承接现场锂电行业设备施工等离子熔覆涂层纳米陶瓷涂层

广州三鑫公司采用美国Miller等离子熔覆设备和技术，可现场施工承接熔覆纳米陶瓷涂层，适用于锂电新能源行业料仓螺杆螺带混输送系统。

超音速火焰HVOF工艺超音速火焰喷涂:氧气和航空煤油通过预混合系统在高压输入燃烧室燃烧，燃烧时产生的火焰气流加上高压空气经过拉伐尔嘴产生高温高速焰流，将金属陶瓷粉末加热至半熔化状态

1.热障涂层简介热障涂层又称隔热或绝热涂层（ThermalBarrierCoatings，英文简称TBC或TBCs），是指可以为零件提供有效隔热、抗氧化和耐腐蚀作用，在高温燃气和零件基体金属之间产生很大的温降，从而达到延长热机零件寿命、降低冷却要求以及提高热机热效率的涂层系统。基本思路是在金属基体表面喷涂一种热导率或热扩散率非常低的涂层，要求该涂层在高温热流环境中工作时能够承受很大的温度梯度。 TBC的研究始于20世纪40年代，60年代后期开始用于JT8D发动机燃烧室，后来又用于JT9D发动机，在JT9D发动机的导向叶片和一、二级涡轮叶片的地面耐久性试验表明：具有TBC的一级叶片历经2778次循环仍处于良好状态，而无TBC的叶片，经过1500次循环后，叶片缘板就产生了明显破坏。美国ＧＥ公司采用改进的等离子喷涂TBC，已使燃烧室的总寿命超过30000ｈ。 TBC通常由金属粘结底层和陶瓷面层组成，金属粘结底层的主要作用是将陶瓷面层牢固地粘结在基体金属上，陶瓷面层则主要起隔热和抗腐蚀作用，要求具有低的蒸气压、低热导率、低的热辐射率和高的热发射率以及良好的耐热疲劳能力或抗热冲击能力。计算结果表明，采用0.25mm厚的氧化锆热障涂层，就可以使基体金属温度降低170℃左右，该值比在1965-1985年之间的20年中由于人类的不断努力而使叶型合金承温能力所得到的累积增量还要大。 TBC的应用已经取得了非常显著的效果，不仅降低了制造成本和比油耗，减少了对冷却空气量的要求，还提高了叶片工作的持久性。据报道，在航空燃气涡轮发动机的一级涡轮叶片上喷涂一层厚度为0.25mm的陶瓷热障涂层，就可使冷却空气量减少6%，比油耗改善13%，叶片寿命提高4倍。因此，TBC技术已广泛应用于多个工业领域以提高热效率，如各种燃气轮机和内燃机，在美国，许多航空发动机和几乎所有的陆用和船用燃气轮机的热端部件（包括火焰筒、旋流器、加力燃烧室、鱼鳞板、燃料喷嘴、排气管、点火板、燃烧室管路、火焰稳定器、涡轮叶片等）也都采用了TBC技术，每年约有几百吨的氧化锆材料用在TBC上，并且其应用范围不断扩大。据美国Gorham先进材料研究所的研究表明，未来TBC在柴油机中的应用比例将会超过飞机工业。此外，TBC在汽车、摩托车上的应用也在不断扩大。而在瑞典，仅沃尔沃航空公司的一个分厂1997年就消耗了近10吨氧化锆，与1995年相比，其消耗量翻了一番。随着科学技术的进步，航天、航空、燃气发电、化工和冶金等众多领域促进了热障涂层的研究与发展。现今TBCｓ的应用是非常广泛的。高炉的送风口和出渣口要在1100-1450℃下经受高速煤粉的冲刷和铁水的溶蚀，而应用TBC作为耐热防护涂层，则可使其使用寿命显著提高；应用TBC的新型雾化金属喷嘴具有极佳的抗腐蚀和抗热震性能，工作寿命长且对于保证超细粉末质量有显著作用；在汽车工业方面，发动机进出气口采用TBC的阀座可降低该部件的损耗；TBC也多用于以轻金属铝合金为基体材料的活塞式气缸顶部和边缘。一些专家预测，在未来10年，TBC将会用到更加广阔的领域。热障涂层在技术上无疑具有很大的潜力和良好的发展前景，但也存在一些有待进一步改进的问题，主要有涂层附着力的控制、涂层失效机理的研究和涂层性能测定等，其中，涂层附着力的控制是最为重要的问题。涂层的附着力，亦称涂层的粘结强度或结合强度，是直接影响涂层使用性能的关键质量指标。涂层剥落是零件最主要的破坏形式，也是影响热障涂层在燃气涡轮发动机上扩大应用的主要因素。导致涂层剥落的主要原因，一是粘结底层氧化；二是基体金属与陶瓷涂层热膨胀系数之间的差别，两者之间存在着明显的应变不匹配。