金属热喷涂的几种工艺设备及其特性

一、电弧喷涂

电弧喷涂是利用两根连续送进的金属丝之间产生的电弧作热源来熔化金属，用压缩空气把熔化的金属雾化，并对雾化的金属细滴加速使之喷向工件形成涂层的技术。

1．喷涂原理

端部呈一定角度（30°-50°）的两根连续送进的金属丝，分别接直流电源（18V-40V）的正负极，在金属丝端部短接的瞬间，产生电弧，电弧使金属丝熔化，在电弧点的后方由喷嘴喷射出的高速空气流使熔化的金属雾化成颗粒，并在高速气流的加速下喷射到工件的表面。

在电弧和雾化气流的作用下，两金属丝的端部频繁地进行着金属熔化-熔化金属脱离-熔滴雾化成微粒的过程。在每一过程中，极间距离频繁地发生变化，在电源电压保持恒定时，由于电流的自调节特性，电弧电流跟随发生频繁地波动，自动维持金属丝的熔化速度，电弧电流随送丝速度的增加而增加。

2.电弧喷涂设备

电弧喷涂设备主要由喷枪、喷涂电源、控制箱、送丝机构等构成。目前大多数设备都将控制箱与喷涂电源合并在一起。

1）．喷涂电源

（1）电源特性要求。目前电弧喷涂大多采用外特性和动特性适于电弧喷涂特点的专用电源，即电源外特性是平特性或略带上升的外特性，而动特性有足够大的电流上升速率，平直或略带上升的外特性比陡降外特性有大得多的电流自调节性能。当弧长变小时，电流能迅速增大加速金属丝的熔化而恢复弧长；当弧长变大时，电流又能迅速减小，减少金属丝的熔化速度而恢复弧长。

由于不同金属材料要求的喷涂电压不同，要求喷涂电源的输出能在一定范围内调节。一般，喷涂电源的空载电压调节范围是24-38V。

（2）电源构成。喷涂电源的主要构成为：电源变压器、整流器、接触器以及电流、电压的调节和显示仪表等。喷涂电源的输出电压调节一般是通过改变变压器一次绕组的匝数来实现。

2）．送丝机构

电弧喷涂时两根金属丝需要以均匀、连续的速度送至喷涂枪，金属丝的送进依靠送丝机构来完成。送丝机构由送丝电机、减速器、送丝轮等组成。

送丝电机通常选用直流伺服电动机。直流伺服电动机反应迅速、可随时开、停操作。减速器多为蜗轮蜗杆结构，其结构紧凑、速比大，蜗轮箱应保持良好润滑，否则蜗轮容易磨损。

3）．电弧喷枪

喷枪是电弧喷涂设备的重要组成部分，其中由导电嘴、绝缘体、雾化喷嘴和弧光罩等组成的雾化枪头是喷枪的关键部分，早期喷枪的雾化头由导电嘴、绝缘体、雾化喷嘴构成，称为敞开式喷嘴，其雾化效果不好，颗粒比较粗大。目前使用的喷枪基本都采用通过加装空气帽，将电弧区封闭，对电弧适当压缩，称为封闭式喷嘴，这种喷嘴增加了弧区的压力，加强了对熔化金属的雾化效果。

3.电弧喷涂技术特点

1）．生产效率高

电弧喷涂的生产效率与电弧电流成正比，当喷涂电流为300A时，喷涂不锈钢丝可达14kg/h，喷涂铝丝为8kg/h。这大约相当于火焰喷丝枪生产效率的4倍。

2）．涂层结合强度高

电弧喷涂时，电弧温度高达5000K，使得熔融粒子温度高，变形量大，可获得较高的结合强度及涂层自身强度。

3）．元素烧损较为严重

由于电弧喷涂温度高，由电能转化的热能除了熔化送进的丝材外，仍有大量过剩，过剩的热能导致丝材在喷涂过程中过热，发生氧化和蒸发，形成烟尘而损失掉。

4）．能源利用率高

电弧喷涂时，电弧直接作用于金属丝的端部用来熔化金属，能源利用率可达90%，是各种喷涂方法中能源利用率的。

5）．操作简单，维护方便

电弧喷涂设备相对较简单，喷涂过程中只需关注四个主要参数，即喷涂电压、喷涂电流、雾化空气压力和喷涂距离，其中前三个参数经预先设置后，喷涂过程中一般不会改变，电弧喷涂工艺对喷涂距离并不敏感，一般可在180-240mm之间变动。电弧设备易损件只有导丝嘴和送丝轮，其维护和更换方便。

4 电弧喷涂的主要工艺参数

电弧喷涂的主要工艺参数有：喷涂电压、喷涂电流、雾化空气压力和喷涂距离

1）．喷涂电压

喷涂电压是指两金属丝之间的电弧电压，它反映了丝材间隙的大小，有效地控制电弧电压可以保持雾化区几何形状的稳定。每种材料都对应有自己的维持电弧稳定燃烧的电弧电压值。

喷涂电压越低，熔化了的粒子尺寸就越小。但是，如果电弧电压低于材料的临界电弧电压，电弧就不能稳定地燃烧。

当喷涂电压高于临界电弧电压时，随着电压的提高，丝材的间距、喷涂射流角度和喷涂粒子的颗粒尺寸范围都随之增大，同时被喷涂材料的元素烧损程度也增大，尤其是那些容易与氧化合的元素，其烧损更为严重。随着喷涂电压的提高，沉积效率逐步降低。

