1前言熱噴涂技術(shù)起始于本世紀(jì)初。起初,只是將熔化的金屬用壓縮空氣形成液流,噴到被涂敷的基體表面上,形成一層膜狀組織。其噴涂溫度、熔滴對基體表面的沖擊速度及形成涂層的材料的性能構(gòu)成了噴涂技術(shù)的核心。熱噴涂技術(shù)的整個發(fā)展,基本上是沿著這三支主導(dǎo)線向前推進(jìn)的。溫度和速度取決于不同的熱源和設(shè)備結(jié)構(gòu)。從某種意義上說,溫度越高、速度越大,越有利于形成優(yōu)異的涂層,這就導(dǎo)致了溫度和速度兩種要素在整個技術(shù)發(fā)展過程中的競爭與協(xié)調(diào)的局面。繁多的噴涂材料的可選擇性,是熱噴涂技術(shù)的另一種優(yōu)勢,它可以使不同設(shè)備的工作面被“點(diǎn)鐵成金、戴盔穿甲”。正是這三種要素,以及其他多項(xiàng)可控的影響因素,使熱噴涂成為真正的具有疊加效果的獨(dú)特技術(shù),它可以設(shè)計(jì)出所需的多種多樣的改性表面,獲得從一般機(jī)械維修,直到航天和生物工程等高技術(shù)領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。不久前,在日本神戶舉行的第十四屆國際熱噴涂會議上,將汽車、冶金和能源等工業(yè)領(lǐng)域作為熱噴涂技術(shù)深化應(yīng)用與重點(diǎn)開發(fā)的三大主題,表明這項(xiàng)技術(shù)在擴(kuò)充應(yīng)用中的新動向。

    2基本概念

    2.1定義

    熱噴涂是這樣的一系列過程:以某種形式的熱源將噴涂材料加熱,受熱的材料形成熔融或半熔融狀態(tài)的微粒,這些微粒以一定的速度沖擊并沉積在基體表面上,形成具有一定特性的噴涂層[1]。熱噴涂技術(shù)的全部過程如圖1所示。

    2.2噴涂材料

    噴涂材料有粉、線、帶和棒等不同形態(tài),它們的成分是金屬、合金、陶瓷、金屬陶瓷及塑料等。粉末材料居重要地位,種類逾百種。線材與帶材多為金屬或合金(復(fù)合線材尚含有陶瓷或塑料);棒材只有十幾種,多為氧化物陶瓷。

    2.3噴涂方法

    以提供熱源的不同,可分為燃燒法及電熱法。前者包括燃燒火焰噴涂、爆炸噴涂及高速火焰噴涂(HVOF);后者包括電弧噴涂及等離子噴涂(又分常壓等離子噴涂、低壓等離子噴涂與水穩(wěn)等離子噴涂)。

    噴涂工藝對涂層產(chǎn)生重要影響的是噴涂溫度(嚴(yán)格點(diǎn)說,是熔滴沖擊基體表面時(shí)的溫度)和熔滴沖擊基體表面的速度。各種噴涂方法的特征列入表1[2]。

    2.4涂層的形成及其評價(jià)

    噴涂材料經(jīng)過具有某種熱源形式的噴涂設(shè)備噴射之后,在到達(dá)被噴涂的基體表面之前,其飛行時(shí)間只有幾千分之一秒或更少。在如此之短的時(shí)間內(nèi),它被加熱、熔化或半熔化,形成細(xì)小而分散的熔滴,沖向基體表面,被擊成扁平的疊狀小片,先前生成的扁片又被后來者所覆蓋,很快就形成由很多扁平羅疊而成的覆蓋層,即為噴涂層。熱源溫度越高,熔滴沖擊速度越大,形成的涂層越致密。

    涂層性能與諸多因素有關(guān)。圖2表明了涂層性能與噴涂方法及材質(zhì)之間的關(guān)系[3]。

    3涂層功能

    當(dāng)某一個工程問題提出后,首先應(yīng)明確接受施工的工件被噴涂的部位(通常是設(shè)備或設(shè)施的工作表面)處于什么樣的工況條件,而涂層功能則是確定噴涂工藝及材料的主要依據(jù),同時(shí)還要考慮在經(jīng)濟(jì)上是否允許,它們之間的關(guān)系如圖3所示。

