迎接热喷涂工业的兴起
邓世均
材料保护
细心的读者会从近年来国内外有关热喷涂技术的文献中,频频地见到“热喷涂工业”(Thermal Spraying Industry-TSI)这一名称。1909年瑞士的M.U.Shoop先生就发明了热喷涂,由于当时只能用金属丝材喷涂防蚀涂层和进行维修服务,故称之为“金属喷涂”(Metal Spraying或Metallizing),第二次世界大战初期,自熔性合金粉末出现,粉末火焰喷涂风糜一时,“火焰喷涂”(Flame Spraying)就几乎成了热喷涂的同义词。战后,随着现代航空工业和宇航技术的发展,20世纪50年代中期出现了能够喷涂陶瓷涂层的等离子喷涂技术(Plasma Spraying),金属丝材、合金粉末的喷涂已无法涵盖陶瓷和金属陶瓷的喷涂,人们才称之“热喷涂工艺”(Thermal Spraying Processes)或“热喷涂技术”(Thermal Spraying Technology)。然而,由于热喷涂过程是一个十分复杂的高温、非均态的流体力学过程,影响因素很多,人们往往把热喷涂技术视作为与操作技能有关的技艺,还未将其建立在科学和工业化的基础之上。至70年代末期起,由于现代电子和计算机技术、传感器、测试技术、自动化技术、机器人技术、真空技术、新的涂层材料等先进技术的渗透和改进,使热喷涂技术进一步转向各工业部门民用产品的大批量生产,其增长速度有了大幅度提高,“热喷涂工业”才真正成长、成熟起来。图1为热喷涂工业的发展历程。
[摘 要] 热喷涂经历近一个世纪的发展,从工艺性技术形成了热喷涂工业。综述了全球热喷涂工业的形成与发展,论述了热喷涂工业的特征,提出了发展我国热喷涂工业的建议。
[关键词] 热喷涂工业; 历史回顾; 发展趋势；热喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/repentu/20120914/1347588345484.html
1 热喷涂工业体系
热喷涂工业体系,也和其他大多数工业体系一样,包括研制与开发、热喷涂涂层材料、热喷涂设备及辅助工装设备、涂层性能检测与监控系统、技术标准、产品及市场服务等内容(见图2)。现在,全球使用的热喷涂材料已达四百多种,各种热喷涂设备都已实现商品化,应用热喷涂工艺生产的产品,每种工艺都达数百种产品,几乎遍及国民经济各个工业部门。1997年,全球热喷涂工业的产值约为13.5亿美元。一个新兴的热喷涂工业已初具规模。
2 热喷涂的质保体系
热喷涂工业要满足工业化批量产品的质量可靠性、稳定性和重现性要求,是十分困难的,也是热喷涂工作者近一个世纪里孜孜以求的目标。热喷涂涂层的质量保证体系,是一个复杂的系统工程,它包括从涂层的功能分析和涂层系统设计,到表面预处理,涂层材料,喷涂工艺,涂层后处理及加工,涂层质量检测,直到员工培训与教育等全过程。例如,等离子喷涂过程的影响因素就有153个。这也是热喷涂涂层的国际标准到90年代中期还只有一项(ISO2063:1991)的原因,这极大地阻碍着热喷涂技术在产品生产中的应用和热喷涂工业的发展。
