新型电弧喷涂粉芯丝材的现状与发展前景
贾焕丽,孙宏飞,李梅广,张 姝
表 面 技 术
[摘 要] 粉芯丝材在电弧喷涂中的引入,拓展了电弧喷涂材料的应用范围,促进了电弧喷涂技术在耐磨抗蚀领域的进一步的发展和应用。对高速电弧喷涂粉芯丝材的特点及制备工艺进行了概述,并介绍了粉芯丝材的国内外发展现状。分析并提出金属陶瓷型粉芯丝材、金属间化合物型及Zn2Al复合型粉芯丝材具有广阔的工程应用前景。
[关键词] 高速电弧喷涂;粉芯丝材;金属陶瓷;金属间化合物, Zn2Al；热喷涂
0 引 言
随着工程机械设备的性能要求的不断提高,热喷涂技术的不断完善和发展,在各种新型、优质热喷涂技术不断涌现、热喷涂工艺设备不断改进的情况下,热喷涂材料已经成为制约热喷涂技术应用和发展的关键,也是热喷涂发展的强大动力。
电弧喷涂技术是热喷涂技术中成本最低、最适宜大面积推广的一种,随着高速、超音速等新型电弧喷涂设备的研制成功,电弧喷涂技术工程化应用越来越广泛,逐渐发展成为最受青睐的热喷涂技术之一。然而,电弧喷涂的原理决定了它一般只能采用导电的丝材进行喷涂,所以很多高硬、高耐磨、延展性差的、不能导电的材料就难以应用于电弧喷涂,导致电弧喷涂材料的范围受到一定的限制,很难实现电弧喷涂高性能、多功能复合涂层的喷涂,同时又阻碍了电弧喷涂技术的进一步发展和应用。
在这种情况下,便对电弧喷涂专用材料提出了更高的要求。新型热喷涂材料—粉芯丝材在电弧喷涂中的采用,便适应了这一要求,拓宽了电弧喷涂涂层材料的应用领域,既克服了高合金成分带来的难以拔丝的困难,同时也使一些不导电的粉粒材料在电弧喷涂上得以应用,促进了电弧喷涂技术在耐磨抗蚀领域的进一步研究和应用,推动了电弧喷涂技术的发展。而随着高速电弧喷涂设备的研制成功,高速电弧喷涂技术与粉芯丝材的结合日益紧密,大幅度提高了涂层质量,高速电弧喷涂粉芯丝材技术显示出更为广泛的工程应用前景[1]。
1 电弧喷涂专用粉芯丝材概述
电弧喷涂粉芯丝材(又称管状丝材或药芯丝材)由金属外皮(一般是适宜轧拔的低碳钢、Ni、Al、Cu、不锈钢等带材)包裹着不同类型的填充物(如各种合金、氧化物、碳化物等)构成。这种丝材的制作类似于焊接所用的药芯焊丝,包括配粉、混粉以及轧丝、拔丝、绕丝、包装等工序。其制作方法比常规丝材加工方法生产周期短、调节成分容易,并且可以制造特殊功能的涂层。与实芯丝材和粉末相比,电弧喷涂粉芯丝材同时兼具两种材料的优点,克服了它们各自的不足,既能方便的根据涂层成分要求来调节线材成分,以获得各种成分、特殊性能的涂层,同时加工方便、成本低、使用设备简单、操作方便,因此电弧喷涂粉芯线材具有巨大的发展潜力[2]。
粉芯丝材最早始于60年代,初始目的是为了克服冶金方面的限制。直到70年代初期,才开始尝试粉芯丝材的电弧喷涂,但是这些尝试不是很成功,因为当时粉芯丝材刚度差,送丝困难。到了80年代,才克服了这一主要缺点,使金属粉芯丝材在热喷涂领域有了较大发展,其发展中心逐渐从德国、英国等欧洲国家转移到美国,随后日本、韩国、新加坡、乌克兰、荷兰等国家也相继投入开发。到了90年代,粉芯丝材进入商品化阶段,新型粉芯丝材层出不穷,促进了电弧喷涂的发展,特别是美国,近年来已经开发了多种耐磨、耐腐蚀热喷涂粉芯线材,并已广泛应用于造纸、电力、化学、汽车制造等工业领域[3]。
2 电弧喷涂粉芯丝材在耐磨抗蚀领域的研究现状
热喷涂粉芯丝材的研究工作真正展开于20世纪80年代以后。起初的研究应用主要集中在耐磨领域,后来随着国外研究的进一步成熟而逐渐扩展到耐磨抗蚀等各种工业领域。
