摘要 介绍了电弧喷涂技术的发展历程、特点及应用,重点阐述了电弧喷涂材料及设备的研究现状与发展。指出粉芯丝材作为电弧喷涂材料新的发展方向,可以用其尝试获得非晶涂层、金属陶瓷涂层及纳米涂层。电源和喷枪是电弧喷涂设备的关键部件,逆变技术的应用是电弧喷涂电源的发展方向,而喷枪则向着高速、高效和稳定送丝的方向发展。
关键词: 电弧喷涂 非晶涂层 金属陶瓷涂层 纳米涂层
0 前 言
在高温、高压、重载及腐蚀介质等环境下,大多数材料的损坏,如磨损、腐蚀、氧化等,往往源自表面。为了减少零件因表面局部损坏而报废,提高零件的使用寿命,世界各国都在研究提高零件表面性能的各种表面技术。热喷涂作为表面技术之一,越来越受人重视。
其中,电弧喷涂因诸多优点而倍受青睐。
1 电弧喷涂的发展历程
电弧喷涂技术由瑞士的M.U. Schoop博士首创[1],起初主要用于装饰业。1920年日本人发明了用交流电弧为热源的喷涂装置,但因电弧不稳定,涂层质量差,没有得到实际推广。后来德国改用直流电源使电弧喷涂有了实用价值。20世纪50年代后期,为了满足航空和原子能等尖端技术对于高熔点、高强度涂层的迫切要求,美国相继发明了等离子喷涂和爆炸喷涂,使电弧喷涂的发展相对变缓。
与此同时,我国开始使用由前苏联引进电弧喷涂技术修复机械零件,之后由于设备工艺的不完善和材料的限制,电弧喷涂一直被认为是“高效率,低质量”的表面技术。20世纪70年代末,粉芯丝材的出现给电弧喷涂带来了生机,很大程度上促进了其发展。进入20世纪80年代后,由于防腐耐磨大型构件的潜在市场的推动,沈阳工业大学研制出国内第一台具有当时国际水平的推进送丝式电弧喷涂设备[2],使电弧喷涂技术开始在我国得到广泛应用。
近年来,在传统电弧喷涂的基础上,国内外不断开展了许多电弧喷涂新技术的研究,如超音速电弧喷涂、反应电弧喷涂等。这些新技术的应用提高了喷涂效率、进一步改善了涂层质量,拓宽电弧喷涂的应用领域。
1998年5月在法国尼斯召开的第15届国际热喷涂技术会议及工业展览会上,可以看到,有关电弧喷涂技术新产品占30%以上,电弧喷涂技术受到国际热喷涂界的高度重视[3]。
2 电弧喷涂的特点及应用
电弧喷涂具有下述特点:热效率高,热能利用率高达60%~70%;对工件的热影响小,避免了工件的变形;涂层性能优异,喷涂层与基体结合强度可以达到25.6MPa,为火焰喷涂的2.5倍[4];喷涂工艺灵活,其加工对象小到10 mm的内孔,大到如铁塔、桥梁等大型构件;寿命长,封孔后的防腐电弧喷涂层使用寿命可达15年以上;效率高,喷涂电流为300 A时,喷锌:28 kg/h、喷铝:18 kg/h、喷不锈钢:12 kg/h,比火焰喷涂高2~6倍[5];经济安全,使用成本通常低于火焰喷涂和等离子喷涂,且使用电和压缩空气,不用易燃气体,安全性大大提高。
目前,电弧喷涂技术的应用已经在各行各业取得了显著成效,主要用于重大工件的修复、耐磨防腐、制备装饰涂层和功能涂层及制作模具等。市场对电弧喷涂的需求量呈增长趋势,需求前景十分乐观。
3 电弧喷涂技术的现状与发展
近20年来,电弧喷涂获得了迅速发展,喷涂设备向精密化和自动化方向发展,喷涂材料种类日益增多,喷涂技术日趋完善。目前在国际上已部分取代火焰喷涂和等离子喷涂。
3.1 电弧喷涂机理研究进展
电弧喷涂是以电弧为热源,将熔化的金属丝用高速气流雾化,并以高速喷射到工件表面形成涂层的一种工艺[6]。电弧喷涂过程可分为三个阶段:熔滴形成及雾化阶段;熔滴飞行阶段;熔滴撞击基体,相互交错粘结形成涂层阶段。目前,国内外对于熔滴飞行阶段的研究较多,包括雾化气体与熔滴动、热特性的研究,但多限于一维场,且由于喷涂过程的复杂性,尚无定论[7~10]。对于涂层形成阶段,即熔滴碰撞基体之后经历复杂的扁平化、固化过程以及和周围介质发生物理化学作用,相互粘接形成涂层,其机理国内外很少有直接报道,鉴于涂层形成过程对涂层的最终组织性能有很大影响,笔者认为应在这方面多一些研究。
3.2电弧喷涂的材料研究进展