然而,由于热喷涂工作者坚持不懈的努力,采用当代的各种先进技术,如空气动力学、计算机仿真模拟燃烧过程、红外热像技术、高速摄影测量喷涂粒子速度分布、计算机及机器人技术、声发射及激光测量等无损检测技术,传感器及参数信息反馈技术以及涂层结构分析、失效分析等,使热喷涂技术真正建立在科学的基础上,才促进了热喷涂技术由技艺向产业化的转变。80年代初,美国Metco公司为解决美国在世界各地空军基地的飞机维修的高质量和重现性问题,首先研制成功了计算机控制的等离子喷涂设备,喷涂的涂层质量高,重现性好,能自动记录打印喷涂参数,自动报警和处理操作事故,开创了热喷涂技术应用计算机技术的新时代。随后,计算机控制的热喷涂设备迅速发展,喷涂机器人的位置控制精度已可达±0.1 mm,送粉器的控制精度已能使涂层厚度误差控制在±5μm范围。用激光喷涂甚至可以直接生产不需模坯的三维复杂形状的近净尺寸零件。另一方面,美国焊接学会,德国、日本等都已制订了比较完整的热喷涂技术标准。ISO也在欧洲标准的基础上,加快了热喷涂技术国际标准的制订,1998年就制订了7项。
具有成套质量保证体系的热喷涂工业成长起来,成熟起来了!例如,美国通用汽车公司的汽车同步环喷钼生产自动线,早在1975年就生产了4 000×104只,无一出现涂层剥落;瑞士PT公司生产的计算机控制等离子喷涂设备,家庭妇女只需按键钮就可自动地喷涂作业。现在的问题是如何降低热喷涂生产的成本,以便在更广范围的民用工业产品批量生产中得以推广应用。
3 高速发展的热喷涂工业
热喷涂工业的规模虽然还很小,但因其涂层种类多,功能广,应用领域广范,社会效益高,近几十年里却保持持续的高速增长。图3是美国热喷涂工业的设备与材料销售额情况。从图3可知,从60年代到90年的30年间,美国热喷涂工业连续30年以年均30%的速度快速增长。虽然90年代初期,作为美国热喷涂工业应用大户的航空及发动机产业,由于新的热障涂层技术——物理气相沉积-电子束重熔技术(PVD-EB)的开发成功,销售额有所下降,但经过调整和加强在民用产品中的应用,增长速度又出现回升。据ITSC′98资料报道,90年代世界热喷涂工业仍保持年均5%～10%的增长率。
美国的热喷涂工业在航空工业中的应用占有很重要的地位,其销售额超过总销售额50%。如70年代末期P.W公司制造的JD8航空发动机,就使用了48种涂层材料对2 800多个零部件进行热喷涂,使发动机的大修期由4 000 h延长到16 000～24 000 h,效益卓著。喷涂施工,在专业化的加工车间(Job-Shop)内进行。表为90年代初期美国和全球的热喷涂市场分布情况。由表可得出如下结论:
(1)美国热喷涂工业的年销售额,超过其他国家销售额的50%,设备和材料的销售额几近其他国家的2/3,是全球热喷涂工业的唯一超级大国;
(2)热喷涂材料和设备的销售额约占热喷涂工业总销售额的1/4～1/3;
(3)专业化热喷涂加工车间的产品销售额,约占总销售额的50%。它表明,发展专业化的热喷涂生产工厂或车间,是热喷涂工业发展的重要途径;
(4)热喷涂设备和材料制造厂商同时开展热喷涂应用产品生产,形成跨国公司或知名企业,其销售额占总销售额40%～50%,充分显示出它们在热喷涂工业中举足轻重的地位和作用。
日本、德国等第二世界国家,热喷涂工业的发展,更侧重于民用工业的应用,特别是在汽车、冶金、能源、化工等传统支柱产业中的应用,这将为热喷涂工业更广泛,更快速的发展开拓更广阔的空间。图4是日本钢铁公司名古屋工厂热喷涂应用快速发展的例子。
4 大兼并、大联合中的热喷涂工业
为适应经济全球化的发展潮流,从1994年起,全球热喷涂工业也相继出现了大兼并,大联合的高潮,突出地表现在:
4.1 产业界方面
