热喷涂技术在产品再制造领域的应用及发展趋势
张伟，郭永明，陈永雄
中国表面工程
内容导读：金属热喷涂技术一直国家再制造产业的新兴技术，本文针对再制造产业中热喷涂的应用做出了总结。
摘要：再制造产业已列为国家发展战略性新兴产业，热喷涂技术具有喷涂材料广泛、基体形状与尺寸不受限制、涂层厚度容易控制、工艺操作简单、成本低效率高、能赋予零件表面特殊性能等特点，是实现损伤零部件表面尺寸恢复和性能提升的关键技术手段，已成功应用于国防工业、印刷、航空航天、石油化工、矿山机械、电力等领域装备零部件的再制造。文中综述了等离子喷涂、高速火焰喷涂、高速电弧喷涂及其他热喷涂技术的特点及其在再制造领域的典型应用，提出热喷涂技术应用于再制造领域未来的发展趋势主要表现在：加强热喷涂技术在再制造领域的适应性研究、深入复合技术的研究和应用、推动热喷涂技术在高效规模化生产应用中的研究以及加强热喷涂再制造技术标准、工艺规范等方面的研究。
关键词：热喷涂粉末；等离子喷涂；再制造工程；热喷涂技术；涂层；表面性能；
０ 引言
再制造工程是以机电产品全寿命周期设计和管理为指导，对废旧机电产品进行修复和改造的一系列技术措施或工程活动的总称，是废旧装备高技术修复、改造升级的产业化［１－２］。装备再制造已成为国家大力发展战略性新兴产业的核心内容之一。国外将再制造产业称为“朝阳产业”或称其为“潜在的巨人”。徐滨士于上世纪９０年代后期在维修工程、表面工程基础上提出并积极倡导发展再制造工程［３－４］，并针对我国废旧机电产品的状况和特点，通过多年科研实践探索，提出并发展了以“尺寸恢复和性能提升”为特色的再制造技术模式。该模式的重要技术特点是将先进表面工程技术充分融入再制造，实现了废旧零件的尺寸恢复和性能提升［５－６］。热喷涂技术作为表面工程技术领域中发展较快、应用较广的重要技术手段，具有喷涂材料广泛、基体形状与尺寸不受限制、涂层厚度容易控制、工艺操作简单、基体受热影响小、能赋予零件表面特殊性能等特点，已经作为一种再制造修复成形技术在国防工业、印刷、航空航天、石油化工、矿山机械、电力等领域得到广泛重视和应用［７－１０］。
文中围绕等离子喷涂技术、高速火焰喷涂技术与高速电弧喷涂技术，介绍了三种工艺的基本原理、特点、发展以及在再制造领域的一些典型应用，并对热喷涂技术在再制造领域的发展前景作了展望。
１ 基于等离子喷涂技术的再制造
等离子喷涂技术始于上世纪５０年代末期，是利用等离子弧对喷涂材料进行加热、加速，最终形成涂层的工艺方法，是热喷涂技术中热源温度最高、能量最集中的工艺方法，具有焰流温度高、射流速度快的特点，理论上可以喷涂所有具有物理熔点的材料［１１－１３］。传统等离子喷涂技术可制备高熔点金属（Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ等）涂层、陶瓷涂层（Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２等），同时也用于放热反应型自粘结涂层（Ｎｉ／Ａｌ、Ａｌ／Ｎｉ等复合粉末）的制备。在喷涂金属及其合金、金属陶瓷粉末时，涂层结合强度常低于４０ＭＰａ，涂层孔隙率大于３％，且多为拉应力状态，常用于对涂层结合强度要求较低的场合。
上世纪９０年代中期以来，超音速等离子喷涂 （Ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙ，ＳＡＰＳ）技术的出现使等离子喷涂陶瓷涂层、金属及其合金涂层的结合强度、致密性等性能提高１倍以上［１４－１６］；另一方面，液料等离子喷涂技术的日益成熟以及低压等离子喷涂－薄涂层工艺（ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅ Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｒａｙ－Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ，ＬＰＰＳ－ＴＦ）的问世，使等离子喷涂技术在制备纳米／亚微米结构涂层、薄涂层（５～５０μｍ）、易氧化涂层（Ｆｅ基、Ａｌ基、Ｃｕ基等）方面显示出独特的潜力［１７－１８］。
等离子喷涂技术多用于解决航空、航天领域等高温部件的修复再制造。基于以上技术工艺的发展，等离子喷涂技术不但更多的应用于金属零部件表面抗常温腐蚀、冲蚀、磨损的再制造，而且在新型热障涂层、固体氧化物燃料电池、人工关节涂层、半导体绝缘涂层等领域也有着极大的应用前景［１７－１８］。
１．１ 用于重载履带车辆薄壁零部件的再制造
重载履带车辆传动、行动和操纵部分表面损伤的零件中有许多薄壁零件，约占６０％，这类零件在车辆系统的各总成中，主要用于部件单元的密封（部件单元的润滑油密封）和其它零件的定位，因此对这类零件的精度、表面性能要求较高。