1983年,在第十届国际热喷涂会议上,Drzeniek等介绍了他们用电弧喷涂对耐磨堆焊用的管状焊丝进行喷涂的初步试验结果[3]。后德国的Steffens等人于1986年用电弧喷涂St37(0. 17% C低碳钢)外皮+38% (Cr粉+C粉)+少量的Fe、Al、Si粉末的粉芯丝材制备出耐磨涂层。Harris S J, Cobb R C等人在1987年发表了他们对管状丝电弧喷涂的研究结果,表明涂层中能够保留硬质点,或通过一定的反应而产生硬质相从而具有很好的耐磨性。Steffens等人又于1988年进一步尝试采用填充有Cr7C3和Cr3C2的粉芯丝材进行电弧喷涂,结果在涂层中未检测到上述碳化物的存在,说明直接把未经包覆的Cr的碳化物作为粉芯填料,难以获得预期的耐磨涂层。1989年Dreznik和Steffens用Co包覆WC2W2C粉芯丝材电弧喷涂制得较高WC2W2C沉积率的涂层,具有良好的耐磨组织特征。90年代, Dal2laire和Levert通过电弧喷涂反应性粉芯丝材,获得了硬质相体积分数高达37%的含陶瓷相的耐磨涂层。W ira等用电弧喷涂低碳钢外皮包覆WC的粉芯丝材,研究了涂层的组织和磨损性能,结果表明涂层具有较高的硬度和结合强度,耐磨性随WC含量的增加而增强。英国的巴顿焊接研究所Borisov等研制了用于耐磨的Fe2B系的AMOTEK系列粉芯丝材,结果表明,涂层中的非晶态相占35%以上,在350℃以下,非晶态合金涂层的耐磨性高于等离子喷涂Ni2Ti基合金涂层、1045钢和12Cr18Ni不锈钢。Heath和Kammer用电弧喷涂FeCrAl+20%硬质相粉芯丝材制得含陶瓷相的涂层,该涂层高温冲蚀磨损抗力高于电弧喷涂FeCrAl涂层。Dallaire等研究了304不锈钢带包覆10% ~65%TiB2硬质相和1% ~15% Sn等添加物的粉芯丝材电弧喷涂涂层的组织和磨粒磨损性能。Wang采用ComARC喷涂Duocor粉芯丝材(Fe19Cr15W7Ti6N,i有Fe20Cr9Ni不锈钢带+WC、TiC、FeB粉芯构成)制得的涂层,其300℃时抗冲蚀能力与HVOF喷涂DS2200(75Cr3C2225NiCr)相当。Atteridge等进行了电弧喷涂纳米结构涂层的研究工作,采用Ni带+65% (质量分数)WC/Co、Ni带+15% (质量分数)WC/Co及430不锈钢+6% (质量分数)WC/Co微米级纳米结构粉芯制成粉芯丝材。随着涂层中纳米晶WC含量的增加和电弧电压的升高,涂层的耐磨性得到改善,喷涂层的结合强度较高。[426]国内,对粉芯丝材的研究起步较晚,沈阳工业大学、全军装备维修表面工程研究中心、北京有色金属研究总院、北京工业大学、装甲兵工程学院等单位在热喷涂粉芯丝材的研究上做了一定的工作。其中北京工业大学从1994年开始,在热喷涂粉芯线材的研究和开发方面作了大量的工作,研制出超低碳奥氏体不锈钢耐腐蚀型、马氏体不锈钢耐磨耐蚀型、低碳马氏体打底耐磨型、高硬度型以及防滑耐磨型等,所研制的粉芯线材喷涂工艺性能良好、喷涂质量好、成本低,目前已在油田、矿山、电厂、汽车制造等工业领域得到了初步应用[7]。
3 高速电弧喷涂粉芯丝材的前景展望
从国内看来,我国对高速电弧喷涂粉芯丝材的研究起步较晚,目前还主要处于研究开发阶段。成熟产品还比较少,尚有许多领域亟待于开发,远远不能满足市场对粉芯丝材多品种的需