1994年,著名的瑞士表面技术公司,即PT(Plasma Technik)公司,LPPS(Electro Plasma Inc)公司和Amdry (Sulzer Plasma-Technik)公司,与美国最大的热喷涂公司Metco公司合并成全球最大的热喷涂跨国公司——Sulzer Metco公司。该公司仅有员工900人,年产值达2.5亿美元,在世界17个国家和地区建有工厂和分公司,与全球20多个大学进行技术合作,每年投入其销售总额的4%约1 000×104美元进行研究与开发,以确保在全球热喷涂界的主导地位;1995年,著名的瑞士Castolin-Eutectic公司兼并了美国TAFA公司和法国的SNMC公司,这大大拓宽了其产品和技术的覆盖领域,极大地增强了整体实力,成为世界上著名的兼营热喷涂和保养焊接技术的跨国集团公司;1996年,美国著名的Praxair公司兼并著名的Miller公司。
Praxair公司是美国联合碳化物公司的涂层服务部(Union Car-bide Coating Sevice)于1992年更名而成,以爆炸喷涂及在航空航天领域的出色贡献著称于世。Miller热喷涂公司是1984年由米勒集团公司(Miller Group Ltd.)兼并3家热喷涂公司——Plasmadyne公司、Baytown国际合金公司(Alloys lnternationalof Baytown)和Metallizing美国公司(Metallizing Company ofAmerica of Sullivan)组建的全额子公司,集等离子喷涂设备、电弧喷涂设备、热喷涂粉末和线材制造等于一体,成为世界热喷涂市场上迅速崛起、颇具实力的热喷涂公司。两大热喷涂公司的再兼并,大有在世界热喷涂界成三足鼎立之势。无疑,著名热喷涂跨国公司的成长壮大,将在技术、资本、市场等方面拥有更雄厚的实力,促进热喷涂工业的更大规模的发展。
4.2 行业与学术界的联合与改组
热喷涂技术长时间里被视为一门工艺技术,行业上划归焊接学会,设立热喷涂分会。从1956年开始,由国际焊接学会(IIW)每3年组织一次国际热喷涂大会(ITSC),至1998年,共举办了15届。
从1988年起,美国金属学会(ASM)成立了美国热喷涂协会(ASM/TSS),并在日本高温学会和日本真空学会的协助下,召开了“第一届全美热喷涂年会”(NTSC),以后每年召开1次,至1996年,ASM/TSS与德国焊接协会(DVS)达成协议,从1997年起每年举办“联合热喷涂大会”(UTSC)。1998年,ASM/TSS、DVS和IIW达成协议,为进一步促进国际热喷涂界的联合与交流,适应国际市场的需要,决定将ITSC和UTSC合并成UTSC,每年举行1次年会。这既加强了热喷涂界的联合与交流,也显著地提高了热喷涂行业的作用和地位,热喷涂工业已不仅是焊接行业的一个学科分枝,表面工程的一个表面防护与强化工艺,而且是新材料制造、复合材料及制品、材料改性技术领域的一个重要分枝,标志着热喷涂工业的一个大的飞跃。
5 大有潜力的热喷涂工业
热喷涂工业目前虽然还是一个小工业,但却蕴含着巨大的发展潜力,热喷涂新市场的效益与工业规模预测见图5。从图5可知,生物工程、航空、模具、电子等工业应用热喷涂技术,附加值高,效益好,但规模相对较小;大规模的产业是汽车工业和钢结构,要求低成本,因而附加值相对较小。应用面最广的仍是机械工业(石油化工、轻纺、能源、冶金、航空、汽车、工模具等均属于大机械范畴)。热喷涂技术在各类机械产品特别是关键零部件的工业化批量生产方面,是大有潜力、大有作为的。
热喷涂技术的工业潜力还突出地表现在:
