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陶瓷涂层材料及其应用

2016-7-14 21:04:00      点击:
摘要:本文扼要地介绍陶瓷涂层材料及成型工艺方法。以热喷涂技术为主要成型工艺,概括性地介绍了高性能陶瓷涂层£宇航、航空及基础工业应用的部分实例,对陶瓷涂层材料的应用前景予以展望。
关键词:陶瓷涂层》热喷涂》等离子喷涂中图分类号:TB3 文献标识码:A
1高性能陶瓷涂层的出现
现代科学技术,特别是宇航、航空、电子及军工等尖端科学技术髙速发展对材料提出新的要求,尤其是宇航工业对材料的要求更为苛刻。首先是要求材料性能稳定,同时具有重量轻、耐高温、耐冲刷、抗辐射等综合的优良性能。高性能陶瓷涂层由此应运而生。
陶瓷涂层是在传统的陶瓷材料基础上发展起来的新型复合材料,它即保持了传统陶瓷材料的耐高温、抗磨损、耐腐蚀等优点,同时保持了基体材料的结构强度,由于陶瓷涂层的厚度通常都在一毫米之内,大大地减少了零件的消极重量,其抗热冲击性能优于整体陶瓷。
上世纪五十年代等离子喷涂技术在工业上的应用以及后来在火焰喷涂技术上发展起来的高速氧燃料喷涂技术(HVOF),为陶瓷涂层的成型提供了良好的工艺方法。
2陶瓷涂层的分类
陶瓷涂层按材料的化学成分,主要有:氧化物、碳化物、氮化物、硼化物陶瓷等。
氧化物陶瓷种类繁多,最常用的涂层材料有Ai2o3;Ti〇2;Zr02;Cr2〇3;Si02;MgO;BeO;Y203;Al203.Si02;MgO.Zr02等。
碳化物陶瓷主要有:SiC;WC;B4C;TiC等。
氮化物陶瓷主要有:Si3N4iTiN;BN;AlN等。
硼化物陶瓷应用并不广泛,常用的有:TiB;ZrB2等。

图(1)氧化铝陶瓷涂层,起到耐磨绝缘作用
3陶瓷涂层的成型方法
陶瓷涂层主要的成型方法有以下几种:
3.1湿化学法:主要有溶胶-凝胶法;化学镀及化学复合镀等。
3.2气相沉积法:主要有物理气相沉积(PVD);化学气相沉积(CVD)。
3.3固相沉积法;主要有自蔓延高温合成法;搪瓷涂层。
3.4热喷涂法〜.•主要包括等离子喷涂;火焰喷涂等。以上四种陶瓷涂层的成型工艺中,热喷涂法约占陶瓷涂层市场份额的50%以上。
4热喷涂陶瓷涂层的工业应用
热喷涂技术生产陶瓷涂层在各行业中都有成功的实例,这里仅以宇航、航空及某些基础工业中的部分应用做一简要的介绍。
4.1在宇航工业的应用
宇航工业中的零部件比陆基的零部件对材料的要求更为苛刻,性能稳定可靠,重量轻,高性能陶瓷涂层在液体火箭发动机的推力室,短时间固体火箭发动机的尾喷管有效的解决了高温冲刷和隔热问题。作为热障涂层和温控涂层成功地应用于人造卫星和宇宙飞船的某些零部件。导弹姿态控制的燃气阀芯组件、尾翼及蒙皮均采用陶瓷涂层来解决隔热和抗冲刷的难题,

 图(2)是采用热喷涂成型的固体火箭发动机喷管。
4.2在航空工业的应用
为了提高航空发动机的使用寿命,早在二十世纪七十年代,美国惠普公司生产的JD8发动机就使用了48种涂层材料,用在2800多个零部件上,有效地延长了发动机的大修期(从4000h延长至16000h以上)。热障涂层是现代航空发动机的关键技术之一,航空发动机的热端部件如火焰筒、加力燃烧室、涡轮叶片等通常采用等离子喷涂Al2〇3、Zr02或多层金属陶瓷复合涂层,