    3.1涂層的多樣性涂層的多樣性源于噴涂材料的多種選擇、工藝參數(shù)的可控及噴涂方法的可變。噴涂粉末材質(zhì)逾百種,線材和棒材也有數(shù)十種,不同的噴涂方法和工藝參數(shù)的變化,能使同一材質(zhì)形成不盡相同的涂層。如此,這些變數(shù)的組合就可得到一組“菜單式”的涂層系列,當(dāng)你需要具有某種特性的涂層時(shí),只需從中擇取即是。

    3.2涂層類別噴涂材料噴涂而成的涂層依據(jù)它們的成分可以分為10個系列;

    (1)鐵、鎳和鈷基涂層;

    (2)自熔合金涂層;

    (3)有色金屬涂層;

    (4)氧化物陶瓷涂層;

    (5)碳化鎢涂層;

    (6)碳化鉻和其他碳化物涂層;

    (7)難熔金屬涂層;

    (8)氧化物陶瓷涂層;

    (9)塑料基涂層;

    (10)金屬陶瓷涂層。

    3.3涂層功能依據(jù)美國F.N.LONGO對熱噴涂涂層的分類方法[4],涂層按功能可分為:

    (1)耐磨損涂層。包括抗粘著磨損、表面疲勞磨損涂層和耐沖蝕涂層。其中有些情況還有抗低溫(<538℃)磨損和抗高溫(538～843℃)磨損涂層之分。

    (2)耐熱抗氧化涂層。該種涂層包括高溫過程(其中有氧化氣氛、腐蝕性氣體、高于843℃的沖蝕及熱障)和熔融金屬過程(其中有熔融鋅、熔融鋁、熔融鐵和鋼、熔融銅)所應(yīng)用的涂層。

    (3)抗大氣和浸漬腐蝕涂層。大氣腐蝕包括工業(yè)氣氛、鹽性氣氛、田野氣氛等造成的腐蝕;浸漬腐蝕包括飲用淡水、非飲用淡水、熱淡水、鹽水、化學(xué)和食品加工等造成的腐蝕。

    (4)電導(dǎo)和電阻涂層。該種涂層用于電導(dǎo)、電阻和屏蔽。

    (5)恢復(fù)尺寸涂層。該種涂層用于鐵基(可切削與可磨削的碳鋼和耐蝕鋼)和有色金屬(鎳、鈷、銅、鋁、鈦及他們的合金)制品。

    (6)機(jī)械部件間隙控制涂層。該種涂層可磨。

    (7)耐化學(xué)腐蝕涂層?；瘜W(xué)腐蝕包括各種酸、堿、鹽,各種無機(jī)物和各種有機(jī)化學(xué)介質(zhì)的腐蝕。

    上述各涂層功能中,與冶金工業(yè)生產(chǎn)有密切關(guān)系的是耐磨損涂層、耐熱抗氧化涂層和耐化學(xué)腐蝕涂層。

    4熱噴涂技術(shù)在冶金工業(yè)中的開發(fā)與應(yīng)用

    冶金工業(yè)生產(chǎn)中存在著大量的高溫氧化、磨損及介質(zhì)腐蝕等問題,這些問題都是一種使工作表面失效的過程,應(yīng)該而且能夠從熱噴涂技術(shù)中尋求一種有效的解決途徑。噴涂工藝既可以修復(fù)已失效的舊工件,也可以在新工件投入工作前進(jìn)行強(qiáng)化預(yù)保護(hù),也可以二者兼用。

    4.1冶金工業(yè)生產(chǎn)特征冶金工業(yè)生產(chǎn)從礦石到金屬材料,其間經(jīng)過開采、運(yùn)輸、貯存、破碎、分級、選別、液固分離、制團(tuán)、燒結(jié)、冶煉、鑄型、精煉等多道生產(chǎn)環(huán)節(jié)。每一環(huán)節(jié)的主體設(shè)備都處于高磨損、高負(fù)荷、高溫和腐蝕等極其惡劣的工況條件下,這些因素導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備的失效,使冶金工業(yè)成為國民經(jīng)濟(jì)的耗材耗能大戶。

