电弧喷涂技术应用现状及发展
李天虎，杨军，金珠
四川化工 2005年第2期
阐述了电弧喷涂技术的原理及特点。介绍了电弧喷涂技术在长效防腐蚀、机械零件修复与预防护、制模技术、工业锅炉受热管件耐高温腐蚀涂层的应用。论述了电弧喷涂技术的研究进展。
关键词:电弧喷涂，热喷涂，应用，研究进展
1前言
电弧喷涂是将两根彼此绝缘的喷涂丝材机械送入雾化气流区的一点,引燃的电弧使丝端部加热融熔并达到过热状态,强烈的压缩空气流使融熔的金属喷射、雾化,并以微粒方式以200—300m/s高速冲击到经过预先制备的工件表面上,在基体表面形成涂层的方法〔1〕。
电弧喷涂技术与其它热喷涂方法相比,具有如下特点:结合强度高。应用电弧喷涂技术,可以在不提高工件温度、不使用贵重底层材料的情况下获得高的结合强度,结合强度大于20MPa。一般电弧喷涂层的结合强度是火焰喷涂层的2·5倍;生产效率高。在单位时间内喷涂金属的质量大。电弧喷涂的生产效率正比于电弧电流,相当于火焰喷涂的4—5倍;
成本低。电弧喷涂是热喷涂方法中能源利用率最充分的方法。火焰丝材喷涂的热能利用率为13%,等离子喷涂为12%,而电弧喷涂热能利用率高达57%。同时电能的价格又远低于氧气和乙炔,其费用通常仅为火焰喷涂的1/10;安全性好。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;喷涂质量稳定。电弧喷涂所有粒子均由丝材经电弧熔化雾化而成,粒子得到充分的燃烧。
2电弧喷涂技术的应用
电弧喷涂是20世纪80年代兴起的热喷涂技术。它在近20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20世纪末,在所有热喷涂技术中,电弧喷涂的技术应用比例占15%,其市场比例占第3位[2]。电弧喷涂正日益成为热门的热喷涂技术之一。
2·1长效防腐涂层的应用
锌、铝及锌铝合金是长效防腐蚀的主要涂层材料。锌与铝具有比铁更低的电极电位,对钢铁基体起有阳极保护作用。广泛用于钢铁结构件耐大气、淡水、海水和土壤环境的长效防腐蚀涂层。桥梁钢结构长期暴露在户外环境中,风吹雨淋,加之河水、海水的蒸发冷凝,对钢结构形成比一般大气更潮湿、更恶劣的腐蚀环境。在沿海地区的跨海桥梁或栈桥,遭受含盐潮湿海风的腐蚀,以及旅客列车通过桥梁带来的污水腐蚀与污染,使枕木下的钢制纵梁腐蚀更为严重。刘宪军等[3]采用电弧喷涂Al涂层加封孔剂的复合涂层的方法,使桥梁钢结构耐腐蚀寿命可达30年以上。同时徐滨士院士大力推荐高速电弧喷涂,拟对三峡二期工程采用的钢结构防腐蚀。
近几年应用电弧喷涂技术治理船结构钢的腐蚀已引起了有关方面的重视,取得了良好的成绩。徐滨士院士将电弧喷涂用于海军舰船钢结构的防腐蚀治理,明显地延长了舰船寿命,大幅度地节约了维修费用,有效地提高了舰船的航率和战斗力。目前已有多艘主战舰艇应用了该技术。海军4804工厂南海表面工程推广站对舰艇进行了电弧喷涂铝和喷塑防腐蚀试验,该项目已通过了海军装修部组织的专家验收。全军装备维修表面工程研究中心研制成功了一种舰船钢板高速电弧喷涂铝基氧化铝金属陶瓷复合材料防滑涂层。目前该涂层已在海军某猎潜艇上进行了应用,经试用防滑效果良好,得到了海军业务部门和使用单位的一致好评[4、5]。
煤矿井筒大型钢结构件是提升重物关键的承力部件,处于严重的腐蚀环境中。矿井的设计寿命为50—100年。据专家估计,我国煤炭系统每年因腐蚀造成的损失超过10亿元人民币。常规的普遍方法为除锈、刷漆,防护年限仅为3—5年。采用电弧喷涂后,寿命在30年以上。唐君源等[6]对我国自行设计和制造的特大型箱形钢结构框架体系济宁三号井副井井架外壁采用电弧喷涂锌涂层,内壁采用F53-31红丹酚醛防锈漆2遍的方法,提高了井架的使用寿命。中国矿业大学对淮北桃园煤矿、山西晋山煤矿、河南铁王沟煤矿井筒钢结构进行了电弧喷涂,预计寿命在30年以上[7]。
