续 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
２ 基于高速火焰喷涂（ＨＶＯＦ／ＨＶＡＦ）技术的再制造
超音速（高速）火焰喷涂（ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｘｙ－ｇｅｎ ｆｕｅｌ）技术（简称ＨＶＯＦ），是指利用气体或液体燃料，在高压大流量的氧气或空气助燃下形成高强度燃烧火焰，再通过特殊结构的喷管对这种高强度火焰进一步压缩、加速，使其达到超音速焰流，并以这种超音速焰流做热源加热、加速喷涂材料并形成涂层的工艺方法［７－８，１６］。超音速火焰喷涂是在爆炸喷涂的基础上发展而来的一项新技术，由美国Ｂｒｏｗｎｉｎｇ公司在２０世纪８０年代初期最先研制成功。１９８２年该技术以“Ｊｅｔ－Ｋｏｔｅ”为商品成为ＨＶＯＦ技术发展的第一代喷涂设备。ＨＶＯＦ发展至今，已经历了三个时代的发展。第三代ＨＶＯＦ系统以１９９２年研制成功的ＪＰ－５０００型喷枪为标志，它采用液体燃料（煤油）为燃烧剂，火焰功率可达１００～２００ｋＷ，送粉速率可提高至６～８ｋｇ／ｈ（ＷＣ－Ｃｏ）。该系统具有非常高的速度（喷涂１５～４５μｍ的ＷＣ－１２Ｃｏ粒子速度达４００～６００ｍ／ｓ）和相对低的火焰温度（２０００～２ ７００ ℃），适合制备ＷＣ－Ｃｏ、ＮｉＣｒ－Ｃｒ３Ｃ２等金属陶瓷材料涂层［３０－３４］，以及低熔点的金属及其合金材料（铁基、镍基自熔性合金）涂层，涂层的耐磨性能好，结合强度高（ＷＣ－Ｃｏ涂层结合强度大于７０ＭＰａ）。
进入２１世纪以来，采用空气助燃的大气超音速火焰喷涂系统（ＨＶＡＦ）出现，其焰流温度更低（１４００～１ ６００℃）、粒子速度更快（７００～８００ｍ／ｓ），在制备Ｃｕ基、Ａｌ基等易氧化材料涂层及其ＷＣ－Ｃｏ、ＮｉＣｒ－Ｃｒ３Ｃ２等金属陶瓷涂层方面显示出独特的优势。而以Ｍｅｔｃｏ公司ＷｏｋａＳｔａｒ６００系统为代表的新一代煤油超音速火焰喷涂系统则在喷枪稳定性方面取得了进展。另外，针对高速火焰喷涂技术不能制备传统的高熔点陶瓷材料涂层，国内外一些公司也在积极研发适用于火焰喷涂技术的新型陶瓷材料。高速火焰喷涂技术在再制造中的应用领域得到进一步拓宽。
目前，结合超音速火焰喷涂具有粒子速度快，结合强度高，涂层内部为压应力，可以厚成形（几个毫米）的特点，超音速火焰喷涂技术适用于各类大型磨损失效轴、辊的再制造，可广泛应用于航空航天、钢铁冶金、石油化工、造纸及生物医学等领域损伤部件的再制造。
２．１ 钢铁冶金辊类部件的再制造
钢铁冶金领域热镀锌槽中的沉没辊、稳定辊，经 受 严 重 的 熔 融 锌 液 腐 蚀，使 用 寿 命 较短［３５－３６］。一般工作１～２周，因辊面腐蚀而产生严重的粘锌渣现象，在镀锌过程中对钢板产生划伤，影响镀锌板质量。对镀锌工作辊传统的修复方法是采用车削减小尺寸修复法，重新获得好的辊面状态。但经几次加工后，整个辊体因超差而报废。采用超音速火焰喷涂技术，在沉没辊、稳定辊上制备８０～１２０μｍ的ＷＣ－１２Ｃｏ涂层，再加上后期的封孔处理。结果表明，涂层孔隙率小于１％，硬度在１ ０００～１ １００ＨＶ之间，具有优异的抗粘锌、耐磨损性能，再制造后辊子的使用寿命从原来的２周提高到７～９周，效果显著，如图５所示，修复辊在使用一个周期（约１５天）后，表面没有出现腐蚀，可以继续使用。
