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电弧焊管

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但是其室温脆性严重制约了此类材料的应用

发布时间:2019-03-30 18:34

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  知道合伙人旅游行家采纳数:399获赞数:11606安阳师范学院13级学生。向TA提问展开全部电弧喷涂中的喷枪电机型号分为普压式和加压式两种。

  A型、B型、C型主要适用于Φ18、Φ20、Φ21、Φ22.5等外径的喷嘴;D型喷枪适用于Φ15、Φ16、Φ12.5等外景的喷嘴;E、F型的适用于喇叭型喷嘴;G型适用于Φ15、Φ16、Φ18、Φ20等外径的喷嘴。

  当轴向距离为150mm时,喷射区直径为50mm。,出口速度255m/s,到达基材时速度衰减为75m/s。雾化熔滴增加喷涂发散度。熔滴速度在轴向距离95mm时等同于气体速度(120m/s),当轴向距离为150mm时,将增加到135m/s;接近于基材时,溅射的熔滴占据气流区域以及溅射熔滴的横向气流。

  电弧喷涂是一种相对成熟的防腐蚀、防冲蚀和防磨损涂层技术,金属涂层厚度为100~1500um[28]。电弧熔化丝材头部,高压气体雾化己熔化的丝材头部材料并形成熔滴(Droplet)喷射流,然后由压缩空气加速、喷射、撞击、冷却并沉积到基材上[29],其原理示意见图1.1。文献[30]认为电弧喷涂过程中雾化熔滴的喷射速度通常为180~335m/s,电弧的最高温度可达5000°C。有研究[31]指出电弧喷涂的熔滴温度≥2250K。电弧喷涂中的熔化流体率是1~10g/s,低于从液态金属源(-500g/s)中形成的喷涂[32]。电弧喷涂是一种实用性很强的涂层技术,它避免了复杂的熔化技术问题[33],并且成本低廉,然而只有能制成丝材的合金才能被用于电弧喷涂。据调查,电弧喷涂在美国2000年度占热喷涂的15%[34],在新西兰,1998年数据更是达到35%[35]。

  喷涂层厚度通常为0.5~1mm左右,截面上呈现“叠片”(Splat)状结构,由不连续的熔滴呈交织网络形式出现[36]。电弧喷涂过程中,熔滴是高过热的和高液化的,它能沿靶材表面迅速延展,从而复制表面形貌。快速的固化阻碍熔滴与先前涂层的融合,也阻止其进入交织涂层结构中的孔隙,因此,孔隙率是电弧喷涂涂层的典型特征。熔滴飞行和沉积凝固过程中的氧化导致了叠片的氧化,破坏涂层的内聚力,因此喷涂层的主要性能由叠片表面与界面的性能和喷涂金属本身的性能所决定[37]。

  有研究[38]用粒子影像测速计 (PIV)对电弧喷涂过程中的气流和Fe(含C 0.8%wt)熔滴热力学进行表征。研究表明:当轴向距离为150mm时,喷射区直径为50mm。,出口速度255m/s,到达基材时速度衰减为75m/s。雾化熔滴增加喷涂发散度。熔滴速度在轴向距离95mm时等同于气体速度(120m/s),当轴向距离为150mm时,将增加到135m/s;接近于基材时,溅射的熔滴占据气流区域以及溅射熔滴的横向气流。

  电弧喷涂层的微观结构主要取决于喷涂参数,例如,喷涂气流速度越高,喷涂粒子越小并且越快[39]。有研究[40]指出喷涂参数与微观结构之间的关系可以通过分析孔隙率和氧化物含量或计算凝片厚度建立,涂层的性能可通过硬度、孔隙率和氧化物含量进行分析表征。用DPVZ000系统对飞行粒子的特征进行测定,如粒子尺寸、速度和温度[41]。涂层是通过熔融粒子流的连续沉积建成的,单独的叠片是组成涂层的基本单元。因此,单独的叠片对于涂层的结构和性能有着重要影响。一个熔滴(Droplet)的沉积通过冲击、压扁、快速冷却和固化过程形成一个叠片(Splat)[42]。

