《納米熱噴涂》教學(xué)課件

1、熱噴涂技術(shù)制備高性能納米涂層David E. Reisner, 博士首席執(zhí)行官/總裁James C. Hsiao, 蕭鏡如 博士董事會(huì)主席美國英弗曼公司74 batterson park RoadFarmington, Connecticut第1頁，共40頁。熱噴涂技術(shù)制備高性能納米涂層致上海寶山鋼鐵集團(tuán)David E. Reisner, 博士首席執(zhí)行官/總裁James C. Hsiao, 蕭鏡如 博士董事會(huì)主席美國英弗曼公司74 batterson park RoadFarmington, Connecticut第2頁，共40頁。熱噴涂技術(shù)制備高性能納米涂層致攀枝花鋼鐵公司David E.

2、Reisner, 博士首席執(zhí)行官/總裁James C. Hsiao, 蕭鏡如 博士董事會(huì)主席美國英弗曼公司74 batterson park RoadFarmington, Connecticut第3頁，共40頁。熱噴涂納米涂層技術(shù)的起源 高技術(shù)研發(fā)中心： 納米精密材料，康州大學(xué) 發(fā)明人：前納米技術(shù)研究主管，教授 Peter R. Strutt (英佛曼公司創(chuàng)始人之一，前首席技術(shù)總監(jiān)) 英佛曼公司獲得康州大學(xué)的技術(shù)使用權(quán)與開發(fā)權(quán)第4頁，共40頁。 專 利 明確的 1.納米粉末熱噴涂 (康州大學(xué))2. 濕化學(xué)法材料合成 (康州大學(xué))3. 液體熱噴涂 (康州大學(xué))4. 液體熱噴涂 (英弗曼/海軍)

3、5. 顆粒成長抑制劑 (英弗曼)6. 固體潤滑 (英弗曼)7. 多組分陶瓷 (英弗曼)8. 雙層陶瓷部件 (英弗曼)知識(shí)產(chǎn)權(quán)不明確的1. 陶瓷2. 陶瓷-陶瓷3. 金屬-陶瓷4. 其他掌握 實(shí)例明確的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)納米粉末生產(chǎn)熱噴涂納米膜層英弗曼熱噴涂

4、技術(shù)第5頁，共40頁。英弗曼擁有多項(xiàng)熱噴涂材料與涂層制備專利1. “熱噴涂用納米結(jié)構(gòu)材料的制備方法及其相應(yīng)的制膜方法,” 美國專利號(hào). 6,025,034 (02.15.00) 2. “多組分的陶瓷和相應(yīng)的制備方法,” 美國專利號(hào). 6,723,674 (04.20.04). 3. “納米結(jié)構(gòu)體材和涂膜應(yīng)用中的晶粒生長抑制劑,” 美國專利號(hào). 6,287,714 (09.11.01) 4. “用于超精細(xì)體材料和薄膜的晶粒生長抑制劑,” 美國專利號(hào). 6,277,774 (08.21.01) 5. “熱噴涂方法制備硫化物自潤滑涂層,” 美國專利號(hào) 6,689,424 (02.10.04)6. “

5、雙重鍍膜和體材料及其制造方法,”美國專利號(hào)10/191,977，允許 7. “液體等里子噴涂的器材和方法,”美國專利號(hào)60/439,3978. “鍍膜, 材料, 生產(chǎn)相關(guān)的文章和方法 美國專利號(hào)10/755,856 9. “金屬碳化物的生產(chǎn),” S/N 10/831,047 10. “防污涂層在船舶上的應(yīng)用，” 專利申請(qǐng)中第6頁，共40頁。船用推進(jìn)器的傳動(dòng)軸氧化鋁/氧化鈦納米涂層的應(yīng)用事例8潛望鏡滑動(dòng)導(dǎo)桿門支架/轉(zhuǎn)軸座第7頁，共40頁。20m顆粒尺寸：30-60微米重構(gòu)后的高流動(dòng)性顆粒粒子尺寸：5 - 50 納米分散態(tài)粒子尺寸：5 - 50 納米團(tuán)聚態(tài) 中空球體 30 m英弗曼熱噴涂用納米粉料

