《纳米热喷涂》教学课件

1、热喷涂技术制备高性能纳米涂层David E. Reisner, 博士首席执行官/总裁James C. Hsiao, 萧镜如 博士董事会主席美国英弗曼公司74 batterson park RoadFarmington, Connecticut第1页，共40页。热喷涂技术制备高性能纳米涂层致上海宝山钢铁集团David E. Reisner, 博士首席执行官/总裁James C. Hsiao, 萧镜如 博士董事会主席美国英弗曼公司74 batterson park RoadFarmington, Connecticut第2页，共40页。热喷涂技术制备高性能纳米涂层致攀枝花钢铁公司David E.

2、Reisner, 博士首席执行官/总裁James C. Hsiao, 萧镜如 博士董事会主席美国英弗曼公司74 batterson park RoadFarmington, Connecticut第3页，共40页。热喷涂纳米涂层技术的起源 高技术研发中心： 纳米精密材料，康州大学 发明人：前纳米技术研究主管，教授 Peter R. Strutt (英佛曼公司创始人之一，前首席技术总监) 英佛曼公司获得康州大学的技术使用权与开发权第4页，共40页。 专 利 明确的 1.纳米粉末热喷涂 (康州大学)2. 湿化学法材料合成 (康州大学)3. 液体热喷涂 (康州大学)4. 液体热喷涂 (英弗曼/海军)

3、5. 颗粒成长抑制剂 (英弗曼)6. 固体润滑 (英弗曼)7. 多组分陶瓷 (英弗曼)8. 双层陶瓷部件 (英弗曼)知识产权不明确的1. 陶瓷2. 陶瓷-陶瓷3. 金属-陶瓷4. 其他掌握 实例明确的1. NanoxTM S2613 系列 (Al2O3/TiO2 基) 2. NanoxTM S2600 (Al2O3 基) 3. InfralloyTM S7400 系列 (WC/Co 基) 4. NanoxTM S2400 (Cr2O3 基) 5. NanoxTM S4000 系列 (Y2O3-ZrO2 基) 6. NanoxTM 2200 (TiO2 基)纳米粉末生产热喷涂纳米膜层英弗曼热喷涂

4、技术第5页，共40页。英弗曼拥有多项热喷涂材料与涂层制备专利1. “热喷涂用纳米结构材料的制备方法及其相应的制膜方法,” 美国专利号. 6,025,034 (02.15.00) 2. “多组分的陶瓷和相应的制备方法,” 美国专利号. 6,723,674 (04.20.04). 3. “纳米结构体材和涂膜应用中的晶粒生长抑制剂,” 美国专利号. 6,287,714 (09.11.01) 4. “用于超精细体材料和薄膜的晶粒生长抑制剂,” 美国专利号. 6,277,774 (08.21.01) 5. “热喷涂方法制备硫化物自润滑涂层,” 美国专利号 6,689,424 (02.10.04)6. “

5、双重镀膜和体材料及其制造方法,”美国专利号10/191,977，允许 7. “液体等里子喷涂的器材和方法,”美国专利号60/439,3978. “镀膜, 材料, 生产相关的文章和方法 美国专利号10/755,856 9. “金属碳化物的生产,” S/N 10/831,047 10. “防污涂层在船舶上的应用，” 专利申请中第6页，共40页。船用推进器的传动轴氧化铝/氧化钛纳米涂层的应用事例8潜望镜滑动导杆门支架/转轴座第7页，共40页。20m颗粒尺寸：30-60微米重构后的高流动性颗粒粒子尺寸：5 - 50 纳米分散态粒子尺寸：5 - 50 纳米团聚态 中空球体 30 m英弗曼热喷涂用纳米粉料

6、的制备工艺第8页，共40页。热喷涂粉料生产流程纳米粒子的合成纳米粒子的分散固-液料浆的准备微米级颗粒的构成热处理颗粒尺寸分级第9页，共40页。热喷涂合 成 的纳米颗粒重新构建的 颗 粒纳米膜层覆盖的工件热喷涂制备纳米结构涂层的工艺过程第10页，共40页。核心技术 纳米材料技术技术创新与市场竞争优势热喷涂用纳米形式的原料创新 湿化学合成 (可量化, 低成本)液体原料2) 热喷涂纳米膜层创新 使用性能提高 (寿命)高硬度防腐蚀性高粘附性 (粘附强度)高沉积效率第11页，共40页。热喷涂用纳米或超细粉料产品陶瓷涂层材料 1a) NanoxTM S2200 系列 (氧化钛基的)1b) NanoxTM

7、S2400 系列 (氧化铬基的)1c) NanoxTM S2600 系列 (氧化铝基的)1d) NanoxTM S4000 系列 (氧化锆基的)硬质合金涂层材料 (金属陶瓷)2) InfralloyTM S7400 系列 (碳化钨/钴)隔热涂层材料3) NanoxTM S4000 系列 (氧化钇稳定氧化锆)液体溶液 & 粉末材料固体润滑涂层材料4a) LuboxTM S2600S 系列 (氧化铝-氧化钛-氧化铁/硫化铁)4b) TsunamiTM S2600.40S 系列 (氧化铝-氧化钛-氧化铁/硫化铁)4c) 硫化铁第12页，共40页。陶 瓷 纳 米 涂 层NanoxTM S2600S 系