从喷涂材料形态方面来说,喷涂材料需能制作成丝材且导电,为了送丝稳定,丝材又必须有足够的柔韧性,这些要求并不是每种材料均能达到,由此大大限制了喷涂材料的范围。传统的实心丝材经过熔炼、浇铸及拔丝而成,操作方便,效率高,但调节成分及拉拔硬质相合金丝十分困难,难以制造特殊合金线材,因此品种数量受到很大限制。与实心丝材相比,粉芯丝材由金属包敷层和不同类型的填充物(如各种合金、氧化物、碳化物等)组成,克服了实心丝材硬质相合金丝拉拔困难的缺点,只需简单调整金属外皮和粉芯成分或调节加粉系数即可调节涂层成分,获得不同使用要求的涂层,兼具实心丝材和粉末的优点,因此成为国内电弧喷涂材料新的发展方向,并将逐渐走向成熟。目前市场上常见的有:低碳马氏体,7Cr13,Cr/Cr3C2,Ni/Al,Ni-Cr-Ti等多种粉芯丝材[11]。
为了满足生产中日益提高的使用要求,用新材料开发制备多功能、高性能的涂层势在必行,归纳如下。
3.2.1 非晶涂层
在一定的冷却速度和反应条件下,如在Fe中加入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。
目前,非晶材料的研究已成为学者关注的一个焦点。有报道表明某些非晶态金属合金比相似成分的晶态合金具有高得多的耐磨性和耐蚀性[12]。在用电弧喷涂工艺制备非晶态合金涂层材料Fe-Cr-C,Fe-B时,还可以加入稀土材料降低表面张力,提高粒子间及粒子与基体间的相互润湿,使形成的Fe-B-REM涂层的耐磨和耐蚀性能显著提高。Jin H.-W.等人研究了爆炸喷涂Fe-Cr-B合金涂层的微观组织和耐磨性,结果发现,Fe-Cr-B合金涂层在滑动磨擦中动态产生非晶态表面膜,导致涂层的耐磨性显著提高,同时摩擦系数显著降低,可用于苛刻条件下工作的滑动摩擦部件的抗磨和防腐。由此可见,非晶材料将成为防腐、耐磨涂层领域研究和应用的一种极具发展潜力的材料。然而存在的问题是过快的冷却限制了涂层的厚度,使涂层容易产生巨大的应力,造成剥落开裂。且在实际生产中如何经济地获得非晶组织所需要的冷却速度也是一个难点。
3.2.2 金属陶瓷涂层
通过在延性金属中添加陶瓷硬质相形成金属陶瓷复合涂层,用以提高表面工作层的硬度及耐磨性。目前对此研究也很多,主要原因是单一结构的涂层很难满足日益提高的对材料性能的要求,而且高温、高强材料的迫切要求也使得金属陶瓷复合材料逐渐发展起来。金属材料及其合金几乎具备所有理想的性能,如延性、导热和强度等,但因其比重大、不耐高温,大大限制了它在航空航天和其他高科技领域中的应用;陶瓷材料具有很高的强度,耐高温、比重小、抗氧化和抗蠕变能力强,但脆性较大是其致命的弱点。为了将金属和陶瓷优越性综合于一体,金属陶瓷、金属颗粒弥散强化陶瓷、金属基复合材料等先后发展起来[13]。
较早研究的Al是较好的抗蚀涂层材料,但是耐磨性差,通过在Al中添加AlN,Al2O3,SiC,TiC等硬质陶瓷相可获得耐磨、高阻尼的金属陶瓷涂层(MMC’s),其中加入Al2O3,价格最低,与Al基体润湿性最好,其复合涂层易通过电弧喷涂方法来实现,除了防腐耐磨性能外,还可用于舰船甲板的防滑。目前国内研究较多的有WC金属陶瓷,包括WC-Co,WC-Cr-Co等。
研究发现,WC金属陶瓷在众多的碳化物金属陶瓷中具有最佳的热硬性,可用于刀具和模具材料中,但其涂层一般用超音速火焰喷涂或爆炸喷涂获得。若要用电弧喷涂技术制得,如何解决电弧温度过高而造成WC分解或熔化,将有待于进一步研究。最近,北京装甲兵工程学院开发出一种能在电弧喷涂中动态生成Fe3Al金属间化合物基Fe3Al/WC复合涂层,结果表明该涂层结构致密,具有良好的高温抗冲蚀磨损性能,是应用于锅炉管道理想的复合材料。国外近期研究TiB2基、TiC基以及MCr-Cr3C2金属陶瓷涂层较多,实验表明,TiB2基金属陶瓷涂层的耐磨性要好于TiC基、MCr-Cr3C2和17%Co-WC金属陶瓷涂层[14];但MCr-Cr3C2金属陶瓷涂层展示了良好的耐蚀性[15]。近期推出的JCW-T电弧喷涂粉芯丝材,采用低碳钢带包敷TiB2-Al2O3复合陶瓷,喷涂涂层硬度达57.5HRB,可用于提高锅炉管壁及风机叶片等的高温耐磨性。
3.2.3 纳米涂层
