热喷涂技术概况

我国热喷涂技术近期发展概况全国热喷涂协作组办公室（100044）刘广海、曾克里、宋希剑摘要本文叙述了热喷涂技术（包括设备、工艺、材料、科研等方面）在我国近期发展概况及应用特点和最新成就，并展望了该技术的推广应用前景。关键词：热喷涂技术、发展、前景热喷涂技术在国民经济建设中所发挥的重大作用，越来越引起人们重视。它作为表面技术一个重要组成部分，在国家“六五”至“九五”连续四个五年计划重点推广应用中取得了显著成绩，获得了重大经济效益。目前，无论在设备、材料、工艺、科研等方面都在迅速发展与提高。从去年10月在宁波举行的“第十五届全国热喷涂技术经验交流会”上国内外专家的专题报告以及宣读的论文中可以看出，我国热喷涂技术近期发展的概况及特点是：设备方面（喷枪）向高能、高速度方向发展；材料方面向系列化、标准化、商品化方向发展，以保证多功能高质量涂层的需要；工艺方面向机械化、自动化方向发展，如计算机控制、机械手操作等。下面简要介绍如下：1.热喷涂设备发展的新动向近期我国加快了设备研制和生产步伐，目前已形成了完整的研制和生产体系，除原有的20多个生产单位，单机品种可达100多个外，近几年来超音速喷涂、等离子喷涂、超音速电弧喷涂、冷喷涂、棒材及陶瓷软线喷涂方面都有很大进展，加之引进许多国外先进设备，使我国热喷涂设备发展达到了崭新阶段。1.1等离子喷涂设备1.1.1超音速等离子喷涂设备国际上高能高速已成为热喷涂技术的发展方向，相继出现了爆炸喷涂（CD-GmsPrating）、超音速火焰喷涂（HVOF、HVAF）、低压等离子喷涂（LPPS）、以及超音速等离子喷涂（Plazjet）等技术。这些技术都是通过大幅度提高喷涂粒子的速度来获得高质量涂层。但上述设备都各自有不足之处，由美国Browning公司在1986年末推出的超音速等离子喷涂（Plazjet）具有设备投资少、材料来源广、涂层质量好、生产效率高等诸多优点。装甲兵工程学院在引进美国PJS-80超音速等离子喷涂设备的基础上，自主设计开发高效能HEPJET超音速等离子喷涂枪，成功地研制了超音速等离子喷涂系统。该系统设计突破了以提高功率和气体流量来获得超音速等离子射流的常规思路，采用独创的单阳极拉伐尔喷咀，研制成功了在低功率、低气体流量条件下的超音速等离子喷枪，较好地解决了刚性射流送粉困难以及等离子喷涂内送粉难以克服的堵咀和粘咀问题，减轻了射流的边界效应，保证了超音速射流对喷涂粉末的高效传热和熔融效率。用该系统制备的陶瓷涂层在结合强度、孔隙率、显微硬度等涂层质量方面已达到国际同类水平，但成本仅为国外的一半，充分显示了该喷枪的高效能特色。在我国首次把超音速等离子喷涂用于主战装备贵重零部件再制造，以及在高温耐蚀、耐磨损、热障涂层等方面也发挥了该喷枪的优越性。1.1.2超低功率、高效等离子喷涂设备大连海事大学研制的Plasma-LE15超低功率高效等离子喷涂设备特点是：（1）充分利用等离子热能，实现电能消耗为2~13KW；（2）粉末和用于发生等离子气体一同投入喷咀入口，粉末从等离子体发生点开始被加热并与等离子气流方向一致；（3）等离体弧长约60mm（没有添加粉末时），等离子气流集中，粉末飞行速度高，涂层组织致密；（4）粉末充分被加热，喷涂效率高，金属和碳化物粉末沉积效率可达80％以上；（5）直流电源和气体控制一体化，能够方便移动，适合于现场喷涂作业；（6）由于喷涂小型化可直接喷涂140mm以上内表面。1.1.3水稳等离子喷涂设备在气稳等离子喷涂占据着领导地位的今天，水稳等离子喷涂的出现为人们提供了一种互补的选择。水稳等离子喷涂的优点与缺点都较为突出；功率大、运行成本低、喷涂速度高；但结构与工艺过程较为复杂。在当今热喷涂技术向大产值、大批量迈进的形势下，这项技术开始受到更多的重视和应用。当前工业上所采用的典型的水稳等离子喷涂设备是捷克布拉格等离子物理研究所指导开发的PAL160型，其功率可达120~200kW。该系统是由特殊形状的腔室、旋转冷却的阳极和自耗石墨阴极构成。