鋁板鑄軋火焰噴塗裝置設計

D. 熱噴塗技術的發展趨勢

熱噴塗技術目前在國內已經得到了比較廣泛的推廣應用，近年來發展的趨勢和特點是： 作為新型的實用工程技術目前尚無標準的分類方法，一般按照熱源的種類，噴塗材料的形態及塗層的功能來分。如按塗層的功能分為耐腐，耐磨，隔熱等塗層，按加熱和結合方式可分為噴塗和噴熔：前者是機體不熔化，塗層與基體形成機械結合；後者則是塗層再加熱重熔，塗層與基體互溶並擴散形成冶金結合。
平常接觸較多的一種分類方法是按照加熱噴塗材料的熱源種類來分的，按此可分為：①火焰類，包括火焰噴塗、爆炸噴塗、超音速噴塗；②電弧類，包括電弧噴塗和等離子噴塗；③電熱法，包括電爆噴塗、感應加熱噴塗和電容放電噴塗；④激光類：激光噴塗。 1、火焰噴塗：火焰噴塗包括線材火焰噴塗和粉末火焰噴塗。
<1&gt；線材火焰噴塗法：是最早發明的噴塗法。它是把金屬線以一定的速度送進噴槍里，使端部在高溫火焰中熔化，隨即用壓縮空氣把其霧化並吹走，沉積在預處理過的工件表面上。
圖1 絲材火焰噴吐的裝置示意圖
圖2 絲材火焰噴塗的原理示意圖
圖1表示絲材火焰噴塗的裝置。圖2則是絲材火焰噴塗槍的剖面圖，它示出了絲材火焰噴塗的基本原理。噴塗源為噴嘴，金屬絲穿過噴嘴中心，通過圍繞噴嘴和氣罩形成的環形火焰中，金屬絲的尖端連續地被加熱到其熔點。然後，由通過氣罩的壓縮空氣將其霧化成噴射粒子，依靠空氣流加速噴射到基體上，從而熔融的粒子冷卻到塑性或半熔化狀態，也發生一定程度的氧化。粒子與基體撞擊時變平並粘結到基體表面上，隨後而來的與基體撞擊的粒子也變平並粘結到先前已粘結到基體的粒子上，從而堆積成塗層。
絲材的傳送靠噴槍中空氣渦輪或電動馬達旋轉，其轉速可以調節，以控制送絲速度。採用空氣渦輪的噴槍，送絲速度的微調比較困難，而且其速度受壓縮空氣的影響而難以恆定，但噴槍的質量輕，適用於手工操作；採用電動馬達傳送絲材的噴塗設備，雖然送絲速度容易調節，也能保持恆定，噴塗自動化程度高，但噴槍笨重，只適用於機械噴塗。在絲材火焰噴槍中，燃氣火焰主要用於線材的熔化，適宜於噴塗的金屬絲直徑一般為1.8～4.8mm。但有時直徑較大的棒材，甚至一些帶材亦可噴塗，不過此時須配以特定的噴槍。
<2&gt；粉末火焰噴塗法：它與絲材火焰噴塗的不同之處是噴塗材料不是絲材而是粉末。圖3和圖4分別為為粉末火焰噴塗裝置和原理示意圖。
圖3 粉末火焰噴塗的典型裝置
圖4 粉末火焰噴塗的原理示意圖
在火焰噴塗中通常使用乙炔和氧組合燃燒而提供熱量，也可以用甲基乙炔，丙二烯（MPS），丙烷，氫氣或天然氣。火焰噴塗可噴塗金屬，陶瓷，塑料等材料，應用非常靈活，噴塗設備輕便簡單，可移動，價格低於其他噴塗設備，經濟型好，是目前噴塗技術中使用較廣泛的一種方法。但是，火焰噴塗也存在明顯的不足。如噴出的顆粒速度較小，火焰溫度較低，塗層的粘結強度及塗層本身的綜合強度都比較低，且比其他方法得到的氣孔率都。此外，火焰中心為氧化氣氛，所以對高熔點材料和易氧化材料，使用時應注意。為了改善火焰噴塗的不足，提高結合強度及塗層密度，可採用將壓縮空氣或氣流加速裝置來提高顆粒速度；也可以採用將壓縮氣流由空氣改為惰性氣體的辦法來降低氧化程度，但這同時也提高了成本。
2、爆炸噴塗