8、列 (氧化铝基的)涂层特性 超级强度，高粘附性，高硬度，承受压力能力强，表面质量好竞争优势 与传统涂层相比在耐磨损，抗压力和冲击力，耐久使用和 对环境要求(盐性，生物附着)方面要优于传统涂层应用领域 汽车，飞机，船体，冶金，医药等抗腐蚀, 磨损腐蚀或 抗生物附着等重要的领域第13页，共40页。提高承受抗弯曲张力的能力 NanoxTM S2600S 系列 (氧化铝基材料) 增加粘附强度传统涂层: 2,000 psi纳米涂层: 8,000 psi提高耐磨损能力第14页，共40页。Al2O3/TiO2 Nanocoating超强的机械特性 (氧化铝/氧化钛涂层为例)冲杯实验, 弯曲实验, 磨擦磨损实

9、验 1 inch纳米结构涂层冲杯实验: 超强粘附和抗破碎能力 传统涂层纳米涂层抗磨损能力的显著改善0 0.01 0.02 0.03 Abrasive Wear Resistance (cm-3)Coating弯曲实验：超强粘合力，强度和抗破碎能力 1 inch纳米涂层没有开裂纳米涂层提高耐磨损能力纳米膜层在冲杯实验中没有裂纹传统涂层纳米涂层普通涂层开裂，剥落普通商业涂层第15页，共40页。不同Al2O3/TiO2 涂层的磨损表面比较Metco 130普通涂层磨损表面的电子微观图片。注意: 涂层材料呈片，块状被磨损，表面变得粗糙Al2O3/TiO2纳米涂层磨损表面的电子微观图片。涂层很小的部分被

10、磨损，涂层表面仍然较平滑Metco 130普通涂层划痕表面(低倍观察)Metco 130擦痕表面(高倍观察)Al2O3/TiO2纳米涂层划痕表面(低倍观察)擦痕表面(高倍观察)Al2O3/TiO2纳米涂层第16页，共40页。评 定 的 性 能传 统 氧化铝/氧化钛纳 米 结 构氧化铝/氧化钛改善程度强 度差优 良大幅提高微观硬 度 (VHN)800-1,000900-1,000-防 磨 损 (Nm/mm3)7.5 x 10340 x 103 5X防 腐 蚀好优 异 大幅提高 磨削加工能力差 优 良大幅提高疲劳时间损坏 10X抗弯曲能力涂层产生 裂纹，剥落在弯曲180度后无裂痕大幅提高粘附强 度

11、 (psi) 2,000 8,000 4X纳米与传统Al2O3/TiO2 涂层性能的对比总结第17页，共40页。Metco 136F 普通涂层磨损表面的电子显微图片显示 粗糙磨损痕迹纳米涂层磨损表面的电子显微图片显示 平滑磨损痕迹氧化铬纳米涂层的磨损表面对比观察第18页，共40页。0.01.02.03.04.0滑 动 磨 损 抗 力， (X106 N.m/mm3)Metco 136F氧化铬普通涂层氧化铬纳米涂层012345磨 削 磨 损 抗 力， (N.m/mm3)抗滑动磨损能力 (Sliding wear)相比于Metco 136F普通涂层，纳米涂层抗磨损能力大幅提高抗磨削磨损能力 (Abr

12、asive wear)相比于Metco 136F普通涂层，纳米涂层抗磨削磨损能力有小幅增加氧化铬纳米涂层耐磨损性能的评价Metco 136F氧化铬普通涂层氧化铬纳米涂层第19页，共40页。InfralloyTM S7400 系列 (碳化钨/钴)涂层特性 超级粘附强度，强度，硬度竞争优势 和传统涂层相比在粘附性和强度上有提高，尤其适用于 在高压力等苛刻条件下需延长磨损寿命的部件。应用领域 航空，汽车，印刷，采矿，切割工具等硬度，强度和 防磨损很重要的领域。特级WC/Co超细晶粒涂层第20页，共40页。传统与超细晶粒 WC/Co 涂层的热喷涂沉积比较基 材固体Co基体坚硬WC颗粒Co基体融化传统金

13、属陶瓷颗粒特制金属陶瓷颗粒粘合剂超细金属陶瓷颗粒 传统 WC/Co 仅限于表面区融化 低质量的涂层 特级 WC/Co 全体积内的融化 高质量的涂层高温加热区高温加热区WC/Co颗粒部分熔化/软化基 材基 材基 材堆积式结构粘接式结构硬性性附着延展性附着第21页，共40页。特制WC/Co和传统WC/Co涂层的 显微硬度与断裂强度比较0500100015002000250030000102030断 裂 强 度, MPam1/2显 微 硬 度, HV60英弗曼 特制WC/Co涂层传 统WC/Co涂层第22页，共40页。传统 WC/Co 材料特制WC/Co抗 空 泡 腐 蚀 能 力 (相对比较)传统和