系统的核心是阴阳两极之间的起弧过程，起弧是靠切线方向输入的水流中央的金属丝打火所引发。该过程依靠外层水流来冷却腔壁，而不必象气稳等等子弧那样，需要两套独立的工艺——稳弧与冷却。但水稳等离子弧工艺具有弧焰不太稳定，电极易腐蚀等缺点。很明显，气稳等离子弧适用于对喷涂质量要求高、喷涂面积小、工艺精细的作业，喷涂材料一般较为特殊、价格较昂贵；而水稳等离子喷涂则是用于大面积、高速率作业，尤其适用于批量喷涂氧化物材料，对于大量生产球形粉末材料也是最佳的选择。目前，主要用来喷涂罗拉件、风机叶片、锅炉部件等等。最成功的实例当属用于喷涂电弧炉石墨电极；在玻璃工业中，喷涂ZrSiO4能够大大延长搅拌器和进料器的使用寿命；还有一项典型的应用便是生产球形粉末材料，因为它效率极高。我国山西某单位已引进了水稳等离设备，并已成功地喷涂了许多重要部件。1.2高速电弧喷涂装置粒子速度对涂层质量有决定性作用，热喷涂涂层质量的改善往往是粒子速度提高的结果。随着热喷涂技术的发展，一种新的电弧喷涂方法——超音速电弧喷涂技术应运而生。超音速电弧喷涂其粒子飞行速度可大于380米／秒，涂层结合强度高，孔隙率低。第二炮兵工程学院、装甲兵工程学院、中国农业机械化研究院表面技术研究所等单位都相继研制成功了超音速电弧喷涂和高速电弧喷涂装置，据有关单位测试，现就喷涂纯铝涂层三种喷涂方法的主要性能，列表如下：表1三种喷涂方法纯铝涂层主要性能涂层性能喷涂方法气孔率（％）结合强度（PMa）盐雾试验涂层硬度氧乙炔丝喷10~12较好较好HB32普通电弧喷涂3~1020~40好HV41.2超音速电弧喷涂＜140~60优HV60.3从上面三种喷涂方法主要性能对比中可以看出，超音速电弧喷涂由于采用了拉伐尔喷咀，将喷涂粒子速度提高到超音速，改善了粒子雾化效果，提高了涂层质量。1.3超音速火焰喷涂装置目前从国外引进的超音速火焰喷涂装置（HVOF），（HVAF）设备，其特点是粒子飞行速度高，涂层结合强度高，孔隙率低（一般小于1％），据不完全统计，目前国内已从美国、德国、日本等国家进口近30台，这些设备在航天、航空、冶金、电力等行业发挥着重要作用。但是上述进口设备价格昂贵，结合我国国情第二炮兵工程学院、西安交大、铁岭永兴石油机械有限公司等单位研制成功了适合我国国情的超音速火焰喷涂装置，其价格只有进口的1/2~1/10。其中第二炮兵工程学院研制成功了KY-HVO／AF多功能超音速火焰喷涂系统，其特点是具有氧气燃料超音速喷涂（HVOF）和空气燃料超音速喷涂（HVAF）的双重功能，能制备性能优异的金属。合金、金属陶瓷及陶瓷涂层。铁岭永兴石油机械厂研制成功的T1-13200CY型超音速火焰喷涂装置（HVOF），其主要技术性能指标是：火焰温度3200℃；涂层结合强度7~20kgf/mm2；可喷涂最大厚度10mm；涂层孔隙率＜1％；涂层硬度（碳化钨）1500（DPH300）；喷涂速率12kg/h。上述二种设备均已申报专利，并已在国内有关单位应用。1.4CP-1000型高速火焰粉末喷涂枪HVOF高速火焰喷涂装置除价格昂贵外，且燃料（丙烷、丙烯）不易普及、针对上述情况，结合我国国情四川长诚热喷涂技术公司研制成功了CP-1000型氧-乙炔焰为热源的高速喷涂枪。由于受到乙炔压力的限制，目前虽然粒子飞行速度达不到超音速（该枪粒子飞行速度可达240m/s），比常规氧乙炔火焰粉末喷涂粒子飞行速度提高了4~5倍，可以喷涂金属及合金粉末材料、Al2O3、Al2O3-TiO2、CO-WC、Ni-Cr/Cr3C3、ZrO2以及聚乙烯、尼龙及热塑材料。特别是该枪能喷涂NiCr/Cr3C2等粉末材料，目前已在国内20多个电厂锅炉“四管”上现场喷涂得到了成功应用。1.5D2-5000型高能火焰喷涂装置由中国农机院表面技术研究所自行设计并研制成功的D2-5000型高能火焰粉末喷涂系统，其特点是高速喷咀，最高能量可达26.250kcal/h，长时间工作不发热、不回火，并配以高精度送粉器，采用沸腾床原理，送粉精度高（≤±5％），送粉稳定性好，可送粒度在5μm以上的各种陶瓷、金属、塑料等粉末。