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热喷涂工业应用

随着涂层新材料和新工艺的不断涌现,热喷涂涂层已在国民经济各个工业部门广泛地应用。加之现代计算机技术、传感测试技术,自动化及机器人技术、真空技术与热喷涂技术的结合和渗透,使得热喷涂技术的深入发展和工业规模的预测为:技术附加值高、效益好的如生物工程,航空航天,工、模具,电子工业等,但规模相对较小;要求成本低的大规模产业如汽车工业和钢结构,但技术附加值低;应用面最广的仍是机械工业,包括石油化工、轻纺、能源、冶金、航空、汽车等也均属此范畴。

      热喷涂技术能赋予各类机械产品,特别是关键零部件许多特种功能涂层,形成复合材料结构具有的综合作用,真正做到了“好钢用在刀刃上”,是材料科学表面技术发展的一个方向。但热喷涂技术仅通过涂层在机械产品基体表面获得一定的特殊功能,而不能代替基体或提高产品和结构性能。

1、  钢铁长效防腐蚀涂层

由于锌、铝、锌铝、铝镁涂层的电极电位均负于钢铁,故对钢铁结构能起到阴极保护作用。从20世纪40年代起,国外已将它们喷涂于钢铁构件上作为长效抗腐蚀涂层。国内自70年代起开始推广应用,迄今成功的实例不胜枚举。表1-1列举部分应用实。目前大面积钢结构喷涂锌、铝涂层一般采用电弧喷涂工艺,局部辅助以氧乙炔火焰线材喷涂补遗。现在国内每年采用热喷涂大面积施工工程均在数百万平方米以上。

 表1-1钢结构喷锌、铝长效防护涂层的应用

锌、铝、锌铝、铝镁涂层用于长效防护虽然均能大幅度提高钢结构抗环境腐蚀能力,但根据涂层材料有性能以及所应用的环境对象也有所选择。如锌在常温下电位负于钢铁,可作为牺牲阳极的阴极涂层保护钢铁。但当环境温度高于60℃时,锌的电极电位发生了逆转,仅而比钢铁正,失去了阴极保护作用。其次,仅用喷涂层保护钢铁是不够的,由于喷涂层存在孔隙,腐蚀介质的侵蚀,缩短了涂层应有的防护寿命。在喷涂层表面施加与其性能匹配又能适应环境的有机涂层进行封孔和复合保护,使金属基体完全与环境腐蚀介质隔离,能成倍地延长钢结构的使用寿命。典型应用事例如下。

(1)大型水工钢结构闸门

水工闸门及其钢结构辅助设施是热喷涂大面积防护应用最广的对象。基于美国焊接学会19年的环境腐蚀试验和我国正在进行尚未完成的30年大气腐蚀试验已表明;热喷涂锌、铝及其合金涂层是迄今对钢铁抗蚀防护寿命最长的工艺技术。法国塞纳河上的拦水坝钢结构自1930年喷锌防护至今已历经大半个世纪,效果十分明显。我国江苏三河闸钢结构闸门钢结构闸门自1950年采用喷锌防护,至今完好无损。

大型水利枢纽葛洲坝工程建设至1984年开始对其闸门钢结构及预埋件采用热喷涂技术防护。例如大江冲砂弧形闸门以及船闸内浮桶滑道预埋件,喷涂面积达3000多平方米,涂层设计为“喷涂锌、铝涂层(120μm)+WHD8401(90μm,环氧改性聚氨酯漆)+环氧沥青涂料(90μm)”,至今历时17年之外,喷涂层依然完好无损。举世瞩目的三峡工程钢结构达28万t,基体上采用电弧喷涂和高压无气喷涂保护,施工保护面积十分巨大,目前处于干湿交替环境的闸门已固定采用热喷涂技术防护。

(2)桥梁钢结构

桥梁所处于环境基本上属大气腐蚀环境,大部分桥梁钢结构在建设时期所有的部件均可在工厂内进行喷涂预保护,仅少量拼装部分在现场进行喷涂再保护。大部分钢结构桥梁,尤其是公路桥梁维修周期长,且现场维修难度大,故要求达到15-20年的一次防护寿命。

