阀门热喷涂技术研究
徐维普,邱艳丽,罗晓明
流体机械
摘 要: 介绍了电弧喷涂、火焰喷涂、等离子喷涂等主要的热喷涂技术,并对几种热喷涂技术的原理和设备进行了总结,对耐磨、防腐等几种涂层的特点以及如何在阀门产业进行应用进行了阐述。
关键词: 电弧喷涂;火焰喷涂;阀门;磨损;腐蚀；热喷涂
1 前言
磨损和腐蚀是造成材料和零部件失效的主要原因。据有关资料报道,发达国家由于磨损和腐蚀造成的损失约占国民经济总产值的3% ~5%,按照我国30万亿的年总产值计算,每年因磨损及腐蚀造成的损失达到1万亿以上,热喷涂技术就是在热喷涂过程中,粉末或丝状材料经高温熔融,形成液体或液体加固体的微粒。以较高的速度碰撞于基体材料表面,形成具有不同功能的涂层材料。热喷涂工艺主要有火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂3种,热喷涂技术作为一项重要的制造及检修技术,可以大大减少材料的腐蚀及磨损,经过“八五”期间的大力推广应用,目前热喷涂技术直接经济效益在数百亿元以上。随着人们对材料性能要求进一步提高,将对热喷涂设备、工艺、材料等作更深入的研究及探索。资料表明,热喷涂工艺作为一种优良的表面改性技术具有广阔的发展前景,进一步广泛深入地推广应用该项技术意义重大。
阀门是重要的设备部件,应用广泛,每年产值在上千亿以上,随着阀门的使用工况越来越复杂,热喷涂技术在阀门上的应用越来越多,特别是目前的电弧喷涂、火焰喷涂及等离子喷涂技术在阀门中的应用最广泛,主要增强阀门的内表面或者外表面的抗磨损或抗腐蚀性能。
本文从阀门行业的应用实际出发,分别对几种热喷涂技术进行介绍,对其材料和工艺进行介绍并对其在阀门行业的应用进行分析总结。
2 热喷涂技术及设备介绍
2. 1 火焰喷涂
2. 1. 1 火焰喷涂技术介绍
火焰喷涂主要是利用氧-乙炔燃烧产生高温火焰,将喷涂材料熔融,再利用周围压缩空气使熔融材料或微粒喷射黏附于基材表面。由于燃烧气体的温度限制,喷涂材料的熔点一般低于2500℃。火焰喷涂方法比较简单,设备也不复杂,因此在工业上被广泛应用。最近又开发出一种超音速火焰喷涂,采用氧-丙烷或氧-丙烯为燃料,其喷射速度高达音速的两倍,熔融粉末颗粒的速度可高达400m/s,约分别为火焰喷涂的4倍和等离子喷涂的2倍。故涂层更为致密,结合强度大,特别适合于喷涂碳化物涂层。另外,此种方法有沉降效率高,涂层性能稳定等特点,预计是开拓涂层市场的有效技术途径。
2. 1. 2 高速火焰喷涂装置
目前从国外引进的高速火焰喷涂装置(HVOF)、(HVAF)以及超音速等离子喷涂设备,其特点是粒子飞行速度高,涂层与基体结合强度高,孔隙率低,这些设备已在航天、航空、冶金、化工和电力等行业发挥着重要作用。但是上述进口设备价格昂贵,且燃料(丙烷、丙烯)不易普及,针对上述情况,结合我国国情,国内多家喷涂研究单位研制成功了氧乙炔焰作热源的高速喷涂枪。由于受到乙炔压力的限制,目前虽然粒子飞行速度达不到超音速,但却比常规氧乙炔火焰粉末喷涂飞行速度提高了4~5倍,比常压等离子喷涂也提高了1~2倍,可喷涂金属及合金粉末材料有Al2O3-TiO2-Co-WC以及聚乙烯、尼龙等热塑型粉末材料。此外,研制成功的高速火焰(HVOF)喷涂装置也已经开始应用。
氧-乙炔火焰金属粉末喷涂技术目前在国内推广应用范围很广,几乎所有大企业都把它作为修旧利废的一种手段。上海、江苏、武汉和四川等地已开发生产了多种型号的喷涂、喷焊枪,已广泛为喷涂单位服务。有的喷涂机械厂还在原有火焰喷枪的基础进行改进,采用两套喷嘴,利用两种热源:即氧乙炔焰和氧液化石油气(家用瓶装)。采用瓶装液化石油气作可燃气体,可大大降低成本,且对喷涂作业带来更大的方便。