连续退火炉中的高温炉辊在钢板退火时，与钢板接触部位往往３个月左右就会产生积瘤，从而导致钢板划伤，影响钢板（特别是薄板）的质量。传统的方法是在停炉后采用釉石对辊面进行修磨，继续使用。但因辊体材料和结瘤物（Ｆｅ、Ｍｎ及其氧化物）亲和性好，修复辊很快又重新结瘤，使用寿命、生产效率受到限制。针对此类辊的修复问题，采用超音速火焰喷涂工艺，在预处理后的辊面制备１００μｍ的ＮｉＣｒ－Ｃｒ３Ｃ２涂层（如图６所示）或ＭＣｒＡｌＹ基陶瓷复合涂层，不仅能提高辊体表面的高温硬度，还可以显著改善辊子的抗结瘤性能，可将修复后炉辊的使用寿命提高到２～３年，表现出较高的再制造价值。
２．２ 航空航天起落架等部件的再制造
飞机起落架因在飞机起落阶段承受严重的冲击和磨损，通常是在起落架表面镀硬铬层，由于镀铬层的硬度有限，使起落架的寿命很难满足要求，报废严重。针对起落架的实际工况，目前国外多采用超音速火焰喷涂技术（ＨＶＯＦ）来修复强化起落架，图７
为ＨＶＯＦ喷涂波音７３７飞机起落架部件［３７］。喷涂材料选用ＷＣ－Ｃｏ、ＷＣ－ＣｏＣｒ金属陶瓷，修复后涂层的硬度比原镀铬层高出５０％，再制造后的起落架在使用寿命、经济效益方面比传统的镀铬工艺成效显著［３８］。
２．４ 石油化工球阀、柱塞等零件的再制造
在石油化工领域，许多球阀、柱塞等零件尺寸大、磨损严重，使用寿命较短。例如，工作温度在５４０℃，压力高达１４０ＭＰａ的含有腐蚀性砂浆的管线中的金属座球阀，球阀材质一般为３１６或３０４不锈钢，经高压砂浆冲刷后，磨损非常严重，形貌如图９所示。严重影响了阀门正常通断功能，有时使用几周就因磨损需要更换。对这一类球阀零件，采用超音速火焰喷涂ＷＣ－Ｃｏ涂层对其进行尺寸修复再制造，如图１０所示。涂层硬度可达１ ２００～１ ３００ＨＶ，耐磨粒磨损和冲蚀磨损性能比基体提高３～５倍。
３ 基于高速电弧喷涂技术的再制造
高速电弧喷涂是上世纪９０年代研制成功的热喷涂技术，它利用气体动力学原理，将高压空气或高温燃气通过特殊设计的喷嘴加速后，作为电弧喷涂的高速雾化气流来加速和雾化熔融金属，将雾化粒子高速喷射到工件表面形成致密涂层［３９］。近年来，高速电弧喷涂技术已经取得了较快的发展，尤其是新型喷涂枪和逆变喷涂电源的不断研发，使该技术工艺稳定可靠。喷涂材料也取得了长足的进步，就丝材形式而言，有实芯丝材和粉芯丝材；就材料性能而言，有防腐类丝材、不锈钢类丝材、自粘结底层丝材、耐高温氧化、硫化腐蚀及冲蚀类丝材、高硬度耐磨丝材、防滑丝材以及多种性能复合的丝材等。高速电弧喷涂技术作为再制造工程的关键技术之一，具有以下显著特点：（１）效率高、成本低。高速电弧喷涂的粒子速度可达１００ｍ／ｓ以上，涂层致密度和结合强度略低于等离子喷涂和超音速火焰喷涂，但与二者相比，高速电弧喷涂的最大优势是效率高、成本低。例如，喷涂碳钢丝时效率可达１６ｋｇ／ｈ，约相当于粉末火焰喷涂和等离子喷涂的４倍以上，成本不到等离子喷涂的１／５。（２）涂层厚度大、零件尺寸限制少。由于电弧喷涂的沉积效率非常高，涂层的厚度可从几百微米到厘米量级，因此工程应用选择灵活性大，在零件的外表面及约２００ｍｍ以上孔径的内孔部位都可沉积涂层，尤其是应用在大型工件磨损、
变形的尺寸恢复方面空间广阔。（３）应用领域广。高速电弧喷涂技术可以赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。在恢复零部件产品的磨损、腐蚀失效尺寸的同时，可有效提升产品的表面性能（４）。目前，电弧喷涂技术已在装备发动机、石油化工、矿山机械和电力行业传动部件及结构件的修复与再制造等方面得到了一定的应用，效果显著。
３．１ 发动机缸体、曲轴的再制造