爆炸噴塗：利用氧氣和乙炔氣點火燃燒，造成氣體膨脹而產生爆炸，釋放出熱能和沖擊波，熱能使噴塗粉末熔化，沖擊波則使熔融粉末以700～800m/s的速度噴射到工件表面上形成塗層。圖5為爆炸噴槍示意圖。
圖5 爆炸噴塗原理圖
爆炸塗層形成的基本特徵，一般認為仍然是高速熔融粒子碰撞基體的結果。爆炸噴塗的最大特點是粒子飛行速度高，動能大，所以爆炸噴塗塗層具有：①塗層和基體的結合強度高，②塗層緻密，氣孔率很低，③塗層表面加工後粗糙度低，④工件表面溫度低。爆炸噴塗可噴塗金屬，金屬陶瓷及陶瓷材料，但是由於該設備價格高，噪音大，屬氧化性氣氛等原因，國內外應用還不廣泛。目前世界上應用最成功的爆炸噴塗是美國聯合碳化物公司林德分公司1955年取得的專利，其設備及工藝參數至今仍然保密。中國於1985年左右，由中國航天工業部航空材料研究所研製成功爆炸噴塗設備,就Co/WC塗層性能來看，噴塗性能與美國聯合碳化物公司的水平接近。
在爆炸噴塗中，當乙炔含量為45%時，氧-乙炔混合氣可產生3140℃的自由燃燒溫度，但在爆炸條件下可能超出4200℃，所以絕大多數粉末能夠熔化。粉末在高速槍中被輸運的長度遠大於等離子槍，這也是其粒子速度高的原因。
3、超音速噴塗
為了與美國碳化物公司的爆炸噴塗抗爭，上世紀60年代初期，美國人J.Browning發明了超音速火焰噴塗技術，稱之為Jet-Kote,並於1983年獲得美國專利。近些年來，國外超音速火焰噴塗技術發展迅速，許多新型裝置出現，在不少領域正在取代傳統的等離子噴塗。在國內，武漢材料保護研究所,北京鋼鐵研究總院，北京鈦得新工藝材料有限公司等也在進行這方面研究，並生產出有自己特色的超音速噴塗裝置。
圖6 超音速火焰噴塗槍
燃料航空煤油與助燃劑（O2）以一定的比例導入燃燒室內混合，爆炸式燃燒，因燃燒產生的高溫氣體以高速通過膨脹管獲得超音速。同時通入送粉氣（Ar或N2），定量沿燃燒頭內碳化鎢中心套管送入高溫燃氣中，一同射出噴塗於工件上形成塗層。
在噴塗機噴嘴出口處產生的焰流速度一般為音速的4倍，即約1520m/s，最高可高達2400m/s（具體與燃燒氣體種類，混合比例，流量，粉末質量和粉末流量等有關）。粉末撞擊到工件表面的速度估計為550-760m/s，與爆炸噴塗相當。Jet-Kote法之所以能有這么高的速度，關鍵在於按流體力學的原理合理設計製造了一個噴嘴，稱之為Laval管的膨脹管。
圖7 Laval管
由流體力學知：對一維可壓縮流體，則有：ds/s=(M²-1）dv/v
其中：S―管器截面積；M=v/v聲（馬赫數）； V－流體速度
由式中我們看出：當V>v聲，即M>1時，則dv與ds符號相同，即隨管道截面積變大（ds為正）時，流體速度也增大。當V<v聲，即M<1時，則dv與ds符號相反，即隨管器截面積變小（ds為負）時，流體速度亦增大。所以，只要管子設計合理，則流體在速度低時，只要經過足夠壓縮，即可在管器某一截面（如AB）達到聲速，過了這一截面後，將獲得超音速。超音速噴塗法具有如下的特點：
①粉粒溫度較低，氧比較輕（這主要是由於粉末顆粒在高溫中停留時間短，在空氣中暴露時間短的緣故，所以塗層中含氧化物量較低，化學成分和相的組成具有較強的穩定性），但只適於噴塗金屬粉末、Co-Wc粉末以及低熔點TiO2陶瓷粉末；
②粉粒運動速度高。
③粉粒尺寸小（10～53&gt；μm）、分布范圍窄，否則不能熔化。
④塗層結合強度、緻密度高，無分層現象。
