电弧喷涂粉芯丝材的研究与应用
张书辉,郦 剑,刘少光,罗来马
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摘 要:简述了电弧喷涂技术的特点和发展。将电弧喷涂与其他热喷涂技术在涂层性能等方面做了对比。概述了电弧喷涂用粉芯丝材的研究和发展现状。展望了这种粉芯丝材在制备金属/陶瓷复合涂层、纳米结构涂层和非晶涂层等方面的应用前景。
关键词:热喷涂;电弧喷涂;粉芯丝材;涂层
电弧喷涂技术是以电弧为热源,将丝材熔化并用高压气流雾化使熔融粒子高速喷射到工件表面形成涂层的一种工艺。与其他热喷涂方法相比,电弧喷涂技术具有成本低、效率高、适宜现场大面积施工等优点。随着高速电弧喷涂、高速脉冲电弧喷涂等新型电弧喷涂设备的开发成功,电弧喷涂技术工程化应用越来越广泛,约占我国热喷涂技术总数的20%[1]。常见的电弧喷涂丝材主要为Fe基和Ni基两大类。Fe基喷涂丝材中,奥氏体(如316)型不锈钢丝和马氏体(如Cr13)型不锈钢丝是较为常用的喷涂丝材。Ni基合金丝材中, Ni80Cr20系列、Ni70Cr30系列、高铬镍基合金丝材PS45以及NiAl合金丝(如Ni95Al5)是较为常见的Ni合金丝材[1~6]。电弧喷涂粉芯丝材由金属外皮(如低碳钢、Ni、Al、Cu、不锈钢等带材)和粉芯(如金属合金,氧化物、碳化物陶瓷粉末等)两部分组成,因而同时具备丝材和粉末的优点,拓宽了涂层材料的成分和种类范围,满足了对涂层多功能化、多元化和高性能化的要求[7, 8]。自上世纪80年代以来,金属粉芯丝材在电弧喷涂领域有了突飞猛进的发展。近年来,国内外已经开发了多种耐磨、耐腐蚀电弧喷涂粉芯丝材,广泛应用于电力、石油、化工、汽车制造等工业领域。因此,采用电弧喷涂粉芯丝材制备复合涂层、纳米涂层、新型合金及非晶涂层已成为该技术发展的主要趋势。本文简述电弧喷涂技术和电弧喷涂粉芯丝材的特点、发展现状及应用前景。
1 电弧喷涂技术的特点及其发展现状
热喷涂技术由M.U. Schoop博士于1908年首创,一百年来,相继开发了火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、冷喷涂、激光喷涂等表面涂层防护技术,表1为不同热喷涂技术的比较[9]。可见与其他喷涂技术相比,电弧喷涂技术具有以下特点:(1)所获得的涂层性能较好。电弧喷涂时,加热温度高,最高可达6 500℃,约为火焰和爆炸喷涂的两倍,涂层结合强度高于火焰喷涂层。(2)喷涂效率和能源利用率高。电弧喷涂的能源利用率可达57%,而等离子和火焰喷涂的能源利用率仅为12%左右。(3)设备造价低,使用维护方便,电弧喷枪及送丝机构体积小,重量轻,携带方便,不需要瓶装气体燃料系统及水冷系统,工作环境适应面广,可以长时间在恶劣环境下工作[10, 11]。
上世纪80年代以后,随着电弧喷涂材料品种的不断增加及性能不断提高,电弧喷涂设备向精密化、自动化方向快速发展,开发并完善了各种新型电弧喷涂技术,比如高速电弧喷涂、超音速电弧喷涂、高速脉冲电弧喷涂、复合电弧喷涂、保护气氛电弧喷涂、真空(低压)电弧喷涂、等离子转移电弧喷涂及单丝电弧喷涂等,提高了喷涂效率,改善了电弧喷涂层的质量,拓宽了电弧喷涂的应用领域。徐滨士等通过高速电弧喷涂Al和3Cr13涂层发现,涂层的拉伸结合强度、表面硬度、耐磨性能比普通电弧喷涂层要高[7]。汪瑞军等采用该技术喷涂7Cr13、FeCrA1丝材涂层,涂层的结合强度有显著提高,分别从25MPa和33 MPa提高到35 MPa和45 MPa[11, 12]。