    面臨這種情況,為了維持生產(chǎn),每年必須耗用大量的備品備件,有些還需進(jìn)口。一個大型鋼鐵企業(yè),每年為此要付出幾億元以上的資金。另一方面,現(xiàn)代化的冶金生產(chǎn)是一個高度連續(xù)化的過程,即使生產(chǎn)環(huán)節(jié)每一局部的設(shè)備過早失效,也會造成停產(chǎn)或減產(chǎn),帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如,我國某鋼鐵企業(yè)高爐渣口,因受高溫熔體的侵蝕,工作壽命極短,每更換一次,高爐需休風(fēng)減壓,少加三批爐料,少出生鐵60t。該企業(yè)轉(zhuǎn)爐連鑄生產(chǎn)線連鑄輥道,其壽命只有4000爐(20萬t),而日本同類連鑄輥道可達(dá)15000爐,幾乎高達(dá)4倍。

    4.2抗高溫氧化涂層

    (1)功能。這些涂層用以改善基體(設(shè)備或設(shè)施)材料的高溫性能(最高溫度可達(dá)1150℃),使之能經(jīng)受高溫化學(xué)或物理溶解過程以及機(jī)械損傷的沖蝕過程,或二者都適應(yīng)。

    (2)對抗高溫氧化涂層的要求。為了使基體避免高溫氧化所造成的破壞,這些涂層必須:1)阻止大氣中氧的擴(kuò)散;2)阻止涂層本身向基體迅速擴(kuò)散;3)具有高于操作溫度的熔點(diǎn);4)在操作溫度下具有較低的蒸汽壓。

    (3)推薦的噴涂材料有鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、噴鋁封孔熱滲。

    (4)推薦的噴涂方法有等離子噴涂、高速火焰噴涂、燃燒火焰噴涂。

    (5)應(yīng)用實(shí)例包括加熱爐、均熱爐、熱處理爐、燒結(jié)爐、熱風(fēng)爐、蓄熱爐及蓄熱室的爐壁,金屬篦的表面、退火盤、退火罩、熱處理夾具、回轉(zhuǎn)窯外表面、高溫閥門、滑動閘板、煙道及煙囪等。多晶硅爐、燒結(jié)金屬成型、排氣消聲器、高爐風(fēng)口、送風(fēng)系統(tǒng)、燒結(jié)設(shè)備、鼓風(fēng)系統(tǒng)、凈氣系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、退火爐輥、弗朗克林爐、熱金屬浸漬加熱器、鈦條、鍛造工具、加熱罩、焦?fàn)t密封裝置、鼓風(fēng)冷卻系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐供氧系統(tǒng)、焦?fàn)t風(fēng)口、連續(xù)澆鑄輥及冷卻砂型等。

    4.3耐腐蝕性氣體涂層

    (1)功能。這些涂層必須保護(hù)暴露于高溫腐蝕性氣體中的基體材料,由于氧化和化學(xué)反應(yīng)同時(shí)存在,要防止涂層與氣體反應(yīng)的生成物對基體產(chǎn)生破壞。

    (2)對耐腐蝕性氣體涂層的要求。這些涂層應(yīng)該是:1)能經(jīng)受高溫腐蝕性氣體;2)能經(jīng)受周期性的熱沖及過熱;3)與基體熱膨脹系數(shù)要匹配。(3)推薦的噴涂材料有鎳鉻合金(但含硫介質(zhì)除外),噴鋁封孔熱滲。

    (4)推薦的噴涂方法有等離子噴涂,燃燒火焰噴涂。

    (5)應(yīng)用實(shí)例包括回轉(zhuǎn)窯內(nèi)表面、釬焊夾具、碳化盒、排風(fēng)機(jī)葉片、氰化處理坩堝、燃?xì)鉄煹老到y(tǒng)、電廠鍋爐回管、煉焦?fàn)t管、轉(zhuǎn)爐用鍋爐等。