6、的制備工藝第8頁，共40頁。熱噴涂粉料生產(chǎn)流程納米粒子的合成納米粒子的分散固-液料漿的準(zhǔn)備微米級(jí)顆粒的構(gòu)成熱處理顆粒尺寸分級(jí)第9頁，共40頁。熱噴涂合 成 的納米顆粒重新構(gòu)建的 顆 粒納米膜層覆蓋的工件熱噴涂制備納米結(jié)構(gòu)涂層的工藝過程第10頁，共40頁。核心技術(shù) 納米材料技術(shù)技術(shù)創(chuàng)新與市場競爭優(yōu)勢(shì)熱噴涂用納米形式的原料創(chuàng)新 濕化學(xué)合成 (可量化, 低成本)液體原料2) 熱噴涂納米膜層創(chuàng)新 使用性能提高 (壽命)高硬度防腐蝕性高粘附性 (粘附強(qiáng)度)高沉積效率第11頁，共40頁。熱噴涂用納米或超細(xì)粉料產(chǎn)品陶瓷涂層材料 1a) NanoxTM S2200 系列 (氧化鈦基的)1b) NanoxTM

7、S2400 系列 (氧化鉻基的)1c) NanoxTM S2600 系列 (氧化鋁基的)1d) NanoxTM S4000 系列 (氧化鋯基的)硬質(zhì)合金涂層材料 (金屬陶瓷)2) InfralloyTM S7400 系列 (碳化鎢/鈷)隔熱涂層材料3) NanoxTM S4000 系列 (氧化釔穩(wěn)定氧化鋯)液體溶液 & 粉末材料固體潤滑涂層材料4a) LuboxTM S2600S 系列 (氧化鋁-氧化鈦-氧化鐵/硫化鐵)4b) TsunamiTM S2600.40S 系列 (氧化鋁-氧化鈦-氧化鐵/硫化鐵)4c) 硫化鐵第12頁，共40頁。陶 瓷 納 米 涂 層NanoxTM S2600S 系

8、列 (氧化鋁基的)涂層特性 超級(jí)強(qiáng)度，高粘附性，高硬度，承受壓力能力強(qiáng)，表面質(zhì)量好競爭優(yōu)勢(shì) 與傳統(tǒng)涂層相比在耐磨損，抗壓力和沖擊力，耐久使用和 對(duì)環(huán)境要求(鹽性，生物附著)方面要優(yōu)于傳統(tǒng)涂層應(yīng)用領(lǐng)域 汽車，飛機(jī)，船體，冶金，醫(yī)藥等抗腐蝕, 磨損腐蝕或 抗生物附著等重要的領(lǐng)域第13頁，共40頁。提高承受抗彎曲張力的能力 NanoxTM S2600S 系列 (氧化鋁基材料) 增加粘附強(qiáng)度傳統(tǒng)涂層: 2,000 psi納米涂層: 8,000 psi提高耐磨損能力第14頁，共40頁。Al2O3/TiO2 Nanocoating超強(qiáng)的機(jī)械特性 (氧化鋁/氧化鈦涂層為例)沖杯實(shí)驗(yàn), 彎曲實(shí)驗(yàn), 磨擦磨損實(shí)

9、驗(yàn) 1 inch納米結(jié)構(gòu)涂層沖杯實(shí)驗(yàn): 超強(qiáng)粘附和抗破碎能力 傳統(tǒng)涂層納米涂層抗磨損能力的顯著改善0 0.01 0.02 0.03 Abrasive Wear Resistance (cm-3)Coating彎曲實(shí)驗(yàn)：超強(qiáng)粘合力，強(qiáng)度和抗破碎能力 1 inch納米涂層沒有開裂納米涂層提高耐磨損能力納米膜層在沖杯實(shí)驗(yàn)中沒有裂紋傳統(tǒng)涂層納米涂層普通涂層開裂，剝落普通商業(yè)涂層第15頁，共40頁。不同Al2O3/TiO2 涂層的磨損表面比較Metco 130普通涂層磨損表面的電子微觀圖片。注意: 涂層材料呈片，塊狀被磨損，表面變得粗糙Al2O3/TiO2納米涂層磨損表面的電子微觀圖片。涂層很小的部分被

10、磨損，涂層表面仍然較平滑Metco 130普通涂層劃痕表面(低倍觀察)Metco 130擦痕表面(高倍觀察)Al2O3/TiO2納米涂層劃痕表面(低倍觀察)擦痕表面(高倍觀察)Al2O3/TiO2納米涂層第16頁，共40頁。評(píng) 定 的 性 能傳 統(tǒng) 氧化鋁/氧化鈦納 米 結(jié) 構(gòu)氧化鋁/氧化鈦改善程度強(qiáng) 度差優(yōu) 良大幅提高微觀硬 度 (VHN)800-1,000900-1,000-防 磨 損 (Nm/mm3)7.5 x 10340 x 103 5X防 腐 蝕好優(yōu) 異 大幅提高 磨削加工能力差 優(yōu) 良大幅提高疲勞時(shí)間損壞 10X抗彎曲能力涂層產(chǎn)生 裂紋，剝落在彎曲180度后無裂痕大幅提高粘附強(qiáng) 度

