关于爆炸喷涂技术现状与发展趋势的研究

摘要：爆炸喷涂是当下制备高质量涂层的先进喷涂技术的一种。在此本文介绍了爆炸喷涂的原理、特点及爆炸喷涂技术的现状，并对爆炸喷涂技术的发展趋势作了推测，并提出纳米涂层是爆炸喷涂涂层的新的发展方向。

关键词：爆炸喷涂　耐磨涂层　热障涂层　纳米涂层

热喷涂技术是表面防护和强化的技术之一，是表面工程中一门重要的学科。热喷涂技术从上世纪初开始出现到现在已有近百年的历史了，它最早出现在瑞士，随后在苏联、德国、日本、美国等国得到了不断的发展。爆炸喷涂技术研制成功后，因其涂层比其它喷涂方法得到的涂层质量高得多，所以得到了人们的广泛认可。一般认为，爆炸喷涂是当前热喷涂领域内最高的技术。最初一直应用于航天和核工业等军事领域，并逐渐向民用品发展，目前已应用到钢铁工业、能源工业、汽车工业等部门。

1、爆炸喷涂工作原理及其特点

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。图1为爆炸喷涂实验装置的示意图。

爆炸喷涂与其它喷涂工艺相比有很多优点：1)涂层结合强度高、致密、孔隙率低。喷涂时，由于粉末颗粒迅速被加热、加速，半熔粉末对基体的撞击力大，所以涂层结合强度高，喷涂陶瓷粉末可达70MPa，喷涂金属陶瓷粉末可达175MPa，有资料报导，爆炸喷涂涂层的结合强度曾达到过240MPa的高度，涂层致密，孔隙率<2％；2)工件热损伤小。爆炸喷涂是脉冲式喷涂，热气流对工件表面作用时间短，因而工件的温升不高于200℃，不会造成工件变形和组织变化；3)涂层均匀、厚度易控制。爆炸喷涂每次喷涂形成的涂层厚度约为O.006mm，所以涂层的厚度均匀、易控制，工件加工余量小；4)涂层硬度高、耐磨性好。涂层材料相同时，爆炸喷涂形成的涂层硬度更高、耐磨性更好，硬质合金涂层硬度可达1100HV；5)爆炸喷涂可用微机控制，易于实现自动化。但是爆炸喷涂也存在着一些缺点：1)产生的噪音大(高达180dB)，需要在专用的隔音间中进行，并由设在隔音室外的微机控制，喷涂时产生粉末飞散现象，使爆炸喷涂的使用受到一定的限制；2)爆炸喷涂频率为2-10次/s，每次只能形成约Φ25mmX0.006mm的涂层，效率较低；3)爆炸喷涂的喷涂粉末从喷枪中喷出，只能以直线行进，所以喷涂受基材形状限制较大，对于形状复杂的工件很难喷涂。

2、爆炸喷涂涂层组织性能研究

2.1　爆炸喷涂耐磨涂层

磨损是材料失效主要形式之一，每年因磨损造成极大的损失和浪费。据资料统计，美国1981年因磨损造成的损失约1000亿美元，每年钢材因腐蚀和磨损而造成的损失约占钢材总产量的10％。我国没有做过具体的统计，但我国材料的耐磨性与国外先进材料的耐磨性相比还有一定的差距，磨损带来的损失也是巨大的。一方面，不断地发展新的喷涂技术，爆炸喷涂因其涂层结合强度高、致密度高、对工件无热影响性及涂层均匀、表面光洁度好等优点，成为高质量耐磨涂层主要的制造技术。另一方面，不断地开发新的涂层材料，目前常用的耐磨涂层主要有：碳化钨涂层、碳化铬涂层、氧化铝涂层、碳化钛涂层等。

2.2　爆炸喷涂热障涂层

航空航天业的迅速发展，对发动机性能提出了越来越高的要求，要求有较高的涡轮前温度。国外先进的发动机，在上世纪70年代涡轮前温度高达1600k以上，90年代达到1900k左右。过去为了解决这个难题，主要是靠发展高温合金，并在高温合金研究上取得了一定的成功。但高温合金的研制不仅困难很大，而且进展缓慢。靠发展高温合金的方法已满足不了发展的要求，所以需要利用在高温部件上喷涂热障涂层来降低基体合金温度。氧化锆涂层就是典型的热障涂层。

3、爆炸喷涂的发展趋势

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，比如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。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。

据现有表明，纳米材料与传统材料相比，纳米材料的力学性能可得到显著变化，材料的强度和硬度可得到成倍的提高。一般，纳米材料的硬度随着粒径的减小而增长。试验证明，纳米结构涂层的耐磨性与传统粉末涂层相比提高了3-8倍。另外，纳米热障涂层导热系数远低于传统热障涂层，国外认为纳米热障涂层有可能把高压涡轮叶片的使用温度提高260℃，因此可以说纳米热障涂层将是热障涂层的发展趋势。

随着粉体技术、纳米技术和爆炸喷涂技术、设备的发展，爆炸喷涂的应用领域将逐渐拓宽。相信，不久爆炸喷涂纳米涂层将成为喷涂技术发展的主流，对我国的经济的发展发挥越来越重要的影响。