⑤塗層表面粗糙度低。
⑥噴塗距離可在較大范圍內變動，而不影響噴塗質量。
⑦可得到比爆炸噴塗更厚的塗層，殘余應力也得到改善。
⑧噴塗效率高，操作方便。
⑨噪音大（大於120dB），需有隔音和防護裝置。 1、電弧噴塗：
電弧噴塗：在兩根焊絲狀的金屬材料之間產生電弧，因電弧產生的熱使金屬焊絲逐漸熔化，熔化部分被壓縮空氣氣流噴向基體表面而形成塗層。電弧噴塗按電弧電源可分為直流電弧噴塗和交流電弧噴塗。直流：操作穩定，塗層組織緻密，效率高。交流：噪音大。電弧產生的溫度與電弧氣體介質、電極材料種類及電流有關（如Fe料，電流280安，電弧溫度為6100K）。但一般來說，電弧噴塗比火焰噴塗粉末粒子含熱量更大一些，粒子飛行速度也較快，因此，熔融粒子打到基體上時，形成局部微冶金結合的可能性要大的多。所以，塗層與基體結合強度較火焰噴塗高1.5～2.0倍，噴塗效率也較高。電弧噴塗還可方便地製造合金塗層或「偽合金」塗層。通過使用兩根不同成分的絲材和使用不同進給速度，即可得到不同的合金成分。電弧噴塗與火焰噴塗設備相似，同樣具有成本低，一次性投資少，使用也方便等優點。但是，電弧噴塗的明顯不足，噴塗材料必須是導電的焊絲，因此只能使用金屬，而不能使用陶瓷，限制了電弧噴塗的應用范圍。近些年來，為了進一步提高電弧噴塗塗層的性能，國外對設備和工藝進行了較大的改進，公布了不少專利。例如，將甲烷等加入到壓縮空氣中作為霧化氣體，以降低塗層的含氧量。日本還將傳統的圓形絲材改成方形，以改善噴塗速率，提高了塗層的結合強度。
2、等離子噴塗：
等離子噴塗：包括大氣等離子噴塗，保護氣氛等離子噴塗，真空等離子噴塗和水穩等離子噴塗。等粒子噴塗技術是繼火焰噴塗之後大力發展起來的一種新型多用途的精密噴塗方法，它具有：①超高溫特性，便於進行高熔點材料的噴塗。②噴射粒子的速度高，塗層緻密，粘結強度高。③由於使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴塗材料不易氧化。
<1&gt；等離子的形成（以N2為例）
圖8 等離子體發生過程示意圖。
0°k時，N2分子的兩個原子程啞鈴形，僅在x,y,z方向上平動；
大於10°k時，開始旋轉運動；
大於10000°k時，原子間產生振動，分子與分子間碰撞，則分子會發生離解變為單原子：
N2+Ud——>N+N 其中 Ud為離解能
溫度再升高，原子會發生電離： N+Ui——>N++e 其中 Ui為電離能
氣體電離後，在空間不僅有原子，還有正離子和自由電子，這種狀態就叫等離子體。
等離子體可分為三大類：①高溫高壓等離子體，電離度100%，溫度可達幾億度，用於核聚變的研究；②低溫低壓等離子體，電離度不足1%，溫度僅為50～250度；③高溫低壓等離子體，約有1%以上的氣體被電離，具有幾萬度的溫度。離子、自由電子、未電離的原子的動能接近於熱平衡。熱噴塗所利用的正是這類等離子體。
<2&gt；噴塗原理：
圖9 等粒子噴塗原理
等粒子噴塗是利用等離子弧進行的，離子弧是壓縮電弧，與自由電弧項比較，其弧柱細，電流密度大，氣體電離度高，因此具有溫度高，能量集中，弧穩定性好等特點。
按接電方法不同，等離子弧有三種形式：
