[科普中国]-爆炸喷涂

简介

爆炸喷涂是在特殊设计的燃烧室里，将氧气和乙炔气按一定的比例混合后引爆，使料粉加热熔融并使颗粒高速撞击在零件表面形成涂层的方法。爆炸喷涂的最大特点是粒子飞行速度高，动能大，所以爆炸喷涂涂层具有：第一，涂层和基体的结合强度高。第二，涂层致密，气孔率很低。第三，涂层表面加工后粗糙度低。第四，工件表面温度低。在爆炸喷涂中，当乙炔含量为45 %时，氧—乙炔混合气可产生3140 ℃的自由燃烧温度，但在爆炸条件下可能超过4200 ℃，所以绝大多数粉末能够熔化。粉末在高速枪中被输运的长度远大于等离子枪，这也是其粒子速度高的原因。爆炸喷涂可喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷材料，但是由于该设备价格高，噪音大，属氧化性气氛等原因，国内外应用还不广泛。目前世界上应用最成功的爆炸喷涂是美国联合碳化物公司林德分公司1955年取得的专利。我国于1985年左右，由中国航天工业部航空材料研究所研制成功爆炸喷涂设备，就Co/WC涂层性能来看，喷涂性能与美国联合碳化物公司的水平接近。

特点爆炸喷涂的特点：爆炸喷涂最大的特点就是以突然爆炸的热能加热融化喷涂材料，并利用爆炸冲击波产生的高压把喷涂粉末材料高速喷射到工件基体表面形成涂层，其主要优点如下。

（1）可喷涂的材料范围广，从低熔点的铝合金到高熔点的陶瓷，粉末粒度为10~120μm。

（2）工件热损伤小。因为爆炸喷涂是脉冲式的，每次受热气流和颗粒冲击时间短，氮气对工件又起冷却作用，工件温度低于200℃，所以基体热损伤小，不会产生变形和相变。

（3）涂层的厚度容易控制，加工余量小，维修操作方便。

（4）爆炸喷涂涂层的粗糙度低，可能低于1.60μm，经磨削加工后粗糙度可达0.025μm.

(5)喷涂过程中，碳化物及碳化物基粉末材料不会产生碳分解和脱碳现象，从而能保证涂层组织成分与粉末成分的一致性。

（6）氧气的消耗少，运行成本低。

研究历史20 世纪50 年代初期，美国联合碳化物公司利德分公司发明了粉末爆炸喷涂（简称爆炸喷涂）技术，申请了专利，并于1953 年投入生产。但他们只在本公司内为用户提供制备涂层的服务，而不出售该技术和设备，并且至今没有发表过关于该技术的任何论文。到上世纪60 年代，前苏联乌克兰科学院材料研究所和焊接研究所开始研究爆炸喷涂技术，并研制出一系列的爆炸喷涂设备。由于此技术有一定的危险性，且技术难度大，所以其它国家没有进行该技术的研究。90年代苏联解体后，乌克兰科学院与中国钛得公司合作开发产品，使该技术公开化[2]。俄罗斯、乌克兰材料所和焊接所开始向外出售该技术和设备。1970 年，我国的航天部六二一所也成功研制出了爆炸喷涂设备，但由于性能与乌克兰的设备相差较大，所以国内使用的爆炸喷涂设备大多是从乌克兰和俄罗斯引进的。目前约有近10 台爆炸喷涂设备在国内开始使用。

原理爆炸喷涂是利用气体爆炸产生高能量，将喷涂粉末加热加速，使粉末颗粒以较高的温度和速度轰击到工件表面形成涂层。喷涂时，先将一定压力、比例的氧气和乙炔由进气口通入水冷喷枪内腔，然后由供粉口将粉末送入，接着火花塞点火，氧气和乙炔的混合气体燃烧并爆炸，产生高温高速气流，将粉末加热，并以高速（超过音速约3 倍）撞击到基材表面，形成涂层，通入氮气清理枪管，为下一次喷涂做准备。如此重复进行1。

发展趋势爆炸喷涂的高质量涂层已得到广泛的认可，但爆炸喷涂涂层仍然存在问题，涂层和基体的热膨胀系数不同，容易造成涂层的开裂和剥落。发展梯度涂层，虽然可使涂层之间及涂层和基体的膨胀系数差缩小，降低热膨胀产生的热应力，但难度挺大，发展十分缓慢。另外随着工业的发展，对涂层性能的要求越来越高，需要发展性能更高的涂层。

近年来，纳米技术得到飞速发展。纳米材料的前景是广阔的，但目前由于技术原因，除了少数几个方面（如烧结纳米结构 WC-Co 制造石油和钻探领域中的刀头），总的来说还处在纳米粉体的研究和制备阶段。喷涂技术为纳米材料的研究和应用提供了一个新的发展方向，其中爆炸喷涂尤为适合喷涂纳米材料。纳米微粒的熔点和晶化温度均比常规粉体低得多。采用等离子喷涂方法，容易使纳米微粒长大而失去纳米材料的特性。超音速喷涂虽然可保持微粒的纳米尺寸，涂层的结合强度和致密度与爆炸喷涂相当，但设备的投资大，且束流周沿的低速低温微粒的直径是爆炸喷涂的5 -10 倍，涂层性能均匀性不如爆炸喷涂，对工件造成的热损伤也比爆炸喷涂大。爆炸喷涂纳米粉末时，由于粉末尺寸较小，粉末颗粒更容易被加热到熔化状态，可以提高涂层与基体的结合强度，涂层的致密度也将大大提高。同时粉末颗粒撞击到工件表面时，将急剧冷却，避免了纳米颗粒的长大，保护了涂层的纳米特性。