球墨铸铁离心浇铸管道量大面广,广泛用于工业及民用输水管道,外壁喷锌对于管壁已经减薄的球铁管道尤为重要[1]。国外铸铁生产厂在铸铁球化退火后(保持管温在400℃以上)直接喷锌,国内已建成若干条铸管喷锌生产线,采用大功率电弧喷涂机喷锌,单机生产可达60kg/h,涂层厚度控制在60—80μm间。球墨铸铁管采用喷锌与沥青涂层体系后按有关国际标准使用寿命在100年以上。
2·2机械零件修复与预保护
我国冶金、石化、煤炭行业千吨以上压力机保有量近万台,压力机的大型柱塞长期运行后表面出现划沟,影响密封效果,经多次磨削后因尺寸超限而报废。采用电弧喷涂高铬涂层不仅恢复使用功能,还能提高耐磨蚀性。薛春滨等[8]采用电弧喷涂技术修复3500t水压机副缸柱塞,底层采用喷涂材料为铝青铜、Φ3 0mm丝材,喷涂底层厚度0·3—0·5mm。
喷涂工作层采用3Cr13、Φ30mm丝材。喷涂后的尺寸大于工件标准尺寸2mm,经过喷涂后工件呈银色为最佳。修复后柱塞表面光滑、结构致密,涂层与基体之间形成良好的结合,表面硬度为HRC40。经过三年多的连续生产使用,涂层无脱落,无裂纹,结合牢固,耐磨性、耐蚀性等性能均满足设备要求和生产需要。
造纸烘缸是造纸机械中的重要部件,烘缸内通120℃蒸汽,外表面接触纸浆中腐蚀介质。不少地区水质差,腐蚀更为严重。烘缸表面因与刮刀接触还有磨损问题。雷宏[9]采用自结合材料高温烘烤去除烘缸基体内的油污。车削加工螺纹粗化,表面喷砂粗化处理,并吹去缸体表面的浮尘。电弧喷涂直径2mm的F-75(Ni-Al)合金丝作底层,喷涂直径2mm的3Cr13不锈钢丝作工作层。预留出磨削加工量,环氧树脂封孔处理,磨削加工至标定尺寸,延长了烘缸使用寿命,也提高了生产质量。
电弧喷涂修复轴类零件应用普遍。曲轴是发动机的重要部件,它的变形、断裂、轴颈表面磨损对发动机的工作和寿命影响很大,因而在日常的使用和维修中,针对曲轴存在的缺陷和提高对它的修理质量就显得特别重要。李润东[10]采用电弧喷涂材料Cr13系列实心钢丝和用易轧制材料做外皮,内部填充合金粉末的芯管线材的方法制备的涂层与曲轴颈基体的结合强度高,耐磨性好,在一切正常的情况下,现场记录每200km磨削0·02mm。秦颢[11]等对于直径>50mm的轴径的汽车车轴采用镍铝合金丝电弧喷涂打底,然后再喷涂工作层材料,成功修复了各种曲轴数百根。郭立新[12]等对江西新余电厂的200MW的1号炉排粉机叶轮采用超音速电弧喷涂4Cr13涂层进行修复,运行六个月,状况良好。上海某喷涂公司每年承接数百根各种印刷棍、印铁辊、印染辊的热喷涂修复工程,采用表面喷砂粗化、镍铝合金丝电弧喷涂打底,最后喷涂工作层。使用1年多,效果极佳,而且可减少工时,降低成本,提高效率。
广西某喷涂公司每年承接榨蔗糖的轧辊100—200根。每根轧辊大约长3—5m,需要单边喷涂几毫米至十几毫米才能满足要求。采用电弧喷涂镍铝合金丝打底,先喷涂0·1mm左右,然后电弧喷涂工作层,有效解决了磨损问题。东北某大型企业需修复美国进口轴,采用电弧喷涂Φ3mm镍铝合金丝打底0·1mm,然后电弧喷涂管状丝材做工作层。
2·3工业锅炉受热管件耐高温防腐蚀涂层的应用