    4.4熱障涂層

    (1)功能。這些涂層的熱導(dǎo)性低,作為熱障以降低基體金屬的受熱程度。

    (2)對熱障涂層的要求。這些涂層應(yīng)滿足:1)必須在工作溫度中耐氧化;2)有良好的耐熱沖性;3)與基體的熱膨脹系數(shù)盡可能接近;4)導(dǎo)熱率要低。

    (3)推薦的噴涂材料有氧化鋯、氧化鋁和鋯酸鎂。

    (4)推薦的噴涂方法為等離子噴涂。

    (5)應(yīng)用實(shí)例包括高溫爐感應(yīng)圈、釬焊和熱處理夾具、火炬熱障、加熱罩、高溫計(jì)套管、鑄鐵廠U形槽。

    4.5抗熔融金屬涂層

    (1)功能。這些涂層能經(jīng)受鋅、鋁、鋼、鐵和銅等熔融金屬的作用。

    (2)對抗熔融金屬涂層的要求。這些涂層應(yīng)滿足:1)能經(jīng)受熔渣和熔劑的腐蝕作用和處于熔體液面附近的金屬蒸氣和氧的侵蝕;2)防止涂層與融體形成低熔合金;3)能經(jīng)受熱疲勞和熱沖擊。

    (3)推薦的噴涂材料有氧化鋁、鋯酸鎂、白鎢和鉬。

    (4)推薦的噴涂方法有等離子噴涂、燃燒火焰噴涂。

    (5)應(yīng)用實(shí)例包括鍍鋅槽、澆鑄槽、模具、風(fēng)口、鋅蒸餾罐、冷凝管、鋅合金熔化爐、鍍鋅浸漬槽、高爐渣口、鑄鋁模、鑄銅模、連鑄機(jī)模、砂型鑄模、板塊結(jié)晶器、煉鋅攪拌裝置、結(jié)晶器護(hù)板、氧氣管噴嘴、轉(zhuǎn)爐吹氧槍、鋼包水口、金屬熔體測溫頭和石墨電極。

    4.6耐磨損涂層冶金工業(yè)生產(chǎn)中,各種機(jī)械設(shè)備失效的最大因素是磨損問題,而熱噴涂的最重要功能是提供耐磨損涂層,為大量的工程磨損進(jìn)行有效的保護(hù)。這類涂層的應(yīng)用范圍比其他類要廣泛。其磨損機(jī)理復(fù)雜,類型較多,加之冶金生產(chǎn)工況不一,因而這類涂層的功能與要求也不盡相同,茲分述如下:

    4.6.1耐粘著磨損涂層

    (1)功能。這些涂層有的容許磨粒嵌入和變形(軟支承表面);有的則是硬的支承材料(硬支承表面)。

    (2)對耐粘著磨損涂層的要求。這些涂層應(yīng)滿足:1)依軟或硬支承的不同,選用不耐磨的軟質(zhì)材料及耐磨的硬質(zhì)材料;2)對硬支承來說,涂層要適應(yīng)大載荷和高速度的要求。

    (3)推薦的噴涂材料有鋁青銅、磷青銅、巴氏合金、錫(以上是軟支承);自熔合金與鉬或銅的混合物、高碳鋼、不銹鋼、Co-WC合金、氧化物陶瓷等(以上是硬支承)。

    (4)推薦的噴涂方法有燃燒火焰噴涂(線材或粉材)、等離子噴涂。

    (5)應(yīng)用實(shí)例包括巴氏合金軸瓦、水壓機(jī)軸套、止推軸瓦、活塞導(dǎo)承、壓氣機(jī)十字滑塊、銅合金襯套、防傷軸承、主齒輪軸頸。

    4.6.2耐磨粒磨損涂層

    磨粒磨損是磨損中的重要形式,當(dāng)考慮到該過程處于不同溫度(<538℃為低溫,538～843℃為高溫)時(shí),則該類涂層具有很廣的應(yīng)用面。

