热喷涂技术在大中型水轮机抗空蚀磨损破坏中的应用前景
段生孝
水轮机杭磨独技术研讨会抢文集
摘要：介绍了各种热喷涂技术及热喷涂技术在国内外的研究、发展现状和应用所产生的巨大效益，调查研究了热喷涂技术在水轮机过流表面抗空蚀磨损破坏的应用前景和应开展的各项工作。
关键词热喷涂技术水轮机抗空蚀磨损破坏应用前景
1热喷涂技术简单介绍
1.1什么是热喷涂
在生产实践中，人们在普通材料的表面上制造一个特殊的工作表面，使其起到:防腐、耐磨、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系列功能，使其达到节约材料，节约能源，提高效益的目的。人们把这种特殊工作表面叫涂层，把制造涂层的工作方法叫热喷涂。热喷涂是将熔融状态的喷涂材料通过高速气流使其雾化后喷射在零件表面，形成喷涂层的一种金属表面的加工方法。
热喷涂根据热源来分，热喷涂有4种基本方法:火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和特殊方法喷涂。
1.1.1火焰喷涂
火焰喷涂按火焰喷射速度分为火焰喷涂、火焰冲击喷涂(爆炸喷涂)、超音速火焰喷涂3种，按喷涂材料分为线材喷涂、棒材喷涂、粉末喷涂。
1.1.1.1线材火焰喷涂
线材火焰喷涂和棒材火焰喷涂基本原理大体相同，是将线材或棒材从喷涂枪中心孔内送出，由氧一燃烧气体火焰熔化，周围的压缩空气流将熔化的金属微粒化，并喷射到基材表面沉积为涂层。
L1.1.2粉末火焰喷涂
粉末火焰喷涂是粉末材料由送料罐内自然落下或由自动送给粉末装置将粉末送人流经喷枪内部的气流中，随着气流从喷嘴端部的燃烧火焰中喷出，在飞行中加热和加速，并成为熔融离子，高速地撞击基材表面成为扁平状粒子，形成所需涂层。
1.1.1.3气体爆炸喷涂
喷涂时先将定量的氧和乙炔由供气口送人水冷喷枪内腔，再从另一口送人氮气的同时将粉末从供粉口送入。这些粉末在燃烧气体中浮游，火花塞点火，气体爆炸产生的热能和压能转化为动能，使粉末达到熔融状态并高速撞击基材表面形成涂层。每爆炸一次，移动被喷涂工件，往返操作直达到所需厚度。
1.1.1.4超音速火焰喷涂(高能密度气体喷涂)
气体燃料(丙烷、丙稀、氢气等)与氧气在枪体内燃烧室混合后连续进行燃烧爆炸，当这些燃烧爆炸气体向细长颈部射出时导人微细粉末，经加热熔融后以高速撞击基材表面，形成涂层。此喷涂法的特点是:①因燃烧气体焰流的燃烧速度大，可获得超音速的粉末离子，从而对基材撞击作用大，提高了涂层与基材的结合强度;②燃烧气体焰流呈细长形态，能量集中，因此可增大喷涂作业的距离;③因卷入焰流中空气少，使喷涂材料氧化少;④可获得喷涂离子间结合力高的涂层。该方法适用于喷涂如WC一C。之类复合粉末及制作高密度的金属涂层。但是因燃烧焰流的温度低，不适于高熔点的陶瓷材料及粒径大的粉末喷涂。
1.1.2电弧喷涂法
电弧喷涂是以电弧为热源的热喷涂。被送人的两根喷涂用线材彼此绝缘，在喷枪端部分别通人直流电源的正负极，两根线材离开喷嘴端部时形成电弧，利用电弧热使线材熔化，并被压缩空气雾化成微小颗粒后加速喷射在基材表面上形成涂层。该方法的优点是能够得到比火焰喷涂层更强结合力的涂层，对母材热影响小，能够在塑料、木材、纸等基材上喷涂;容易实现喷涂自动化、喷涂能力强、喷涂成本低、经济性好。
1.1.3等离子喷涂法
等离子喷涂法是利用等离子焰的热能将引人的喷涂粉末加热到熔融或半熔融状态，并在等离子焰作用下高速撞击到基材表面形成涂层。
等离子焰流的能量密度和流速远高于燃烧气体火焰，因此采用该方法喷涂的涂层气孔率低、密度高以及与母材的结合强度好。此外，因母材的热影响区小，且能保持母材的组织，故等离子喷涂也可用于塑料表面喷涂。相对于其它喷涂法，更适宜于喷涂陶瓷材料，使多种多样喷涂材料形成涂层成为可能。等离子喷涂已发展出气体隧道式等离子喷涂法、低真空等离子喷涂和超音速等离子喷涂。
1.1.4特殊喷涂法
1.1.4.1激光喷涂法
该装置由激光发生器、喷涂材料供给装置、高压气体供给装置组成。特点是利用高温度、高能密度的激光作热源，利用高温使喷涂材料与喷涂气体进行反应来制作金属或非金属涂层和复合涂层。
1.1.4.2线爆炸式喷涂法
在合适的电路条件下，当贮存在电容器上的电能以高能密度的大电流通过，作为喷涂材料的导线放电时，线材的局部熔融并被爆炸的气体破碎成微粒，以高速撞击基材表面。此方法特点是易于实现高熔点金属材料喷涂，母材受热影响小，可喷涂直径甚至小于10mm的圆筒内表面，且涂层气孔率低等。但此法不能用于不导电喷涂材料。