Giumin Liu等采用高速电弧喷涂FeCrAl涂层发现,与传统电弧喷涂相比,涂层的组织更为致密,硬度更高[13]。高速电弧喷涂层的组织致密,孔隙率低,氧化物含量较低,喷涂颗粒细小,颗粒间内聚结合强度增加,从而改善了涂层性能。我国自行研制的超音速电弧喷涂技术,喷涂粒子速度最高可达380 m/s,喷涂3Cr13的结合强度为68MPa,表面硬度高,该技术在防腐、修复和机械制造等领域有着广泛的应用,已处于当前国际领先地位[14]。李尚周等采用超音速活性电弧喷涂(HVAA)技术制备的NiCrFe-Cr2C3涂层硬度值从普通电弧喷涂层的35 HRC提高到56HRC,其涂层结合强度也得到显著提高[15]。刘少光等采用N2保护气氛高速电弧喷涂制备了TiAl3/Cr3C2复合涂层,试验结果发现,N2保护下的电弧喷涂层比无保护时的涂层更为致密和均匀,氧化夹杂物明显减少,硬度和抗高温冲蚀磨损性能均显著提高[16]。徐滨士等采用封闭式二次雾化喷嘴的保护气氛电弧喷涂设备制备了3Cr13涂层,组织致密,氧化物质量分数明显减少,硬度和结合强度显著提高。
在相同的喷涂距离条件下,使用丙烷气体保护气氛电弧喷涂可以明显减少合金涂层中的氧化物质量分数,并减少了合金元素的烧损,但使喷涂成本有所增加[17]。
未来电弧喷涂技术的发展趋势将向提高喷涂粒子的速度,降低涂层氧化程度和孔隙率,提高生产效率以及节能方向发展,以获得高性价比的涂层。
2 电弧喷涂粉芯丝材研究及发展现状
热喷涂材料按照形态可分为热喷涂粉末、实心丝材、粉芯丝材等。不同的喷涂工艺和喷涂设备,对喷涂材料均有具体要求。热喷涂粉末除了能做成丝材的喷涂材料外,还包括熔点高或硬而脆的不易做成丝材的材料,如难熔金属、陶瓷、自熔合金等。这类热喷涂材料主要用于等离子喷涂、气体火焰喷涂、爆炸喷涂、高速氧燃料火焰喷涂以及激光喷涂等,其特点为粉末成分易调节,克服了部分陶瓷、难熔金属的加工成型问题,但是存在喷涂成本高、不宜大面积应用以及粉末利用率较低等缺点。热喷涂丝材除了锌、铝、铜等及其合金制成的丝材外,主要还有铁基和镍基丝材。此类热喷涂材料主要用于电弧喷涂和气体火焰丝材喷涂等,存在喷涂材料成分不易调节以及加工成型等问题,限制了其发展应用[9, 11, 18]。
粉芯丝材同时具备丝材和粉末的优点,能方便地根据涂层成分要求来调节粉芯成分,以获得各种成分、特殊性能的涂层,同时生产周期短、成本低、使用设备简单、操作方便,目前,已广泛应用于电力、石油、化工、汽车制造等工业领域。该类材料的制造工艺过程与药芯焊丝类似,金属及合金外皮材料经过包丝机的三组滚压轮逐步滚压成“U”型,将配置混合好的粉芯材料通过包丝机加粉器自动加入到金属带形槽内,然后经过包丝机的六组滚压轮将“U”型带上口逐步压合成“O”型并压实,此时“O”型带材的外径通常为3 mm~4 mm;之后包裹粉的“O”型丝带材,经过8~12道拉拔逐渐减径成2 mm的成品粉芯丝材[19]。
粉芯丝材创始于上世纪60年代,起初是用于克服冶金方面的限制。到上世纪70年代初期才开始尝试粉芯丝材的电弧喷涂,但是这些尝试不是很成功,因为当时粉芯丝材刚度差,送丝困难。到了80年代,这一主要缺点才被克服,使金属粉芯丝材在热喷涂领域有了较大发展,其发展中心逐渐从德国、英国等欧洲国家转移到美国,随后日本、韩国、新加坡、乌克兰、荷兰等国家也相继投入开发[20]。自上世纪90年代以来,粉芯丝材研究报道和应用日益增多。
