爆炸噴塗

爆炸噴塗是在特殊設計的燃燒室裏，將氧氣和乙炔氣按一定的比例混合後引爆，使料粉加熱熔融並使顆粒高速撞擊在零件表面形成塗層的方法。爆炸噴塗的最大特點是粒子飛行速度高，動能大，所以爆炸噴塗塗層具有：第一，塗層和基體的結合強度高。第二，塗層緻密，氣孔率很低。第三，塗層表面加工後粗糙度低。第四，工件表面温度低。在爆炸噴塗中，當乙炔含量為45 %時，氧—乙炔混合氣可產生3140 ℃的自由燃燒温度，但在爆炸條件下可能超過4200 ℃，所以絕大多數粉末能夠熔化。粉末在高速槍中被輸運的長度遠大於等離子槍，這也是其粒子速度高的原因。爆炸噴塗可噴塗金屬、金屬陶瓷及陶瓷材料，但是由於該設備價格高，噪音大，屬氧化性氣氛等原因，國內外應用還不廣泛。目前世界上應用最成功的爆炸噴塗是美國聯合碳化物公司林德分公司1955年取得的專利。我國於1985年左右，由中國航天工業部航空材料研究所研製成功爆炸噴塗設備，就Co/WC塗層性能來看，噴塗性能與美國聯合碳化物公司的水平接近。

爆炸噴塗的特點：爆炸噴塗最大的特點就是以突然爆炸的熱能加熱融化噴塗材料，並利用爆炸衝擊波產生的高壓把噴塗粉末材料高速噴射到工件基體表面形成塗層，其主要優點如下。

（1）可噴塗的材料範圍廣，從低熔點的鋁合金到高熔點的陶瓷，粉末粒度為10~120μm。

（2）工件熱損傷小。因為爆炸噴塗是脈衝式的，每次受熱氣流和顆粒衝擊時間短，氮氣對工件又起冷卻作用，工件温度低於200℃，所以基體熱損傷小，不會產生變形和相變。

（3）塗層的厚度容易控制，加工餘量小，維修操作方便。

（4）爆炸噴塗塗層的粗糙度低，可能低於1.60μm，經磨削加工後粗糙度可達0.025μm.

(5)噴塗過程中，碳化物及碳化物基粉末材料不會產生碳分解和脱碳現象，從而能保證塗層組織成分與粉末成分的一致性。

（6）氧氣的消耗少，運行成本低。

20 世紀50 年代初期，美國聯合碳化物公司利德分公司發明了粉末爆炸噴塗（簡稱爆炸噴塗）技術，申請了專利，並於1953 年投入生產。但他們只在本公司內為用户提供製備塗層的服務，而不出售該技術和設備，並且至今沒有發表過關於該技術的任何論文。到上世紀60 年代，前蘇聯烏克蘭科學院材料研究所和焊接研究所開始研究爆炸噴塗技術，並研製出一系列的爆炸噴塗設備。由於此技術有一定的危險性，且技術難度大，所以其它國家沒有進行該技術的研究。90年代蘇聯解體後，烏克蘭科學院與中國鈦得公司合作開發產品，使該技術公開化[2]。俄羅斯、烏克蘭材料所和焊接所開始向外出售該技術和設備。1970 年，我國的航天部六二一所也成功研製出了爆炸噴塗設備，但由於性能與烏克蘭的設備相差較大，所以國內使用的爆炸噴塗設備大多是從烏克蘭和俄羅斯引進的。目前約有近10 台爆炸噴塗設備在國內開始使用。

爆炸噴塗是利用氣體爆炸產生高能量，將噴塗粉末加熱加速，使粉末顆粒以較高的温度和速度轟擊到工件表面形成塗層。噴塗時，先將一定壓力、比例的氧氣和乙炔由進氣口通入水冷噴槍內腔，然後由供粉口將粉末送入，接着火花塞點火，氧氣和乙炔的混合氣體燃燒並爆炸，產生高温高速氣流，將粉末加熱，並以高速（超過音速約3 倍）撞擊到基材表面，形成塗層，通入氮氣清理槍管，為下一次噴塗做準備。如此重複進行 ^[1]  。

爆炸噴塗的高質量塗層已得到廣泛的認可，但爆炸噴塗塗層仍然存在問題，塗層和基體的熱膨脹係數不同，容易造成塗層的開裂和剝落。發展梯度塗層，雖然可使塗層之間及塗層和基體的膨脹係數差縮小，降低熱膨脹產生的熱應力，但難度挺大，發展十分緩慢。另外隨着工業的發展，對塗層性能的要求越來越高，需要發展性能更高的塗層。

近年來，納米技術得到飛速發展。納米材料的前景是廣闊的，但目前由於技術原因，除了少數幾個方面（如燒結納米結構 WC-Co 製造石油和鑽探領域中的刀頭），總的來説還處在納米粉體的研究和製備階段。噴塗技術為納米材料的研究和應用提供了一個新的發展方向，其中爆炸噴塗尤為適合噴塗納米材料。納米微粒的熔點和晶化温度均比常規粉體低得多。採用等離子噴塗方法，容易使納米微粒長大而失去納米材料的特性。超音速噴塗雖然可保持微粒的納米尺寸，塗層的結合強度和緻密度與爆炸噴塗相當，但設備的投資大，且束流周沿的低速低温微粒的直徑是爆炸噴塗的5 -10 倍，塗層性能均勻性不如爆炸噴塗，對工件造成的熱損傷也比爆炸噴塗大。爆炸噴塗納米粉末時，由於粉末尺寸較小，粉末顆粒更容易被加熱到熔化狀態，可以提高塗層與基體的結合強度，塗層的緻密度也將大大提高。同時粉末顆粒撞擊到工件表面時，將急劇冷卻，避免了納米顆粒的長大，保護了塗層的納米特性。