面向21世纪的电弧喷涂技术
徐滨士，马世宁，时小军
设备管理与维修
电弧喷涂技术是80年代兴起的一项热喷涂技术，由于电弧喷涂设备的发展与更新，使之成为目前热喷涂技术中最受重视的技术之一。
一、电弧喷涂技术的特点
电弧喷涂是以两根丝状金属喷涂材料在喷枪端部短路产生的电弧为热源，将熔化的金属丝用压缩空气气流雾化呈微熔滴，高速喷射到工件表面形成喷涂层的一种工艺。其主要特点是:
1.涂层具有高结合强度和优异的性能。结合强度超过20MPa，是火焰喷涂层的2.5倍。2.电弧喷涂的高效率表现在单位时间内喷涂金属的重量大。电弧喷涂的生产效率比火焰喷涂高2一6倍。3.电弧喷涂的节能效果十分突出，能源费用降低50%以上。4.电弧喷涂是十分经济的热喷涂方法。其费用通常仅为火焰喷涂的1/10。设备投资一般约为等离子喷涂的1/3。5.电弧喷涂技术仅使用电和压缩空气，不用氧气、乙炔等易燃气体，安全性高。由于电弧喷涂具有上述优点，使它在近二十年间获得迅速发展，在国际上已逐步部分取代火焰喷涂和等离子喷涂。据有关资料统计，到本世纪末，在所有热喷涂技术中，电弧喷涂的市场比例将上升到第三位。
二、电弧喷涂设备(参见图l)
1.电弧喷涂电源采用平的安伏特性，可以在较低的电压下喷涂，减少喷涂层中的碳烧损(约减少50%)，并保持良好的弧长自调节作用，能有效地控制电弧电压。平特性的电源在送丝速度变化时，喷涂电流迅速变化，按正比增大或减小，维持稳定的电弧喷徐过程。根据喷涂丝材选择一定的空载电压，改变送丝速度可以自动调节电弧喷涂电流，从而控制电弧喷涂的生产率。图2为国产CMD一AS一30《X)型电弧喷涂设备电源的外特性图。
2.电弧喷涂枪是电弧喷涂设备的关键装置。连续送进的丝材在喷涂枪前部以一定的角度相交，丝材各自接于直流电源的两极而产生电弧，从喷嘴喷射出的压缩空气流对着熔化金属吹散形成稳定的雾化金属粒子流，从而形成喷涂层。
3.采用双主动送丝轮机构送丝。
三、电弧喷涂材料
1.锌及锌合金。锌为银白色金属，在大气中或水中具有良好的耐腐蚀性。在锌中加入铝可以提高喷涂后的耐腐蚀性能，目前已大量使用。喷锌涂层已广泛应用于室外露天的钢铁构件，如水门闸、桥梁、铁路和容器等。2.铝及铝合金。铝用作防腐蚀喷涂层时，作用与锌相似。在铝及铝合金中加人稀土不仅提高涂层的结合强度而且降低孔隙率。铝还可以用作耐热喷涂层。喷铝涂层已广泛用于贮水容器、硫磺气体包围中的钢铁构件、食品贮存器、燃烧室、船体和闸门等。3.铜及铜合金。纯铜主要用作电器开关和电子元件的导电喷涂层及塑像、工艺品、水泥等建筑表面的装饰喷涂层。黄铜喷涂层广泛用于修复磨损及加工超差的零件，可修补黄铜铸件的铸造砂眼、气孔，也可作为装饰喷涂层使用。铝青铜的结合强度高，抗海水腐蚀能力强，并具有很好的耐腐蚀疲劳和耐磨性。主要用于修复水泵叶片、气闸阀门、活塞、轴瓦，也可以用来修复青铜铸件及装饰喷涂层。4.镍及镍铬合金。镍合金中用作喷徐材料的主要为镣铬合金。这类合金具有非常好的抗高温氧化性能。可在880℃高温下使用，是目前应用很广的热阻材料。镍铬合金被大量用作耐腐蚀及耐高温热喷涂层。5.铝。相在喷涂中常作为粘结底层材料使用，还可以用作摩擦表面的减摩工作涂层，如活塞环、刹车片、铝合金气缸等。6.管状丝材。我国已应用3Crl3、4Crr3、7Crl3等管状丝材作为耐磨喷涂材料。
四、电弧喷涂工艺对喷涂层质t的影响
电弧喷涂工艺包括工件表面的制备、喷涂、喷后处理等步骤。工件表面的预处理是一个十分重要的步骤，它往往关系到整个工艺过程的成败。电弧喷涂工艺对喷涂层质量的影响有:
1.对喷涂层致密度的影响。涂层的致密度由熔化金属粒子大小决定，除了与电弧喷徐枪的喷嘴几何形状有关外，选择最佳的压缩空气压力、流量，金属熔滴将会良好地雾化，涂层组织也会细化。
2.电弧喷涂的规范参数对于丝材金属颗粒的温度有相当大的影响。工作电流的大小，在一定情况下，决定电弧喷涂的生产率和金属颗粒的温度。
