喷涂锅炉丝专用设备1000型

   

   

 

 

热喷涂丝材的应用现状和发展

 

热喷涂丝材的应用现状和发展摘要：作为材料科学领域表面技术分支中制备涂层的一类工艺方法，热喷涂技术被广泛用于产品制造、设备维修、长效防腐及表面强化等目的，其应用领域涉及冶金、机械、石化、电力、汽车和船舶等行业。热喷涂材料是热喷涂技术的物质基础，具有粉末、丝材和棒材三种形式。据统计，现 2002:机床,入世是挑战更是机遇 专家指出要加大我国数控机床研发力度 加快普及型数控机床的发展 漫话中国机床制造业的服务竞争 中国铣床和加工中心市场的现状和展望 国内外车床的技术水平和发展方向 世界加工中心的生产、需求和发展动向 国内外机床发展趋势 世界数控系统发展趋势 切削加工技术和数控机床的发展 现代机床产品技术发展趋势 我国高速加工技术现状及发展趋势 利用先进制造技术提升汽车活塞加工水平 瓶盖及瓶口模具上特殊螺纹的数控车削 深孔的螺纹加工 数控车床螺纹切削方法分析与应用 磨削蜗杆砂轮的修整 精密零件多台阶面磨削的新方法 曲轴连杆颈的跟踪磨削工艺

作为材料科学领域表面技术分支中制备涂层的一类工艺方法，热喷涂技术被广泛用于产品制造、设备维修、长效防腐及表面强化等目的，其应用领域涉及冶金、机械、石化、电力、汽车和船舶等行业。

热喷涂材料是热喷涂技术的物质基础，具有粉末、丝材和棒材三种形式。据统计，现在全世界每年大约消耗3.5万t左右的喷涂材料。其中丝材约为2万t左右。常用的热喷涂方法包括火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和超音速喷涂等，其中电弧喷涂和火焰喷涂中的线材火焰喷涂工艺均需使用丝材作为原料。电弧喷涂工艺工作原理如图1所示。

图1 电弧喷涂工艺工作原理图

 

从成分及结构上划分，热喷涂丝材包括纯金属、合金(实芯丝材)和复合丝材(粉芯丝材或管状丝材)三类。以下从这三个方面对热喷涂丝材的应用和发展趋势进行介绍。

 

一、纯金属喷涂丝材

 

锌丝和铝丝是最常见的也是用量最大的纯金属喷涂丝材，主要用于对桥梁、井架、发射塔、舰船、港口、水利设施和运输管道等大型钢铁结构件进行腐蚀防护。它们对钢铁材料的保护机理主要有两个：一是具有与涂料涂装防腐机理类似的阻挡腐蚀介质的隔离作用；二是具有通过涂层材料的有效防护实现阴极的(即钢铁构件)保护作用。这是因为锌、铝的电极电位比钢铁要低，在有电解质时对钢铁材料呈阳极，使钢铁构件受到阴极保护而不被腐蚀。其防护实例如图2所示。

图2 电弧喷涂Zn、Al涂层对储油罐和桥梁进行防护

 

在Zn中添加Al，能提高涂层的耐蚀性能。目前，在国内已实现了ZnAl合金丝的批量生产，常见的牌号为ZnAl15合金丝。最近，北京有色金属研究总院已实现了Al含量更高的ZnAl20合金丝的批量生产。另外，AlMg合金丝以及稀土Al合金丝也逐步成为国内相关材料研制单位的热点研究项目。

 

铜丝和钼丝也是较为常见的纯金属喷涂丝材。前者主要用作电器开关和电子元件的导电涂层以及塑像、工艺品水泥等建筑表面的装饰涂层。后者早期主要用作结合底层材料，现在则更多地被作为耐摩擦磨损的工作涂层使用。例如，汽车行业中的活塞环、拨叉、同步啮合环等零件的表面涂层。

 

二、合金喷涂丝材

 

常见的合金喷涂丝材主要为Fe基和Ni基两大类。

 

1．Fe基合金喷涂丝材

 

Fe基喷涂丝材中应用较多的是碳钢丝、不锈钢丝和耐热铁合金丝。

 

碳钢丝按碳含量的多少又可分成低、中和高碳钢丝三类。由低、中碳钢丝制备的涂层，易于切削，可用于超差零件的尺寸恢复；高碳钢丝则可用于轴类等零件表面的耐磨涂层的制备。

 