5.1 环保型产业或准环保型产业
热喷涂施工中虽有噪音和粉尘等问题,但粉尘量很小,现代技术已容易处理达标;噪音亦可通过隔音车间或喷枪设计的改进予以显著降低。而热喷涂技术的工业应用,将对环境保护事业带来很大的好处,突出表现在三方面:
(1)取代电镀硬铬技术,避免由镀铬带来的严重水污染。当今环保意识和环保法规日益增强,更加严格。镀铬是工业上广泛采用的耐磨耐蚀覆层技术,却带来严重的水质污染,所产生的有毒废弃物,如六价铬等,有较强的致癌作用。因此,取代镀铬已成为各国普遍关心的环保问题。采用等离子喷涂Al2O3·TiO2陶瓷涂层的柱塞,在多种化工介质工况下的使用寿命比镀铬件提高5倍以上;采用高速氧燃气火焰喷涂(HVOF)技术喷涂WC/CO硬质耐磨涂层,使用寿命比镀铬件提高3～5倍;由于热喷涂工艺对基材的疲劳强度影响很小甚至还有所提高,没有镀铬带来的“氢脆”问题,已在航空发动机用电机轴,直升飞机部件上成功地取代了镀铬。显然,随着热喷涂工艺的成本降低,热喷涂技术将可能全面地取代广泛使用的电镀铬技术。
(2)减少或消除汽车排气污梁
汽车发动机燃烧不完全,导致排气中CO等有害气体的超标排放,已成为当代大气污染的一大公害。采用热喷涂技术生产的氧探测器,通过对汽车排气中氧含量的监测,反馈控制燃料空气供给及燃烧过程,成功地解决了排汽污染这一难题。欧洲采用连续自动喷涂装置低成本大批量生产的氧传感器已达5 000×104只,满足了对汽车排气的环保要求。
(3)减少有机涂料的使用和涂料施工造成的环境污染。钢结构的防护,通常均采用有机涂料进行,不仅防护周期短,而且涂料施工中有机物、溶剂等的挥发,会对人体造成危害和环境污染。
采用热喷涂Zn、Al及其合金涂层,对钢结构进行长效保护,达到20～30年的有效服务期已是十分成熟的技术,在欧、美、日等国家已得到了广泛的应用。美国交通部在1996年的报告中指出,金属喷涂系统对桥梁钢结构的防腐蚀等级最高;防蚀期最长,寿命可达30年以上;系统服役周期费用最低、最经济,并可大大减少有机涂料的用量和有机涂料施工带来的环境污染问题。
5.2 可持续发展的资源节约型产业
机械基础零部件的生产质量,经历了三个发展阶段:易损件阶段,使用寿命远低于主机,需要建立大量的备品配件厂,经常更换和维修,这势必耗费大量的人力、物力,造成资源的大浪费;同步寿命阶段,使用寿命与主机寿命同步,实现了机械工业的大飞跃;超值阶段——使用寿命超过主机,主机报废后关键零部件拆下来还可使用。显然,大幅度提高基础零部件的使用寿命,乃是从采矿、冶金、机加工到维修的全程节约,是最大的资源节约,是合理配置资源实现可持续发展战略的重要任务。
采用热喷涂涂层大幅度提高制品的使用寿命的例子不胜枚举,如钢铁工业用连续退火炉炉辊进行爆炸喷涂后具有很好的耐热、耐磨、抗咬合结渣等性能,使用寿命从2.5月维修一次提高到连续6年不维修;工业锅炉管道,特别是造纸工业用黑液锅炉管道,热喷涂抗高温腐蚀涂层后,使用寿命从6个月左右提高到4年以上。
5.3 发展轻量化结构,节能降耗
