LHVOF超音速喷涂技术在工业关键零部件上的新应用及思考
汪瑞军 常云广 张天剑 黄小鸥
焊接
摘要 热喷涂技术是中国“十一五”计划和 2020 年远景规划中要大力发展的先进制造技术。文中着重介绍利用 LHVOF(liquate high velocity oxygen flame) 超音速喷涂技术在工业关键零部件上的新应用。同时对比国外热喷涂技术的现状, 提出对中国热喷涂应用今后发展趋势的一些思考。
关键词: 超音速喷涂技术 零部件 发展趋势 热喷涂
0 前 言
自 20 世纪 80 年代初期, 美国 Browning 公司研制开发出超音速火焰喷涂系统 HVOF (high velocity oxygen flame)后, 经多年的大力推广、改进及应用, 这一技术已显示出其巨大的应用价值[1]。在众多型号的超音速火焰喷涂系统中, 以 JP5000、JP8000、MET- JET III 为代表的利用氧气加燃油的超音速喷涂系统 LHVOF(liquate high velocity oxygen flame)获得了用户的好评[2]。在中国, LHVOF 超音速喷涂技术的应用领域非常广阔, 特别是国家的“十一五”计划和 2020 年远景规划中明确提出热喷涂技术是先进制造技术, 要大力发展。这为LHVOF 超音速喷涂技术的应用及发展提供了大好时机。
文中详细介绍了中国农机院表面工程技术研究所一年来使用 MET- JET III 型 LHVOF 超音速喷涂系统在若干典型工业关键零部件上的应用案例, 同时对比国外热喷涂技术的现状, 就中国热喷涂应用今后的发展趋势提出一些观点, 以期抛砖引玉, 为加速 LHVOF喷涂技术在中国的推广应用添砖加瓦。
1 超音速喷涂系统
超音速火焰粉末喷涂系统通过氧和雾化的煤油混合物在燃烧室内燃烧后产生高温、高压, 形成高速焰流, 将送入喷枪的粉末粒子加速至 1 000 m/s, 在工件表面形成极为致密的喷涂层[3]。表 1 是 LHVOF 系统喷涂涂层与其他表面喷涂工艺涂层性能的比较。
表 2 是 MET- JET III 超音速火焰粉末喷涂系统喷涂 WC- Co 粉末涂层的性能, 可见涂层性能优异。另外由于热量适当, 喷涂过程中喷涂材料仅有轻微的成分和相变。这一系统采用了当前最先进的氢气点火技术,杜绝了燃油污染工件表面的问题; 更由于采用 PLC 控制的质量流量计系统, 使得操作参数稳定, 长时间工作可靠。
2 关键零部件应用实例
2004 年, 中国农机院表面工程技术研究所引进超音速喷涂系统 LHVOF 系统后, 先后为众多行业的关键机械零部件表面喷涂, 涂层的应用效果良好。
2.1 包装行业———瓦楞辊
瓦楞辊是包装机械的关键部件之一, 其工作条件十 分 恶 劣 。 国 内 常 用 的 瓦 楞 辊 材 质 为 35CrMo 或50CrMo 精锻合金钢, 制造工艺为齿形加工、硬化处理、表面镀硬铬或齿部氮化处理。由于环保要求及对工作辊寿命的更高要求, 国外先进的瓦楞辊制造工艺已采用 HVOF 工艺制备其表面的耐磨损涂层, 并获得了具有耐磨损、抗变形和长寿命性能优质涂层。
采用 LHVOF 系统喷涂 DZ8812- A 粉末材料, 获得与国外同等质量的瓦楞辊表面涂层, 涂层厚度可达 100μm, 其显微硬度达到 1 150 HV200, 大大高于镀硬铬镀层。应用表明通过对瓦楞辊面 LHVOF 涂层后序的研磨加工, 获得的光洁、坚硬的瓦楞辊工作面不仅工作寿命是原工艺的 1 倍以上, 瓦楞纸产品的质量也获得很大提高。图 1 是瓦楞辊表面喷涂现场图片。
2.2 石化行业———大直径球阀
热喷涂 MTM 球阀技术是当代先进热喷涂技术在MTM球阀上的最新应用。与传统的不锈钢球阀、软密封球阀、镀硬铬 CoCrW 堆焊球阀相比, 在涂层硬度、耐磨性、低摩擦系数、抗介质冲蚀性腐蚀性、耐高温性、疲劳强度、密封性等方面均有根本性提高, 显著增加球阀服役寿命。热喷涂 MTM球阀已成为技术含量高的新一代球阀, 代表着高临界参数工作条件下 MTM球阀的发展方向。
利用 LHVOF 系统可生产极为致密的高硬度涂层,同时涂层孔隙率和氧化物含量极低且不会出现有害相变, 为涂层的高结合性、高耐磨性, 高抗冲蚀 /腐蚀性、高抗疲劳性、极好研磨抛光特性、低摩擦系数创造先决条件。图 2 是与航天部某所共同开发直径达与 500 mm以上的 MTM球阀。
2.3 其他关键零部件
对于 LHVOF 技术的应用来讲, 其最大优势是喷涂WC- Co 类型的粉末材料。多年的实践应用表明, WC-Co 涂层的优异性能提高了关键机械零部件的使用寿命, 同时 LHVOF 工艺的可逆性也为零部件的重复使用提供了保证, 从而降低了机械零部件报废带来的成本损耗。
采用 LHVOF 系统为注塑机螺杆表面、造粒机械切料模具的刃口、拔丝塔轮工作面喷涂的 WC- Co 系涂层, 经用户使用, 获得良好效果, 现已为用户批量生产。图 3 是螺杆和拔丝塔轮工作面喷涂的现场图像。
3 对热喷涂应用发展趋势的思考
近几年来, 国内的热喷涂工业尽管有了长足的长进, 但距离发达国家的水平仍有相当差距。据不完全统计, 中国热喷涂工业年产总值约为 25 亿元人民币, 而美国、日本和德国的热喷涂产值分别为 30 亿、10 亿和4 亿美元。
中国热喷涂产品的市场是巨大的, 因此国外的热喷涂企业、公司已经快速切入进来了, 这将会加速我国热喷涂工业与国际接轨, 对推动国产热喷涂设备自主知识产权的开发也会起到促进作用。
针对中国热喷涂现状, 即规模不大、产业化水平低、技术水平和技术的“含金量”不高的特点, 笔者认为, 上述现状恰恰表明中国的热喷涂产业具有极大的发展空间和良好的发展前景。国外的经验证明, 国家越发达, 先进制造业就越发达, 热喷涂就越发达。但这也要依附于中国的整体经济增长规模的扩大, 同时更取决于中国产品结构的调整和热喷涂产业自身的调整和优化。
近期, 由于国内某些行业经济发展的“过热”, 导致的能源、原材料紧张和严重的环境破坏, 使得国家提出新的能源政策, 即用最少的能源、原材料、人力消耗, 最小的环境不良影响, 生产更多、更好、更高附加值的产品。在这方面, 热喷涂技术正逢其时, 必将会大有用武之地。
参 考 文 献略
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