热喷涂技术在水工钢结构防护上的应用
沈国军，王泽华，林萍华
有色金属（冶炼部分）
表面技术是是当今世界十项关键技术之一，热喷涂技术是表面工程学的重要组成部分，它是一种材料表面强化和表面改性的新技术。可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减摩和密封等性能。热喷涂技术主要用于对部件的修复、预保护及新产品的制造，可使工件获得所需要的尺寸和性能。通过近一个世纪的应用和发展。热喷涂技术已经取得了许多令人瞩目的成就，在腐蚀与防护领域发挥更为广泛的作用。
摘要：筒违了热喷豫技术的喷豫原理、涂层结构以及形成机理．热嗔辣技术的主要特点；综述了水工钢结构耐蚀性涂层的研究情况及其在钢闸门、水轮机、启闭机桂塞杆辱方面的应用。
关键词：热喷涂；木工钢结构；防护技木
热喷涂技术概述
自20世纪初第一个金属熔液式喷涂装置在瑞士闸世以来，热喷涂技术已有近百年的历史。它是利用各种热源，将欲喷涂的固体涂层材料加热至熔化或熔融状态．借助于高速气流的雾化效果使其成微细熔滴，喷射沉积刭经过预处理的工件基体表面形成堆积结构涂层的技术。典型的热喷涂工艺有电弧喷涂、火焰喷涂和等离子喷涂3种。不论是何种喷涂方法，用何种喷涂材料．热喷涂原理和涂层形成过程基本上是相同的。
喷涂材辩经热源熔融或雾化至在基体表面形成稳定的涂层是十分复杂的过程。一般经过冲击、碰撞、变形和凝固收缩4个阶段。涂层是由无数变形粒子互相交错波浪式堆叠在一起而形成的层状组织结构(如图1)。在喷涂过程中。由于熔融颗粒在软化、熔化、加速飞行以及与基材表面接触过程中与周围介质发生化学反应，使得喷涂材料经喷涂后会出现氧化物。同时存在部分喷涂颗粒因加热不充分而形成“生粒”，而且由于颗粒的陆续堆叠和部分颗粒的反弹散失．在颗粒之问不可避免地存在孔隙或空洞。因此。典型的热喷涂涂层是由变形颗粒、未熔颗粒、气孔和氧化物等组成[3]。
涂层与基体表面之间的结台方式主要是“机械锚固”，其次由于涂层和基材表面出现扩散和微区合金化，两者之间呈现出一定的冶金一化学结合，涂层与基体的结合力比较弱。在涂层制造过程中，在热变化和冲击能量作用下。以及喷涂材料与基体之间的物理性能和力学性能的差异，使得熔融态变形颗粒在基体表面冷凝收缩时产生微观残余应力，并随着涂层不断堆积而增大。
热喷涂技术可以根据不同的需求使零件表面获得抗腐蚀、抗氧化、耐高温、耐磨损等特殊的物理化学性能，具有喷涂工艺灵活、适应范围广、基体及喷涂材料广泛、受热面积较小、生产效率高等特点。涂层中的孔隙和残余应力，以及较弱的结合强度等结构上的缺陷，影响了涂层的耐磨、耐蚀等性能．一定程度上限制了热喷涂技术在工业生产中的应用。相关研究表明：通过优化工艺参数、提高基体表面粗糙度、喷涂过渡层、激光重熔和封孔处理等手段可以显著改善涂层的结构和性能。
热喷涂技术在设备、材料、工艺等方面都在迅速的发展。基本趋势是设备向高能、高焙、高速度发展；材料向系列化、标准化、商品化方向发展，以保证多功能高质量涂层的需要；工艺向机械化、自动化方向发展，如计算机控制、机械手操作等。
2涂层的耐蚀性能
在金属表面上制备具有耐蚀性的涂镀层对基体起到屏蔽保护作用，可避免或延缓基体的腐蚀。传统的防护涂镀层主要是电镀层和防腐漆。这类防护工艺存在环境污染或防护效果不佳的弱点。热喷涂技术可以根据需要．喷涂不同防护涂层材料，制各不同环境下使用的防护涂层。同时在生产工艺上能避免或降低对环境的污染。