1.1.4.3水稳等离子喷涂
等离子焰是由导人枪内的高压水放出的水蒸气电离产生的，电弧放电是在设置枪中心轴位置上的阴极(碳棒)与回转阳极(cu)之间进行的。等离子焰流温度可达10000一50000(X)K，使喷嘴出口处导人焰流的喷涂粉末达到熔融状态且加速，最后形成涂层。水稳等离子焰的能量集中，焰长度也较大，故喷涂能力较高。在离喷嘴90cm长度范围内焰流温度可达10000℃以上，故使粉末受热时间长。但因水稳等离子焰内含30%以上氧原子，呈氧化性气体，故适用于氧化物陶瓷材料喷涂，不太适宜于金属或碳化物喷涂材料。
1.1.4.4三束表面改性技术
近年发展了电子束、离子束和激光束表面改性技术。其中电子束是由电子经加速后形成的一种高能电子流，其高的能量密度可使材料轰击区域在几分子一微秒内升达几千摄氏度，同时又具有能量集中，处理面积很小且加热深度可深达30~处内层结构面快速加热、快速冷却，使被处理面的结构改变，具有一定的可操作性等特点。
1.1.4.5热喷焊
热喷焊是在喷涂过程中或涂层形成后，对金属基体和涂层加热，使涂层在基体表面发生熔融，并和基体产生扩散和互熔，形成与基体冶金结合的喷焊层，这也是热喷涂方法之一，称为喷焊(或喷熔)。喷熔的结合强度高，因而喷熔工艺可以应用于抗疲劳、抗冲击的机械零件。
1.2热喷涂技术发展历程
热喷涂技术由瑞士Schoop博士首创，1908年他用雾化装置进行喷涂试验，1913年制作世界上一台丝材喷枪，到1920年逐渐完善并得到实用。
1920年，日本人到瑞士考察后将喷涂技术引人日本，发明了用交流电为热源的喷涂装置。由于交流电弧不稳定，效率低，涂层质量差，没有实际推广。后来德国改用直流电源后，电弧喷涂才有了实用价值。1938年美国研制了电弧线材喷枪。上世纪50年代，联邦德国发展了罗堆特(Ro一kide)氧一乙炔为热源的陶瓷棒材系列及其喷枪，1953年发明了自熔性合金，这是上世纪50年代喷涂材料方面的重大突破。
上世纪50年代后期，为了满足航空、原子能、导弹、火箭等尖端技术对于高熔点、高强度涂层的迫切需要，美国相继发明了爆炸喷涂和等离子喷涂。
上世纪60年代，加拿大生产了数10种复合喷涂粉末，美国、瑞士公司继续发展了复合喷涂粉末的制备技术。自熔性合金粉末和复合粉末的出现，对热喷涂技术的发展起了重要作用。美国、比利时和德国致力于碳化物、金属陶瓷、非金属陶瓷及低熔金属等喷涂用粉末的研究与生产。
上世纪70年代以来，美国公司研制了大量铝热型混合粉末和复合粉末。美国美科公司(Metco)设计生产的一系列自粘结一次喷涂粉，兼有自熔性合金粉与放热性复合粉的特点，简化了喷涂工艺，是喷涂材料的新趋势。
近年来，喷涂材料中陶瓷材料和塑料受到了重视，并发展了相应的喷涂装置。我国热喷涂技术起步于上世纪50年代，先发展了丝材电弧喷涂;60年代在某些军工部门开始研究等离子喷涂;70年代出现了品种和型号较为齐全的材料和设备。但总的来说，进展缓慢，只是到近几年才获得较快发展，取得了显著的经济效益。
等离子弧焰温度高，喷涂颗粒飞行速度快，涂层结合强度也较高(40一80MPa)，空隙率小于5%，在我国军工部门得到广泛应用。
1.3热喷涂在电力系统的应用领域
应用在火电厂的汽轮机缸盖、风机叶轮、磨煤机、锅炉“四管”，中小水电站的转轮、叶片等过流部件，风力发电机组的底座，柴油发动机的零部件。
2推广应用热喷涂技术的意义
热喷涂技术是一项低投人、高产出的项目，通过喷涂或表面强化或预保护或修旧利废，使其使用寿命成倍甚至几十倍增长。
2.，磨损、腐蚀造成的损失
据世界各国有关部门统计，发达国家每年由于磨损和腐蚀造成的损失约占国民经济总产值10%左右(其中磨损、腐蚀各占5%)。
1976年美国国家标准局公布:1975年全国腐蚀损失700亿美元，相当于国民经济产值的4%，磨损断裂损失每年预计640亿美元。
英国1971年仅不列颠岛磨损损失13.65亿英镑。瑞士1969年仅对200万辆汽车统计，损失约5亿克郎。我国1981年统计腐蚀损失为100一150亿人民币，1980年10个大化工企业统计腐蚀直接经济损失为3.97%，煤炭部门每年磨损、腐蚀损失17亿元;1993年我国由于磨蚀造成损失达100多亿元，2003年我国国民经济总产值100多亿元，若按损失3%计，则损失300多亿元，损失巨大。
广泛深人的推广应用热喷涂技术，不仅能挽回经济损失，而且能节能、降耗、保护环境，有重大的潜在经济效益和社会效益，也有相当可观的实际经济效益。
22我国热喷涂技术推广应用概况