不锈钢是指具有抵抗大气、酸、碱、盐等腐蚀作用的合金钢的总称，按其金相组织可分为五类：即铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。其中，马氏体(如Cr13型)型不锈钢丝和奥氏体(如18-8型)不锈钢丝是两类较为常用的喷涂丝材。前者可用作各种轴类件上的轴承位、柱塞和套筒等零件的耐磨涂层；后者由于具有比前者好很多的耐腐蚀性能，因而被更多地用在工作环境中存在腐蚀介质的零件的表面。如造纸烘缸、泵壳、阀门以及各类化工储罐等。

 

FeCrAl合金是良好的高温电阻材料，具有很好的抗高温氧化性能，其合金丝也被作为喷涂材料喷到钢铁上形成抗高温氧化涂层。该种材料早期曾在燃煤电厂锅炉受热面管道的涂层防护中得到较多的应用，近几年已逐渐被抗高温、耐腐蚀性能更好的镍铬合金所取代。

 

2．Ni基合金喷涂丝材

 

NiCr合金丝是最早获得应用的Ni基合金丝材，作为高温电阻材料，这类合金具有很好的抗高温氧化性能。早期使用的NiCr合金主要是Ni80Cr20系列，随后又出现了Ni70Cr30系列。目前，由北京有色金属研究总院研制成功的Wcr在43％～45％之间的高铬镍基合金丝材PS45，已实现产业化生产，并在国内获得广泛应用，同时已有部分产品出口至美国和日本等国家。非常高的铬含量使得由该种合金丝材制备的涂层在高温环境下能发生选择性氧化，在涂层表面形成一层连续且致密的Cr203保护膜，从而有利于阻止外界腐蚀介质的侵入和涂层内金属离子的向外扩散。另外，试验表明，该种涂层材料还具有十分优秀的抗硫化物(包括SO2、H2S以及硫酸盐等)腐蚀性能，使其非常适用于火力电厂锅炉以及有着类似工况的零部件的预防护。

 

NiAl合金丝是另外一种得到广泛应用的镍基合金丝材(见图3)。这种主要作为电弧喷涂结合底层材料使用的合金丝材也是由北京有色金属研究总院率先研制成功的(该项目荣获北京市科技进步二等奖)。该种丝材的名义成分为Ni95Al5。由其制备的涂层的结合强度可达55MPa以上，是喷涂各种轴类件、柱塞、造纸烘缸以及在金属基体上制备陶瓷涂层时必不可少的底层材料。

 

高铬镍基合金丝材PS45和镍铝合金丝

 

蒙乃尔(NiCu)合金因具有较好的耐蚀性也是被较多使用的一种Ni基合金材料。其耐蚀性能，在还原气氛中比镍好，在氧化气氛中优于铜，在许多介质中都表现出比不锈钢更突出的耐蚀性能。

 

3．其他合金喷涂丝材

其他常用的合金喷涂丝材还包括铜合金丝材和锡合金丝材。

 

铜合金中的黄铜主要用于修复磨损及加工超差零件，也可作为装饰涂层使用。在黄铜中添加1％(质量分数)左右的锡，可改善黄铜的耐海水腐蚀性能，故被称为海军黄铜，大量用在与海水接触的活塞、轴套和气阀上。铝青铜的强度比一般黄铜高一倍，因而具有很好的腐蚀疲劳性能和耐磨性能，主要用在水泵叶片、阀门和轴瓦上，也可用来修复青铜铸件及作装饰涂层。磷青铜和白铜呈美丽的淡黄色和白色，主要被用作装饰涂层。

锡基合金中较常使用的是锡基巴氏合金(SnSbCu合金)丝，它主要被用来修复滑动轴承的轴瓦。

 

三、复合喷涂丝材

 

复合喷涂丝是指用机械方法将两种或两种以上的材料复合压实制成的喷涂材料，现在又被称为粉芯丝材或管状丝材。

 

国内最早出现的复合喷涂丝是由北京有色金属研究总院研制成功的火焰喷涂结合底层材料——NiAl复合丝。它是采用粉／管复合法，将一定配比的Ni粉和Al粉装入铝管之中，再通过适当的减径变形手段以及特殊的接头工艺制成了可供连续喷涂使用的Ф3mm(或3.175ram)的丝材。该种复合丝是增效型复合喷涂材料的典型代表。在喷涂过程中，Ni和Al发生化合反应形成NiAl和Ni3Al化合物，分别放出142.8J和157.92J的热量，从而使涂层可与很多金属形成十分牢固的“微冶金”结合。与早期作为结合底层材料使用的钼丝相比，由NiAl复合丝制备的涂层具有更高的使用温度(前者为430℃，后者可达870℃)。同时，从材料成本角度考虑，后者也要比前者经济得多。另外，由NiAl复合丝制备的涂层中因含有Ni3A1等化学性能稳定、高温强度好的金属间化合物而也可直接被作为耐高温氧化、磨损的工作层使用。