最常用的热喷涂防腐涂层材料是zn、Ⅳ及其合金，这类材料形成的涂层电极电位均负于钢铁，对钢基体能起到阴极保护作用。国内外研究人员采用电弧喷涂和火焰唼涂技术在碳钢表面制备了多种类的Zn、A1和Zn．AI涂层，对涂层进行室外暴露腐蚀试验和实验室盐雾腐蚀试验，发现这些涂层均表现出较强的耐腐蚀性，其中Al和Zn．AI涂层更佳。陶瓷材料特殊的晶体类型和化学键类型赋予其高熔点、高硬度和高化学稳定性等鲜明特征cr203等是常用于制备耐蚀涂层的淘瓷材料。近年来，等离子喷涂技术和超音速火焰喷涂技术(HVOF)的发展。拓宽了陶瓷涂层的制备和应用，HVOF喷涂wDl7Co涂层在HCI和}IN03等强腐蚀环境中表现出比电镀硬铬更好的抗腐蚀性能，但相比锌、铝涂层。对耐蚀性陶瓷涂层主要还是集中在试验研究上，实际应用相对较少。
涂层孔隙的存在对以防腐为主要功能的涂层而言是十分有害的．腐蚀介质往往能穿透涂层孔隙到达被保护基体表面，造成基体的腐蚀，是涂层失效的主要原因。采用台理手段，消除热喷涂涂层表面或内在的孔隙，堵住腐蚀介质通过涂层孔隙达到基体的通道．已成为扩大热喷涂工艺在防腐蚀领域应用的重要研究方向。涂层封孔是目前应用最多的降低涂层孔隙率的方法之一，对涂层进行重熔改性也能达到改善涂层结构、降低孔隙率的目的，超音速火焰喷涂和超音速等离子喷涂技术等高能、高速热喷涂技术的发展也为制备低孔隙率的涂层提供了技术支持。
3热喷涂在水工钢结构腐蚀防护中的应用
热喷涂技术在腐蚀防护方面的应用，欧美等西方发达国家从20世纪30年代开始逐步采用热喷涂技术对钢结构进行防腐处理。我国较大规模地运用热喷涂防腐技术是从20世纪60年代开始的，近年来有了较大的发展和应用。
水工钢结构、钢闸门、水轮机及大型液压启闭机等金属构件，长期处于于湿交替、浸没水下及水流冲刷等环境中．受到大气、目光、温度和水生物的侵蚀，使钢材表面极易发生腐蚀，导致承载强度逐渐降低，严重地影响工程运行安全。热喷涂涂层以其优异的耐腐蚀性成为解决水工钢结构腐蚀问题的主要方法之一。热喷涂锌、铝及其合金涂层是目前我国大面积应用于水工钢闸门及其钢结构辅助设施的长效防腐蚀技术。我国三河闸钢结构阿门20世纪60年代就采用热喷涂锌防护，有效地防止了钢闸门的锈蚀，并在全国推广应用；大型水利枢纽葛洲坝工程自1984年开始对闸门钢结构及预埋件采用热喷涂技术防护；三峡工程钢结构达28万吨，基本上采用电弧喷涂和高压无气喷涂保护。处于干湿交替环境的闸门已固定采用热喷涂技术防护。万泉河上共有3座提升闸门．这3座闸门都有不同程度的腐蚀．尤其是下游的大石桥闸门情况最为严重。严重处腐蚀坑深达3mm以上。采用热喷涂铝防腐蚀工艺解决闸门的防腐问题，与之前的刷涂船用防腐漆的方法相比。造价稍高些。但从彻底和长远防护效果以及影响闸体使用寿命等方面分析，其综合成本低于传统方法。
水轮机在使用过程中，导水叶、转轮、叶片的迷宫环等部件遭受强烈的空泡腐蚀。对上述部件采用火焰喷焊含高钼的镍基自熔性合金焊层，显示出优异的抗气蚀性能．其耐气蚀系数比奥氏体不锈钢焊条堆焊层提高近10倍。火焰喷涂Ni60喷焊层、超音速火焰喷涂Cr3Q．NiCr涂层和WC-Cr-Co涂层具有较好的抗气蚀性能，涂层组织致密，与基体结合强度高。喷涂碳化钨硬涂层已在小浪底水轮机过流部件的活动导叶、转轮、顶盖和底环的上、下抗磨板等流速较高的部件表面得到应用。
液压启闭机活塞杆．传统的防腐蚀手段是电镀硬铬。电镀硬铬的耐磨耐蚀性能存在不足，特别是耐腐蚀性能，明显不如热喷涂陶瓷涂层，而且电镀工艺会导致严重的环境污染。热喷涂技术在施工工艺、涂层性能和生产成本等诸多方面优于电镀硬铬，为实现热喷涂涂层代替硬铬层提供了可能，国外在热喷涂涂层取代硬铬层方面开展了大量的研究工作，并且已有成功应用的例子，如德国洪格尔公司于1995年开始研制并生产大型液压油缸用陶瓷涂覆的活塞杆。长度可达20m，直径可达1m：这种活塞杆以其优异的耐磨耐蚀性能成为传统镀铬活塞杆的最佳取代者。
4结论
随着人们对产品性能要求的提高．对环境保护的重视以及热喷涂技术的不断发展，热喷涂技术必将逐步取代传统的防腐蚀技术，在我国水工金属结构中的防腐蚀应用将会更加广泛。
参考文献略
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