热喷涂用粉芯丝材的生产和应用
李学锋
金属加工
随着我国经济的不断发展，各工业部门越来越多地要求机械设备、装置或构件能在高参数(如高温、高压和高速)和苛刻的工况条件(如严重的磨损和腐蚀)下长期稳定的运行。这就对材料的性能提出了更高的要求。而采用高性能的高级材料制造整体设备及零件显然是不经济的，有时甚至是不可能的。这一矛盾通过采用表面处理技术对零部件表面进行改性处理或者在其表面形成一层具有特定功能的防护层可以有效地得到解决。
一、概述
作为表面防护和强化的技术之一, 热喷涂是表面工程中一门重要的学科。所谓热喷涂, 即利用某种热源,如燃烧火焰、电弧、等离子弧等将粉末状或丝状的涂层材料加热到熔融或半熔融状态, 然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流将熔融粒子雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基材表面, 与基体结合而形成具有各种功能的表面覆盖层。
热喷涂材料、设备及喷涂工艺是构成热喷涂技术的三个支柱。其中，热喷涂材料是物质基础。从状态上可分成粉末和丝材两大类。电弧喷涂和线材火焰喷涂是以丝材作为涂层材料的热喷涂工艺。而粉末火焰喷涂（焊）、等离子喷涂、超音速火焰喷涂以及爆炸喷涂等则是使用粉末作为涂层材料的热喷涂工艺。与采用粉末为涂层材料的喷涂工艺相比，线材喷涂工艺具有材料沉积效率高、设备投资小、易于操控等优点。其中的电弧喷涂工艺在大面积防腐以及大型构件的现场施工防护等方面获得广泛应用。
二、热喷涂丝材及其生产工艺
按热喷涂丝材的制备工艺及其截面形态，可将其分成实芯丝材和粉芯（又称药芯或管状）丝材两类。
1. 热喷涂用实芯丝材
实芯丝材包括纯金属丝材和合金丝材两类。其生产工艺一般是由熔炼、开坯、制备盘条及拉丝等工序构成。其特点表现为：部分工序需在高温下进行的热加工；即便是在冷拉过程中，也需视材料的塑变性能穿插进行退火和酸洗等辅助工序；多数情况下各工序独立运行，作业的连续性较差，导致生产周期较长。同时，其工艺特点也决定了只有部分塑性加工工艺性能好的金属和合金才能制备成实芯丝材。
图1a和图1b所示为本单位生产的一种镍基合金实芯喷涂丝材在处于生产过程中不同阶段时的产品形态。实芯丝材生产工艺的复杂性导致生产周期的漫长性可见一斑。
2．热喷涂用粉芯丝材
粉芯丝材的出现在一定程度上弥补了实芯丝材种类不能完全满足喷涂实践需求的不足。与实芯丝材的生产工艺完全不同，粉芯丝材一般采用粉/管（Powder In Tube，简称PIT）法和粉/皮（Powder in Shell，简称PIS）法制成。它是将粉末填充入作为包覆外皮的金属管/薄带中，再进行连续的轧制、拉伸等变形工序，直至一定规格的丝材。由于无需熔炼、开坯、退火及酸洗等加工工序和辅助工序，因而粉芯丝材具有生产周期短的优势。同时，其工艺特点也使得可以通过调整所填充粉末的成分来方便地调整粉芯丝材的成分，并使难以采用实芯丝材生产工艺加工成形的一部分涂层材料（尤其是包含一定量的陶瓷硬质相的材料体系），可以采用粉芯丝材的生产工艺加工成丝材，从而使采用丝材作为涂层材料的电弧喷涂和线材火焰喷涂工艺的用料范围，在原来的纯金属以及合金实芯丝材的基础上得到了一定程度的扩充。