  研究表明[31]:电弧喷涂距离越远,粒子的速度和温度越低,但尺寸保持不变。随着流速增加,熔滴的压扁程度和延展水平增加,这可用冲击时粒子的受力特点来解释。当流速增加时,惯性力有利于粘滞力和表面张力增加。气流速度增加,粒子直径减小速度增大,粘滞力和表面张力增加导致沉积层的硬度增加。氧化物含量随气流速度的增加而增大,这是因为粒子与氧接触的表面系数增加引起氧化加剧。孔隙率降低是因为粒子的变形量增加并导致粒子叠加面积增加,叠加产生的间隙减少所致。

  关于孔隙率与涂层温度的关系,文献[43]对此进行了研究。喷涂后,涂层表面温度用红外热成像摄象机测量。结果表明:涂层低表面温度处形成了由叠片(Splat)间隙造成孔隙的非熔化凝片结构,孔隙率较高;中间表面温度处形成了带状的熔化与非熔化凝片相结合的微观结构,凝片截面呈柱状形态,孔隙率低;高表面温度处形成了带状的非熔化与熔化凝片,呈等轴形态。

  电弧喷涂材料可分为实芯丝材和粉芯丝材两种。实芯丝材有Al、Zn等单一金属丝材也有合金丝材,如巴氏合金丝材、Fe基或Ni基合金丝材等。国外早在上世纪70年代开始开发与基体结合强度好的耐高温冲蚀磨损电弧涂层材料,例如美国TAFA公司与70年代末研制出的45CT电弧喷涂丝材,在英国80年代开发出了电弧喷涂NiCr等系列抗高温冲蚀涂层[44]。随着合金丝材的不断出现大大提高了涂层的性能,特别是金属粉芯丝材,外皮常为易拉拔的较软低碳钢或其它有色金属如镍铝等,芯部填充材料因涂层功能不同而异,如可填充Cr、Al等形成耐腐蚀涂层还可以填充其它粉末形成特殊涂层 [45]。粉芯丝材的出现大大地拓宽了电弧喷涂材料的应用范围,既克服了高合金成分带来的难以拉拔的困难同时还使一些不能导电的颗粒材料在电弧喷涂上得以应用。具有丝材和粉末的优点,能够进行柔性加工制造,拓宽了涂层材料的成分范围,并可制造特殊的合金涂层和金属陶瓷复合材料涂层[46]。自从八十年代Drzeniek等成功将其应用于电弧喷涂以来,发展迅速,是一种非常有前途的热喷涂材料。随后德国Steffens等用电弧喷涂粉芯丝材制备了耐磨涂层,认为采用粉芯丝材电弧喷涂能获得与等离子喷涂层相当的耐磨涂层。美国等国也相继开展了粉芯丝材的研究并且取得了成功。如美国Metalspray公司于90年代成功研发出用超音速电弧喷涂75Cr3C2/25NiCr粉芯丝材,大大简化了实际操作过程并减少了成本,展现了电弧喷涂耐高温冲蚀磨损涂层在实际应用中的优势。北京有色研究总院及北京工业大学等单位在热喷涂粉芯丝材的研究工作上做了大量的工作,全军装备维修表面工程研究中心应用粉芯丝材进行电弧喷涂并取得了良好效果[47]。

  电弧喷涂耐高温冲蚀磨损粉芯丝材经过近20年的发展,形成了不少具有专项用途的系列[48],下面将一一介绍。

  MCrAlY(M为Fe、Ni、Co或Ni-Co;Y为对氧反应活性元素如Y、Si等)合金涂层为70年代研究出的一种理想的高温防护涂层,经过20多年发展,已经较为成熟,它不仅有较好的抗高温氧化和冲蚀性,而且有较好的韧性,还可以根据不同工作环境和基体选择合适的合金成分。这种材料主要在高温时形成β相Al2O3以及某些过渡期氧化物(如SiO、NiO)等连续氧化膜来护涂层和基体,还能形成β-NiAl和β-CoAl等强化相。Cr不仅在高温下能形成保护性Cr2O3还能有效改善Al2O3的粘附性并决定涂层抗热腐蚀性能。常用的Ni基、Ni-Co基耐高温冲蚀材料有NiCrAlY(10%~30%C,10%~20%Al,0.5%~1.0%Y,Ni余);NiCoCrAlY(20%Co20%Cr,8%~12%Al,1%Y,Ni余)等。但由于对于高温防护性能要求的进一步提高,这类材料渐渐体现出了耐高温能力有限、特别是耐冲蚀性磨损性和内聚强度不足等缺陷。