可见，电弧电压对喷涂质量影响很大，在保证电弧稳定燃烧的前提下，应选择尽可能低的喷涂电压值。表列出常用材料的喷涂工作电压。

常用材料的喷涂工作电压

2）．工作电流

用于电弧喷涂的电源应具有平特性或略带上升的外特性，喷涂过程中，电弧电压保持不变，工作电流随送丝速度的增大而增大。

一般来讲，增大喷涂时的工作电流，一方面可以提高生产效率，另一方面也可提高涂层质量。但工作电流的增大也带来副作用，就是材料烧损程度增大，沉积率下降。

3）．雾化空气压力和流量

雾化空气压力和流量在很大程度上决定了喷涂粒子的雾化程度和飞行速度，即雾化空气压力和流量越大，粒子雾化越充分，所得到的涂层也越致密。但过分追求更细的雾化，将导致两种不良后果。其一是涂层结合强度的降低，因稍粗大一些的喷涂粒子可携带较多的能量，更有利于与基体的结合。其二是喷涂粒子氧化程度的增大，因随着雾化空气压力和流量的增大，一方面气流中氧含量增多，另一方面喷涂粒子的相对表面积急剧增加，二者综合作用，导致涂层氧化加剧。

4）．喷涂距离

电弧喷枪喷嘴出口处，雾化气体的流速，而熔滴的速度，随着喷涂距离的增加，喷涂粒子被逐渐加速，雾化气流速逐渐降低。一般喷涂粒子在60-200mm的喷涂距离内有较高的飞行速度和温度，容易得到高质量的涂层。

二、高速电弧喷涂

传统电弧喷涂技术由于喷涂粒子速度低，涂层受到较严重的氧化，使电弧喷涂涂层质量和应用受到一定局限。研究表明，影响电弧喷涂涂层质量的主要工艺参数除电弧电压、电流、送丝速度外，同时和压缩空气的流速、质量有着十分密切的关系，是影响涂层质量的重要关键因素之一。高速电弧喷涂技术就是采用高压气流或燃料燃烧所产生的高速射流雾化喷涂材料熔滴，提高电弧稳定性，使喷涂粒子显著加速，减少粒子与空气的接触时间，达到减少涂层氧化、显著提高涂层质量的目的。

1．高速电弧喷涂原理

高速电弧喷涂原理与传统电弧喷涂完全相同，其主要区别在于提高雾化气压力和流速。通常采用拉瓦尔喷管来实现雾化空气的加速，或利用液体燃料燃烧产生的高速火焰焰流作为熔滴雾化气流，从而实现喷涂粒子的加速，又资料表明，高速电弧喷涂在距喷枪喷嘴端面轴向距离80mm范围内，其流速度可达到600m/s，金属熔滴的雾化效果显著提高，涂层粒径仅为传统电弧喷涂粒径的1/3-1/8，喷涂Al涂层和3Cr13涂层结合强度分别达到35.2MPa和42.8MPa，是传统电弧喷涂涂层的2.2倍和1.5倍。

2．高速电弧喷涂涂层质量

影响高速电弧喷涂涂层质量的主要因素有表面预处理质量、喷涂工艺规范、压缩空气压力、雾化气体流速、流量和喷枪结构等。

（1）压缩空气压力、流量与质量。对高速电弧喷涂而言，压缩空气压力只要大于0.2MPa，就能实现高速电弧喷涂。实际上，压缩空气压力越高，高速射流区间越大，通常用压缩空气压力一般不低于0.5MPa；雾化气流量的增加，雾化效果明显加强，雾化颗粒越细，但确定雾化气流的大小，必须与喷枪喷嘴直径、空气压缩机流量相匹配；压缩空气质量越好，所含油分、水分、杂质越小，对涂层质量越有利。随着压缩空气压力、流量的增加，涂层越致密，结合强度越高，表面粗糙度越低，越光滑。

（2）喷涂工艺规范。电弧喷涂工艺规范参数对雾化粒子的温度和雾化效果有较大的影响。主要有电弧电压、喷涂电流、送丝速度、喷涂距离。

1）电弧电压、喷涂电流。当喷涂电压一定时，喷涂电流越大，熔化金属颗粒温度越高，雾化粒子越细，金属线材熔化越快，颗粒表面氧化越严重，涂层含氧量增加，结合强度降低。喷涂电流一般不超过200A为宜；喷涂电流一定时，随着电压的增加，电弧功率增加，具有和增加电流同样的影响效果。为保证电弧稳定燃烧，喷涂电压通常选用中间值，不宜太高，一般不超过36V，较高的喷涂电压对结合强度有不良影响，较低的电压有利于提高沉积效率，改善雾化效果，提高涂层的硬度和耐磨性。

2）送丝速度。送丝速度的平稳性是维持电弧燃烧稳定性的关键因素之一，与喷涂效率和电弧电压直接相关。在相应的电弧电压条件下，送丝速度须保持两金属丝电极端面的距离为恒定值，维持喷涂电压的稳定性。

3）喷涂距离。喷涂距离直接影响涂层的结合强度和沉积效率，高速电弧喷涂喷距通常在150-300mm之间选取，熔融颗粒具有较高的动能，有利于提高涂层的结合强度。

常用材料的高速电弧喷涂工艺规范

（3）高速电弧喷涂特点。高速电弧工艺过程中，由于高速雾化气流的引入，在相同的喷涂工艺参数和相同的喷涂材料条件下，具有明显的特点。

1）沉积效率高。喷涂Al线材时，沉积效率高达74.8%，比传统电弧喷涂提高15%；

2）涂层组织致密。涂层孔隙率和孔隙尺寸明显减少，适应制备高致密性防护涂层；

3）电弧稳定性高。高速射流强烈的雾化效果和对电弧的压缩效应，有效地减少了两金属电极之间的短路和熄弧现象；

4）生产效率高、经济性好。