近年来,采用氧-乙炔火焰,用沸腾送粉方法,通过特制的喷枪喷涂塑料粉末,可以得到平整光滑的塑料涂层。这对于大型工件、各种贮罐、管道涂装塑料涂层提供了一种新方法。为此,沈阳市热喷涂厂、武汉材料保护研究所、装甲兵工程学院等都先后研制成功了不同型号的火焰塑料粉末喷涂装置,并且进行了大面积施工,收到了良好效果。其中,武汉材料保护研究所研制成功的FSP-Ⅱ型塑料粉末火焰喷枪性能达到了UTP公司I-SPRAY-JET喷枪的水平。
火焰喷涂应用比较成熟的领域是防腐蚀,图1所示为防腐蚀用火焰喷涂涂层的照片。
2. 2 电弧喷涂
2. 2. 1 电弧喷涂技术
以金属丝作为喷涂材料的电弧喷涂与其他的热喷涂方法有很大的不同,它是由两根作为喷涂材料而不断被消耗的载流金属丝短路,产生连续电弧而使金属丝端部熔融,用高速冷空气射流使熔化的金属丝端部雾化溅射到基材表面。冷喷涂是电弧喷涂的一个特点,即喷涂时不会提高基体表面的温度。另外,喷涂效率也比线材火焰喷涂提高2~6倍。电弧喷涂成本低,约为火焰喷涂的1/10,设备投资为等离子喷涂的1/3,但它只用来喷涂金属丝材,应用受到一定的限制。
2. 2. 2 高速电弧喷涂装置
由于电弧喷涂具有结合强度高、耗能少、成本低等优点,所以近年来这种设备在国内越来越被人重视,并积极采用,特别是在钢铁结构件大面积长效防护工程及电站锅炉管道热腐蚀中发挥了重要作用。在普通电弧喷涂的基础上,国家产学研设备工程中心装甲兵工程学院、西安第二炮兵工程学院近期又研制成功了高速电弧喷涂枪,气流速度高达600m/s以上,其涂层结合强度、孔隙率等多项指标都优于普通电弧喷涂,目前正在进一步推广应用。图2为高速电弧喷涂得到的涂层显微组织。
2. 3 等离子喷涂
2. 3. 1 等离子喷涂技术
等离子喷涂是热喷涂技术中最为重要的一种。利用直流电弧放电,把高温加热的氩气、氮气、氦气等气体部分电离成离子束,在电弧放电部位四周强制流过低温气体,产生热收缩效应,使电弧放电部位断面缩小,导致能量密度和电流密度升高,最高温度可达20000℃。由于等离子喷涂温度高,气氛可控制,可以用来喷涂各类高熔点的金属、氧化物和其他各种材料。最近10年开发的真空等离子喷涂设备,不仅使涂层的品种扩大,质量提高,而且可以进行新材料的合成和材料表面的改性。例如,在低真空下,利用等离子技术合成金刚石膜。在氮气中进行钢表面氮化,提高它的硬度,扩大应用等。
2. 3. 2 新型等离子喷涂枪
清华大学等单位研制成功了QZNI高能内孔等离子喷涂枪,该枪功率可达75kW,热效率、等离子射流平均焓值、射流温度、喷枪功率和粉末沉积率均达到Metco大内孔喷枪水平。近年来,国内科研及制造单位研制了大量的新设备,使国产等离子喷涂设备水平又上了一个新的台阶,缩短了与国外设备水平的差距。图3为等离子喷涂的涂层金相照片。
3 热喷涂涂层材料的性能及在阀门上的应用
由于热喷涂技术的工艺手段很多,所以喷涂材料的选择范围很广。从塑料、低熔点金属,到难熔金属、陶瓷及其混合物。任何一种具有稳定液态的材料,至少可以用其中一种方法喷涂。同时,热喷涂涂层材料性能各不相同。
热喷涂涂层具有耐摩擦和润滑、热保护、抗氧化、抗腐蚀、导电和电绝缘、生物医用、化学催化、复合材料制备及部件修复等功能。
3. 1 耐磨涂层
耐磨损是热喷涂技术的应用最广泛的领域,通常具有高硬度、低气孔率、坚韧、与基体结合力强等优点。采用合适的组分,还可以减少摩擦。主要的喷涂材料有镍基合金和钴基合金、碳化物、硼化物、氧化物等。通过等离子喷涂碳化钨、氧化铝、硅藻土涂层,以提高耐磨和密封性能;锅炉燃烧室或者有高温或燃烧的阀门等部位采用耐热涂层保护。采用氧化铝-氧化钛涂层的化纤工业的阀门,可提高零件的耐磨性和消除静电。石化工业的阀门及零部件,加涂氧化铬、氧化铝-氧化钛涂层,解决了跑、冒、漏、滴等问题。
阀门可能产生磨损的工作条件包括微振、滑动、冲击、擦伤、侵蚀等。通过对阀门进行热喷涂,可以增强表面硬度,提高使用寿命,降低维修成本。各种阀门密封面采用氧乙炔火焰喷涂及等离子喷焊技术寿命大大提高,目前已在150多个阀门厂推广使用,经济效益可观。