11、 (psi) 2,000 8,000 4X納米與傳統(tǒng)Al2O3/TiO2 涂層性能的對(duì)比總結(jié)第17頁，共40頁。Metco 136F 普通涂層磨損表面的電子顯微圖片顯示 粗糙磨損痕跡納米涂層磨損表面的電子顯微圖片顯示 平滑磨損痕跡氧化鉻納米涂層的磨損表面對(duì)比觀察第18頁，共40頁。0.01.02.03.04.0滑 動(dòng) 磨 損 抗 力， (X106 N.m/mm3)Metco 136F氧化鉻普通涂層氧化鉻納米涂層012345磨 削 磨 損 抗 力， (N.m/mm3)抗滑動(dòng)磨損能力 (Sliding wear)相比于Metco 136F普通涂層，納米涂層抗磨損能力大幅提高抗磨削磨損能力 (Abr

12、asive wear)相比于Metco 136F普通涂層，納米涂層抗磨削磨損能力有小幅增加氧化鉻納米涂層耐磨損性能的評(píng)價(jià)Metco 136F氧化鉻普通涂層氧化鉻納米涂層第19頁，共40頁。InfralloyTM S7400 系列 (碳化鎢/鈷)涂層特性 超級(jí)粘附強(qiáng)度，強(qiáng)度，硬度競爭優(yōu)勢(shì) 和傳統(tǒng)涂層相比在粘附性和強(qiáng)度上有提高，尤其適用于 在高壓力等苛刻條件下需延長磨損壽命的部件。應(yīng)用領(lǐng)域 航空，汽車，印刷，采礦，切割工具等硬度，強(qiáng)度和 防磨損很重要的領(lǐng)域。特級(jí)WC/Co超細(xì)晶粒涂層第20頁，共40頁。傳統(tǒng)與超細(xì)晶粒 WC/Co 涂層的熱噴涂沉積比較基 材固體Co基體堅(jiān)硬WC顆粒Co基體融化傳統(tǒng)金

13、屬陶瓷顆粒特制金屬陶瓷顆粒粘合劑超細(xì)金屬陶瓷顆粒 傳統(tǒng) WC/Co 僅限于表面區(qū)融化 低質(zhì)量的涂層 特級(jí) WC/Co 全體積內(nèi)的融化 高質(zhì)量的涂層高溫加熱區(qū)高溫加熱區(qū)WC/Co顆粒部分熔化/軟化基 材基 材基 材堆積式結(jié)構(gòu)粘接式結(jié)構(gòu)硬性性附著延展性附著第21頁，共40頁。特制WC/Co和傳統(tǒng)WC/Co涂層的 顯微硬度與斷裂強(qiáng)度比較0500100015002000250030000102030斷 裂 強(qiáng) 度, MPam1/2顯 微 硬 度, HV60英弗曼 特制WC/Co涂層傳 統(tǒng)WC/Co涂層第22頁，共40頁。傳統(tǒng) WC/Co 材料特制WC/Co抗 空 泡 腐 蝕 能 力 (相對(duì)比較)傳統(tǒng)和

14、特制WC/Co材料的 抗空泡腐蝕性能的比較第23頁，共40頁。不同粉料制備的WC/Co涂層的磨削磨損性能比較Metco 72FSylvania SX432Metco 2004英弗曼超細(xì)WC/CoWear specimenDiamond pad第24頁，共40頁。熱 障 涂 層 (TBC)NanoxTM S4000 系列(氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯)粉末材料特 性 3維空間多孔性 , 較高熱絕緣性, 延長高溫循環(huán)疲勞壽命競爭優(yōu)勢(shì) 延長發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫部件的壽命并降低成本(工藝和延壽)應(yīng)用 飛機(jī)引擎，火力發(fā)電站和冶金等工業(yè)部件的高溫絕熱，防腐蝕。其他應(yīng)用 固體氧化物電池等第25頁，共40頁。目前微米級(jí)晶粒7

15、YSZ 涂層英弗曼納米級(jí)晶粒7YSZ 涂層緩解應(yīng)力并防止開裂的精細(xì)邊界易于產(chǎn)生橫向裂紋的晶粒邊界SubstrateBond CoatAl2O37YSZSubstrateBond coatAl2O37YSZ微米和納米結(jié)構(gòu)的熱障涂層對(duì)比第26頁，共40頁。熱障涂層中使用納米-7YSZ的益處 增加熱膨脹系數(shù)，更接近于金屬底層 因?yàn)榇蟮木Ы珞w積比率，增加擴(kuò)散蠕變率 增加延展性和粘附性，提高抗開裂能力 增加材料強(qiáng)度，增加對(duì)熱應(yīng)力的抵抗能力 降低熱傳導(dǎo)率，提高阻擋熱量轉(zhuǎn)遞的能力第27頁，共40頁。傳統(tǒng)和納米-熱障涂層的性能比較特 性傳統(tǒng)TBCs納米TBCs性能提高強(qiáng) 度差優(yōu)良50%提高粘附強(qiáng)度差優(yōu)良2X熱