      1993年经专家反复审查并通过验收的三峡对外交通专用公路钢管混凝土拱桥钢结构件长效防护复合涂层,一致认为:拱桥钢管采用喷涂铝涂层(约120μm)+WHD8406(环氧改性聚氨酯底漆约40μm)+WHD8401(环氧改性聚氨酯面漆约60μm)构成的长效防腐蚀复合涂层经过拉压交变应力σmax/σmin=54.0/-155.3Mpa条件下100万次疲劳试验后,其结合强度、耐腐蚀性能等指标仍然满足GB/T9793-1997标准的要求。可预计该涂层系统有效使用年限可达20年以上,此复合涂层体系和电弧喷涂施工工艺可用于现场涂层施工。

目前国内许多钢结构公路桥的桁梁、钢厢梁及其他钢结构件采用了上述方案。

(3)海洋钢结构

海洋环境是自然条件下金属腐蚀最严酷的环境之一。在海洋大气中钢的平均腐蚀速率为0.13-0.23mm/a,在海水飞溅区为0.3-0.5mm/a。同一种钢在飞溅区与全浸区内的腐蚀速率相差10倍。舰船、海洋石油平台以及灯塔航标等就是在腐蚀速率最大的飞溅区与全浸区下服役、使用。尤其是舰船防护更为复杂:①舰船具有能源,船体的杂散电流在海水介质的作用下会形成对钢铁和导电涂层的电解腐蚀;②舰船的防污外涂层一般为含Cu及CuO涂料,涂层设计与匹配如果不当,会在每个层间形成加速腐蚀;③作战舰船应考虑可能遭到袭击的情景,涂层的高阻燃,低毒性烟雾应是涂层选用的必备条件。

喷涂铝涂层是舰船防护可行方案,我国自1987年至今,采用喷涂长效防护涂层试验在数艘舰船上进行实用考核。提出了喷涂铝涂层+WRL9028复合型封闭剂+高阻抗无机微片掺入的中间层和面层涂料+低电位或仿生涂料的防污面层。不仅可增加涂层体系的电绝缘性,而且还可增强其抗海水渗透性、耐磨性和海水冲刷能力。

      新近开发研制的电弧喷涂Al+10%(质量)Al2O3复合线材和芯材,用作舰船甲板和海洋石油平台的耐磨耐蚀防滑涂层,已在我国大型科学考察船“远望号”上使用,效果良好,极具有推广价值。

(4)塑料热喷涂层

氧乙炔火焰喷涂的塑料涂层在大型容器、塔罐内应用,弥补了其他工艺制备塑料涂层的不足。塑料涂层化学稳定性好,涂层到密无孔,与绝大多数常温下的溶液不产生反应。能有效地隔离金属罐体与溶液的接触,同时,塑料涂层绝缘性好,不会形成电化学腐蚀。

      1991年,对北京葡萄酒厂多个储酒罐内壁进行喷塑防腐处理。目的是解决不锈钢储罐中铬离子渗入高级葡萄酒内,造成变降低酒类档次。工艺采用氧乙炔火焰喷涂环氧树脂塑料涂层,并用高压火花检漏仪进行孔隙检查,施工面积达1000多平方米,至今使用完好。

2、  车与造船工业中的应用

     为了提高汽车的性能,减少汽车的能耗和适应环保要求,热喷涂技术在汽车制造行业有了较大的发展。由于汽车工业属于大工业化生产,一个成熟的工艺技术,往往形成的指生产是很可观的。目前已形成批量产品的有同步环、活塞环,发动机的气门挺杆发及氧敏传感器探头等部件的热喷涂,其他许多部件仍在工业性试验中,或尚未形成批量生产,表2-1给出汽车工业零部件采用的涂层材料和工艺。

      为了减轻整车质量达到降低能耗,逐步采用铝合金取代传统金属材料,同时还要保持或提高设计和选用材料的性能。因此,在铝合金上制备不同涂层的热喷涂技术,目前正针对不同需求开展研究。其次,非传统的功能性涂层,如高隔热涂层、低噪声涂层、磁性传感功能涂层、高精度抗蚀涂层、代铬涂层均有较好的应用前景。再者,等离子喷涂工艺在汽车制造工业中仍有强劲的生命力,且对其自动化、智能化、高精度、高效率要求越来越高,其原因是应适合汽车部件生产大批量、低成本、高质量的要求。