3. 2 隔热涂层
隔热涂层,又称热障涂层,主要有氧化铝和CaO、MgO、Y2O3、CeO2和稳定的氧化锆组成。这些具有高的熔点和低导热系数的涂层,含有众多的气孔,体积气孔率在5% ~30%之间。气孔的存在,进一步降低涂层的导热系数,提高涂层的隔热效果。为了提高氧化物隔热涂层与基体的结合力,通常用NiCr、NiAl、NiAlCrY各种金属涂层作为结合涂层。防热涂层可用于化工行业和冶金工业高温热保护。为了减小涂层与基体金属的热应力,提高涂层的热冲击能力,近年来发展成功金属-陶瓷梯度涂层。汽车发动机的热喷涂市场潜力很大,可望在以后的十年内有大发展。美国汽车制造商都有积极的热喷涂涂层研究和发展计划,拟在汽车汽缸内衬和排气部位使用热障涂层,在活塞环、阀、凸轮、曲轴等部位使用耐磨涂层,这些涂层将提高部件的使用寿命和热效率。
一般用于柴油发动机的阀门及火焰稳定器。经热喷涂处理后抵挡工作环境中的高温高压,将基体的工作温度降至10~65℃。有的阀门用于有气体冲刷腐蚀的管路上,阀门的腔体内收到气流的冲刷腐蚀,也容易发生壁厚减薄等问题,通过喷涂耐气蚀涂层,就可以提高阀门的使用寿命。
对于陶瓷阀门,如果阀门发生局部破坏,不能使用,采用氧乙炔火焰喷涂陶瓷涂层,再进行封孔处理,可修复如新,修复及效益可观。
3. 3 抗氧化和防腐蚀涂层
抗氧化和防腐蚀涂层主要是金属和氧化物涂层,前者为NiCr、NiAl、NiAlCrY、WCoCr、Zn、Al和ZnAl的合金,后者主要为ZrSiO4、MgO -ZrO2、Al2O3涂层。MgO-ZrO2涂层具有极好的抗熔融和耐腐蚀能力,可防止熔炼过程中石墨坩埚的污染。氧化铝涂层浸渍有机树脂后,可用于化学工业的管道阀门和其它装置的抗酸碱腐蚀。NiCrBSi和WC涂层具有良好的抗气蚀能力,可用于阀门的防气蚀。火焰喷涂的Zn、Al和Zn-Al合金涂层进行长效防腐十分有效,可用于户外大型工程用阀门。
近年来,在电弧喷涂铝合金涂层表面加封孔剂,对舰船用阀门的防腐取得了十分满意的效果。很多阀门因长期暴露在大气中,受到气候变化和日晒雨淋,表面迅速氧化,生成一层三氧化二铁,严重影响使用寿命。为防止表面的氧化,以往一般都采用油漆保护,其防腐年限一般在3~5年,因此需要经常性进行维修、保养,常见的方法就是拷铲油漆,耗费大量人力物力。现采用阀门表面喷锌、喷铝工艺加以保护,防腐年限可达30年以上无需保养。如在锌铝涂层外再加油漆封闭,则防腐年限更长。阀门表面只有喷锌、喷铝后,才能真正起到阳极保护作用,从而达到钢结构长效防腐之目的。钢制水阀门,特别是水利控制阀,它一部分长期浸没水中,表面受到微生物侵蚀(如钉蝎的吸附,其排泄物呈酸性)。另一部分长期暴露在大气中,特别是水线部分,受到冲浪和水面上漂浮物的冲击,同时又受到涨潮、落潮的影响,使这部份阀门表面经常干湿交替,特别容易生锈。现采用线材喷锌、喷铝工艺,大大提高了钢闸门的耐蚀性,比原采用的油漆工艺防腐年限提高5~6倍。普通尼龙,塑料涂层;环境在100℃以下使用,采用氧乙炔火焰塑料粉末喷涂方法,可进行低温或常温防酸、碱介质腐蚀。高温塑料涂层;聚醚砜、聚醚酮、聚苯硫醚等涂层可在150~350℃环境下应用,用于化工容器、贮罐等的阀门上,大有应用前景。氧乙炔焰塑料粉末喷涂是近年来应用化工防腐中一个重要手段,值得大力开发。
喷气式发动机燃烧室内需喷上特殊的涂层,以抵抗运行过程中的高温氧化。工厂、轮船的烟囱上喷上防高温氧化的涂层后,使用寿命提高了五倍。汽车用密封阀,也需要抵抗高温的影响,通过热喷涂后,在阀门表面形成抗高温氧化的涂层,就可以提高阀门的耐高温氧化性能。
3. 4 喷涂成型
