熔射覆膜技術之應用與市場概況

 

刊登日期:2008/5/20
  • 字級

熔射(Thermal Spray)覆膜技術為許多塗層製作技術中的一種,其原理是藉由熱源將材料融化之後,藉由氣體的動力推送,將熔融材料送至工件表面,並附著於工件表面上形成塗層,如圖一所示。此技術可以用來改良工件表面之物理或機械性質,藉以延長工件使用之壽命。熔射覆膜技術所製作之塗層材料,包括陶瓷、金屬、金屬陶瓷、高分子和複合材料等,應用範圍相當地廣泛。根據BCC Research的預估,2009年北美地區市場,在高性能陶瓷產業相關市場產值,預估將超過330億元新台幣。


圖一、熔射覆膜技術施工之狀況

熔射覆膜技術,可以細分為電漿熔射(Plasma Spray)、電弧熔射(Arc Spray)、火焰熔射(Flame Spray)和高速火焰熔射(High Velocity Oxy-Fuel,HVOF)等。熔射覆膜技術和其他技術相比較之下,具有許多優異的特性,例如熔射後金屬塗層在高溫擴散後,金屬基材和金屬塗層間的鍵結可接近焊接;熔射覆膜技術可以提供傳統焊接無法使用之塗層材料,如陶瓷材料,或是金屬陶瓷複合材料等;對於與母材不相容的材料,仍可以披覆,例如將氧化鋁披覆於不銹鋼基材上,或是將金屬塗層噴覆在陶瓷基材上等。由於熔射覆膜技術以巨觀的角度來看,基本上是控制在底材表面未熔融的狀態下,進行塗層之製作,因此可以將底材控制在150℃的溫度以下。

熔射覆膜技術的應用
熔射覆膜技術的應用,可以依照不同塗層的功能,來作不同的應用。熔射覆膜技術在磨蝕、侵蝕、穴蝕、擦傷、磨損及其他磨耗等抗磨耗狀況下的應用,熔射塗層可以提供高硬度及耐磨耗性佳之塗層材料來作為應用。藉由熔射覆膜技術製作的塗層,可以將基材表面原本硬度20 HRc左右的表面,在經由熔射塗層之製作後,將表面硬度提升至70 HRc以上,例如於基材表面噴覆氧化物或碳化物等塗層材料。圖二所示為在DVD壓片用模具表面製作硬面塗層,以改善壓片用模具之使用壽命。


圖二、DVD壓片用模具

應用市場概況
由於熔射覆膜技術在工業界的應用範圍相當地廣泛,將簡述熔射覆膜技術在各種不同產業上的應用概況,包括石油及化學工業、汽車工業、航太工業、電機及電子工業、能源工業、鋼鐵工業、非鐵金屬業、造船工業、生醫工程、機械製造業、印刷工業、造紙業、裝飾塗層業及土木工程等的應用,以下簡略舉出幾項產業應用。

1. 石油及化學工業
熔射塗層可以提供良好的抗化學腐蝕性、抗磨耗及抗高溫侵蝕塗層,可以作為化學儲存槽、化學輸送管路、鍋爐及鍋爐管的表面防護塗層。於抗腐蝕的應用上,熔射技術噴覆鋅、鋁、鋅鋁合金及鋁金屬陶瓷混合物塗層,已廣泛地被石化工業所運用。許多浸入液體環境中的使用,亦應用鋁或鋅熔射塗層,來作為抗腐蝕的防護塗層,例如閘門和儲水槽等,皆可以藉由鋅或鋁來製作抗腐蝕塗層。使鋼材不受到淡水或海水中的污染物威脅,而造成腐蝕情形產生。熔射塗層亦有許多應用在嚴苛石化環境中使用之狀況,例如需要同時具備抗腐蝕及抗磨耗性質的塗層,如表一所示,為熔射塗層在石化上的應用概況表。