 

现在使用更多的是另外一类采用粉/皮复合法制成的复合丝，即将粉末填料添加到作为包覆用的金属或合金带中(一股为碳钢带)，经过卷曲、拉拔等工艺制成的复合喷涂丝(见图4)。该种工艺具有粉末组元调节方便、生产周期短、效率高的优点，既适于多品种、小批量的开发目的，也可用于大批量的定型生产。目前，该种复合丝中的粉末填料多为陶瓷、金属陶瓷(如TiB2/NiAl复合丝(粉/管法)和耐磨复合丝(粉/皮法)Al203NiCR-Cr3C2Fe(Cr)3B)等硬质耐磨粉末，同时添加少量的如Ni、Al等合金元素，有利于提高结合强度。由于这类丝材制备的涂层呈软基体中包含硬质相的结构，因而具有较好的耐磨粒磨损性能，适合作为耐冲刷涂层使用。这类复合丝材的出现是对实芯合金丝材的一个有力补充，解决了部分材料不能采用传统的塑性加工工艺制备成丝材的难题。目前。这类丝材已在燃煤电厂循环流化床锅炉受热面管道、风机叶轮等部件的耐磨防护上得到了广泛的应用。

 

热喷涂丝材的应用现状和发展

再制造工程通过采用先进的修复技术、严格的产品质量控制和精确的成本核算，使费旧产品得以再利用，并达到良好的技术经济指标，再制造工程以优质、高效、节能、节材、环保为目标，符合国家可持续发展战略。再制造工程以先进的维修技术为基础，其中，热喷涂技术由于其工艺的灵活性、涂层质量的可控性和成本优势，在再制造中有广泛的应用。由热喷涂的原理可知，粒子沉积前的状态决定涂层的性能，包括粒子的速 度、粒子的温度及粒子的熔化状态。粒子的速度 对涂层的性能具有重要的作用，当粒子撞击基体 表面时，高速可形成大的冲量，粒子的变形能力 强，有利于涂层结合力和致密度的提高，超音速 喷涂优异的涂层性能得益于极高的粒子速度，近 年来研究的热门，冷喷涂技术，则完全依靠高速 粒子的动能来沉积形成涂层。根据空气动学和火 箭发动机原理，先后成功研制了超音速电弧喷涂 技 术 (HVAS) 、 多 功 能 超 音 速 火 焰 喷 涂 技 术(HVO/AF)，能制备高性能的金属、合金、金属陶 瓷和无氧化物金属涂层，在工业中获得了广泛的应用。

1 超音速电弧喷涂技术

电弧喷涂具有生产效率高、生产成本低、工 件受热小等优点，在长效防腐和耐磨涂层方面应 用广泛，在热喷涂中占有重要的地位，但是，与 等离子喷涂和超音速火焰喷涂相比，普通电弧喷 涂的涂层质量较低，结合强度 20 MPa 左右，孔 隙率为 3 %-10 %，限制了电弧喷涂的应用。超音 速电弧喷涂技术以提高粒子的速度为出发点，采 用拉伐尔喷咀，改善了喷枪的雾化效果，增强了 气流对粒子的加速作用，粒子的速度被提高到超 音速，制备的涂层结合强度高、孔隙率低、表面 粗糙度低，与普通电弧喷涂相比，涂层质量有 了很大程度的提高，接近等离子喷涂的水平，全面提高了电弧喷涂层的质量。

超音速电弧喷涂的原理是：燃烧于丝材端部 的电弧将均匀送进的丝材熔化，经拉伐尔喷咀加 速后的超音速气流将熔化的丝材雾化为粒度细小 分布均匀的粒子，喷向工件形成涂层。与普通电 弧喷涂一样，超音速电弧喷涂是一个不断重复进 行的熔化—雾化—沉积的过程，但在雾化方式上， 超音速电弧喷涂与普通电弧喷涂有差别，普通电 弧喷涂采用亚音速雾化，而超音速电弧喷涂采用 超音速雾化，雾化后的粒子细小均匀，速度高，有利于获得高质量的涂层。