  金属间化合物具有金属键和共价键,比普通金属材料原子结合力强、弹性模量大、密度低。原子排列在高温下具有短程无序但长程有序的特殊结构。在常温下其材质比一般金属显得硬而脆,具有陶瓷的特点。但相对于完全由离子键和共价键构成的陶瓷而言,其又具有一定的塑性和韧性。且随着温度升高,金属间化合物所特有的在一定温度范围内强度随温度升高的特性,使其可以作为使用温度介于高温合金和陶瓷之间一类重要的结构和功能材料。其高温强度、高温蠕变和抗氧化、耐腐蚀性能优于大部分高温合金,韧性优于陶瓷材料。是当今耐高温冲蚀磨损喷涂材料发展的前端。

  电弧喷涂金属间化合物涂层主是指利用喷涂过程中Ni、Fe、Ti、Cr等金属元素与Al元素之间发生强烈的放热反应而形成的一类重要的、有着共同特点的金属间化合物。常见的有NiAl、Ni3Al、FeAl、Fe3Al、TiAl、Ti3Al等。

  由于对于高温涂层耐冲蚀性能要求的不断提高,当今国内外对于耐高温冲蚀磨损喷涂材料发展主要集中在以下几个方面:

  2.在喷涂过程中能够形成具有特殊结构(特殊金属间化合物结构或非晶结构)的复合涂层。

  陶瓷材料(氧、氮、碳、硼化物)因具有较高的熔点(1000°C)和硬度等优异的性能而成为优秀的电弧喷涂材料,它们主要用于高温部件的防冲蚀磨损、腐蚀、氧化等防护,但是,单一陶瓷材料因为具有较多的空隙、较低的断裂韧性以及与金属底材差别较大的热膨胀系数而大受限制。金属间化合物具有优越的高温强度和抗氧化性,能很好的耐冲蚀。但是其室温脆性严重制约了此类材料的应用,研究表明,在加入诸如Cr3C2、WC、TiC、SiO2、TiN等陶瓷材料后能极大改善其在高温、高负荷下耐磨性的要求,金属基陶瓷复合材料兼具金属间化合物和陶瓷材料双重性能,既能弥补单一陶瓷断裂韧性低、与基体匹配性能差,又能极大提高涂层耐高温冲蚀磨损的能力,使其成为目前主流的抗高温耐冲蚀磨损涂层材料。当前的金属基-陶瓷复合材料种类较多,国内外主要集中在Cr3C2(-NiCr),WC-Co(-Cr)、WC-Cr-Ni、TiC-CrNiMo等金属陶瓷以及在铁基、铝基等金属涂层材料中添加AlN、Al2O3、SiC、TiC、Cr3C2粉末等,由于陶瓷与金属基的不匹配性造成这类金属基复合涂层存在较多的缺陷,目前,发现类似于MOSi2、MO5Si3等金属陶瓷在某些温度范围兼具陶瓷与金属的一些优点,是未来发展的一个重要方向。另外,一些拥有特殊晶体结构的耐高温金属间化合物(TiAL系)是目前研究的热点。

  非晶或准晶材料由于其特殊的结构使得它们比同成分的晶体材料拥有优异得多的性能,比如拥有更低的热传导,低的摩擦系数,更好的耐蚀性和耐高温氧化性能以及高的硬度的高温强度。在合金涂层方面,具体表现为拥有极为优异的耐磨性和耐蚀性,非晶金属间化合物涂层材料是当今涂层材料研究的重点之一。目前国内外用于非晶涂层的材料如Fe(Ni)-Cr-B非晶涂层、Duocor涂层、Fe(Ni)-Cr(-Mo)-C(-P)非晶涂层等都具有出色的力学和耐蚀性能,不仅如此,B,Si等元素还能与Fe、Ni等形成低熔点共晶,扩大固、液相温度区域,极大的提高了喷涂材料的润湿能力,形成喷焊从而有效降低气孔,提高了涂层致密性。但是对于非晶涂层的组织结构和形成机理的了解还不完善,并易再结晶,从而限制了对其进一步的应用和发展,在可能的情况下,我们将着重解决非晶涂层的结构和形成机制。

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