表一、熔射塗層在石化上的應用

2. 汽車工業
汽車用柴油引擎汽缸壁、活塞、活塞環、傳動軸、凸輪軸及煞車片,目前已有相關的研究與應用,利用熔射塗層來改良這些零組件的表面性質。在柴油引擎汽缸壁或活塞表面製作陶瓷塗層,可以提高引擎燃燒時的溫度,有效地提昇引擎的熱效率,以降低汽車的油耗。另外,在煞車片表面製作高摩擦係數塗層,可以提升煞車時煞車片的摩擦力。

3. 航太工業
航空用渦輪引擎燃燒段所使用之零組件,例如燃燒筒、導筒及渦輪葉片等,如圖三所示。藉由熔射技術噴覆熱障塗層,在高溫環境下具良好的保護效果,能夠延長在高溫環境下操作零組件的使用壽命。在一般常見的渦輪引擎燃燒段零件上噴覆熱障塗層,除了能夠延長操作在高溫環境下零組件的使用壽命外,還可以提高引擎燃燒溫度,增加引擎的熱效率,並且可以降低零件底材的使用溫度,不僅可以延長使用壽命,還可以降低因熱而造成的基材熱疲勞及高溫潛變。


圖三、內面製作絕緣塗層後航空用渦輪引擎用燃燒筒外觀圖

4. 能源工業
應用在航空用渦輪引擎燃燒段所使用之熱障塗層,亦應用於火力發電用的燃氣渦輪發動機上。藉由熔射技術製作熱障塗層,在燃氣渦輪發動機高溫環境下具良好的保護效果,能夠有效地延長在高溫環境下渦輪發動機零組件的使用壽命。

5. 非鐵金屬業
對於銅金屬鑄造相關產業來說,利用熔射技術來製作氧化鉻塗層,可以用來抵抗液態銅液的侵蝕,可以用來保護碳鋼底材被銅液所侵蝕。另外藉由熔射技術噴覆氧化鉻-碳化鈦複合塗層,或是氧化鎂-矽酸鋯複合塗層,可以提高抵抗高溫液態銅液侵蝕的能力。如果在製作此類塗層之前,預先噴塗以鎳鉻鋁合金為底的黏結層,將有助於延長塗層的使用壽命。

6. 造船工業
造船工業與石油化學工業在腐蝕環境下的使用,有著相似的腐蝕狀況。一般來說,船舶的腐蝕環境,可以區分為海面下及海面上的腐蝕環境,海面上的腐蝕環境為大氣腐蝕環境,可以藉由熔射技術來製作抗腐蝕塗層,以延長機件在此環境下的使用壽命。其它熔射技術在造船工業上的應用,包括柴油引擎的汽缸壁、活塞及活塞環、蒸氣閥門與螺旋槳等,皆可以看到熔射塗層的應用。圖四 所示,為Flame Spray公司在船舶螺旋槳上製作熔射塗層的外觀狀況。


圖四、Flame Spray公司在船舶螺旋槳上製作熔射塗層的外觀

7. 生醫工程
藉由在外科植入物上製作生物相容性或生物活性塗層,可以有效縮短植入體的恢復時間,及提高植入的成功機率。熔射覆膜技術已經應用在相關的外科植入物上製作塗層,例如:人工牙根、人工膝關節與人工寬關節等,塗覆之塗層材料包括:氫氧基磷灰石、純鈦金屬、鈦合金、316L不銹鋼與鈷鉻鉬合金等。如圖五所示,利用熔射技術於人工關節上製作生物活性塗層。根據Ravaglioli等人的估算,美國在1991年對於生醫材料市場的需求,已接近30億美元。


圖五、利用熔射技術於人工關節上製作生物活性塗層之外觀狀況

熔射技術已受到工業界相當廣泛的應用,各式各樣的應用雖可說是包羅萬象,但也並非是無所不能。然而,靈活地運用合適的熔射方法,以及適當的熔射用材料,不僅是可以延長設備零件的使用壽命,亦可以改變材料的表面性質,符合各種工業使用上的需求。本技術在國外已開發國家,已經應用相當長的時間,然而在國內相關推廣的工作仍需要產、官、學界的大力支持,才能使此項技術在國內生根茁壯。

作者:蕭威典、劉武漢/ 工研院材化所
出處:工業材料雜誌257期

★本文節錄自「工業材料雜誌」,更多資料請見https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6898


分享