粉芯丝材种类繁多,促进了电弧喷涂的发展。例如,Dallaire等通过电弧喷涂粉芯丝材获得了硬质相体积分数高达37%的含陶瓷相的耐磨涂层。W ira等用电弧喷涂低碳钢外皮包覆WC的粉芯丝材,研究了涂层的组织和磨损性能,结果表明,涂层具有较高的硬度和结合强度,耐磨性随WC含量的增加而增强。乌克兰巴顿焊接研究所的Borisov等研制了用于耐磨的Fe2B系AMOTEK系列粉芯丝材,得到的涂层中的非晶态相占35%以上,在350℃以下,非晶态合金涂层的耐磨性高于等离子喷涂Ni2Ti基合金涂层、1045钢和12Cr18Ni不锈钢[21]。在美国,粉芯丝材成功地用于飞机发动机大修及汽车工业、电站锅炉和厚的耐磨板及防滑涂层上。用NiCrAl粉芯丝材电弧喷涂以恢复发动机的法兰及内孔尺寸,比等离子喷涂节约近一半时间[22]。P.Georgieva等对双丝电弧喷涂TAFAU100MXC铁基非晶丝材制备纳米结构涂层进行了研究,结果表明, IOOMXC纳米涂层平均硬度达850~950 HV,结合强度高达35~48MPa[23]。D.G.Atteridge等用于电弧喷涂的粉芯丝材技术,粉芯丝材外皮选用镍和430不锈钢,粉芯选用粒度为纳米尺寸材料和其他材料,成功制成3种含纳米材料的Ni-WC/Co系电弧喷涂丝材[24, 25]。自上世纪90年代起,装甲兵工程学院、全军装备维修表面工程研究中心、北京工业大学、北京有色金属研究总院等单位对粉芯丝材做了大量的研究工作和报道,并取得了一定的成绩。徐滨士等通过高速电弧喷涂粉芯丝材制备了Fe-Al/Cr3C2(WC)、Fe-AlCrNi/Cr3C2、7Cr13等涂层[26~28]。贺定勇等采用304L不锈钢带,粉芯成分由Fe62铁基自熔性合金粉末和WC-12CoNi复合粉末组成,发现含WC陶瓷相涂层的耐磨粒磨损性能较好,相对Q235钢提高约9倍;当粉芯中WC质量分数低于25%时,随着WC含量增加,涂层的硬度和耐磨性增加[29]。贺定勇等研发的一种铁基含TiC陶瓷粉芯丝材,利用电弧喷涂技术在Q235低碳钢表面制备出具有高表面硬度的耐磨涂层,其耐磨粒磨损性能好于Q235低碳钢[30, 31]。方建筠等通过NiCr合金带和304L不锈钢带,粉芯材料为TiB2、Al2O3陶瓷粉,制备了NiCr-TiB2、NiCr-TiB2/Al2O3、304L-TiB2、304L-TiB2/Al2O3复合涂层,含有TiB2的复合涂层具有较好的显微组织形态和较高的耐磨损性能;NiCr合金带制备的涂层组织和性能好于304L不锈钢带所制备的涂层[32, 33]。刘少光等采用电弧喷涂粉芯丝材制备了一种含纳米TiC的复合涂层,其硬度高、耐磨性好,用于燃煤电厂锅炉“四管”防高温冲蚀磨损效果显著[19]。曾德福采用430不锈钢带外皮,粉芯为CrB粉、Mo粉、TiC粉、Si粉等,利用电弧喷涂技术在钢基体上制备了非晶涂层,涂层具有较好的耐磨和抗腐蚀性能[34]。
与实芯丝材和粉末相比,粉芯丝材具有如下优点: (1)克服了高合金成分难以拔丝制成丝材的技术障碍,同时能使一些不导电的粉末增强材料(陶瓷及碳化物)填充到粉芯丝材中,在电弧喷涂上得以应用,如Al2O3、TiO2、TiB2、WC和Cr3C2等,为电弧喷涂制备多元复合涂层、纳米结构涂层、新型合金及非晶涂层奠定了基础; (2)生产周期短,综合成本低,适合电弧喷涂高效率、低成本的要求; (3)涂层化学成分易调,可以制备一些特殊性能的涂层,拓宽了电弧喷涂材料的应用领域; (4)利用特定合金元素的放热反应可以提高微粒沉积的再熔化过程,大幅度提高涂层结合性能,有效控制孔隙率,提高涂层的稳定性。
3 电弧喷涂粉芯丝材的应用前景
为了满足对喷涂层多功能、高性能的要求,采用电弧喷涂技术制备复合涂层、纳米涂层、新型合金和非晶涂层已成为该技术发展的主要趋势,因此,电弧喷涂粉芯丝材的研究将是一个非常有发展潜力的领域。