求。在今后的工作中首先应该着力解决理论研究滞后的问题,加强对高速电弧喷涂过程中粒子熔化行为、冶金机理、外皮与粉芯材料在喷涂中的相互作用、涂层微观组织结构与宏观性能的关系等机理方面的充分深入的研究。而在解决这些理论问题的同时,更应该重视对高效、多品质的粉芯丝材品种的研制开发。从国内外研究和发展的现状看,以下3种粉芯丝材具有很好的开发应用前景。
3.1 金属/陶瓷复合粉芯丝材
金属/陶瓷复合涂层兼具金属和陶瓷材料的优点,具有强度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐冲蚀等综合性能,广泛应用于航空航天、电厂锅炉、模具、汽车摩托车活塞环、气缸等各种领域,具有很大的应用和开发潜力。但是,由于陶瓷材料高硬高脆,制丝困难,很难应用于优质、高效、操作灵活的电弧喷涂中,以往的金属陶瓷复合涂层一般是采用超音速火焰喷涂、等离子喷涂和激光熔覆等涂层制备工艺,虽能获得质量优异的金属/陶瓷复合涂层,却普遍存在设备昂贵、效率低,喷涂成本高、现场施工困难等问题。而粉芯丝材的出现,使得陶瓷硬质颗粒可以以粉芯的形式应用于电弧喷涂粉芯丝材中,实现了陶瓷材料与电弧喷涂技术的结合,不仅可以获得高硬度、耐磨耐蚀、抗氧化、耐高温、高质量的金属陶瓷复合涂层,适应工程构件的多重需求,而且还降低了成本,解决了施工困难等问题。因此,高速电弧喷涂金属/陶瓷粉芯丝材必然具有巨大的发展潜力。国内目前研究主要集中在铁基Al2O3型、WC/Co型、TiB2型、FeB型以及Cr3C2型等。
其中铁基/Cr3C2型和铁基/硼化物型的金属陶瓷复合粉芯丝材是两个非常重要的研究方向。含Cr3C2的金属陶瓷复合涂层具有优异的高温耐磨蚀性能,因此,铁基/Cr3C2型粉芯丝材的研究和应用,势必会促进粉芯丝材在高温耐磨蚀防护领域的进一步推广和应用,促进电弧喷涂高温耐磨蚀防护涂层的发展。铁基/Cr3C2型金属陶瓷复合粉芯丝材将是国内近年来的重点研制开发对象。而采用铁基/硼化物型粉芯丝材进行高速电弧喷涂有可能获得具有耐高温、高硬、高耐磨等优异性能的非晶态涂层,并且与此前所采用的等离子喷涂、爆炸喷涂等技术相比具有低成本、操作方便等优势。另外,由于硼铁粉具有成本低的突出优点,采取硼铁粉作为粉芯丝材的粉芯材料可以获得具有较高性价比的涂层,因此Fe2B系粉芯丝材在国内具有很高的研究应用价值。
3.2 金属间化合物型粉芯丝材
金属间化合物型粉芯丝材是将来电弧喷涂粉芯丝材的研究的另一个重要方向。金属间化合物是一种介于金属和陶瓷之间的、具有优异的高温性能的材料,尤其是铁铝金属间化合物不仅具有优良的抗氧化和抗硫化性能,多种介质中的抗腐蚀性和较高的高温强度,密度低,并且不含贵重合金元素,成本较低,具有非常广泛的潜在用途。然而,金属间化合物存在着脆性大的致命弱点,难以加工成形,阻碍了其应用发展。电弧喷涂粉芯丝材的出现为金属间化合物的发展提供了新的契机,利用粉芯丝材电弧喷涂技术在结构材料上获得含有金属间化合物成分的涂层,既能避开铁铝金属间化合物加工成形的困难,又能充分发挥其抗高温硫化、氧化及抗高温冲蚀等优异的性能,可使铁铝金属间化合物在工业上早日得到大面积推广应用,具有广阔的工程应用前景。国内装甲兵工程学院等单位采用电弧喷涂粉芯丝材技术制备出了含有Fe2Al金属间化合物的复合涂层,研究表明所获得涂层具有高的结合强度、低孔隙率及较高的高温磨蚀性能。但是此前的研究一般采用的是高速电弧喷涂的冶金反应获得金属间化合物涂层,由于熔融粒子冷速太快冶金反应不太充分,因此,所得的涂层存在着化合物含量太少、性能欠佳、不能很好的发挥金属间化合物的优点等,因此,还需要加强对金属间化合物型粉芯丝材的研究,进一步完善粉芯丝材的配方,优化丝材的喷涂工艺性,并且寻求更加合适的后处理工艺,提高喷涂层质量。