重载装备车辆发动机的缸体主轴承座孔在使用中长期承受交变应力及瞬间冲击，变形严重，而且表面产生腐蚀和磨损，造成尺寸超差和划伤［４１－４２］。研究表明，在恢复零件精度尺寸和性能的同时，如何便于后续加工是涂层材料设计的关键。采用电弧喷涂不锈钢涂层的试验发现，涂层耐蚀性较好，但硬度较高不利于后续加工，且涂层易产生裂纹，使用中存在隐患，不能满足再制造产品的可靠性要求。在此基础上，改进材料和工艺的设计，发现使用自动化高速电弧喷涂技术制备不锈钢＋低熔点合金的伪合金复合涂层（如图１１所示），防腐耐磨效果好，而且涂层残余应力较低、硬度可控，后加工方便，经考核，该再制造产品获得了较好的应用效果。
４ 展望
各种热喷涂技术已经历了多年的发展并逐渐被市场所认可，在再制造工程领域已得到了不同程度的应用。“十二五”，随着国家战略性新兴产业———再制造产业的发展，热喷涂技术作为再制造产品尺寸恢复、性能提升的有效技术手段，将更多的应用于再制造产业。结合再制造产业的特点，应用于再制造的热喷涂技术将在以下几个方面得到发展和提高：
（１）加强各类热喷涂技术应用于再制造领域的适应性研究。当前，再制造企业在我国尚处起步阶段，面对大量的损伤零部件还没有系统科学的技术工艺和解决方案。针对许多零部件的热喷涂再制造，还缺少全面的论证和系统的研究，许多企业和研究机构都是针对某种具体零部件的再制造需求，通过经验尝试某种热喷涂技术，若碰巧成功了，就采用此技术，没有从技术性、环境性、经济性等方面综合考虑方案的合理性。这种模式不利于热喷涂技术在再制造领域的长久发展。随着大量损伤零件的修复需求的提出，需要科研院所和企业联合攻关，在对各种热喷涂技术原理和基本性能，以及各类型再制造零部件失效特征和性能要求等充分分析研究的基础上，展开系统全面的试验研究和理论分析，经一定周期和一定规模的中试考核合格后，再确定科学合理的再制造技术方案。通过几年研究和应用试验，获得系统全面的各类热喷涂技术适应性解决方案。
（２）加强复合技术的研究和应用，包括热喷涂技术自身在材料、工艺及设备方面的复合研究，以及热喷涂技术和其他技术的复合研究，以适应再制造产品对技术的需求。目前，虽然已有较多关于高性能复合喷涂材料及新设备的文献报道，如新型体系设计的复合材料、纳米材料、非晶材料，但大多成熟度还不够，需要不断完善。同时，也出现了热喷涂技术与其他如电磁感应加热、火焰重熔、激光熔覆等技术的复合，以解决再制造产品的性能要求。但此方面的研究还比较少，今后需更多的从再制造产品生产效率、成本等方面综合考虑各类技术复合的合理性。
（３）加强热喷涂技术在高效、规模化生产应用中的研究。一方面，目前许多热喷涂技术成果还仅处于实验室或小样本试验阶段，技术设备（特别是国产喷涂系统）长期不间断运转的可靠性、稳定性差。另一方面，目前多采用人工喷涂和低精度操作装置的作业手段，与未来高度产业化生产相差甚远，虽然有单位已开展了操作机和机器人自动喷涂系统方面的研究，但缺少过程监控和质量反馈控制技术的投入，产品质量稳定性仍需提高，尚不能投入到大规模生产中去，不适于再制造规模化生产的需求。通过加强高稳定性、自动化和智能热喷涂技术的研究，提高生产效率、产品可靠性和质量，改善作业环境。
（４）加强热喷涂再制造技术标准、工艺规范等方面的研究。目前许多喷涂再制造技术的规范化程度不高，质量控制体系不健全。应加强各种热喷涂再制造技术标准的制定，规范热喷涂再制造工艺，加强管理，推动热喷涂技术在再制造领域的可持续发展。
参考文献略
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