     造船工业的应用,除了船用动力系统的排气阀,活塞环、缸套等部件按部件按类似汽车工业的要求进行热喷涂处理强化外,典型的应用是采用低压等离子喷涂镍钛合金制备螺旋桨抗空蚀涂层。使用寿命比铝青铜提高了4倍,已在海军用小型船舶螺旋桨上获得应用。

     船舶的维修和关键件的尺寸修复,在工艺上是可行的,且附加值高,值得特别重视。例如大型船舶的艉轴、轴承座,发电机、舵机、锚机等辅机轴,各种阀门密封面、泵轴套、柱塞、机械密封环等运动部件。往往由于关键部位磨损超差,不能使用,针对部件材质、磨损形式和使用条件,采取适当涂层进行修复,经济效益十分可观。航道疏浚用的挖泥船,大量零部件如泥斗、耙头、铰刀、铲齿、泥泵叶轮等被泥沙磨损需修复。为提高部件的耐磨损性,主要选用Ni60或Ni60+WC等硬质火焰喷焊层进行修复,较原部件提高寿命达数倍,效果十分明显。

3、  航空、航天工业中的应用

     热喷涂技术在航空、航天工业中应用历史久,范围广,涂层品种多,而且技术含量高。尽管航空、航天中飞机发动机、宇宙火箭等工作条件十分恶劣,对涂层可靠性要求非常苛刻,但当代航空发动机中一半以上的零件都有涂层(零件数已达1000个以上),主要用耐磨、耐腐蚀、抗氧化、封严。

      对于发动机的绝热涂层,过去一般采用稳定型的ZrO2(稳定剂为Y2O3,MgO,CaO,CeO等)面层材料和CoNiCrAlY高温粘结底层材料,通过等离子喷涂,制备两层或数层阶梯结构涂层。自20世纪80年代末90年代初,由于新的涂层技术——电子束物理气相沉积技术(EB-PVD法)的开发成功,制备的热障涂层(TBC)为柱状晶结构,与粘结底层加陶瓷涂层结构,我国目前主要采用二层涂层结构(CoNiCrAlY底层+稳定型ZrO2面层),并已应用在新型发动机燃烧室,加力燃烧室等热部件上。目前对热障涂层的改进主要从多层或梯度功能涂层的设计,粘结底层的预氧化处理,热障陶瓷面层的渗铝处理、陶瓷面层激光改性处理等方面研究和发展。

发动机封严涂层随着热端高温气流温度的逐级提高,使用温度从300℃到1100℃,目前最高温度可达1350℃。AlSi-聚苯酯,镍-石墨,镍-硅藻土,NiCrAlY-BN,Y2O3稳定ZrO2-BN等复合粉末涂层,已获得成功应用。其中,尤以高温封严涂层制备和工作条件最困难要求其厚度达2-3mm,喷涂时必须严格控制涂层应力的产生。另外,要承受1000-1350℃高温,遭受2-3倍音速的高温气流冲刷,受到超过300m/s线速度叶片尖部刮削而不发生剥落。故涂层必须耐高温、抗氧化、耐、热震、结合强度高,化学惰性,而且质软(46-108HV),多孔(孔隙率达25%-30%)。

      航空发动机某些零部件的磨损问题也是十分严重的,在服役期间,有的发动机低压转子转速5000r/min,高压转子转速15000r/min;并在极高负载和各种频率的振动下工作,从而产生各种机理的磨损,这些磨损仅靠改变基体材料是达不到要求的。据英国RR公司统计,1976年前发动机零部件60%因磨损而报废,采用耐磨涂层后报废率降到30%,目前采用爆炸喷涂和HVOF喷涂涂层已有50多种在航空产品零件上获得应用,如高低压压气机叶片、蜗轮叶片、轮毂封严槽、齿轮轴、火焰筒外壁、衬套、副翼滑轨、制动装置等。目前国内开发的某新机种上,规定采用十几种热喷涂层(主要是耐磨涂层)数百个零件,其中四种最关键的耐磨涂层必要采用结合强度好、涂层致密度高的爆炸喷涂和HVOF喷涂工艺制备。表3-2为爆炸喷涂在国内航空方面的应用。