(1)金属/陶瓷复合涂层 陶瓷材料硬度高、耐磨性、耐腐蚀性和耐高温氧化性能好,通过热喷涂技术制备金属/陶瓷复合涂层,将陶瓷材料的优点与金属材料的优点结合起来,发展金属/陶瓷复合涂层一直是材料学领域的一个重要研究方向。热喷涂金属/陶瓷复合涂层一般是采用超音速火焰喷涂、等离子喷涂和激光熔覆等制备方法,虽能获得质量优异的金属/陶瓷复合涂层,却普遍存在设备昂贵、效率低、喷涂成本高、现场大面积施工困难等问题。近年来,电弧喷涂粉芯丝材实现了电弧喷涂技术制备金属/陶瓷复合涂层。因此,电弧喷涂金属/陶瓷粉芯丝材必然具有巨大的发展潜力。国内目前的研究主要集中在铁(镍)、金属间化合物基Al2O3型、WC/Co型、TiB2型、FeB型以及Cr3C2型等。
(2)纳米结构涂层 热喷涂纳米结构涂层技术已成为热喷涂领域一个重要的发展方向。目前,利用热喷涂技术制备纳米涂层主要采用两种方式:①制备具有部分纳米特征的宏观涂层,即在制备时将含量相对较少的纳米颗粒加人传统涂层中,使传统涂层成为纳米颗粒弥散强化的、具有纳米特征的复合涂层;②制备完全由纳米颗粒构成的宏观涂层[35]。热喷涂制备纳米结构涂层的方法主要有等离子喷涂法、超音速火焰喷涂法、爆炸喷涂法、电弧喷涂法及冷喷涂法等。通过电弧喷涂粉芯丝材技术,将纳米粉体材料制备成微米级的纳米结构粉芯,以金属为外皮制备电弧喷涂用粉芯丝材,喷涂后获得纳米结构电弧喷涂层,将是未来热喷涂技术发展的一个重要方向[25]。同时,如何通过喷涂工艺和设备的改进,来解决纳(微)米粉末在喷涂过程中易飞离、烧结、长大和氧化等问题也显得极为重要。
(3)非晶涂层 非晶态合金因其成分均匀,不存在如位错、晶界和成分偏析等晶体缺陷,具有独特而优异的性能,如高强度、高韧性、高硬度和极高的抗腐蚀性能等,是很有发展前途的新型金属材料。在一定的冷却速度和反应条件下,如在Fe中加人B,Mo,P等,可生成一定比例的非晶态组织,这样生成的涂层具有优异的耐磨耐蚀性。因此,利用电弧喷涂粉芯丝材技术制备非晶涂层具有广阔的工程应用前景。国内对非晶涂层的研究已有较多的报道,例如,贺定勇等通过采用304不锈钢带,粉芯为NiB和CrB等成功制成了非晶涂层,涂层硬度高达1 000HV0. 1以上,耐磨性好,其相对耐磨性为Q235钢的13. 7倍以上[36]。
新型电弧喷涂粉芯丝材的研究固然已成为热喷涂材料研究的重要方向之一,但是,在以后的研究工作中,热喷涂理论研究也极为重要。例如,研究电弧喷涂过程中粒子的熔化行为,粉芯(如陶瓷颗粒)与外皮在喷涂中的相互作用,涂层微观组织结构标定,涂层微观组织结构与性能的关系以及涂层的腐蚀氧化、磨损机制的研究。
4 结束语
(1)电弧喷涂技术具有成本低、便于现场大面积操作、涂层性能较好等优点,我国电弧喷涂制备金属合金丝材、粉芯丝材等产品已经应用于工程领域;与此同时,相继开发出了各种新型电弧喷涂方法,比如高速电弧喷涂、超音速电弧喷涂、高速脉冲电弧喷涂、复合电弧喷涂、保护气氛电弧喷涂、真空(低压)电弧喷涂、等离子转移电弧喷涂及单丝电弧喷涂等新技术。
(2)与实心丝材和粉末相比,粉芯丝材克服了金属合金难加工、粉末材料不导电等难题,同时具有涂层化学成分易调、加工方便、成本低、操作方便等优点,能满足喷涂层多功能、高性能的要求。复合材料、纳米材料、新型合金和非晶涂层的使用是电弧喷涂材料发展的主要趋势,电弧喷涂粉芯丝材具有巨大的发展潜力。
参考文献略
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