电热爆炸喷涂是在一定的气体介质氛围下，通过对能导电的金属或金属陶瓷的丝、箔沿轴向施加瞬间直流高电压，在导体内部形成极高的电流密度，使其在短时间内爆炸，金属或陶瓷粒子以极高的速度喷射，在基体上沉积形成涂层。已经制备得到的有 W[1]涂层、Mo[2-4]涂层、钛合金涂层[5]，不锈钢涂层，WC-Co[8-10]涂层， Stellite6/WC-Co[11]，NiCr/WC-Co[12]，Mo/高碳钢复合涂层和梯度涂层等多种类型的涂层。电热爆炸喷涂制备涂层具有很多优点，使之特别适合于在圆管内表面制备涂层。目前虽然研究的涂层类型很多，但多是针对板状样品，在管内制备涂层的较少。管内采用的是金属丝或者箔在圆筒轴心的位置进行喷涂的方法[1,4,13]。由于电爆炸喷涂涂层的质量与喷涂丝直径、喷涂丝与基体的距离、喷涂能量都有关系，采用爆炸丝安置在轴心位置实现管内喷涂时，管的直径就受到限制，不能实现大口径管件内表面的喷涂。为实现在不同直径的圆管内表面的电爆炸喷涂，本研究提出了爆炸丝偏心安置的爆炸喷涂方案，通过对电爆炸喷涂过程的理论分析和试验验证，建立了确定偏心爆炸喷涂工艺参数的方法，实现了大直径圆管内表面电爆炸喷涂钼涂层，分析了圆管内表面电爆炸喷涂钼涂层的均匀性。
1 技术方案
1.1 喷涂涂层厚度与距离的关系设长为 L，半径为 r0的金属丝通电时完全爆炸，金属蒸气向周围均匀飞散，在距离金属爆炸丝 r 位置处均匀形成金属涂层，不考虑喷涂过程中金属粒子的氧化，根据质量守恒定律，金属丝完全爆炸后，形成涂层的总质量等于金属丝的质量。金属丝质量 m 为：m=ρπr02L (1)式中，ρ-金属丝的密度，r0-金属丝的半径，L-金属丝有效喷涂长度，即钢管长度。设涂层厚度为 μ，并且厚度很薄，则涂层的质量为 M，近似为：M 2rL1(2)式中，ρ1-金属涂层的密度，r-喷涂距离，L-金属丝有效喷涂长度，即钢管长度，μ-涂层厚度。不考虑爆炸过程中的质量损失，且认为金属丝的密度与金属涂层密度相同，则由 m=M，可得涂层的厚度 μrr220(3)式中，μ-涂层厚度，r0-金属爆炸丝的半径，r-喷涂距离。由式(3)可知，当电爆炸丝完全爆炸并均匀分布时，涂层的厚度与待喷涂部位与爆炸丝的距离成反比。
1.2 偏心爆炸喷涂为实现大直径圆管内表面电爆炸喷涂，设计了一种爆炸丝不在圆管中心位置的偏心爆炸喷涂方法。当爆炸丝偏心安置时，爆炸丝到圆管各处的距离是不同的，按照喷涂厚度与距离的关系，可知单次喷涂在圆管内表面得到的涂层厚度分布是不均匀的。图 1 中圆管内表面的阴影区域表示一次电爆炸喷涂时涂层覆盖的范围。为了能够使圆管内表面涂层厚度均匀，需要相邻两次喷涂的涂层覆盖区域有一定的重叠，以得到厚度均匀的涂层。依据重叠区域的位置，可以确定相邻两次电爆炸时金属爆炸丝的位置。
2 结果与分析
2.1 试验材料