2 超音速电弧喷涂在再制造中的应用

超音速电弧喷涂层结合强度高、孔隙率低、 表面粗糙度低、耐磨耐蚀性能好，在工业中有广 阔的应用前景，特别是在长效防腐和耐磨涂层方面。超音速电弧喷涂工艺灵活，在相当大的工艺 参数范围内都能得到性能优异的涂层，设备研制 成功后，获得了广泛的应用。

2.1 长效防腐涂层

电弧喷涂铝、锌涂层耐蚀性能好，对基体有 良好的保护作用。由于铝、锌涂层的自腐蚀电位 均低于碳钢的自腐蚀电位，因此，铝、锌涂层具 有牺牲阳极的阴极保护作用，即使涂层有局部破 损，对基体仍然有良好的防护效果，此外，电弧 喷涂镍铬和铁铬铝涂层还能有效地抗高温腐蚀。 超音速电弧喷涂层质量比普通电弧喷涂高，涂层 均匀致密，孔隙率低，为腐蚀的防护提供了一条 成本低、效果好的途径，特别是桥梁、钢铁塔架、 水闸门、工业锅炉等的腐蚀防护。

工业用锅炉水冷管壁的腐蚀是个重要的经 济和技术问题，更换管壁和停产的损失相当昂贵。 锅炉使用过程中，工作温度高，燃料含硫量高， 锅炉水冷管壁由于 Fe 元素与高温空气中的 S 元 素反应生成 FeS 而造成腐蚀。此外，熔渣和煤灰 对管壁有冲蚀作用，加剧管壁的腐蚀。超音速电 弧喷涂电厂水冷管壁，与普通电弧喷涂相比，制 备的涂层均匀致密，表面粗糙度低，结合强度高， 涂层质量大大改善，预计防腐寿命在 5 年以上。 随着石化工业的发展，由于各种腐蚀原因引起化 工储罐、管道出现事故的趋势明显增加，不仅造 成了大量的经济损失和环境污染，而且造成了很 多人员伤亡。因此，对化工设备进行防腐与维修， 是石化工业发展中重点解决的难题之一。超音速 电弧喷涂石油化工厂的轻污油回收罐，大大提高 了回收罐的使用寿命，其使用寿命由原来的 3 年 提高到 8 年。

(a)水冷管壁防腐

(b)化工储罐防腐

图1 超音速电弧喷涂防腐涂层的应用

 

2.2 耐磨涂层

在机械零部件的表面，采用热喷涂方法，制 备耐磨或耐磨耐蚀的涂层，对零部件进行修复或 强化，是热喷涂技术应用的一个重要的方面。超音速电弧喷涂制备的涂层结合强度高、孔隙率低， 经车削和磨削加工后易于满足精度和表面光洁度 要求，同时，与其它修复方法相比，其成本低廉， 为其在修复领域的应用创造了条件，具有较好的 技术经济效益。工程机械的作业环境越来越恶劣， 其液压系统柱塞往往由于超负载、液压油污染而 出现粘着磨损和磨粒磨损，导致液压系统无法正 常工作。采用超音速电弧喷涂耐磨抗高温合金涂 层对失效的柱塞进行修复，修复后的柱塞不仅可 恢复使用，而且其使用寿命也原来平均 15～20 天延长到平均为 45 天，使用寿命周期提高了一倍 以上，产生了较好的经济效益。

3 多功能超音速火焰喷涂技术

多功能超音速火焰喷涂系统的原理是：利用 煤油为燃料，氧气和压缩空气为助燃剂，控制系 统将煤油和氧气（压缩空气，或氧气与压缩空气 的混合气）以一定的流量输送到喷枪，经高性能 雾化喷嘴雾化混合成可燃混合气后喷入喷枪燃烧 室，混合气经火花塞点火燃烧后形成高温高压的 燃气，通过拉伐尔喷嘴将其加速到超音速。送粉 系统将喷涂粉末从拉代尔喷嘴的低压区送入超音 速射流，经射流加温加速后从喷枪喷出，高速喷 向工件表面沉积形成涂层。喷涂系统的关键是通 过调节进入喷枪的煤油、助燃剂（氧气与压缩空 气的混合气体）的流量比例来调节焰流的速度和 温度，从而控制喷涂粉末的加热和加速，以满足 喷涂材料的要求，制备高性能的金属涂层，合金 涂层和氧化物陶瓷涂层。