（1）PIT工艺制备粉芯丝材 在国内外材料领域，PIT工艺的一个众所周知的典型应用实例是用其制备高温超导线/带材。在银/银合金管中填充入多元高温超导材料的先驱粉末（如BiSrCaCuO系），经过拉伸等塑性变形工艺，制成丝材，再经轧制工艺以及相应的相变热处理工艺，可制得用于制备超导电缆的高温超导带材。
国内最早采用PIT工艺制备热喷涂用粉芯丝材的单位是北京有色金属研究总院。该单位采用PIT工艺制备火焰喷涂用结合底层材料镍铝复合丝至今已有20多年的历史。以铝管为外皮，填充适当比例的镍粉和铝粉，再采用适当的塑变减径工艺、热处理工艺以及获得国家发明专利授权的丝材连接工艺，可制得软硬适中、能实现连续送丝和喷涂的成品丝材。由于该种丝材中的组元镍和铝在喷涂过程中会发生放热反应，提高了喷涂粒子在撞击基体时的温度，可使涂层粒子在局部与基体表面形成微冶金结合。这一特点使其成为可用于绝大多数基体材料的普适型结合底层丝材。
图2a、2b和2c分别为采用PIT工艺生产镍铝复合丝所用的铝管、生产设备以及成品丝材。图2d和2e分别为采用氧乙炔线材火焰喷涂镍铝复合丝以及涂层样片。
（2）PIS 工艺制备粉芯丝材 用粉/皮（PIS）工艺制备热喷涂用粉芯丝材则是完全借鉴和沿用了药芯焊丝的生产工艺。该工艺通常以碳钢或不锈钢薄带（一般厚0.3～0.5mm，宽10～12mm）为外皮。钢带被以一定的速度连续送进生产线，在经过特制的凹凸相配的轧辊时被卷曲成U形。同时，料仓内配制好的填充粉料通过加粉装置被按一定速度送进U形钢带中，再顺次通过后续道次的孔形轧辊，实现包覆、合圆及减径，最终通过拉拔工艺制成一定规格（如 2mm）的粉芯丝材。
图3a、3b和3c分别为有色金属研究总院采用PIS工艺生产粉芯喷涂丝所用的钢带、生产线以及丝材层绕设备。
三、热喷涂用粉芯丝材的应用及发展趋势
1．热喷涂用粉芯丝材的应用
与实芯丝材不同，加入了诸如陶瓷、金属化合物等类型的耐磨粉体的粉芯丝材在喷涂后能形成“软基体嵌硬质相”的涂层结构，较适合用于在磨粒磨损、冲刷等场合下工作的零部件的表面防护。例如，有色金属研究总院研制的获国家发明专利授权的JCW系列含部分陶瓷粉末耐磨粉芯丝材，由其制备的涂层的显微硬度为800～1000HV，具有数倍于一般碳钢的耐磨粒磨损性能。
目前，粉芯丝材在国内主要被用于燃煤电厂锅炉受热面管道的喷涂防护（可参见作者在本刊2008年第18期发表的《热喷涂技术在我国火力电厂锅炉防护领域的应用》一文），并可用于其他领域中有着类似工况的零部件表面防护。
图4分别为拉丝机滚筒以及某型设备用叶轮采用电弧喷涂耐磨粉芯丝制备防护涂层前后的照片。
2．热喷涂用粉芯丝材的发展趋势
粉芯丝材的结构特点决定了业界人士分别从外皮和粉体两个方面进行相关的改进、研发工作。目前，用做粉芯丝外皮的主要是碳钢、以及部分类型的不锈钢（如304L、1Cr17等）。由于粉芯丝材的生产工艺中不含或不宜引入退火处理这一中间辅助环节，故大部分加工硬化程度较高的金属或合金材料目前还不能被选用做粉芯丝材的包覆外皮材料。
近年来在粉芯丝材填充粉体方面的进展主要包括：通过添加适当的组元（如在Fe中加入B）并利用喷涂过程中快速急冷的工艺特点以便在涂层中获得一定比例的具有优异的耐磨耐蚀性能的非晶态相；将经过团聚的纳米粉末作为组元添加到包覆钢带中，以便在涂层中获得一定比例的纳米尺度的组成相。从而增强涂层的韧性、硬度等多方面的性能。
参考文献略
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