近年来,纳米材料的出现使得纳米涂层的制备成为可能,将预先制备的纳米粉末喷涂沉积在基材表面形成纳米涂层。如:美国纳米材料公司通过特殊粘结处理制成专用热喷涂纳米粉,用等离子喷涂方法获得了纳米结构的Al2O3/TiO2涂层,该涂层致密度达95%~98%,结合强度比商用粉末涂层提高2~3倍,表明纳米结构涂层具有良好的性能。也可在热喷涂后,利用激光重熔加热、冷却极快的特点,使非晶态相发生晶化形成纳米尺度的微晶,从而获得纳米涂层。Wong等采用空气等离子喷涂再用激光重熔的方法制备了Ni-Cr-B-Si纳米涂层。目前国内外用热喷涂制备纳米涂层的研究还处于实验阶段,且局限于粉末制备,尚未到达用粉芯丝材获得纳米涂层的高度。从已有的研究结果来看,用热喷涂技术制备的纳米结构涂层性能优异,具有良好的应用前景,但从经济效益考虑,如何降低制作涂层的成本还亟待研究。
3.3 电弧喷涂设备的研究进展
影响电弧喷涂发展的关键因素是设备和材料。电弧喷涂设备主要由电弧喷涂电源、喷枪、送丝机构、控制装置及压缩空气供给系统等组成。电源和喷枪是电弧喷涂设备中最为关键的部件,直接影响着涂层性能,决定喷射状态。
3.3.1 电弧喷涂电源
电弧喷涂电源同其它电力操作电源一样正朝着大功率、小型化、高效、节能及智能化的方向发展。而逆变技术的出现和发展为此提供了有效的途径。逆变电源运用先进的功率电子器件和高频逆变技术,比传统的工频整流电源材料减少80%~90%,节能20%~30%,动态反应速度提高2~3个数量级。目前华南理工大学[5]研制成功50 kW的大功率软开关等离子喷涂逆变电源,电路采用全桥结构,控制电路采用双闭环控制,实现电流内环反馈,能够对网压的变化进行立即补偿,对高频功率负载变化的干扰也能进行快速反应,具有内在的脉冲限流调整能力,有利于变压器保持动态磁平衡。
工作频率为25 kHz,主变压器采用开放式结构有效的解决了大功率变压器的散热问题。由此可见,电弧喷涂采用逆变电源是完全可行的。电弧喷涂电源的逆变化是其发展方向。
3.3.2 电弧喷枪
喷枪集电、丝、气于一体。不同的喷枪设计会有不同的雾化效果。而雾化效果决定了溶滴的大小,也就间接决定了涂层形成阶段的扁平化和凝固过程,影响了最终的涂层质量,因此喷枪的改进一直是研究发展工作的重要课题。以前采用的是敞开式喷枪,结构简单,但雾化效果不好,喷出的金属颗粒粗大,目前已弃而不用。
现在国内外较多采用的是具有二次雾化气流的封闭式喷枪,通过辅助的二次雾化气流,对电弧适当压缩,增加弧区的压力,提高空气流的喷射速度和电弧温度,加强了对熔化金属的雾化效果,使喷出的颗粒更加细微,同时提高涂层与基体的结合强度,但一般来说,增加辅助的雾化措施,都要以增加压缩空气流量为代价。国外较著名的喷枪有美国TaFa公司的8830型、8835型和SULZER METCO公司的TR型[5]。研究结果表明[3],与普通电弧喷涂相比,采用高压气流或燃料燃烧产生的高速射流作雾化气流,可提高电弧的稳定性,显著增加粒子速度,使金属熔滴有效雾化,同时缩短了粒子在空气中的接触时间,减少了粒子的氧化和气化,大大提高涂层质量。因此拉伐尔喷嘴应运而生,高速电弧喷涂技术和超音速电弧喷涂技术也相继出现,将粒子的速度提高到超音速,是今后发展的主要方向。由此可见,电弧喷涂枪正向着进一步高速、高效雾化和稳定送丝的方向发展。
3.3.3 雾化气体
雾化气体一般采用压缩空气,但其含氧量高,容易使喷涂材料严重氧化,影响涂层质量,目前可用辅助装置将还原性介质,如CH4和CO2等,引入压缩空气中作雾化气体,降低涂层含氧量。还可用惰性气体N2或Ar气作为雾化气体,减少氧化物夹杂,但是由于雾化气体消耗量大,因此使用惰性气体成本会过分提高。如果雾化气体与喷涂金属在高温下发生反应,生成特殊物质,这样还可获得特殊涂层。Air Products and Chemi-cals公司就使钛丝在喷涂过程中氮化成为氮化钛,从而获得金属陶瓷涂层[16]。
4 结 论
电弧喷涂作为20世纪70年代新兴技术,以其灵活、突出的经济特性及涂层性能取得了巨大的经济效益。随着市场经济发展,经济效益成为经济生活中的主要目标,电弧喷涂会在长期内比其它热喷涂技术更适合我国的国情。目前国内电弧喷涂技术正处于开发研制、初步应用阶段,与国外先进国家相比,各方面还有一定差距,因此,我们很有必要总结先进经验,建立技术市场,以便使该技术尽快转化为生产力,充分发挥它在国民经济中应有的效力。
参考文献略
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