    (1)功能。耐磨粒磨損涂層能經(jīng)受外來磨粒的作用,或是發(fā)生于某一硬表面或軟表面之間滑動。

    (2)對耐磨粒磨損涂層的要求。這些涂層的硬度要超過所存磨粒的硬度;對工作溫度要適應(yīng),在高溫中要有良好的抗氧化性。

    (3)推薦的噴涂材料包括陶瓷、金屬陶瓷、合金和金屬,根據(jù)工況從中選定。

    (4)推薦的噴涂方法有等離子噴涂、燃燒火焰噴涂、高速火焰噴涂、爆炸噴涂和電弧噴涂。

    (5)應(yīng)用實(shí)例包括礦石輸送系統(tǒng)、貯存設(shè)備、破碎系統(tǒng)、篩分系統(tǒng)、選礦系統(tǒng)、造粒系統(tǒng)、球磨機(jī)、抽風(fēng)機(jī)葉片、拋光夾具,沖壓模、轉(zhuǎn)爐入料口、切斷機(jī)、液壓千斤頂、氧傳感器、鼓風(fēng)爐體、高爐料鐘、泥漿泵活塞桿、拉絲絞盤、制動卷筒、擠壓模、導(dǎo)向桿、泵密封、鍛造工具、破碎輥、熱成型模具、各類曲軸、各類主軸和傳動軸、各種軸套、球磨機(jī)內(nèi)襯、切削刀口、葉輪、機(jī)械密封套、閥座、各類齒輪、油壓機(jī)拉桿、葫蘆齒軸、車床拖板、電機(jī)端蓋、螺桿泵、沖頭、車床分配軸、混砂機(jī)刮板、磨煤機(jī)錘頭和沖擊板、浮選機(jī)螺旋、磨粉機(jī)襯膽、無心磨托板、給水泵平衡卷、金剛石工具、冷拔鋼管內(nèi)模、鋼管、芯棒頂頭、制動鼓。各類軋輥———初軋輥、支撐輥、導(dǎo)衛(wèi)板、夾送輥、成型輥、熱處理爐輥、推料輥、傳送輥、牽引輥、冷軋機(jī)輥、酸洗槽支承輥、鍍鋅槽浸沒輥等。

    4.6.3耐沖蝕涂層

    (1)功能。這些涂層能經(jīng)受尖利的硬顆粒引起的磨損,這些顆粒存在于氣體或液體之中,并以一定的速度運(yùn)動。

    (2)對耐沖蝕涂層的要求。這些涂層應(yīng)滿足:1)選擇硬涂層,但沖擊角大于45℃時(shí),同時(shí)應(yīng)注意涂層的韌性;2)大多數(shù)涂層應(yīng)進(jìn)行封孔處理;3)涂層能經(jīng)受介質(zhì)的腐蝕性。

    (3)推薦的噴涂材料有合金、陶瓷、和金屬陶瓷。

    (4)推薦的噴涂方法有等離子噴涂、燃燒火焰噴涂和爆炸噴涂。

    (5)應(yīng)用實(shí)例有抽風(fēng)機(jī)、旋風(fēng)收塵系統(tǒng)、切斷閥桿和閥座。

    4.7耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕涂層冶金工業(yè),特別是濕法冶金工業(yè),常碰到介質(zhì)腐蝕給設(shè)備帶來危害的問題,若作業(yè)過程進(jìn)行在較高溫度中,這一問題更為突出。選擇高級材質(zhì)固然減緩這一問題,但不經(jīng)濟(jì)。在很多情況下,采用熱噴涂技術(shù)能得到滿意的結(jié)果。例如,不必采用不銹鋼制作設(shè)備的整體,只須用普鋼在其工作表面噴涂一層不銹鋼涂層。同樣,根據(jù)介質(zhì)及其他工況情況,可以噴銅、鋁、鉬、蒙乃爾合金、鎳鉻合金、鎳鉻鉬鈦合金(316L)等,使設(shè)備身價(jià)倍增。當(dāng)然,并非熱噴涂能有效地解決所有的腐蝕問題。事實(shí)上,采用這項(xiàng)技術(shù)解決帶有強(qiáng)腐蝕性問題,是一項(xiàng)十分慎重的工作,有些方面和某些環(huán)節(jié)還要研究與探討。