摘要：介绍了热喷涂表面处理技术,并通过对热喷涂技术与传统防腐防锈工艺的优劣比较,分析了热喷涂表面处理技术在我国舰船防腐防锈防护领域中的应用前景。
关键词：热喷涂 表面处理 耐磨 抗腐蚀锈蚀
1概述
在舰船和各种船舶上的大量设备器具,如船身、甲板、驳船的混凝土部分、大平体船、拖船、推进系统叶片、锚具锚索、水上指示浮标、灯塔,都面临十分严重的腐蚀锈蚀问题。虽然在防腐防锈方面投入了大量的人力财力,但是取得的效果依然乏善可陈。在防腐防锈方面,传统工艺都使用普通金属防腐蚀防锈漆、水性金属防腐蚀涂料,但二者都有稳定性差、易起泡脱落、在施工过程中对金属基材表面清洁度要求高、涂膜干燥时间缓慢、维护更新周期短等问题。比较而言,热喷涂工艺也许是保护工件机体表面不受磨损、腐蚀的最佳选择。
热喷徐技术始于上世纪初,起初只是将熔化的金属用压缩空气形成液流,喷到被涂敷的基体表面上,形成一层膜状组织。喷涂温度、熔滴对基体表面的冲击速度及形成涂层的材料性能这三要素构成了喷徐技术的核心。温度和速度取决于不同的热源和设备结构。从某种意义上说,温度越高、速度越快,越有利于形成优异的涂层,这就导致了温度和速度两种要素在整个技术发展过程中的竞争与协调的局面。繁多的喷涂材料的可选择性,是热喷涂的另一种优势,它可以使不同设备的工作面被“点铁成金、戴盔穿甲”。正是这三种要素,使热喷涂成为真正具有叠加效果的独特技术,它可以设计出所需的各种各样性能的表面,获得从一般机械维修,直到航天和生物工程等高技术领域广泛的应用。
2热喷涂技术及特点
热喷涂既可在金属表面,也可在陶瓷、玻璃、塑料以及木材等材料表面施加徐层;热喷徐技术还可以广泛地应用于航天、航空、机械、冶金、化工、石油、煤炭、铁道、纺织等等许多部门。通过近一个世纪的应用和发展,已经取得了许多令人瞩目的成就,下面是常见几种喷涂技术。
1)火焰喷徐(焊)技术。可以喷涂金属、合金、陶瓷、塑料和复合材料等多种粉末和丝材,如:锌、铝、铜、相、碳钢、不锈钢、巴氏合金、氧化铝、氧化铬、炭化钨、炭化铬、聚乙稀、尼龙等等。
适用于各种机械零件的局部修复和强化,如将自熔合金涂层熔融获得的熔焊层,大幅度提高了徐层的致密性和结合强度,使之有更优异的耐蚀性和耐磨性。
2)等离子喷涂技术。等离子喷涂技术材料范围广,能喷涂难熔材料,制备难焊金属、陶瓷、金属陶瓷复合材料涂层,且涂层结合强度高,气孔率低,可以制备精细涂层。主要用于制备质量要求高的耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温和特殊功能涂层。
等离子弧具有高温(弧中心温度高达32000K)和高速(焰流速度最高达3OSOm/s,粉末离子喷射时最高达610m/s)特点,且等离子弧稳定、可控制。等离子涂层致密度高(达88%一99%),粘着强度高(63一70MPa),涂层平整光滑,且厚度可控制。喷徐时使用了还原气体(如NZ)和惰性气体(如Ar)作为工作气体,使徐层杂质少;喷涂时工件热变形小,无组织变化;涂层效率高(粉末的沉积速率达skg/h)。既不需考虑平衡条件,也不需考虑各组分相互溶解的亲和力。
的电弧喷徐技术。电弧线喷徐与火焰线材喷涂相比,具有热效率高、生产率高、喷涂成本低、涂层结合强度高等优点。广泛用于钢铁结构喷锌、铝涂层,对钢铁结构件进行长效防护,在大型锅炉内壁喷涂耐高温耐腐蚀材料,可减少维护、延长使用寿命。
电弧喷涂的高效,使得双金属丝电弧涂层成为速度最快、最为简单、价格最低廉的金属涂层方法。
3热喷涂工艺与传统表面处理工艺比较
3.1有效提高产品使用寿命
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。
3.2产品性能得到改善和加强
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”。选择表面重新涂层的适当材料,可使零件的耐磨系数比原来的零件增加2倍、3倍或更多。
徐层按功能可分为如下几种。
1)耐磨损涂层。包括抗粘着磨损、表面疲劳磨损涂层和耐冲蚀涂层。其中有些情况还有抗低温(<538℃)磨损和抗高温(538~843℃)磨损涂层之分。
2)耐热抗氧化涂层。该种涂层包括高温过程(其中有氧化气氛、腐蚀性气体、高于843℃的冲蚀及热障)和熔融金属过程(其中有熔融锌、熔融铝、熔融铁和钢、熔融铜)所应用的涂层。
3)抗大气和浸渍腐蚀涂层。大气腐蚀包括工业气氛、盐性气氛、田野气氛等造成的腐蚀;浸渍腐蚀包括饮用淡水、非饮用淡水、热淡水、盐水、化学和食品加工等造成的腐蚀。
4)电导和电阻涂层。该种徐层用于电导、电阻和屏蔽。
5)恢复尺寸涂层。该种涂层用于铁基(可切削与可磨削的碳钢和耐蚀钢)和有色金属(镍、钻、铜、铝、钦及他们的合金)制品。
6)机械部件间隙控制涂层。该种涂层可磨。
7)耐化学腐蚀涂层。化学腐蚀包括各种酸、碱、盐,各种无机物和各种有机化学介质的腐蚀。
3.3繁多的喷涂材料的可选择性,是热喷涂的另一种优势
喷徐粉末材质逾百种,线材和棒材也有数十种,不同的喷涂方法和工艺参数的变化,能使同一材质形成不尽相同的涂层。如此,这些变数的组合就可得到一组“菜单式”的徐层系列,当你需要具有某种特性的涂层时,只需从中择取即是。
