爆炸噴涂技術(shù)的實(shí)質(zhì)是利用脈沖式氣體爆炸的能量將被噴涂的粉末材料加熱加速轟擊到工作表面后形成堅(jiān)固涂層。此技術(shù)是美國(guó)聯(lián)合碳化物公司林德公司(UnionCarbideCorp.LideDivi-sion)在上世紀(jì)50年代發(fā)明的專利技術(shù),當(dāng)時(shí)簡(jiǎn)稱為D—GUN。但美國(guó)聯(lián)合碳化物公司從不對(duì)外出售該技術(shù)和設(shè)備,也不公開(kāi)發(fā)表相關(guān)的論文,只是在其服務(wù)公司內(nèi)為用戶進(jìn)行噴涂加工。該公司至今已在世界各地設(shè)立了10多處服務(wù)廠,主要是進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)的修復(fù)。前蘇聯(lián)的烏克蘭科學(xué)院材料研究所和焊接研究所在上世紀(jì)60年代也開(kāi)始從事爆炸噴涂技術(shù)的研究工作,并開(kāi)發(fā)了一系列爆炸噴涂設(shè)備,并最后定型為“第聶泊”型和“捷米頓”型兩類(lèi)設(shè)備。前蘇聯(lián)解體后,烏克蘭開(kāi)始向外界轉(zhuǎn)讓該技術(shù)和設(shè)備。

　　我國(guó)使用的爆炸噴涂設(shè)備主要有三種:其一,北京621所自行研制的一臺(tái)爆炸噴涂裝置。由于開(kāi)發(fā)研制早(上世紀(jì)80年代初),存在一些不足之處;其二,直接按烏克蘭圖紙?jiān)趪?guó)內(nèi)制作的設(shè)備2臺(tái);其三,我國(guó)引進(jìn)烏克蘭技術(shù)做了一些進(jìn)一步改進(jìn)的國(guó)產(chǎn)設(shè)備,主要是第聶泊—3型和捷米頓型兩種,已有10余臺(tái)。

　　第聶泊—3型采用步進(jìn)缸取代美國(guó)聯(lián)合碳化物公司噴槍的多凸輪多閥門(mén)體系,簡(jiǎn)化了噴槍結(jié)構(gòu),減小了尺寸,提高了工作的可靠性和穩(wěn)定性。這一改進(jìn)已在美國(guó)等七個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家獲得了專利權(quán)。第聶泊—3型設(shè)備采用C2H2做燃?xì)?氮?dú)饣驂嚎s空氣做送粉氣和清掃氣,可噴涂金屬,陶瓷等粉末。捷米頓型是第聶泊—3型的簡(jiǎn)化,用液化石油氣、天然氣作燃?xì)?價(jià)格較便宜,維護(hù)較方便,但涂層質(zhì)量不如第聶泊—3型,且不能?chē)娡库捹|(zhì)量分?jǐn)?shù)高的金屬陶瓷。

1  爆炸噴涂原理

　　噴涂時(shí),先將一定比例的氧氣和C2H2由供氣口送入水冷噴槍的燃爆室,然后由送粉氣將噴涂粉末送入燃爆室,經(jīng)火花塞點(diǎn)火,氧氣和C2H2混合氣發(fā)生爆炸式燃燒,其熱能加熱噴涂粉末到一定狀態(tài),而爆炸沖擊波則把噴涂粉末粒子高速噴向工件表面形成涂層。接著向燃爆室內(nèi)送入清掃氣,為下次爆噴準(zhǔn)備,如此循環(huán)反復(fù)進(jìn)行。

　　氧氣和C2H2混合氣體的自由燃燒溫度為3100℃,但其爆炸式燃燒溫度可達(dá)4200℃或更高,因而噴涂粉末粒子的溫度可達(dá)3500℃以上;而其爆炸波傳播速度可達(dá)3000m/s,從而將噴涂粉末粒子的噴出速度提高到700～820m/s,最高可達(dá)1500m/s。每次爆噴可產(chǎn)生一個(gè)直徑約25mm、厚約數(shù)微米的圓形涂層斑,整個(gè)涂層即是由這樣一些小圓形涂層斑有序地相互錯(cuò)落重疊而成。噴涂不同材料、不同粒度的粉末使用不同的爆炸頻率,最快可達(dá)10次/s。

2  爆炸噴涂的特點(diǎn)

　　爆炸噴涂最大的特點(diǎn)就是以突然爆發(fā)的熱能加熱熔化噴涂材料,并利用爆炸沖擊波產(chǎn)生的高壓把噴涂粉末材料高速噴射到工件基本表面形成涂層。其主要優(yōu)點(diǎn)如下:

　　（1）爆炸噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度高。由于噴涂粉末被加熱的溫度高,且粉末以超音速飛行,與工件表面碰撞時(shí)所具有的動(dòng)能大,因此形成的涂層的結(jié)合強(qiáng)度高。噴涂陶瓷粉末時(shí),涂層的結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)70MPa,噴涂金屬陶瓷粉末時(shí),涂層結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)175MPa。有資料報(bào)導(dǎo),爆炸噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度曾達(dá)到過(guò)240MPa的高度。

　　(2)涂層致密,孔隙率低,一般小于1%。

　　(3)涂層的耐磨性高。由于噴涂時(shí),粉末顆粒撞擊到工件表面后受到急冷,在涂層中可以形成超細(xì)組織,因此耐磨性較高。

　　(4)涂層的硬度高。如YG12硬質(zhì)合金涂層的硬度達(dá)HV1300,而一般O2—C2H2火焰涂層卻只能達(dá)HV800,等離子涂層只能達(dá)HV1100。