①非轉移弧：指在陰極和噴嘴之間所產生的等離子弧。這種情況正極接在噴嘴上，工件不帶電，在陰極和噴嘴的內壁之間產生電弧，工作氣體通過陰極和噴嘴之間的電弧而被加熱，造成全部或部分電離，然後由噴嘴噴出形成等離子火焰（或叫等離子射流）。等粒子噴塗採用的就是這類等離子弧。
②轉移弧：電弧離開噴槍轉移到被加工零件上的等離子弧。這種情況噴嘴不接電源，工件接正極，電弧飛越噴槍的陰極和陽極（工件）之間，工作氣體圍繞著電弧送入，然後從噴嘴噴出。等離子切割，等離子弧焊接，等離子弧冶煉使用的是這類等離子弧。
③聯合弧：非轉移弧引燃轉移弧並加熱金屬粉末，轉移弧加熱工件使其表面產生熔池。這種情況噴嘴，工件均接在正極。等離子噴焊採用這種等離子弧。
進行等粒子噴塗時，首先在陰極和陽極（噴嘴）之間產生一直流電弧，該電弧把導入的工作氣體加熱電離成高溫等離子體，並從噴嘴噴出，形成等離子焰，等離子焰的溫度很高，其中心溫度可達30000°k，噴嘴出口的溫度可達； 15000～20000°k。焰流速度在噴嘴出口處可達1000～2000m/s，但迅衰減。粉末由送粉氣送入火焰中被熔化，並由焰流加速得到高於150m/s的速度，噴射到基體材料上形成膜。
圖10 等離子焰流溫度分布
<3&gt；等粒子噴塗設備：等離子噴塗設備主要包括：
①噴槍：實際上是一個非轉移弧等離子發生器，是最關鍵的部件，其上集中了整個系統的電，氣，粉，水等。
②電源：用以供給噴槍直流電。通常為全波硅整流裝置。
③送粉器：用來貯存噴塗粉末並按工藝要求向噴槍輸送粉末的裝置。
④熱交換器：主要用以使噴槍獲得有效的冷卻，達到使噴嘴延壽的目的。
⑤供氣系統：包括工作氣和送粉氣的供給系統。
⑥控制框：用於對水，電、氣、粉的調節和控制。
<4&gt；等粒子噴塗工藝：
在等粒子噴塗過程中，影響塗層質量的工藝參數很多，主要有：
①等離子氣體：氣體的選擇原則主要根據是可用性和經濟性，N2氣便宜，且離子焰熱焓高，傳熱快，利於粉末的加熱和熔化，但對於易發生氮化反應的粉末或基體則不可採用。Ar氣電離電位較低，等離子弧穩定且易於引燃，弧焰較短，適於小件或薄件的噴塗，此外Ar氣還有很好的保護作用，但Ar氣的熱焓低，價格昂貴。氣體流量大小直接影響等離子焰流的熱焓和流速，從而影響噴塗效率，塗層氣孔率和結合力等。流量過高，則氣體會從等離子射流中帶走有用的熱，並使噴塗粒子的速度升高，減少了噴塗粒子在等離子火焰中的「滯留」時間，導致粒子達不到變形所必要的半熔化或塑性狀態，結果是塗層粘接強度、密度和硬度都較差，沉積速率也會顯著降低；相反，則會使電弧電壓值不適當，並大大降低噴射粒子的速度。極端情況下，會引起噴塗材料過熱，造成噴塗材料過度熔化或汽化，引起熔融的粉末粒子在噴嘴或粉末噴口聚集，然後以較大球狀沉積到塗層中，形成大的空穴。
②電弧的功率：電弧功率太高，電弧溫度升高，更多的氣體將轉變成為等離子體，在大功率、低工作氣體流量的情況下，幾乎全部工作氣體都轉變為活性等粒子流，等粒子火焰溫度也很高，這可能使一些噴塗材料氣化並引起塗層成分改變，噴塗材料的蒸汽在基體與塗層之間或塗層的疊層之間凝聚引起粘接不良。此外還可能使噴嘴和電極燒蝕。而電弧功率太低，則得到部分離子氣體和溫度較低的等離子火焰，又會引起粒子加熱不足，塗層的粘結強度，硬度和沉積效率較低。
③供粉：供粉速度必須與輸入功率相適應，過大，會出現生粉（未熔化），導致噴塗效率降低；過低，粉末氧化嚴重，並造成基體過熱。送料位置也會影響塗層結構和噴塗效率，一般來說，粉末必須送至焰心才能使粉末獲得最好的加熱和最高的速度。