3.4适应于超大面积防护和高参数环境零部件表面处理
水工闸门及其钢结构辅助设施、舰船船身、甲板、驳船的混凝土部分、大平体船、拖船等大面积结构及阀等高参数零部件表面处理方面具有独特优势。如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自1950年采用喷锌防护,至今完好无损。
3.5磨损件修复
摩擦是客观存在的现象,磨损是摩擦的必然结果,磨损不仅降低机械产品的使用寿命和可靠性而且还浪费大量能源,给整个国民经济造成很大的损失,磨损一般都发生在机械的表面,由于表面受到各种磨损如:粘着磨损、磨粒、疲劳磨损、腐蚀磨损等破坏作用,而往往导致机械产品过早损坏和失效,因此提高机械零件表面的磨损性能是减缓和控制磨损有效手段之一,用热喷涂技术制备耐磨和减磨修复,润滑徐层得到了广泛的应用成效十分显著。
3.6更为安全和环保
目前,在低应力滑动磨损和腐蚀工况下工作的各种液压话塞杆柱塞、水轮机叶轮轴磨环、电枢轴头、磨床轴、抗咬死轴套、活塞环、凸轮随动件等,几乎所有原用镀铬制品均可用热喷涂涂层取代,从而避免由镀铬带来的六价铬水污染和“氢脆,,后果。
3.7产品质量可控性和稳定性好
按计算机设计的模型并由其指令支配涂覆材料沉积路径,以形成准确尺寸和精确公差的三维复杂几何形状部件。
产品质量稳定。如飞机雷达天线外罩,用氧化铝浆料铸模成形干燥后烧固,体积收缩率达8%一20%,而喷涂成型的A1203产品不变形,即使进行高温烧结处理,收缩率仅为3.7%。x射线天文望远镜镜罩支架(厚3.2mm,直径600mm,高240mm,环形),采用A12o:+l3%Tio:等离子喷涂成型后在900℃或1350℃下热处理,杨氏模量达70一126GPa。圆柱度可控制在士15~士70林m,满足要求。
4热喷涂在舰船防护领域的应用
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013一0.23mm/a,在海水飞溅率为0.3一0.5mm/a时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:l)舰船具有能度,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介腐蚀;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遇到袭击的情况,涂层的高阻燃、低毒性烟雾应是涂层选用的必要条件。
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+WRLgo28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。不仅可增加徐层体系的电绝缘性,而且还可增强其抗海水渗透性、耐磨性和海水冲刷能力。
船用动力系统的排气阀、活塞环、缸套等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钦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。
船舶的维修和关键尺寸的修复,在工艺上是可行的,且附加值高,值得特别重视。例如大型船舶的艇轴、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、机械密封坏等运动部件。往往由于关键部位磨损超差而不能使用,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、铲刀、铲齿、泥泵叶轮等被泥沙磨损需修复,较原部件提高寿命达数倍,效果十分明显。
新近开发研制的电弧喷涂Al+10%(质量)A12o: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。
针对舰船防护领域的特殊需要,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、代铬涂层等可以大幅降低成本和提高使用寿命。
5结束语
随着涂层新材料和新工艺的不断涌现,热喷涂技术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、传感器技术、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化生产均有大幅度的进步和提高。
腐蚀和磨损是材料的两大失效形成,其造成的损失是十分巨大的。据统计,仅全世界每年生产的钢铁约有30%遭受各种损失,因此加强失效控制,减少材料的损耗有着重要的意义。热喷涂表面工程技术在舰船防护领域解决防腐、防热腐蚀、抗氧化、耐磨、防滑等问题有独到之处。
表面技术是当今世界10项关键技术之一,该技术将成为21世纪工业发展的关键技术之一,而热喷涂技术是表面工程学的组成部份,它是一种材料表面强化和表面改性的新技术,原则上可以在任何固体物质上喷涂,它具有高的技术含量,在舰船防护领域有十分广阔的应用前景。
参考文献
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