研究表明［８，１６］，这类薄壁零件的内表面通常都承受磨料磨损，但因与之相配合的零件差别和受力不同，其磨损特点有很大差别。例如，主离合器总成中的压缩轮盘的内表面，与耐磨铸铁制造的２个密封环相配合，服役时，重载履带车辆扬起的灰尘、砂土等侵入该部位而形成ＳｉＯ２沙粒的磨料磨损，但由于结合部分的受力小、速度慢，其磨损机理为低应力犁沟式磨料磨损，其平均磨损速率为２．０×１０－３ ｍｍ／（ｈ·ｋｍ）（ｈ·ｋｍ为百公里）；负重轮总成中的回绕挡油盖与压缩轮盘一样，都为４５钢模锻后调质处理，经机械加工后的薄壁零件，其内表面与自压油挡（中间镶有弹性钢圈的橡胶圈）相配合，车辆行走时扬起的灰尘将直接侵入摩擦副，且该摩擦副还承受因地面不平而产生的冲击载荷，回绕挡油盖的内表面虽然在制造时已镀铬处理，但磨损极为严重，平均磨损速率高达６．０×１０－３ ｍｍ／（ｈ·ｋｍ），磨损机理为高应力凿削式磨料磨损。
上世纪７０、８０年代，徐滨士带领课题组成员在国内首次应用普通等离子喷涂技术修复重载履带车辆的薄壁零件，选用镍包铝作喷涂底层材料，面层材料主要以铁基、镍基合金为主，重点对压缩轮盘中的内圆密封环配合表面和回绕挡油盖内圆自压油挡配合表面进行了修复强化［１９］。
对经等离子喷涂修复的重载履带车辆的薄壁零件，分两批共６辆车进行了装车考核试验。结果表明，对于密封环配合表面，喷涂修复层比新品的耐磨性能提高了２．１３倍；对于自压油挡配合表面，喷涂层的耐磨性比新品提高７．３４倍。按当时的新品零件价格，再制造修复零件与新品经济性比较如表１所示。
于是，徐滨士院士当时就提出了“强化修复”的概念，即报废零件经过等离子喷涂处理，不仅恢复了尺寸，而且延长了使用寿命。这一技术思路为重载履带车辆的维修制度改革奠定了技术基础。
１．２ 重载车辆发动机活塞裙部的再制造
活塞裙部是活塞组的重要组成部分，它主要起导向、传热作用，并承受来自曲柄连杆机构的侧向推力。铝合金活塞在使用过程中，因活塞与缸套的非正常配合运动，致使活塞裙部产生划伤、磨损，进而影响缸套的寿命。针对活塞的工况和磨损形式，考虑到基体材质，王海军等人通过采用超音速等离子喷涂ＡｌＳｉ＋Ｎｉ／Ａｌ复合涂层对活塞裙部进行修复强化［１６］，如图１所示。涂层与基体结合强度大于５５ ＭＰａ，显微硬度比基体提高２倍以上，喷涂后的活塞经磨削处理后如图２所示。经过１ １００ｈ的台架考核试验，得到了活塞裙部的耐磨损性能比基体提高１倍以上，实现了活塞裙部再制造。
 
１．３ 印刷机械网纹辊的再制造
雕刻网纹辊通常应用在柔性印刷、凹版印刷、高品质的涂布及层压复合机械上［２０］。传统加工基材一般选用优质碳素钢管，钢管的壁厚为７～１０ｍｍ。辊体结构均采用带轴辊体形式，即用法兰盘和芯轴与钢管连接在一起。通过在金属基辊体表面电镀铜或电镀铬处理后，电刻蚀网纹（着墨孔）。在印刷过程中，刮墨刀的作用会对网纹辊产生一定的磨损，使着墨孔的开口度逐渐变小，同时深度逐渐变浅，网纹辊的传墨性下降。针对网纹辊表面高耐磨性的要求，可采用等离子喷涂陶瓷涂层修复传统镀铬失效辊，然后用激光雕刻制成陶瓷网纹辊。图３所示为村田激光技术有限公司生产的陶瓷网纹辊，它是由等离子喷涂技术在辊体表面制备Ｃｒ２Ｏ３涂层，并经过高精度的磨削及镜面抛光后，再采用激光雕刻机精密雕刻而成。采用等离子喷涂技术再制造后的陶瓷网纹辊硬度高（１１００～１ ３００ＨＶ），在耐磨损、耐腐蚀、亲水性能方面都有大幅度提升，印刷图像清晰、逼真［２１］。王海军等人［２２－２３］采用超音速等离子喷涂技术制备了Ａｌ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３等氧化物陶瓷涂层，在涂层组织、微观力学性能方面显示出孔隙少、涂层致密且显微硬度高的优势特点，是目前制备网纹辊表面涂层最好的工艺方法之一。
１．４ 航空航天发动机高温部件的再制造
随着航空发动机技术的不断发展与性能提升，发动机的工作温度也逐步升高。目前先进发动机的压气机出口温度已达到６５０ ℃，燃烧室及加力燃烧室的工作温度接近２ ０００ ℃，涡轮进口温度达到１ ６５０～１ ７５０ ℃［２４－２５］。这些部位的零件多采用钛合金、镍合金等材料制造，承受的温度有限，往往因高温疲劳而失效。研究表明，通过调整基体材料的方法提高零部件的使用温度已经很难有所突破。
热障涂层是航空、航天领域应用比较成熟的一项强化修复技术，它是通过采用等离子喷涂技术在高温合金基体表面制备氧化物陶瓷涂层，通过陶瓷涂层的隔热作用，实现了航空、航天发动机热端部件使用温度（耐温性能）的提升［２６－２７］。航空发动机叶片（如图４所示）、尾翼喷管采用等离子喷涂技术制备ＭＣｒＡｌＹ－Ｙ２Ｏ３／ＺｒＯ２双层结构热障涂层修复后，零件的隔热性能比基体提高了50～100℃。近几年，国内韩志海［２８－２９］等人在超音速等离子喷涂技术制备微纳米结构热障涂层方面取得了重大进展，实现了陶瓷涂层片层结构内部微观柱状晶的控制，进一步提高了涂层的隔热和抗热震性能，为航空、航天发动机关键零部件再制造性能的进一步提升打下基础。
未完待续
参考文献略
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