④噴塗距離和噴塗角：噴槍到工件的距離影響噴塗粒子和基體撞擊時的速度和溫度，塗層的特徵和噴塗材料對噴塗距離很敏感。噴塗距離過大，粉粒的溫度和速度均將下降，結合力、氣孔、噴塗效率都會明顯下降；過小，會使基體溫升過高，基體和塗層氧化，影響塗層的結合。在機體溫升允許的情況下，噴距適當小些為好。
噴塗角：指的是焰流軸線與被噴塗工件表面之間的角度。該角小於45度時，由於「陰影效應」的影響，塗層結構會惡化形成空穴，導致塗層疏鬆。
⑤噴槍與工件的相對運動速度：噴槍的移動速度應保證塗層平坦，不出線噴塗脊背的痕跡。也就是說，每個行程的寬度之間應充分搭疊，在滿足上述要求前提下，噴塗操作時，一般採用較高的噴槍移動速度，這樣可防止產生局部熱點和表面氧化。
⑥基體溫度控制：較理想的噴塗工件是在噴塗前把工件預熱到噴塗過程要達到的溫度，然後在噴塗過程中對工件採用噴氣冷卻的措施，使其保持原來的溫度。近幾年來，在等離子噴塗的基礎上又發展了幾種新的等離子噴塗技術，如：
3、真空等離子噴塗（又叫低壓等離子噴塗）
真空等離子噴塗是在氣氛可控的，4～40Kpa的密封室內進行噴塗的技術。因為工作氣體等離子化後，是在低壓氣氛中邊膨脹體積邊噴出的，所以噴流速度是超音速的，而且非常適合於對氧化高度敏感的材料。
4、水穩等離子噴塗
前面說的等離子噴塗的工作介質都是氣體，而這種方法的工作介質不是氣而是水，它是一種高功率或高速等離子噴塗的方法，其工作原理是：噴槍內通入高壓水流，並在槍筒內壁形成渦流，這時，在槍體後部的陰極和槍體前部的旋轉陽極間產生直流電弧，使槍筒內壁表面的一部分蒸發、分解，變成等離子態，產生連續的等離子弧。由於旋轉渦流水的聚束作用，其能量密度提高，燃燒穩定，因此，可噴塗高熔點材料，特別是氧化物陶瓷，噴塗效率非常高。 1、電爆噴塗：在線材兩端通以瞬間大電流，使線材熔化並發生爆炸。此法專用來噴塗氣缸等內表面。
2、感應加熱噴塗：採用高頻渦流把線材加熱，然後用高壓氣體霧化並加速的噴塗方法。
3、電容放電加熱：利用電容放電把線材加熱，然後用高壓氣體霧化並加速的噴塗方法。 把高密度能量的激光束朝著接近於零件的基體表面的方向直射，基體同時被一個輔助的激光加熱器加熱，這時，細微的粉末以傾斜的角度被吹送到激光束中。圖11 激光噴塗
熔化粘結到基體表面，形成了一層薄的表面塗層，與基體之間形成良好的結合（噴塗環境可選擇大氣氣氛或惰性氣體氣氛，或真空下進行）。

E. 金屬噴塗技術

金屬熱噴塗是指採用火焰、電弧、等離子弧、爆炸波等提供不同熱源的噴塗裝置，產生高溫高壓焰流或超音速焰流，將要製成塗層的材料（如各種金屬、陶瓷、金屬加陶瓷的復合材料、各種塑料粉末的固態噴塗材料）瞬間加熱到塑態或熔融態，高速噴塗到經過預處理（清潔粗糙）的零部件表面形成塗層的一種表面加工方法。我們把特殊的工作表面叫「塗層」，把製造塗層的工作方法叫「熱噴塗」，它是採用各種熱源進行噴塗和噴焊的總稱。

從噴塗材料進入熱源到形成塗層，噴塗過程一般經歷四個階段：
1、噴塗材料被加熱、熔化 對於線材，當端部進入熱源高溫區域，即被加熱熔化；對於粉末，進入熱源高溫區域，在行進的過程中被加熱熔化或軟化。
