摩擦领域中的喷涂技术

热喷涂技术是表面技术的一种,热喷涂是指将熔融状态的喷涂材料,通过高速气流使其雾化喷射到零件表面上,形成喷涂层的一种金属表面加工方法。目前使用的热喷涂方法有:火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂及爆炸喷涂等。

热喷涂技术自1910年发明以来,其应用领域十分广泛,可以解决零件表面的耐磨损、耐腐蚀、耐高温、绝缘及导电等性能。目前热喷涂技术在摩擦磨损方面应用的日益广泛,已成为一种提高零件表面摩擦磨损性能的重要技术。

喷涂涂层的摩擦磨损性能是由涂层的材料成分、相结构及其分布、微观结构、孔隙率及残余应力等决定的,涂层的这些性能主要由喷涂方法、喷涂工艺、喷涂材料及涂层处理等方面决定的。

喷涂方法

使用不同喷涂方法制备的涂层摩擦性能有些明显的差异,爆炸喷涂涂层比等离子喷涂涂层更加致密,爆炸喷涂涂层的抗磨损性能高于等离子喷涂涂层,等离子喷涂层固有的孔隙和氧化物夹杂作为疲劳裂纹萌生的核心,应加以严格控制。

新的喷涂方法如激光喷涂可以改善涂层性能。利用激光喷涂和等离子喷涂的1Cr18Ni9Ti涂层,两者相比,前者的微观结构比后者的要精细,前者的抗磨损性能比后者的也要高,而且有较好的摩擦性能。

通过研究可以得出,喷涂方法的能量密度及送粉气体流量影响着涂层的致密性和微观结构。

喷涂工艺参数

涂层裂纹的数量和深度很大程度上取决与喷涂工艺参数,所以对喷涂工艺参数的研究和优化是提高涂层摩擦磨损性能的必要途径。如等离子喷涂Ta/W /Sn涂层,涂层良好的微观结构和均匀膜厚可以通过参数调节来实现,喷涂材料的熔融程度受到喷涂功率和喷涂速率的很大影响。采用不同的爆炸喷涂工艺参数制备了Ni包WC涂层,当比值O2/C2H2= 2时,可获得致密的涂层,涂层的耐磨性能较高,其它条件下的涂层组织较则疏松。

喷涂材料

喷涂材料的种类

热喷涂材料的范围非常广泛,金属材料、陶瓷材料、有机聚合物材料及生物材料都可以作为热喷涂材料。材料的复合、纳米材料、新合金材料及非晶材料的研究和使用提高了涂层的性能,成为热喷涂材料的发展趋势。

目前使用在摩擦磨损方面的金属热喷涂材料有:Al、Cu、Mn、Cr、Mo、W、Co等及其合金。如Co/Cr/Mo喷涂涂层在所有温度情况下都可以减小摩擦,在高温时可以降低磨损。在TiAl基合金表面喷涂Mo,能显著提高其耐磨性。等离子喷涂CoCrW涂层硬度高,在微动磨损情况中,涂层具有良好的耐磨性。

陶瓷材料由于其优异的高温性能而成为热喷涂中常用的一种喷涂材料。热喷涂陶瓷材料应用在摩擦磨损方面的主要有:氧化物陶瓷、碳化物陶瓷等,氧化物陶瓷包括:氧化铝、氧化铬、二氧化钛等,碳化物陶瓷包括:碳化钨、碳化铬、碳化钛等。在不锈钢表面通过等离子喷涂Al2O3#TiO2、Cr2O3#5SiO2#3TiO2、ZrO2#MgO陶瓷可以使摩擦副元件同时具有金属的韧性和陶瓷的耐磨性[10]。金刚石材料也正在进一步的研究和使用中[11]。

石墨有着独特的层状晶粒结构,这使其成为一种良好的润滑、减磨材料,逐步在热喷涂涂层中使用。热喷涂料中加入石墨可以有效减小材料的摩擦系数,增加材料的耐磨性以及减小对偶件的磨损。