我国热喷涂技术是在引进消化的基础上发展起来的，是设备维修中一个重要手段和措施，在国民经济建设中已经发挥了重大作用。大力推广应用热喷涂技术是推动企业技术进步、挖潜革新与双增双节有力措施和重要手段，对提高产品质量，延长使用寿命，改进产品结构，节约能源，节约材料，提高工效，降低成本，保护环境起着重要作用，特别符合我国国情，符合我国现行经济政策。在技术开发和推广应用方面，高等院校、科研院所、设备和材料制造厂、热喷涂生产应用厂发挥密切的横向协作关系，使技术开发、产品制造、生产应用协调发展，设备、材料工艺、应用、后加工、前处理、检测、标准、培训成龙配套，充分发挥各方面力量，形成配套发展体系。全国有一个热喷涂协作组集中了40多个大专院校、60多个科研单位以及300多个骨干喷涂厂家，互相进行经验交流、国内夕脂息传递、协作攻关、技术培训、技术咨询和技术服务。
热喷涂在量大面广的典型件上推广效果显著，如冶金行业的轧辊和高炉风口、渣口、高温炉辊;煤炭行业井筒钢结构架，平均寿命巧年，腐蚀严重的仅9年，一个井深40()m、年产100万t煤矿，更换一个井筒装备要耗资500万元，停产60一80天，少生产煤炭20万t左右，总损失超过4000多万元，用热喷涂防护后，寿命可与矿井服务年限同步，达50一100年;对一些大型关键设备和进口设备零件修复，可节约大量外汇。总之，此项工作的社会效益和经济效益都十分巨大。
3当前热喷涂技术发展的现状
目前热喷涂技术无论在设备、材料、工艺、科研等方面都在迅速发展与提高。设备方面(喷枪)向高能、高熔、高速度发展;材料方面向系列化、标准化、商品化方向发展，以保证多功能高质量涂层的需要;工艺方面向机械化、自动化方向发展，如计算机控制、机械手进行喷涂操作等。
3.1热喷涂设备的新发展
我国已有20多个单位从事热喷涂设备的开发与生产，能够生产各类型的氧一乙炔火焰喷涂设备、喷熔设备;新型电弧喷涂设备;成套等离子喷涂设备、喷焊设备;各类专用机床;热喷涂空气净化设备，前处理后加工设备。
3.1.1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，其特点是离子飞行速度高，涂层与基体结合强度高，空隙率低。但进口设备价格昂贵，且燃料(丙烷、丙稀)不易普及。针对上述情况，结合我国国情，四川成都长诚喷涂技术研究所研制成功了氧乙炔焰作热源的高速喷涂枪。
3.1.2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，所以近年来这些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火电站锅炉管道热腐蚀中发挥了重要作用。在普通电弧喷涂设备基础上，国家产学研设备工程中心一装甲兵工程学院、西安第二炮兵学院近期研制成功了高速电弧喷涂枪，气流速度达600In/s以上，其涂层结合强度、空隙率等多项指标都优于普通电弧喷涂。
3.1.3氧一乙炔火焰金属粉末喷涂装置
氧一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了多种型号的喷涂、喷焊枪，已广泛为社会服务。上海焊割喷涂机械厂近期在原QHT一7爪火焰喷涂枪的基础上进行改进，采用两套喷嘴，利用两套热源，即氧一乙炔焰和氧一液化石油气(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，对喷涂作业带来更大方便。
3.1.4气体爆燃式喷涂装置
航天总公司六二一所从上世纪60年代开始研制，已安装了一套完整的爆燃喷涂装置，为航天、航空及其它军工部门喷涂了许多高密度优质涂层，设备已达到国外同类产品水平。北京长城钦金公司近年来与乌克兰合作，建立了中外合资北京钦得新材料有限公司，引进了乌克兰的爆炸喷涂设备制造技术，现能生产计算机控制、三维行走机构的爆炸喷涂设备，除面向国内用户外，已出售到美国及台湾等地区。
3.1.5氧一乙炔火焰塑料粉末喷涂装置
近年来采用氧一乙炔火焰用沸腾送粉方法，通过特制的喷枪喷塑料粉末，可以得到平整光滑的塑料涂层，这对于大型工件、各种贮管、管道涂装塑料涂层提供了一种新方法。为此沈阳热喷涂厂、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喷涂装置，并且进行了大面积施工，收到良好效果。其中武汉材料保护研究所研制的FSP-口型塑料粉末火焰喷枪性能达到了U仰公司I一sPRAY一ET喷枪的水平。
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