2、熔化的噴塗材料被霧化 線材端部熔化形成的熔滴在外加壓縮氣流或熱源自身射流作用下脫離線材，並霧化成微細熔滴向前噴射；粉末一般不存在熔粒被進一步破碎和霧化的過程，而是被氣流或熱源射流推向前噴射。
3、熔融或軟化的微細顆粒的噴射飛行 在飛行過程中，顆粒首先被加速形成粒子流，隨飛行距離增加，粒子運動速度逐漸減小。
4、粒子在基材表面發生碰撞、變形、凝固和堆積。

熱噴塗的優點：

1、能夠噴塗的塗層材料種類范圍特別廣，包括各種金屬及合金、陶瓷及金屬陶瓷、塑料、非金屬礦物等幾乎所有固態工程材料。因而能夠制備耐磨、減摩、耐蝕、耐高溫、抗氧化、絕緣、導電、催化、輻射、防輻射、抗干擾、超導、非晶態及生物功能等各種功能塗層
2、能夠在多種基體材料上形成塗層，包括金屬基體、陶瓷基體、塑料基體、木材甚至紙板上都能噴塗，被噴塗的材料范圍也十分廣泛，幾乎不受限制
3、一般不受被噴塗工件尺寸、形狀和施工場所的限制，既可在整個表面上進行噴塗，也可在大型構件的限定表面進行噴塗，既可廠內施工，也可現場施工
4、塗層沉積效率較高，特別適合沉積薄膜塗層。塗層厚度可以控制，可在很大范圍內變動，從幾十微米到幾毫米甚至可厚達20mm
5、除噴焊外，熱噴塗施工對基體的熱影響很小，基體受熱溫度不超過200℃，基體不會發生變形和性能變化
6、在滿足強度要求的前提下，製件基體可以採用普通材料代替貴重材料，僅塗層使用優質材料，使「好鋼用在刀刃上」，還可噴塗成形
7、熱噴塗施工藝靈活，方便，迅速，適應性強

熱噴塗的局限性：
1、除噴焊外，熱噴塗塗層與基體的結合主要是物理機械結合， 結合強度不大高，塗層耐沖擊和重載性能較差
2、噴塗塗層含有不同程度的孔隙，對於耐腐蝕、抗氧化、絕緣等應用，一般不如整體材料。但可通過復合塗層系統設計等方法予以改進提高
3、噴塗小件時，塗層材料的利用率低，經濟性差
4、熱噴塗手工操作時的勞動條件較差，有噪音、粉塵、熱和弧光輻射問題，必須注意操作間的通風，加強勞動保護措施

熱噴塗前基體加工的注意事項：
1、噴塗位置為工件全部外表面時，在塗層位置的基體邊緣必須倒角，且倒角不能大於45°，一般為45°或30°，寬度不小於1mm；
2、噴塗位置為工件一部分表面時，在需要噴塗的位置基體必須開噴塗槽，且噴塗槽兩端必須倒角，且倒角不能大於45°，一般為45°或30°，寬度不小於1mm；
3、噴塗槽的深度即為設計塗層的厚度，公差一般控制在0.05mm以內。在設計和加工噴塗槽時必須考慮後續磨削或者車削找正定位位置，以免後續加工無基準；
4、噴塗位置在機加後表面不得有明顯刀痕或局部凹陷、起皮等缺陷，不得有明顯毛刺；
5、因噴塗過程中掩蔽難度大，所以噴塗工序一般應排在產品尺寸精加工前進行；

熱噴塗後塗層產品轉運使用注意事項：
•絕對避免猛烈撞擊噴塗層，特別是塗層邊緣或用尖銳硬物撞擊；
•不可在噴塗層上進行焊接等高溫加熱操作，特別是局部不能受熱過高；
•不可用常規機加參數對噴塗層進行機械加工:
1、除了極少數幾種硬度低或者結合力特別高的塗層可以 採用車削外 ，其餘的塗層均不能使用車削進行尺寸加工或者粗糙度加工；
2、絕大多數塗層後加工都採用磨削或者研磨拋光，其中在粗磨操作中單次進刀量必須控制在0.01mm以內，精磨單次進刀量必須控制在0.005mm以內；
3、無論是車削還是磨削進刀速度都必須非常慢；
4、在加工非噴塗位置過程中必須注意對噴塗位置的保護；