣流的霧化、加速作用,?粒子細小、均勻?而且速度高,?從而提高了涂層的結合強度和內聚強度,并降低了涂層孔隙率;?同時粒子在空中停留時間短,?涂層氧化物含量低。
             ? 冷噴涂時,?粒子始終保持固體狀態并通過純塑性變形聚合形成涂層。因此,?粒子是形成涂層還是對基體產生噴丸或沖蝕作用,?取決于粒子撞擊前的速度。一般情況下,?粒子噴涂速度以500?m??s?為界限,?只有大于500?m?/s?才能形成噴涂層,如下圖。因此,?實現噴涂粒子的高速是冷噴涂技術的關鍵。在噴管的幾何形狀確定后,?影響噴涂粒子飛行速度的主要因素有:?工作氣體種類、工作氣體壓力和預熱溫度及粒子的大小與密度等
               在冷噴涂過程中,?氣體溫度約為800℃,?粒子速度可達1?000?m?/s?以上。使傳統熱噴涂方法中的有害影響,?如高溫氧化、蒸發、溶解、結晶、殘余應力、剝離、氣體釋放等,?均可減到最小甚至消除。但這一技術目前存在孔隙率高,?對噴涂粒子尺寸范圍要求嚴格等缺點,?而?且應用范圍較窄、耗能大、不易實現與其它噴涂的對接。隨著冷噴涂技術的不斷改進與完善,?噴涂層的質量將不斷得到提高。
              5?超音速噴涂技術的最新應用及展望
              ? 超音速噴涂已經成為熱噴涂技術的主流發展方向,?目前在國外已經滲透到各種領域:?石油化工、機械、印刷、航空、冶金、電力、塑料等工業部門。特別是在高科技領域,?超音速噴涂的高質量涂層能滿足航天、航空、原子能等尖端領域對材料的苛刻要求。美國已采用HVO?F?逐步取代常規等離子噴涂修復飛機渦輪發動機部件,?既降低了成本,?又改善了涂層的耐磨蝕性能。固體顆粒磨蝕所造成的汽輪機中固定和旋轉部件的磨損是水力、電力行業面臨的一個耗資巨大的難題。國外已有采用HVO?F?和HEPJ?技術解決水力、電力行業過流部件磨蝕問題的廣泛報道。HVAA?由于其成本低廉,?效益顯著,?在國內防腐工程上已有較廣泛地應用。
              ? 近年來,?超音速噴涂制備納米結構涂層成為目前表面工程領域的一個研究熱點。納米結構材料作為涂層材料可望解決傳統涂層材料提高涂層硬度要以犧牲其韌性為代價、造成脆性增加、結果導致涂層與基體的匹配性與結合性下降、涂層易開裂、硬質相易脫落等問題,?從而進一步提高涂層的綜合使用性能。
              ? 較系統的對比研究表明,?HVO?F?噴涂納米Cr3C2225?(N?i20Cr)? 涂層的硬度指標已經提高到了一個新的水平,?硬度大于1?000?HV?,?HVO?F?納米316?不銹鋼涂層的顯微硬度比普通316不銹鋼粉末的HVO?F?涂層有顯著提高;?HVO?F?納米Inconel?718?鎳基高溫合金涂層呈現出優良的熱穩定性;?采用超音速等離子噴涂技術的A?l2O?32T?iO?2?納米結構涂層,?結合強度達31.?2M?Pa,?顯微硬度1221?HV?0.?2,?遠高于常規A?l2O?3-T?iO?2?涂層的顯微硬度(約700?HV?);?采用冷噴涂技術制備的T?iO?2?納米涂層,?基本保持了噴涂前材料的特性;?采用冷噴涂技術制備了純鈦納米涂層,?加入羥基磷灰石(HA?)?制備了HA??T?i?復合涂層,?有望在生物醫用材料中得到應用。
              ? 隨著納米結構涂層研究的不斷深入,?對噴涂技術提出了越來越高的要求。由于超音速空氣火焰噴涂和冷噴涂技術具有噴涂溫度較低但粒子飛行速度極高的特點,?從而可使噴涂粒子的氧化、燒結及長大等傾向降低至最低水平,?因而特別適合對溫度敏感的納米涂層的研究,可望成為制備納米結構涂層的理想方法。
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