 4、  钢铁工业中的应用

      热喷涂技术在钢铁工业的应用已有相当长的历史。从西方发达国家钢铁工业中热喷涂技术应用的对象来看,各式各样的辊子占全部热喷涂部件的85%以上,取行极显著的技术经济效果。如Co-WC喷涂的张紧辊,其寿命由镀硬铬使用的两个半月延长到5年停机检修时间和费用仅为原费用的1/10。退火炉导辊,过去平均每月停机30min进行检修,喷涂后则可保持3年内不检修,并极大地提高带钢的品质。日本钢铁公司热喷涂退火炉辊的比率,从1982年的20%上升到1989年的100%,而带钢因辊面结瘤引起的废品率则由80%下降到零。各                 

(1)连续退火炉辊

      汽车用外客薄板和硅钢片板材表面质量要求极高,不允许有任何划痕和缺陷。故生产中各个工艺环节对与钢板接触传动的炉辊表面状态提出严格要求。在宝钢薄板生产线上采用HVOF技术在连续退火炉辊表面喷涂NiCr- Cr3C2作抗积瘤涂层,该涂层具有耐磨、耐高温、自清洁作用。使用效果达到日本同类产品水平。在武钢硅钢片生产线上采用等离子喷涂NiCr-8%Y2O3/ZrO2涂层用于硅钢片高温连续退火炉辊防积瘤。该辊长2700mm,工作部位长1500mm,辊径φ120mm,工作温度860~920℃,工作介质为氮氢还原性气氛并具有不同露点。使用结果证明:陶瓷涂层炉底辊寿命超过6个月,最长达2年。涂层抗积瘤效果明显,硅钢片表面质量达到武钢设计要求.

(2)热浸镀生产线沉没辊

     采用森吉米尔(Sendzimir)法进行薄板钢带连续热浸镀锌(CGL)和热浸镀铝、锡等

     金属熔液生产线中(见示意图4-80)。熔液坩埚中工作的沉没辊和稳定辊等均遭受694~800℃铝熔液和452~570℃锌熔液侵蚀,同时钢带由辊面带动的运动速度高达35~40m/s。合金辊一般在铝溶液中寿命仅2~3天,锌熔液中仅10天左右就会产生很深的磨痕和蚀坑,划伤带钢表面使废次品率增加。采用等离子喷涂Al2O3+TiO2,MgO- ZrO2,MoAl2O4,与NiCrAlY形成的梯度涂层(总厚达1mm)(图4-81照片),以及用HVOF喷涂Co-WC涂层作为沉没辊和稳定辊工作层。由于涂层材料与铝、锌熔液不润湿和不产生化学反应。上述两种工艺涂层分别在连续热浸镀铝、锌生产线坩埚中运动的寿命提高3~4倍。该类涂层还可用在熔液Cu、钢液方面作锭模、运输槽、坩埚内壁涂层和电偶套管、搅拌器、支架等保护层。

(3)热轧工具

     大口径无缝钢管(φ219~φ377mm)自动轧管机所用的轧管机顶头,传统采用Cr17Ni2Mo整体铸造的耐热马氏体不锈钢制造,顶头与970~1050℃的钢管内壁以每秒3~3.5m速度相对位移,实际顶头表面温度高达1050~1150℃,使顶头高温硬度和强度急剧下降,表面氧化烧伤,产生“结瘤”,撕裂、拉伤、凹陷。其消耗量为每轧制千吨钢管耗顶头16t。经包钢无缝钢管厂3年的实际生产验证,喷焊顶头平均使用寿命提高3~5倍。轧制每千吨钢管耗顶头降至3t。年增效益达1000万元以上。