　　(5)爆炸噴涂涂層的粗糙度低,可低于Ra1.6μm,經(jīng)磨削加工可達(dá)Ra0.025μm。

　　(6)工件的熱損傷小。爆炸噴涂是脈沖式的,工件每次受熱氣流沖擊的時(shí)間短,只有幾毫秒,再加上O2—C2H2焰流的溫度只3000℃左右,而不是等離子焰流的上萬(wàn)度,以及清掃氣又可在一定程度上對(duì)工件表面起冷卻作用。因此爆炸噴涂時(shí),工件表面的溫升可控制在100℃以下,工件不會(huì)發(fā)生相變及形變。

　　(7)在噴涂碳化物或碳化物基粉末材料時(shí),這些材料中的碳化物不會(huì)像一般O2—C2H2火焰噴涂、等離子噴涂時(shí)那樣發(fā)生分解、脫碳現(xiàn)象,從而保證涂層成分的可控制性和涂層性能。

　　爆炸噴涂的缺點(diǎn)為:

　　(1)效率低。爆炸頻率低,不超過(guò)10次/s,而每次噴涂的涂層厚度僅4～6μm,面積僅ф25mm一個(gè)圓域。

　　(2)爆炸噴涂時(shí)噪音強(qiáng)烈,達(dá)到或超過(guò)150dB。

　　(3)爆炸噴涂時(shí)會(huì)產(chǎn)生極細(xì)的塵粒,因此需專用的防塵室等措施。

　　(4)形狀復(fù)雜的工件表面和小內(nèi)徑內(nèi)腔表面和長(zhǎng)內(nèi)腔內(nèi)表面無(wú)法噴涂。爆炸噴涂涂層與等離子涂層的性能對(duì)比見(jiàn)附表。

　　對(duì)于技術(shù)先進(jìn)性低于等離子噴涂的電弧噴涂及一般氧乙炔火焰噴涂,爆炸噴涂層的性能在各個(gè)指標(biāo)上的優(yōu)勝性就更顯巨大了。

3  爆炸噴涂的應(yīng)用

　　爆炸噴涂由于其涂層結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高、耐磨性好、以及工件的熱影響小,故一出現(xiàn),就廣泛應(yīng)用到飛行器零部件的噴涂上,如高低壓壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片、輪殼封嚴(yán)槽、齒輪軸、火焰筒外壁、襯套副翼、襟翼滑軌、制動(dòng)裝置等,僅JT3D發(fā)動(dòng)機(jī)上采用爆炸噴涂涂層的零件就有80多件。

　　近年來(lái)爆炸噴涂在鋼鐵、能源、汽車(chē)、卷煙機(jī)械、紡織機(jī)械等行業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛,主要用于制備涂層質(zhì)量要求高的工件。例如目前各種機(jī)械密封件、軸類(lèi)、輥類(lèi)、柱棒類(lèi)等表面的耐磨強(qiáng)化,切紙刀片、導(dǎo)衛(wèi)板等表面的耐磨強(qiáng)化,煙氣輪機(jī)葉片、風(fēng)機(jī)葉輪、汽輪機(jī)葉片等表面的耐磨耐沖蝕耐腐蝕強(qiáng)化,過(guò)絲輪、導(dǎo)流板、拉絲機(jī)滾筒等紡織機(jī)械零件表面的耐磨減摩強(qiáng)化等,均大量采用爆炸噴涂技術(shù)來(lái)制備預(yù)保護(hù)涂層。

4   國(guó)外煙氣輪機(jī)葉片涂層的發(fā)展趨勢(shì)

　　國(guó)外煙氣輪機(jī)葉片,輪盤(pán)等過(guò)流部件表面,在上世紀(jì)70年代以前,廣泛采用的是等離子噴涂的X—40涂層。隨著煙機(jī)運(yùn)行參數(shù)的不斷提高,X—40涂層日漸顯得不堪勝任。爆炸噴涂技術(shù)的出現(xiàn),恰為解決此問(wèn)題提供了可能。經(jīng)過(guò)近30年的探索,目前國(guó)外煙氣輪機(jī)葉片、渦輪盤(pán)等部件逐漸采用爆炸噴涂技術(shù)生產(chǎn)的金屬陶瓷涂層代替原來(lái)的X—40涂層(金屬涂層)。如美國(guó)ELLIOTT公司生產(chǎn)的10000kW煙氣輪機(jī)的葉片的涂層便是由聯(lián)合碳化物公司采用爆炸噴涂技術(shù)噴涂的金屬陶瓷涂層(LC—IC涂層),其性能指標(biāo)如下:

硬度HV0.3　　　　  775

硬度HRC　　       63

結(jié)合強(qiáng)度　　　　　　≥68.9Mpa

金相表觀孔隙率　　　≤1%

最高工作溫度　　　　760℃

5   結(jié)　語(yǔ)

　　表面熱噴涂作為先進(jìn)復(fù)合材料的制造技術(shù),近幾年來(lái)日益受到專家們的認(rèn)可和親睞,獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。爆炸噴涂技術(shù)的推廣應(yīng)用,極大地提高了熱噴涂涂層的質(zhì)量,尤其是在其涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度,涂層硬度和涂層表觀孔隙率方面達(dá)到了常規(guī)熱噴涂技術(shù)無(wú)法企及的程度,它使復(fù)合材料的綜合性能達(dá)到了一個(gè)新的高度。