动力、造纸、化工等锅炉受热管件的高温腐蚀问题严重,受热管件中的水冷壁管、过热气管、再热气管、省煤气管常因过早失效而严重影响锅炉安全运行,造成很大经济损失。电弧喷涂已成为锅炉受热管件防止高温腐蚀的最重要手段。与其它热喷涂方法相比,选用专用丝材形成非消耗性涂层,喷涂效率高,缩短锅炉停工检修时间,施工费用低,现场适应性强,在环境恶劣的锅炉现场作业保持稳定的喷涂质量。20世纪80年代,美国TAFA、METAL-SPRAY等跨国性热喷涂公司成功地推出了用于锅炉管道防腐蚀和抗磨损系列涂层。用于锅炉管道防腐蚀的典型涂层为电弧喷涂45CT涂层,这种涂层的热膨胀系数与碳钢管材料非常接近,大大降低了应用过程中机械剥落的可能性,且涂层脆性低,结合强度高。该涂层从试验到工程应用都表现出了优异的抗腐蚀性[13]。马世宁等[14]研制的高速电弧喷涂SL30涂层+高温封孔剂的防护体系,通过在天津大港电厂和邯郸电厂等锅炉水冷壁的实际应用,防腐蚀效果明显。西柏坡电厂对锅炉水冷壁表面采用了电弧喷涂耐磨防腐蚀合金的方法,由美国METALSPRAY公司现场施工。经1年的实际运行表明,涂层附着牢固,有效地保护了水冷壁,水冷壁不再发生高温腐蚀。宜宾发电总厂豆坝发电厂3#炉大修期间,采用scz16合金对其水冷壁进行了防腐蚀防磨超音速电弧喷涂,取得了良好的效果[15、16]。
2·4电弧喷涂快速制模技术
现代工业中塑料制品应用领域日益扩大,塑料制品换型十分频繁,要求缩短制造周期,许多企业需要快速、经济的模具制造技术。电弧喷涂具有生产周期短、制模成本低,原形尺寸不受限制,尤其适用于难以机械加工,图形复杂。带有装饰花纹的型腔模具,可用于反应注塑成型工艺中的聚氨酯零件如汽车的驾驶盘、仪表盘、坐垫、靠垫、阻流板,民用建筑的隔热材料、轻工业中的鞋底等[1]。
3电弧喷涂技术的新进展
为了进一步拓展电弧喷涂技术的应用范围,人们正在发展和开发各种新型电弧喷涂方法。
3·1 高速电弧喷涂技术
将喷涂气流速度提高到超音速从而提高喷射颗粒的速度到音速或超音速。该技术可以提高涂层与基体的结合强度、涂层的致密度,降低涂层的氧化物含量等。
3·2 真空电弧喷涂技术[17]
真空电弧喷涂技术[17]将喷涂工作气氛抽成真空。该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。
3·3 保护气体电弧喷涂技术[17]
用保护性气氛对涂层的制备过程进行保护。该技术可以降低熔滴材料的热损率、涂层的孔隙率和氧化物的含量等。
高速电弧喷涂技术是电弧喷涂的重要发展方向。鉴于普通电弧喷涂的粒子喷射速度受限制和氧化程度严重,电弧喷涂的涂层质量和应用程度受到一定影响。为此,迫切需要研制新型高速电弧喷涂技术及其设备。
影响电弧喷涂涂层质量的主要工艺参数有电弧喷涂电压、喷涂电流(送丝速度)和压缩空气的压力和质量。其中压缩空气的压力和质量是影响电弧喷涂涂层质量的关键因素之一。
在空气压力方面,空气压力直接影响电弧喷涂过程中的熔滴雾化效果和熔滴粒子喷射速度,还影响丝材端部电弧燃烧的稳定性。在空气质量方面,空气质量关系到喷涂粒子的氧化程度及冶金质量。最新研究结果表明,采用高压空气流或燃料燃烧产生的高速射流作雾化气流,可加速熔滴的脱离,使粒子加速度显著增加,并提高电弧的稳定性,保证金属熔滴的有效雾化。同时由于射速的增加缩短了粒子和空气的接触时间,限制了不利化学变化的发生,减少了粒子氧化和气化,使涂层质量和机械性能明显提高。
因此,提高压缩空气的压力和改善压缩空气的质量,是提高电弧喷涂涂层的主要途径。
高速射流电弧喷涂技术[18、19]就是依据以上思想,通过提高喷涂压缩空气压力和改善压缩空气质量,使电弧喷涂的效率和涂层质量得到进一步提高,从而使电弧喷涂技术升高到一个新的高度,得到更优异的涂层,具有巨大的应用价值和广阔的发展前景。
参考文献略
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