16、循環(huán)壽命差優(yōu)良2X熱傳導(dǎo)率高低降低50%壽命/成本比價(jià)高低降低40%第28頁，共40頁。液體熱噴涂法(SPS) 制備的熱障涂層的應(yīng)用實(shí)例 (薄層：200-500微米)第29頁，共40頁。Gas turbine burner linerSuperalloyBond Coat100 mils2mm2mm2mm2mm液體熱噴涂法(SPS) 制備的熱障涂層的應(yīng)用實(shí)例 (厚層：500微米-2毫米)第30頁，共40頁。固體潤滑/耐磨納米涂層特性 超級(jí)潤滑和抗磨損，優(yōu)良硬度和強(qiáng)度競爭優(yōu)勢(shì) 適用于耐磨損和高潤滑同時(shí)需要的部件應(yīng)用 鋼鐵工業(yè)扎滾, 發(fā)動(dòng)機(jī), 燃料泵及閥門等第31頁，共40頁。英弗曼的特制顆粒和納

17、米涂層的優(yōu)勢(shì)按材料屬性/功能分類:陶 瓷 - 高粘合性，強(qiáng)度和韌性，更好適用耐磨損， 腐蝕環(huán)境金屬陶瓷- 高硬度和強(qiáng)度，更好抗磨損應(yīng)用熱障涂層- 提供更長使用壽命固體潤滑- 同時(shí)提供抗磨損和潤滑作用第32頁，共40頁。技 術(shù) 創(chuàng) 新 成 就產(chǎn)品效率 Nanox， InfralloyTM 和 TsunamiTM 品牌 數(shù)噸/年熱噴涂粉末材料的生產(chǎn)能力 高新技術(shù) 研究與開發(fā)100大獎(jiǎng) (R&D 100 AWARD)海軍DUST 項(xiàng)目年度獎(jiǎng)海軍證書 軍隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)1687a2002 CQIA 創(chuàng)新獎(jiǎng)第33頁，共40頁?，F(xiàn)有熱噴涂國際市場份額中國美國日本歐洲$2,000 M$800 M$700 M$100

18、M第34頁，共40頁。今日中國的熱噴涂工業(yè)現(xiàn)狀 按功能來分配收入材 料涂 層 服 務(wù)設(shè) 備18.75%43.75%37.50%第35頁，共40頁。中國經(jīng)濟(jì)改革和發(fā)展 中國傳統(tǒng)工業(yè)和高科技工業(yè)的問題* 傳統(tǒng)工業(yè) 低技術(shù)水平 沒有效率高科技工業(yè) 小經(jīng)濟(jì)格局 低傳播率 和其他工業(yè)無緊密聯(lián)系. * 中國國家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)和科技部, 世界刊物, 7月 16日, 2002 第36頁，共40頁。熱噴涂工業(yè)和中國傳統(tǒng)工業(yè)的改革1. 熱噴 涂 在 計(jì)劃 經(jīng)濟(jì) 中 (過去)2. 熱噴 涂 在 市場經(jīng)濟(jì) 中 (現(xiàn)在) 朝陽工業(yè)第37頁，共40頁。商業(yè)化英弗曼熱噴涂納米化技術(shù)對(duì)中國的益處 傳統(tǒng)熱噴涂技術(shù)在中國 熱噴涂作為高科技在中國 特級(jí)原料 熱噴涂特級(jí)涂層 大規(guī)模經(jīng)濟(jì)的效益 提高中國傳統(tǒng)工業(yè)的改革 外向型經(jīng)濟(jì) & 社會(huì)效益 結(jié)合中國的工業(yè)政策第38頁，共40頁。熱噴涂技術(shù)在鋼廠中的應(yīng)用閥門潤滑抗磨損抗滑動(dòng)磨損抗磨蝕抗空泡腐蝕成形札棍高硬度高潤滑抗磨損抗腐蝕導(dǎo)向/軌道抗磨損高潤滑高結(jié)合力 軸承高潤滑抗磨損抗腐蝕 第39頁，共40頁。鋼廠的表面涂層技術(shù) 潤滑性: ：涂層配方內(nèi)含固體潤滑劑 抗磨損(侵蝕，空泡 腐蝕 ，滑動(dòng))磨損：較高的高硬度和高韌性導(dǎo)致較好的 抗磨損功能 Al2O3/TiO2, Cr2O3/TiO2WC/C