采用铝、钛等轻质结构材料,是机械设计师的不懈追求,它既可大大减轻重量,降低能耗,又可提高运行速度。这对于“斤斤计较”的宇航工业尤为重要,但这类材料不耐磨,易氧化。采用热喷涂技术对其表面进行强化,获得轻质材料复合涂层结构,使之既耐磨又不易氧化是比较理想的结构设计。例如,日本丰田公司开发的V8型汽车发动机的汽门挺杆,用铝合金代替原用CrMo钢,表面喷涂耐磨抗擦伤的碳钢涂层,其重量减轻约43%,摩擦损失降低11%,发动机的燃料消耗降低1%,同时噪音也有所降低。现在,铝发动机缸体内表面自动喷涂耐磨涂层,缸盖喷涂耐热涂层等均可在生产线上进行,这预示着汽车工业节能降耗将出现崭新的局面。又如,化纤纺机大量使用的导丝轮、摩擦盘、纺丝锭杯等关键零部件,采用铝合金制造,表面喷涂高性能陶瓷涂层,寿命比原用钢质镀铬件提高5倍,而且使化纤纺机成功实现向高速化发展的升级换代。
6高新技术领域崭露头角的热喷涂工业
由于热喷涂技术具有工艺灵活,可喷涂的材料品种多,功能极广的特点,因而在高科技领域正得到日益广泛的开发与应用。除对宇航工业的重要贡献外,还包括:
(1)新能源工业。高温超导陶瓷涂层,固体燃料电池,储氢材料及太阳能吸收涂层等;
(2)核工业。采用中子吸收涂层,X射线吸收涂层等,使核电站结构设计大大简化,被称为“核电设计的革命”;
(3)生物功能材料。在不锈钢或钛合金制人工关节的表面,喷涂活性生物功能陶瓷涂层,具有无毒,无副作用,与生物细胞体相容性好,耐磨耐蚀等优点,临床应用获得成功,被称为“生物功能材料的革命”;
(4)热辐射及波长吸收涂层。利用热喷涂涂层成分容易配比调整的特点,制备红外辐射涂层、远红外涂层、热反射涂层、波长吸收涂层和磁屏蔽涂层等,具有广泛的应用价值;
(5)新材料领域。梯度功能材料(FGM)、弥散强化金属基复合材料、纤维增强金属基复合材料(MMC)复合金刚石薄膜涂层,非晶态或准晶态涂层,纳米级涂层等,均已有研究和报道。
7 扬长避短发展热喷涂工业
热喷涂技术亦有其固有的缺点,主要是涂层的结合强度较低;涂层含有一定的孔隙和夹杂;涂层结构性能的各向异性导致控制困难;热能利用率低(如占热喷涂工业主体地位的等离子喷涂,却只有3%～5%的热能被用于熔化涂层材料),导致生产成本高等,这些因素都制约着热喷涂工业的大发展。热喷涂涂层与整体材料的性能比较见图6。显然,努力提高涂层质量,降低成本,乃是扩大热喷涂工业应用的主要努力方向。
需要指出的是,不能从图6的比较就得出热喷涂技术“尽不如人”的错觉。热喷涂工业是知识型工业,特别需要热喷涂工作者和设计人员了解:
(1)热喷涂是涂层工业,只能附加给基体材料一定的特殊功能,而不能代替基体材料;
(2)扬长避短地选用热喷涂涂层的性能:例如,热喷涂涂层的孔隙问题,对于防腐蚀、绝缘、耐高温等应用,是缺陷;但用于气敏元件(如氧探测器)、可磨耗密封,生物功能涂层,则可获得意想不到的成功!正是“应用之妙,存乎一心”;
(3)需要有正确的经济观念:从计划经济时代的生产不讲成本,到现在普遍的要求降低成本,这是时代的进步,但一味地追求低成本,则可能妨碍新技术和高性能制品的发展。例如,钢结构喷涂长效防蚀涂层,比传统涂料涂装防蚀的使用寿命提高4倍以上,但一次性投资和成本都要高些;又如喷涂陶瓷涂层的柱塞,其使用寿命比镀铬柱塞提高5倍以上,若仍以镀铬柱塞价格考核成本,就会万事依旧。
确立“成本-效益”相统一的经济观点,避免急功近利、短期行为,是我国调整产业结构的必由之路,也是热喷涂工业发展的希望所在。
综观我国热喷涂行业,除了航空航天等少数工业部门之外,基本上仍处于以维修和小批量生产产品为主的阶段,尚未形成热喷涂工业体系。新世纪,新千年,挑战与机遇同在!建立我国的热喷涂工业,大力开发在产品大批量生产中的工业应用,我国热喷涂工作者任重而道远!
图略
参考文献略
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