 图(3)是涡轮叶片喷涂Zr02涂层照片
4.3在基础工业的应用
4.3.1在电力工业方面的应用
火力发电站中煤粉机锅炉的送风机和引风机叶片采用等离子喷涂WC/Co金属陶瓷涂层,降低了风机叶片在高速粉尘环境下的磨损。比原来未加涂层的叶片的使用寿命提高了4倍以上。
大型水利枢纽工程的液压启闭机中的活塞杆,即要承受启闭闸门时重载下往复滑动的磨损,还要耐潮湿水气的腐蚀。传统的镀铬活塞杆使用一段时间后出现漏油,甚至卡死现象,直接影响到闸门的启闭和定位。有关资料报道:德国HUNGER公司研制的陶瓷涂层活塞杆,有效地解决了上述问题。其活塞杆直径1米,单件质量达15吨,是传统镀铬件典型的替代品。
4.3.2在石油化工方面的应用
往复泵是石油化工行业广泛应用的机械。通过柱塞的往复运动传输液体介质,等离子喷涂的陶瓷涂层柱塞的应用实例很多,通常选用Cr203;Al203或Al203Ti02陶瓷涂层。如石油勘探中的泥浆泵柱塞,化纤生产的C型泵及二氧化钛泵柱塞等。.

图(4)是陶瓷涂层柱塞照片
为了防止被输送的液体介质的泄漏,机械动密封环和轴套采用喷涂陶瓷涂层的零件,在端面密封方面已广泛应用于石油、化纤、化肥生产中。球阀是用于输送髙温高压并含有固体颗粒和腐蚀性浆料的关键部件之一。对于密封性要求相当严格,采用等离子喷涂Cr2〇3或HVOF喷涂WC/C〇涂层有效地解决了这个难题,其使用寿命提高约10倍。
4.3,3在冶金工业方面的应用
钢板连续退火炉的托辊,采用等离子喷涂Al203+25%
Zr02复合涂层,比原高温合金和石墨辊的使用寿命提高6〜8倍。

热浸镀锌用的沉没辊采用HVOF喷涂金属陶瓷涂层,具有优异的耐熔融锌的腐蚀和良好的耐磨性,这种新型的沉没辊使用寿命达一个月,比原用的沉没辊的寿命提高2倍以上。


图(5)节能陶瓷涂层,可以节能50%以上。

热浸镀铝用的沉没辊曾是热浸镀铝的技术关键,采用等离子喷涂尖晶石涂层,用水玻璃封孔处理,使用寿命显著提高,可使用15天以上。
4.3.4在汽车和内燃机方面的应用
为了降低汽车燃油消耗,提高发动机的效率,在汽车和内燃机的气缸、气缸盖(底部)和活塞的顶部采用等离子喷涂Zr02热障涂层已逐步向实用化方向发展。
为了控制汽车尾气对环境的污染,国外已广泛应用氧传感器,这种氧传感器中的陶瓷探针就是用等离子喷涂尖晶石涂层或Zr()2涂层材料制成的。
4.3.5在轻纺工业中的应用
为了克服纱线和化纤对纺机零件的磨损,轻纺工业中大量零件采用陶瓷涂层如:罗拉、喂人轮、槽辊、摩擦片等。通常采用等离子喷涂A1203Ti02或Cr203涂层。
4.3.6在印刷和包装行业的应用
在印刷行业中的墨斗辊、胶印辊,采用等离子喷涂Cr2〇3陶瓷涂层,铸铁印刷辊采用A1203.Ti02涂层,聚乙烯等塑料薄膜印刷用的电晕辊采用等离子喷涂A1203涂层作为绝缘涂层,在包装行业中的瓦愣辊采用等离子喷涂Cr203陶瓷涂层。

5结语
陶瓷涂层是具有较大发展空间的新型复合材料。发达国家已形成“陶瓷涂层工业'要想使陶瓷涂层技术得到更大的发展,还有些技术上的难题要认真解决。如涂层设计、涂层的结合强度,特别是降低涂层的成本等问题。以热喷涂
为例,国内大部分企业规模都比较小,受设备条件的限制,发展速度较慢,由于检测手段不全,产品质量稳定性有在于进一步提髙。随着先进的热喷涂设备的引进,及纳米陶瓷涂层材料的应用,特别是宇航、航空及基础工业对髙性能机械零件的需求,为陶瓷涂层的研究与生产提供了广阔的市场。可以预言:未来的机械零件的制造技术中,髙性能陶瓷涂层的应用领域将越来越广泛。

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