14、特制WC/Co材料的 抗空泡腐蚀性能的比较第23页，共40页。不同粉料制备的WC/Co涂层的磨削磨损性能比较Metco 72FSylvania SX432Metco 2004英弗曼超细WC/CoWear specimenDiamond pad第24页，共40页。热 障 涂 层 (TBC)NanoxTM S4000 系列(氧化钇稳定的氧化锆)粉末材料特 性 3维空间多孔性 , 较高热绝缘性, 延长高温循环疲劳寿命竞争优势 延长发动机等高温部件的寿命并降低成本(工艺和延寿)应用 飞机引擎，火力发电站和冶金等工业部件的高温绝热，防腐蚀。其他应用 固体氧化物电池等第25页，共40页。目前微米级晶粒7

15、YSZ 涂层英弗曼纳米级晶粒7YSZ 涂层缓解应力并防止开裂的精细边界易于产生横向裂纹的晶粒边界SubstrateBond CoatAl2O37YSZSubstrateBond coatAl2O37YSZ微米和纳米结构的热障涂层对比第26页，共40页。热障涂层中使用纳米-7YSZ的益处 增加热膨胀系数，更接近于金属底层 因为大的晶界体积比率，增加扩散蠕变率 增加延展性和粘附性，提高抗开裂能力 增加材料强度，增加对热应力的抵抗能力 降低热传导率，提高阻挡热量转递的能力第27页，共40页。传统和纳米-热障涂层的性能比较特 性传统TBCs纳米TBCs性能提高强 度差优良50%提高粘附强度差优良2X热

16、循环寿命差优良2X热传导率高低降低50%寿命/成本比价高低降低40%第28页，共40页。液体热喷涂法(SPS) 制备的热障涂层的应用实例 (薄层：200-500微米)第29页，共40页。Gas turbine burner linerSuperalloyBond Coat100 mils2mm2mm2mm2mm液体热喷涂法(SPS) 制备的热障涂层的应用实例 (厚层：500微米-2毫米)第30页，共40页。固体润滑/耐磨纳米涂层特性 超级润滑和抗磨损，优良硬度和强度竞争优势 适用于耐磨损和高润滑同时需要的部件应用 钢铁工业扎滚, 发动机, 燃料泵及阀门等第31页，共40页。英弗曼的特制颗粒和纳

17、米涂层的优势按材料属性/功能分类:陶 瓷 - 高粘合性，强度和韧性，更好适用耐磨损， 腐蚀环境金属陶瓷- 高硬度和强度，更好抗磨损应用热障涂层- 提供更长使用寿命固体润滑- 同时提供抗磨损和润滑作用第32页，共40页。技 术 创 新 成 就产品效率 Nanox， InfralloyTM 和 TsunamiTM 品牌 数吨/年热喷涂粉末材料的生产能力 高新技术 研究与开发100大奖 (R&D 100 AWARD)海军DUST 项目年度奖海军证书 军队标准1687a2002 CQIA 创新奖第33页，共40页。现有热喷涂国际市场份额中国美国日本欧洲$2,000 M$800 M$700 M$100

18、M第34页，共40页。今日中国的热喷涂工业现状 按功能来分配收入材 料涂 层 服 务设 备18.75%43.75%37.50%第35页，共40页。中国经济改革和发展 中国传统工业和高科技工业的问题* 传统工业 低技术水平 没有效率高科技工业 小经济格局 低传播率 和其他工业无紧密联系. * 中国国家经济委员会和科技部, 世界刊物, 7月 16日, 2002 第36页，共40页。热喷涂工业和中国传统工业的改革1. 热喷 涂 在 计划 经济 中 (过去)2. 热喷 涂 在 市场经济 中 (现在) 朝阳工业第37页，共40页。商业化英弗曼热喷涂纳米化技术对中国的益处 传统热喷涂技术在中国 热喷涂作为高科技在中国 特级原料 热喷涂特级涂层 大规模经济的效益 提高中国传统工业的改革 外向型经济 & 社会效益 结合中国的工业政策第38页，共40页。热喷涂技术在钢厂中的应用阀门润滑抗磨损抗滑动磨损抗磨蚀抗空泡腐蚀成形札棍高硬度高润滑抗磨损抗腐蚀导向/轨道抗磨损高润滑高结合力 轴承高润滑抗磨损抗腐蚀 第39页，共40页。钢厂的表面涂层技术 润滑性: ：涂层配方内含固体润滑剂 抗磨损(侵蚀，空泡 腐蚀 ，滑动)磨损：较高的高硬度和高韧性导致较好的 抗磨损功能 Al2O3/TiO2, Cr2O3/TiO2WC/C