3.3 Zn2Al长效防腐型粉芯丝材
近年来人们研究和开发了多种钢铁长效腐蚀防护技术及材料,并取得了一定的成果。在目前所采用的长效防腐工艺方法中,最常采用的是在钢铁构件上镀、涂上各种耐蚀金属或非金属材料。这种工艺方法主要是根据电化学防护原理,选用电极电位比钢铁基材更负的涂层或镀层,牺牲阳极(涂层或镀层),保护阴极(钢铁基材),从而对钢铁基材起到防护作用。而根据以往的试验研究和实际应用结果,常用的涂层材料主要是锌、铝和锌2铝合金。其中Zn涂层的电极电位比较低,具有很好的阴极保护作用。而Al涂层本身极易氧化,并且其氧化膜具有自愈性,因而在涂层表面始终有一层耐腐蚀的钝化膜存在,其本身抗蚀性好,但阴极效果不如Zn。而Zn2Al合金涂层则综合了Zn、Al涂层各自的性能优点,它所获得的涂层是这两种材料粒子紧密相互结合的合金,涂层中粒子间还存在少量的两种材料的合金或金属间化合物。这种合金涂层兼有两种组成成分材料的性能,常常发挥其独特的优越性。例如:在Zn2Al合金涂层中, Zn提供有效的电化学活性,使涂层形成阴极保护;而Al则强化涂层,使其具有较高的耐磨性(Al2O3)及抗蚀性。Zn2Al合金的电化学性质在静特性与相似电位方面接近Zn,在动特性方面与Al相似,腐蚀速率与Al相近,其综合性能要明显优于纯Zn、纯Al涂层。
通过以往的研究发现, 45% Zn255%Al合金具有最好的耐腐蚀性能,但是在目前的研究和生产中存在两个严重的缺点: 1)Zn的比重要比Al的比重高,大概相差2. 6倍,因此在熔炼过程中经常出现严重的偏析现象,使得通过冶炼的手段获得45%Zn255%Al合金比较困难,而且成本也比较高,因此目前国内普遍采用是85% Zn215%Al合金,其耐腐蚀性能远远要比45% Zn255%Al合金低; 2)另外目前所采用的工艺主要是利用热浸镀或电浸镀的方法在钢铁构件上镀一层Zn2Al合金,但是两种工艺方法都有各自的缺点,且只适用于较小体积的工件。电浸镀镀层较薄,其镀层厚度通常只有几微米到几十微米,因此在腐蚀环境下,镀层的防护作用维持的时间相对较短;而采用热浸镀工艺,虽然镀层比电镀要厚,但是在加工过程中会有部分铁溶入镀层,降低了镀层的防护效果。所以针对以上这两种缺陷,开发应用45% Zn255%Al合金,发挥Zn、Al这两种材料的各自特点,特别是将45% Zn255%Al合金应用于特殊工况条件下以及研究操作简便的实施工艺就成为解决该领域问题的当务之急。高速电弧喷涂粉芯丝材的出现,使得45% Zn255% Al可以以粉芯丝材的形式与优质高效的高速电弧喷涂技术结合起来,利用电弧喷涂的方法在钢铁构件上喷涂从几十微米到几毫米范围可调的45% Zn255%Al合金涂层,从而初步解决目前在长效防腐工程中所存在的主要缺陷,达到保护钢铁构件不受腐蚀或者延缓腐蚀,延长维修周期和使用寿命的目的。45% Zn255%Al复合型粉芯丝材具有十分广阔的研究应用前景。
4 结束语
粉芯丝材在高速电弧喷涂中的引入,拓展了电弧喷涂材料的应用范围,进一步促进了电弧喷涂技术在耐磨、抗蚀、耐高温等高要求场合的广泛应用。可以断定,低成本、高性能的粉芯丝材高速电弧喷涂技术具有异常广阔的发展前景。并且,金属/陶瓷型、金属间化合物型及Zn2Al复合型高速电弧喷涂专用粉芯丝材具有巨大的开发潜力。
参考文献略
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