图 2 为多功能超音速火焰喷涂系统的焰流图，由图可知，焰流集中，射 流扩散角小，并出现了超音速焰流所特有的马赫 锥，表明焰流的速度达到超音速。对 WC-12Co 涂层的结合强度进行了测试，测试结果表明涂层 的结合强度大于 70 MPa，测试时的断裂面出现在 胶层，说明实际值大于测试值。

图 2 多功能超音速火焰喷涂射流

4 多功能超音速火焰喷涂技术的应用

多功能超音速火焰喷涂具有氧气煤油超音速 火焰喷涂（HVOF）和空气煤油超音速火焰喷涂 （HVAF）的双重功能，焰流速度和温度在大范 围内连续可调，能满足多种喷涂材料的要求，其 制备的涂层结合强度高、孔隙率低，可制备耐磨、 耐蚀、导热、绝缘、导电、密封等涂层，在机械 制造、航空航天、水利电力、矿山冶金、石油化 工、造纸皮革等领域有广阔的应用前景。

在冶金行业，有多种轧辊和输送辊需要耐磨 强化或修复，其中，冷轧带钢连续退火炉底辊是 重要的一种。辊面的结瘤现象，实际上是粘着磨 损。为了减少结瘤给钢带生产造成的损失，热喷 涂方法被广泛采用。通常在辊面喷涂 NiCr-Cr3C2 涂层，它具有抗高温氧化、抗热震、抗磨损的特 点，能使炉底棍在高温下长时间的连续工作，且 经受周期性的热冲击。当炉低辊工作温度超过 900 ℃时，一般喷涂 Co 基合金。超音速火焰喷 涂在喷涂碳化物陶瓷方面具有得天独厚的优势， 而冶金行业对碳化物金属陶瓷涂层有很大的需 求，因此获得大量应用。图 3 为多功能超音速火焰喷涂 Co 基 WC 涂层对酸洗镀锌辊进行表面强 化，以提高其工作寿命，设备使用单位为邯郸钢铁集团。

 

图 3 多功能超音速火焰喷涂强化冶金棍

在石油工业中，有大量的机械设备，如：泵、 阀、钻井机械、输运设备、提升设备、管道等， 影响它们寿命的重要因素是磨损与腐蚀。多功能 超音速火焰喷涂在强化和修复抽油泵活塞杆方面有很好的应用效果，活塞杆喷涂 WC 涂层强化后， 耐磨性大大提高，使用寿命提高数倍。在石油机 械中，阀座和轴类零部件的磨损也比较严重。由 于多功能超音速火焰喷涂制备的 Co 基 WC 涂层， 残余应力低，涂层厚度可达 3mm，甚至更厚，而 涂层与基体结合好，在承受重载的磨损件的尺寸 恢复中有较好的应用。

泵、缸、阀是组成液压和气动系统的基本单 元，磨损和介质的腐蚀是制约其使用寿命的关键 因素。利用多功能超音速火焰喷涂技术可对泵轴、 缸活塞杆、阀芯等进行强化和修复，这些部件要 求有较高的精度和表面光洁度，多功能超音速火 焰喷涂层经磨削后精度和表面光洁度均很高，能 满足其使用要求。

硬密封球阀在工业中有广阔的应用，它依靠阀芯和阀座间的硬密封来控制流体通断，由于不 需要使用非金属密封材料，具有结构紧凑，密封可靠，耐蚀性强的特点，在化工行业有广阔的应用。在硬密封球阀的阀芯上制备一定厚度的耐磨 耐蚀金属陶瓷涂层，并磨削至需要的精度和光洁 度，可大大提高密封性能和使用寿命。温州成达 特种阀门厂使用多功能超音速火焰喷涂技术强化 硬密封球阀，大大提高阀的使用性能和寿命，并 能满足石油化工行业部分特殊工况的需要，受到用户的好评。

在我国，由于受能源结构的制约，在相当长一段时间内，火力发电在电力中占有相当大的比 例。风机、叶轮、锅炉、汽轮发电机组等是在火 力发电中的重要设备，由于工作环境不同，且工况较恶劣，部分设备寿命较短，影响生产的安全 性和经济效益。由于多功能超音速火焰喷涂层性 能优异，在电力中有很成功的应用。

5 结 论

以提高粒子的速度为出发点，研制了 HVAA、HVO/AF 超音速喷涂系统，试验和应用 表明，其制备的涂层性能优异，在工业中应用广 泛，并取得了很好的应用效果，随着进一步的推 广应用，将创造更大的效益和价值。