涂层是由熔化了的颗粒堆积而成,涂层具有一定的强度。采用热喷涂技术可制备异型和复杂形状的部件,这比常规方法更为经济、方便。采用真空等离子喷涂,以石墨作为模型,已制备出性能优良的钨和钼坩埚和管材。大功率等离子喷涂设备(100kW以上),用来喷涂氧化铝氧化锆材料,成功地制备厚为15mm的大尺寸制品,其经济性与实用性优于传统方法的陶瓷制品。此外,用等离子喷涂技术还可以制备颗粒、晶须、纤维补强的复合材料。
热喷涂是恢复尺寸的一种经济有效的方法。无论是工作磨损还是加工超差造成的工件尺寸不合要求,利用热喷涂均能提供新表面,这种方法既没有焊接的变形,也不象特殊的电镀工艺那样昂贵。同时,新表面由耐磨损或抗蚀性料构成,或者与工件的构成料相同。比如很多大阀门或者进口的阀杆,如果因为磨损导致尺寸不足,而再制造成本高或者制造有一定难度,就可以通过热喷涂的方法恢复尺寸。
3. 5 材料替代
有的阀门,如果全部采用贵金属材料进行制造,成本很高,从使用角度来看,阀门与介质的接触点主要是表面,如果只在表面有贵金属,可以大大降低制造成本。举例来说,采用普通钢制造的阀门,在其表面喷涂1Cr18Ni9Ti或0Cr、00Cr等不锈钢材料,再进行封孔处理,代替整体制造不锈钢,在其他产品上已有许多应用实例,在阀门产品的设计和制造中也值得推广应用。
4 热喷涂工艺技术的新发展
热喷涂技术目前在国内已经得到了比较广泛的推广应用,近年来发展的趋势和特点是:
(1)大面积长效防护技术得到了广泛应用。对于长期暴露在户外大气的钢铁结构件或阀门,采用喷涂铝、锌及其合金涂层,代替传统的刷油漆方法,实行阴极保护进行长效大气防腐,近年来得到了迅速发展。如水闸门等,都采用了喷涂铝、锌及其合金方法进行防腐。目前国内有几十个专业喷涂厂从事这方面工作,喷涂面积每年达几百万平方米以上。这项技术不仅在国内大量推广应用,而且在援外工程中也得到了较好的推广应用。
(2)采用热喷涂技术修复与强化大型关键设备及进口零部件国产化。比如进口大阀门的阀杆修复。这些工作的进行,一是解决了生产急需;二是节约了大量外汇。
(3)超音速火焰喷涂技术的应用。随着我国热喷涂技术的发展与提高,对喷涂层质量要求也愈来愈高。近年来美国等国家发展起来的高速燃气(HVOF)法是制备高质量涂层的一种新的工艺方法。由于超音速火焰喷涂方法具有很多优点,目前国内已先后从国外引进近十几台设备,在各工业部门发挥着重要作用。
(4)气体爆燃式喷涂技术进一步得到应用。该项喷涂技术由于粒子飞行速度可达800m/s以上,涂层与基体结合强度可达100MPa以上,孔隙率<1%,在某些领域里应用,优于其他喷涂方法。目前国内已安装10台以上。
(5)氧乙炔火焰塑料粉末喷涂技术发展迅速。如前所述,国内近年来已有多家生产制造氧乙炔火焰塑料粉末喷涂设备,采用该项工艺技术,已在很多行业的阀门设备得到了很好的应用,弥补了电喷塑的不足。为塑料涂层的应用,开辟了一个新的途径。
(6)热喷涂技术在化工防腐工程中得到应用。热喷涂层应用于腐蚀介质中,特别是强介质腐蚀,以前所以未能突破,其主要原因是封孔剂未能解决。众所周知,喷涂层是存在着孔隙的,若不进行封孔处理,各种酸、碱、有机介质就会浸入孔隙,使涂层脱落,影响防腐效果。根据防腐工程的要求,近期我国已研制成功了聚酯型、有机聚合物型、树脂型、塑料型、胶粘剂型等几十种型号的封孔剂,适用于酸、碱、盐及有机物的腐蚀环境,其使用温度80~350℃。采用陶瓷涂层、氧化物涂层或金属或合金涂层,根据不同介质,选用适当的封孔剂,已在许多化工腐蚀介质中应用,效果良好。
(7)激光重熔技术开始应用。近几年来,高频感应重熔、真空感应重熔只是在一定范围内得到应用。激光重熔技术前几年曾做过小面积试验,并未广泛应用,近期清华大学已将激光重熔技术用于阀门生产中,上海第二纺织机械厂已将激光重熔技术应用在纺织机械中。
5 结语
热喷涂技术在阀门行业中已经有了很大的发展和应用。几种主要的热喷涂技术及涂层,在阀门行业都可以得到更大的发展和应用。
参考文献略
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