电爆炸喷涂在 200kJ 的高压电脉冲放电装置上进行。爆炸丝是直径 1mm 的 Mo 丝，基体是直径分别为57、69 和 103 mm 的 Q235 钢管，钢管长度 120 mm。2.2 爆炸丝与基体表面的距离 r2有研究认为[1]，当电爆炸丝的半径为 r0时，电爆炸丝与喷涂基体的合适距离是（25~30）r0。为了确定最小喷涂距离，分别选择 10、15、20 和 25 mm 的喷涂距离进行试验。爆炸丝是直径 1mm 的钼丝，喷涂电压选为 5600V，喷涂 10 次。在其他条件相同时，减少喷涂距离，有助于增加涂层厚度和提高涂层与基体的结合力，但是当距离减少，爆炸的金属粒子与基体接触时，对接触面的冲击作用增加，对基体和之前喷涂的涂层也有很大影响。因此在分析最小喷涂距离时，主要考察涂层的均匀性以及涂层的表面质量。在试验中，当取喷涂距离为10mm 时，喷涂 4~5 次后就会出现涂层起皮现象，并且起皮处呈现出淡黄色。这表明喷涂距离太近时，涂层质量不好。同时，即使涂层表面不起皮，试样喷涂表面也有很多体积较大的颗粒出现，涂层质量差。而当喷涂距离为 15mm 和 20mm，喷涂 10 次时，所获得涂层的质量较好。喷涂距离为 15mm 喷涂 10 次时，涂层厚度为 40μm。喷涂距离为 15mm 时得到的钼涂层的金相照片如图 2 所示。由此确定爆炸丝与基体表面的距离 r2为 15mm。
2.3 有效喷涂距离 R
有效喷涂距离 R=2r2是用式（3）得到的，注意到在式（3）的建立过程中有一些假设，这必然会导致与实际的差异。如金属丝喷涂效率不能达到 100%，金属丝爆炸后并非均匀向 360°空间飞散，存在一定量的氧化和气化，钼丝与钼涂层的密度也不完全相同等
等。因此必须对有效喷涂距离进行试验验证，即考察
在有效喷涂距离 R=2r2时，R 处涂层的厚度是否为 r2处涂层厚度的一半。对圆筒试样进行取样时，首先根据理论计算，确定涂层厚度为金属丝正下方位置 O 处一半的位置 A，然后使 OB=2OA 确定位置 B，最后以金属丝正下方 O为对称中心，获得位置 A 的对称位置 C，B 的对称位置 D。分别以 5 个位置为中心，选取宽度为 5mm 的试样测试涂层厚度。对直径为 69mm 和 103mm 的圆管进行 8 次爆炸喷涂，对直径 57mm 的圆管进行 4 次喷涂，爆炸丝是直径 1mm 的钼丝，r2为 15mm，在 O、A、B、C、D 各处取样，测试涂层厚度，结果见表 1。从表中结果可以看出，实际获得的涂层厚度与理论厚度相差很大，按照式（3），一次喷涂后的厚度为33.3μm，而实际上喷涂 8 次才获得理论值一次的厚度，表明在爆炸喷涂过程中的效能损失很大。在 A 和 C 相对应的位置的涂层厚度也有差异，其中的低值没有达到 O 点厚度的一半。为能得到 R 合适的表达式，将涂层厚度进行归一化处理，将 O 点的厚度作为 1，取 A 或 C 点中的低值，计算与 O 点厚度的比值，根据这两点确定出线性关系，计算出 1.8r2和 1.6 r2处的厚度比值，结果见表 2。根据表 2 的结果，当 R=1.8 r2时涂层厚度近似满足要求，考虑到实际操作时，涂层厚度若大于要求可以进行加工，为保证涂层厚度，取R=1.6r2
3 结 论
1) 设计的爆炸丝偏心安置可实现大直径圆管内表面电爆炸喷涂。
2) 爆炸丝距圆管内表面的最佳距离 r2是 15mm，有效喷涂距离是 1.6r2，根据这两个参数能够确定任意
直径圆管的喷涂次数。
3) 直径 57mm 的圆管在周向安排 4 次喷涂可以在内表面获得厚度均匀的涂层
参考文献略
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