5、  印刷、造纸工业中的应用

     随着科技的发展,对纸张的印刷的技术要求越来越高,苛刻特殊的性能要求恰好是热喷涂涂层发挥其作用的领域。

(1)印刷机械

     等离子喷涂陶瓷涂层技术在印刷机辊子上已成功应用多年,其应用领域正日益扩大。陶瓷涂层的许多特点正适合印刷机辊子的需要,它们包括:高耐磨性;高耐蚀性;绝热性;防粘性;可刻蚀性;可维修性;选择性润湿性、亲水性;电绝缘性、亲水性;咬人性、适度粗糙度的保持性。

     ①晕光辊  聚乙烯塑料薄膜电刻蚀用电晕处理机辊,辊长达5000mm,其典型外径为250-500mm,需要在辊面等离子喷涂介电常数6-9的介电涂层,耐2万V以上的击穿电压。

氧化铝涂层耐压强度为100-175kV/cm,因此满足2万V以上的击穿电压需制备2mm左右的厚涂层。喷涂态的氧化铝涂层为易吸潮的γ-Al2O3结构,涂层的介电常数取决于涂层中的干燥度,一般喷涂的氧化铝涂层要用硅酮树脂封孔。

     ②彩色胶印辊  自20世纪80年代后,采取喷涂陶瓷涂层—磨光或抛光—激光刻蚀—抛光成型成套工艺制备。经刻蚀后的辊面能精确地向印刷辊输送油墨,因而能获得图像清晰的彩色胶印画面,不串色。

     采用等离子喷涂氧化铬涂层能满足彩色胶印辊使用要求。涂层制备时,要求孔隙率低和涂层不失氧,一般采取在等离子喷涂送粉气中加氧,功率在50kW以上进行喷涂作业。制备的涂层经适当磨光后,用激光进行刻蚀,刻蚀形成的窝状熔池最佳半径应为1-3μm,典型深度为10-15μm,但一般商品化制作均大于要求的数倍,如激光刻蚀的密度为140线/cm。国内进行该方面的研究,已达到大面积、长时间喷涂的涂层无任何缺陷,涂层经精密加工达到Ra0.1μm以下,满足激光刻蚀400线/cm的要求。激光刻蚀的熔池不规则平整,涂层应进行表面最后抛光才能应用。目的是使刮刀与辊面完全接触,有效控制油墨输送量,形成清晰的印刷效果。

    (2)造纸机械

      造纸工业中,从纸桨生产到成品纸张成型的整个工序过程,采用热喷涂涂层的主要零件有:压光辊、烘缸、木材输送盘磨损板、风机叶轮、输送螺杆、蒸煮锅、黑液锅炉管道、腭形夹爪,纸张脱水板、泵轴及轴套、机械密封环等十几种。针对具体使用环境,可采用各种涂层进行腐蚀保护和提供特殊功能表面,延长工件的服役寿命和降低成本。目前,热喷涂涂层在下面几个部件上的应用效果十分突出。

     ①烘缸  造纸烘缸基体一般均用铸铁铸造而成,烘缸直径有φ1.5m,φ2.0m,φ3.0m等等,最大的可达6m以上。烘缸内通入压力为1Mpa的过热蒸汽用于干燥烘缸表面的纸张。由于烘缸材质为铸铁,连续的纸带贴于缸面干燥,并以高速(最高可达约30m/s)从缸面揭去,加之刮纸刀相对于烘缸运动(功能为刮揭纸张),故烘缸表面同时受到自身缺陷、纸浆中所含碱液、松香、明矾等介质的腐蚀和刮刀的磨损,需要施加涂层。传统方法是在烘缸表面镀硬铬、电弧喷涂铝青铜+1Cr18Ni9Ti涂层和等离子喷涂Mo和含Mo的镍基涂层。

     最近推出用高速氧燃料喷涂(HVOF),在我国又称为超音速火焰喷涂,这种工艺喷涂Co-WC层和氟化乙丙烯(FEP)聚合物层,可使烘缸表面的释放性能显著提高。因为在HVOF中,喷涂粉末粒度只有5~30μm,粒子飞行速度达600~900m/s;因而产生高硬度(1100~1200HV)的无孔隙涂层。喷涂操作时,每遍喷涂厚度为0.10~0.15mm,不存在层间缺陷,而涂层在使用期间磨损是均匀的,故可保证涂层在任何剩余厚度下都具有相同性能。Co-WC涂层可抛光到相当低的粗糙度,氟化乙丙烯拥有与温度低于200℃时的特氟隆一样的抗粘连特性和耐腐蚀性,且与CoCr-WC涂层有更好的粘连性,能更有效地改善纸张的表面效果。