3.对喷涂层结合强度的影响。金属喷涂层是氧化物和微孔隔离开的单个颗粒的不规则堆积，喷涂金属的强度主要决定于颗料之间结合力而不决定于颗粒本身的强度。随着压缩空气压力的提高，增加了金属颗粒的撞击力，因而增大了它的变形，涂层的结合强度也提高了。增加压缩空气的流量，也具有同样的作用。喷涂距离加大会使结合强度降低。从金属的损失量、颗粒雾化质量、喷涂金属的硬度和耐磨性的观点上来看，应当以最小限度的电弧上的电压来操作。
4.对喷涂层硬度的影响。电弧喷涂过程中，喷涂层硬度的增高，是由于金属颗粒附着在零件上以后，快速冷却导致金相组织改变。对那些不具备淬火性质的丝材，其硬度的增高，仅由于冷却硬化，以及部分地由于含有氧化物。随着压缩空气压力以及流量(喷嘴直径)的增加，会增高涂层硬度。
五、电弧喷涂技术的应用
1.电弧喷涂防腐
(1)高温、高湿、高盐雾条件下服役的某船舶海水腐蚀严重，采用电弧喷涂技术修复部分需要更换的钢板，并对工作条件苛刻的部分进行了电弧喷涂防腐，经过3年多的使用，证明防腐性能显著提高，经测算预计使用寿命可提高到巧年以上。
(2)煤矿井筒处于阴暗、潮湿、淋水环境之中，相对湿度大，腐蚀十分严重，专家估计，我国煤炭系统每年因腐蚀造成的损失超过ro亿元。1990年，有关单位先后对淮北桃园煤矿、山西晋山煤矿、河南铁王沟煤矿井筒钢结构件进行了电弧喷涂，预计其寿命在30年以上。
(3)水冷壁腐蚀一直是动力、造纸、化学工业锅炉应用中.的一个重大问题，由此造成的零件更换和检修停机等经济损失是非常巨大的。国外采用电弧喷涂耐中温腐蚀涂层后，使用5年以后仍然完好，9年之后，基本上无磨损、腐蚀和剥落。我国电站锅炉管道采用电弧喷涂镍铬合金加封孔剂或铝涂层已取得成效。
2.电弧喷涂用于修复耐磨重大工件
(D大型水压机的修复是电弧喷涂耐磨应用的典型。用3Crl3钢丝电弧喷涂修复的柱塞，其耐磨性能优于新柱塞，其成本约为新柱塞的1/4。国内曾用电弧喷涂修复一个12t的柱塞，喷涂层重达300公斤。
(2)国内应用电弧喷涂修复大马力曲轴也取得了成功，其修复成本低，质量能够满足使用要求。
(3)电弧喷涂巴氏合金的耐磨性较高，不低于铸造的巴氏合金，在轴瓦的修复和制造中得到了广泛应用。
(4)全军装备维修表面工程研究中心首次应用电弧喷涂7Crl3管状丝材获得了成功。该技术应用于耐磨损和高温磨蚀的结构件具有良好的前景。
3.电弧喷涂是获得优良装饰和特殊功能涂层的有效手段
(l)在木质材料上喷涂铜或其它合金可以制成重量轻、成本低的大铜门。在石头、石膏等材料上也可以喷徐铜、锡、铝等金属，获得优异的装饰效果。
(2)采用两种不同金属丝材用电弧喷涂可以获得新型伪合金。
(3)国外已开始应用电弧喷涂金属制模。喷涂制模技术是指在石头、塑料、石膏、布、橡胶或金属等材料制作的模型上喷涂Ni、Cu、Al、Zn或不锈钢，制成型壳，然后用石膏、水泥或树脂等材料填充型壳体内，从而得到模具模型的一种新技术。该技术在国内也已研究成功。
六、电弧喷涂技术的发展方向、
1.电弧喷涂技术理论。由于电弧喷涂已经成为十分重要的热喷涂技术，对它的理论研究显得日益重要，目前电弧喷涂技术的理论研究主要集中在电弧喷涂过程、涂层性能以及涂层热应力计算及其模拟等方面。
2.电弧喷徐设备。设计新型的电弧喷涂枪，提高雾化效果，降低涂层的孔隙率;改进送丝方式，使喷涂操作更方便;提高喷涂电源的稳定性;对喷徐设备进行自动化改造等。
3开发电弧喷涂新材料。为了适应不同工况的防腐、耐磨以及其它性能要求，开发不同的喷涂丝材是最有活力的发展方向。采用管状丝材可方便地改变喷涂材料的化学成分，以保证涂层制备时形成性能所要求的组织结构，而同时又不影响喷涂丝材制造时的工艺性能。开发应用管状丝材将大大拓展电弧喷涂的新型丝材的范围。
4 开发新型的电弧喷涂方法。为了得到不同的功能涂层，人们正在开发新型的电弧喷涂方法。
(l)高速电弧喷涂技术，可以提高涂层与基体的结合强度、涂层的致密度和内聚强度，降低涂层的氧化物含量等。
(2)真空电弧喷涂技术，可以大幅度地降低氧化物的含量，降低孔隙率，提高涂层结合强度。
(3)保护气体电弧喷涂技术，可以降低熔滴材料的烧损率、涂层的孔隙率和氧化物的含量等。
参考文献略
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