热障涂层的发展过程，就是对这两方面的问题进行不断改进和提高的过程。 2．热障涂层设计热障涂层的设计包括涂层成分选择、涂层结构设计及喷涂方法选择等。（1）成分选择。 1、粘结底层。典型的粘结底层材料为MCrAlX合金，其中，M是粘结底层基本构成元素，一般为铁族元素或高熔点金属元素以及这些元素的组合，例如，Ni、Co、Fe、Ni-Co、Ni-Fe等；Ｘ表示活性金属，是为了增加结合强度和提高涂层抗氧化性能而添加的元素，包括：Y、Hf、Sc、Ce、La、Th等较活泼的元素，最常用的是Y。采用渗铝工艺在粘结底层表面制备富铝层，可以降低粘结底层的氧化速率，提高TBC使用寿命；在CoNiCrAlY中添加Re、Ta可以显著改善粘结底层的抗氧化性能和力学特性。 2、陶瓷面层。目前，TBC涂层中的陶瓷面层主要为完全稳定或部分稳定的氧化锆陶瓷。由于纯氧化锆晶体随温度变化存在不同的晶体类型，当温度超过1000℃时，会发生单斜晶体向四方晶体的转化，并伴随有7%的体积变化，而在随后的冷却过程中，单斜晶体结构会得到恢复，而体积却不能回复到原来状态，即体积在加热冷却前后会发生不可逆转变，这种晶型转变和体积变化，在遭受热循环条件下，涂层内部会产生很大的热应力，从而造成涂层早期开裂，甚至发生剥落失效。因此，需要在纯ZrO2晶体中添加稳定剂。在纯ZrO2晶体中添加稳定剂后，经烧结或熔融处理形成固溶体，获得在熔点以下整个温度范围内都稳定的、膨胀系数很低的立方型稳定ZrO2。但是，在高温下，虽然全稳定化立方晶ZrO2的膨胀和收缩是可拟的，但其线膨胀和收缩量都很大，对于提高抗热震寿命并不利，因此，通常采用由单斜晶体和立方晶体混合结构组成的部分稳定氧化锆，这种晶型结构在高温下，单斜晶体部分会发生体积收缩相变，而立方晶体部分则随温度升高发生体积膨胀，两种变化相互抑制，从而使部分稳定ZrO2具有比完全稳定ZrO2更低的平均热膨胀系数，具有更好的抗热震性能。在氧化锆中添加的稳定剂包括氧化钙（CaO）、氧化镁(MgO)、氧化钇(Y2O3)和氧化铈(CeO)等。其中，CaO稳定剂的加入量有5%、6%、8%、10%、15%和30%，随着CaO含量的增加，涂层的硬度增加。CaO含量高达30%的涂层，硬度相当高，具有很好的抗高温颗粒冲蚀性能。但是，CaO稳定的ZrO2涂层，若长期或周期性地暴露于1093℃以上的高温环境中，CaO有扩散出稳定化ZrO2晶体之外的倾向，导致涂层使用温度受到限制，只能在845℃以上、1093℃以下的高温环境中长期使用，超过1093℃以上只能短期使用。MgO稳定剂的加入量通常为20-30%时，此时，ZrO2在不同温度下，特别是在高温热循环时能保持晶型稳定。MgO稳定的ZrO2，在1400℃以下，其平衡组织为四方相或单斜相加MgO，在热循环过程中，MgO会从固溶体中析出，导致涂层热导率增加，隔热能力下降，广泛应用受到限制。而Y2O3部分稳定的ZrO2，在高达1650℃下长期使用时，Y2O3也不会象CaO那样向晶体外扩散，其化学稳定性和热稳定性均优于CaO部分稳定的ZrO2和MaO部分稳定的ZrO2，是一种性能优异的使用温度最高的热障涂层材料。其添加量有6-8%、13%和20%，前两种是部分稳定ZrO2，后一种是完全稳定ZrO2，对热障涂层来讲，部分稳定的氧化锆具有更好的抗热震性能，因此，6-8%氧化钇部分稳定的氧化锆就成为热障涂层中陶瓷面层的首选材料。近年来，关于Y2O3、Nd2O3、Sc2O3等部分稳定剂(PSZ)的研究发现：在快速冷却条件下，在ZrO2陶瓷层中存在部分或全部“非转变”的四方相t′，尽管仍为介稳相，但在1100-1200℃高温循环条件下不分解为平衡的四方相和立方相。而6-8%Y2O3-ZrO2(YSZ)涂层则在1100-1200℃下，t′相不发生分解。在CeO-Y2O3-ZrO2中，t′相的稳定性优于8%YSZ，但抵抗含V、S等腐蚀介质燃气的性能较差，而Sc2O3-Y2O3-ZrO2(SYSZ)具有高温下(1400℃)更高的t′相稳定性和抗热盐腐蚀能力。（2）涂层结构设计。