      2.压光辊    典型的压光辊要求有非常光滑的表面,用来加工高档光板纸。传统的表面处理方法是镀硬铬后抛光,由于工作运行时表面与刮刀接触,易产生划痕磨损。辊的寿命3~6个月。先后采用电弧和等离子喷涂Ni-Al+高铬不锈钢后用酚醛清漆封闭,但涂层表面粗糙度达不到要求。

      采用HVOF和SB-HVOF喷涂100μm厚度的耐磨CoCr-WC或Co-WC涂层,然后抛光精蚀到Ra≈0.01~0.03μm,压光辊的寿命可达2年。

      3.黑液锅炉管道    纸浆碱回收用的黑液锅炉,在使用过程中,燃烧的黑液和无机物对锅炉水冷壁管道有严重的腐蚀和冲刷磨损作用。采用美国TAFA公司研制的45CT(Ni55 Cr45)电弧喷涂单层涂层,取代过去采用的多层涂层体系(Ni-Al+不锈钢+纯Al+SiAl封孔剂)使用寿命可达4年以上。由于45CT属高镍铬材料,成本贵且制成丝材工艺要求高,随后相继研制了Fe-22Cr-6Al合金线材等,采用电弧喷涂涂层基本达到45CT丝材性能指标,而成本大大降低。

6 、 能源、核工业中的应用

     能源工业主要包括热能、水力、核能及太阳能等。热喷涂涂层在火力发电锅炉,水轮机、核反应堆、太阳能吸收和转换上均能发挥特殊作用。

    (1)       锅炉“四管”保护

     除了造纸工业中黑液锅炉的保护涂层。针对电站、化工及其他行业的工业锅炉水冷壁管、过热管、再过热管、省煤器管的保护作用进行了研究和开发。

     目前全国数家单位研究出适用电弧喷涂的高CrNi、FeCrNi及FeCrAl合金涂层线材,喷涂的涂层质量达到45CT涂层指标。成本低廉适合我国国情。另一种新型粉心丝材,电弧喷涂后可形成Fe3Al+WC金属陶瓷涂层。具有优异的抗高温冲蚀防腐蚀作用,可以代替美国超音速火焰喷涂DS200涂层。同时开发出先进的高速、超音速电弧喷涂设备,大大提高了涂层的结合强度和致密性。目前,我国各地喷涂20万kW,30万kW和60万kW的发电机锅炉水冷壁管达二十多家,几十台锅炉,使用寿命成倍提高。图4-84为采用涂层保护的管道与裸露管道经锅炉9000h运行后表面形貌的比较。

     Fe3Al+WC粉心丝材涂层用于耐冲刷要求高的省煤器管道,效果十分突出。对沸腾硫化床式锅炉管道弯头,一般采用氧乙炔火焰喷焊Ni60+35%WC,可提高使用寿命2倍以上。至于电站风机叶轮、发电机、燃气轮机的维修保护就不一一赘述了。

(2)       水轮机过流部件的抗气蚀

      气蚀是造成水轮机叶片等部件失效的主要原因之一。我国长江,尤其是黄河水中含有大量泥沙,对水轮机过流面造成一定的冲刷磨损,使气蚀在磨损面上更加剧烈。调研表明:我国水轮机气蚀破坏量数倍于国外同类机组。由于制造工艺等方面的局限,水轮机整体材质的选择受到一定的限制。表面保护和强化技术显示出较大的优越性,研制成功的试水Ni-46,试水Ni-67两种自熔性合金粉末(化学成分见表4-51、性能用途见表4-52)采用氧乙炔火焰喷焊的焊层与奥102不锈钢堆焊层在模拟气蚀试验条件下,线速度为46m/s;水压为0.1Mpa,试验时间为44h,耐气蚀性能比较列于表4-69。

 

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