送粉率达0.5kg/h-15kg/h。该枪的研制成功，将有益于氧乙炔火焰粉末喷涂技术发展。1.6大功率燃气火焰重熔装置火焰喷涂喷焊技术在维修和强化工件表面中一直发挥着重要作用，特别是喷焊技术，具有非常高的结合强度，适合于要求结合强度高的工况条件下工作的工件。目前国内所生产的重熔枪由于功率小，可以满足小型工件喷焊强化要求。随着工业的发展特别是冶金行业要求喷焊强化的工件，越来越大，如连铸机的拉矫辊、输送辊、校直辊等等，要求喷焊的辊的直径可达到φ400mm，国内的重熔枪显得力不从心。为了解决这个问题，国内已有人采用炉熔的工艺进行重熔强化处理。这个技术也是行之有效的，但它需要一个庞大的炉子，处理工件的大小受到了一定的限制，另外，已有人采用高频重熔技术，该技术要求比较严格，并需要一台较贵的高频电源，上述两项工艺仍在继续应用。利用燃气燃烧的热能来重熔大型工件表面涂层一直是人们的愿望，因为燃气资源丰富，设备简单，操作方便。为了达到人们这一愿望，广州有色金属研究院在工业用的燃烧器的基础上，研制出一台具有较大功率的燃气火焰重熔装置，它利用的燃气为乙炔或丙烯，利用这台装置，对校直辊和拉矫辊等许多辊类进行了重熔处理，证明了这台装置安全可靠。1.7棒材及软线喷涂设备1.7.1棒材喷涂设备尽管等离子喷涂能喷涂各种高熔点的陶瓷及金属氧化物材料，制备高性能涂层，但由于等离子喷涂系统设备复杂却投资费用大，又不宜现场施工，为了弥补上述不足，上海瑞法喷涂机械有限公司研制成功了陶瓷棒材喷涂设备，现已推向市场，为我国棒材喷涂技术创造了良好条件。1.7.2软线喷涂装置软线热喷涂技术是把热喷涂材料制造成柔性软线进行热喷涂的技术。它是一种万能、强力、高速热喷涂系统。软线热喷涂系统是法国SNMI公司发明创造的。十年前通过中俄热喷涂企业引进到我国，在我国还是鲜为人知的新技术。经过十余年使用、开发、研究、推广已开始在我国使用。软线热喷涂技术在涂层性能、质量、经济性、适用性较粉末喷涂技术有显著提高，达到了中等等离子喷涂的水平。软线热喷涂技术是中国发展陶瓷热喷涂技术和热喷涂材料技术的发展方向，是热喷涂技术的新发展、新进步。近期黑龙江、河北、安徽、广东等地引进了软线喷涂设备达10余台正在为纺织、石化、冶金等行业服务。2.热喷涂材料的新发展人们称谓热喷涂材料是热喷涂的“粮食”。喷涂材料性能、质量、品种是衡量涂层质量的重要水准之一，也是影响经济效益的关键因素。我国目前已有40多个生产厂家，生产百余品种喷涂材料，基本上能满足国内市场需求。随着热喷涂技术的发展与提高，在原有的品种不断改进提高的基础上，为扩大热喷涂技术应用领域，近期有以下新材料研制成功。2.1粉末材料2.1.1大颗粒球形纳米陶瓷粉末陶瓷的脆性一直是困扰科学界难题，热喷涂陶瓷涂层也是基于脆性和内裂纹而失效的。然而当陶瓷材料具有纳米结构时，其晶界大大增加，并且可以滑动，内裂纹减少，裂纹扩展能力增强；同时纳米涂层不具有层状结构，在使用服役过程中，不会以层状形式剥落，从而寿命大大延长。国内外研究实验表明：小于100nm的纳米粉末不能直接用来进行热喷涂。因为常规纳米粉末的流动性极差，无法输入等离子中或高速火焰中，即使能勉强送进去一些，这些质量极小的小颗粒难以进入粘性等离子中，另外，由于常规纳米粉末具有比表面积大和单个颗粒质量小的特点，在热喷涂时物理、化学性能会发生改变，结果是涂层质量很差。由中南大学表面工程研究所研制成功的，湖南百富瑞材料有限公司生产的大颗粒球形纳米陶瓷粉末，球形大颗粒尺寸为10~100μm，大颗粒内部为结合紧密的纳米颗粒，具有良好的流动性，能像传统微米级粉末一样输入等离子中，制造出组织结构均匀、性能优良（脆性大大降低，韧性大大提高）、使用寿命长的纳米涂层。目前，该公司能生产11~45μm、45~90μm两种规格：Al2O3/TiO2、ZrO2/Y2O3、WC/C