热障涂层结构主要为双层结构、多层结构和梯度结构三种。双层结构由喷涂在高温合金基材上的陶瓷面层(多为ZrO2基陶瓷)和粘结底层(多为MCrAlY型)构成，陶瓷面层主要起隔热抗氧化作用；粘结底层主要起增加陶瓷面层与基体的结合力、提高热膨胀系数匹配容限以及抗氧化等作用。双层结构热障涂层由于结构简单，容易实现，是目前获得广泛实际应用的热障涂层。多层结构主要是为了减小陶瓷面层和金属粘结底层之间的热膨胀不匹配性而在两者之间加入中间层，或是为了进一步提高热障涂层的抗氧化性能，在陶瓷面层和金属粘结底层之间添加一薄Al2O3层，但该层的加入对热震性能改善不大，且工艺复杂，涂层重复性、可靠性略差。梯度结构热障涂层是指从金属粘结底层到陶瓷面层之间的化学成分、显微组织结构及力学性能制备成沿涂层厚度方向呈梯度连续变化。该结构提高了涂层与基体的粘结强度和涂层的内聚强度，具有理想涂层设计的高温性能，抗热震性能优于双层涂层，但在实际制备中获得的是多层阶梯状结构，且制备技术复杂，仍处于实验室设计研究阶段。（3）喷涂方法选择。由于ZrO2陶瓷材料的熔点较高(2760℃)，热导率低(约为1.0-2.0W/mK)，在第二章所述的热喷涂工艺方法中，除电弧喷涂、冷气动力喷涂、高速火焰喷涂、氧乙炔火焰重熔和中频感应重熔技术以及等离子喷焊工艺方法不能用于制备ZrO2陶瓷涂层外，其它热喷涂工艺方法均可以用来制备。但是，随着涂层性能要求的提高，热障涂层的制备基本以等离子喷涂方法为主。但在实际应用中，或受限于条件，或为了降低成本，保证性能，常采用不同的热喷涂工艺方法。根据制备热障涂层运用单一设备还是多种设备，可将热障涂层制备工艺分为单一制备工艺和复合制备工艺两种。单一制备工艺是指热障涂层粘结底层和ZrO2陶瓷面层采用同一种喷涂方法进行制备的工艺，包括：大气等离子喷涂工艺、低压等离子喷涂工艺、真空等离子喷涂工艺、爆炸喷涂工艺、高速等离子喷涂工艺等。复合制备工艺是指热障涂层粘结底层和ZrO2陶瓷面层分别采用不同的喷涂方法进行制备的工艺，包括：①真空+大气等离子复合喷涂工艺，热障涂层粘结底层采用真空等离子喷涂工艺制备，而ZrO2陶瓷面层采用大气等离子喷涂工艺制备；②高速火焰+大气等离子复合喷涂工艺，热障涂层粘结底层采用高速火焰喷涂，ZrO2面层采用大气等离子喷涂；③高速火焰+高速等离子复合喷涂工艺，粘结底层采用高速火焰喷涂，ZrO2面层采用高速等离子喷涂等。为解决等离子喷涂TBC存在的高气孔率和裂纹引起的抗氧化性和涂层寿命降低的问题，国内外针对激光制备TBC方法在激光表面重熔和激光熔覆两个不同的领域开展了广泛的应用探索研究。激光法制备TBC工艺有两种，即激光一次熔覆法和激光二次熔覆法。激光一次熔覆法制备TBC属于新领域，近十年才有研究报导。主要有预置法和送粉法。预置法是将部分稳定的YPSZ与Ni基复合粉，预置在基材上，再采用CO2激光熔覆，获得分层结构的复合涂层，表面为致密的ZrO2陶瓷层，其下为Ni基合金过渡层，ZrO2陶瓷层的上部为等轴晶，中下部为柱状晶，主要由t′相组成。送粉法是采用送粉装置将部分稳定的YPSZ与合金复合粉送入激光照射区域，利用激光将其熔覆在基材上，获得了自动分层的陶瓷层区域，均为柱状晶组织，且基本由t′相组成。激光二次熔覆法是指首先在基体表面采用等离子喷涂ZrO2陶瓷层后再对其进行激光熔覆处理的工艺，采用该工艺可以获得表面光滑、连续、致密、无裂纹和孔隙等缺陷的陶瓷熔覆层，避免了送粉法激光熔覆工艺无法解决的裂纹问题。陶瓷熔覆层的组织为柱状晶，其生长方向与基体垂直。激光二次熔覆法为制备高性能低成本TBC提供了可行途径，但尚处于初步研究阶段，高温性能试验为空白，熔覆工艺参数、涂层分层组织、成分、形态、内外成型质量以及高温性能等对涂层寿命的影响还有待进一步深入研究。近年来，采用电子束物理气相沉积(ＥＢ-ＰＶＤ)法制备具有高抗热震性能的TBC引起人们的关注。关于ＥＢ-ＰＶＤ热障涂层的研究始于20世纪70年代，美国普惠公司于80年代取得突破，随后，该技术在德国等国也获得了成功应用。ＥＢ-ＰＶＤ热障涂层是采用高能电子束