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    1、 表面处理技术 热喷涂技术应用与前景摘要本文主要介绍了金属表面热喷涂技术的原理、特点及其在生产中的应用,并简单介绍了几种热喷涂技术。得出热喷涂技术的特点和用途使其成为一种综合应用技术,得到广泛应用,具有极其广泛的发展前景。关键词:热喷涂技术、表面工程、发展、前景热喷涂技术在国民经济建设中所发挥的重大作用,越来越引起人们重视。它作为表面技术一个重要组成部分,在国家“六五”至“九五”连续四个五年计划重点推广应用中取得了显著成绩,获得了重大经济效益。目前,无论在设备、材料、工艺、科研等方面都在迅速发展与提高。从去年 10 月在宁波举行的“第十五届全国热喷涂技术经验交流会”上国内外专家的专题报告以及宣

    2、读的论文中可以看出,我国热喷涂技术近期发展的概况及特点是:设备方面(喷枪)向高能、高速度方向发展;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、机械手操作等。下面简要介绍如下:1. 热喷涂设备发展的新动向近期我国加快了设备研制和生产步伐,目前已形成了完整的研制和生产体系,除原有的 20 多个生产单位,单机品种可达 100 多个外,近几年来超音速喷涂、等离子喷涂、超音速电弧喷涂、冷喷涂、棒材及陶瓷软线喷涂方面都有很大进展,加之引进许多国外先进设备,使我国热喷涂设备发展达到了崭新阶段。1.1 等离子喷涂设备1.1.1 超音速

    3、等离子喷涂设备国际上高能高速已成为热喷涂技术的发展方向,相继出现了爆炸喷涂(CD-GmsPrating)、超音速火焰喷涂(HVOF、HVAF)、低压等离子喷涂(LPPS)、以及超音速等离子喷涂(Plazjet)等技术。这些技术都是通过大幅度提高喷涂粒子的速度来获得高质量涂层。但上述设备都各自有不足之处,由美国Browning 公司在 1986 年末推出的超音速等离子喷涂(Plazjet)具有设备投资少、材料来源广、涂层质量好、生产效率高等诸多优点。1.1.2 超低功率、高效等离子喷涂设备大连海事大学研制的 Plasma-LE15 超低功率高效等离子喷涂设备特点是:(1)充分利用等离子热能,实现

    4、电能消耗为 213KW;(2)粉末和用于发生等离子气体一同投入喷咀入口,粉末从等离子体发生点开始被加热并与等离子气流方向一致;(3)等离体弧长约 60mm(没有添加粉末时),等离子气流集中,粉末飞行速度高,涂层组织致密;(4)粉末充分被加热,喷涂效率高,金属和碳化物粉末沉积效率可达80以上;(5)直流电源和气体控制一体化,能够方便移动,适合于现场喷涂作业;(6)由于喷涂小型化可直接喷涂 140mm 以上内表面。1.1.3 水稳等离子喷涂设备在气稳等离子喷涂占据着领导地位的今天,水稳等离子喷涂的出现为人们提供了一种互补的选择。水稳等离子喷涂的优点与缺点都较为突出;功率大、运行成本低、喷涂速度高;

    5、但结构与工艺过程较为复杂。在当今热喷涂技术向大产值、大批量迈进的形势下,这项技术开始受到更多的重视和应用。气稳等离子弧适用于对喷涂质量要求高、喷涂面积小、工艺精细的作业,喷涂材料一般较为特殊、价格较昂贵;而水稳等离子喷涂则是用于大面积、高速率作业,尤其适用于批量喷涂氧化物材料,对于大量生产球形粉末材料也是最佳的选择。目前,主要用来喷涂罗拉件、风机叶片、锅炉部件等等。最成功的实例当属用于喷涂电弧炉石墨电极;在玻璃工业中,喷涂 ZrSiO4能够大大延长搅拌器和进料器的使用寿命;还有一项典型的应用便是生产球形粉末材料,因为它效率极高。1.2 高速电弧喷涂装置粒子速度对涂层质量有决定性作用,热喷涂涂层

    6、质量的改善往往是粒子速度提高的结果。随着热喷涂技术的发展,一种新的电弧喷涂方法超音速电弧喷涂技术应运而生。超音速电弧喷涂其粒子飞行速度可大于 380 米秒,涂层结合强度高,孔隙率低。1.3 超音速火焰喷涂装置目前从国外引进的超音速火焰喷涂装置(HVOF),(HVAF)设备,其特点是粒子飞行速度高,涂层结合强度高,孔隙率低(一般小于 1),据不完全统计,目前国内已从美国、德国、日本等国家进口近 30 台,这些设备在航天、航空、冶金、电力等行业发挥着重要作用。但是上述进口设备价格昂贵,结合我国国情第二炮兵工程学院、西安交大、铁岭永兴石油机械有限公司等单位研制成功了适合我国国情的超音速火焰喷涂装置,

    7、其价格只有进口的 1/21/10。1.4 CP-1000 型高速火焰粉末喷涂枪HVOF 高速火焰喷涂装置除价格昂贵外,且燃料(丙烷、丙烯)不易普及、针对上述情况,结合我国国情四川长诚热喷涂技术公司研制成功了 CP-1000 型氧-乙炔焰为热源的高速喷涂枪。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(该枪粒子飞行速度可达 240m/s),比常规氧乙炔火焰粉末喷涂粒子飞行速度提高了 45 倍,可以喷涂金属及合金粉末材料、Al2O3、Al 2O3-TiO2、CO-WC、Ni-Cr/Cr 3C3、ZrO 2以及聚乙烯、尼龙及热塑材料。特别是该枪能喷涂 NiCr/Cr3C2等粉末材料,目前

    8、已在国内 20 多个电厂锅炉“四管”上现场喷涂得到了成功应用。1.5 D2-5000 型高能火焰喷涂装置由中国农机院表面技术研究所自行设计并研制成功的 D2-5000 型高能火焰粉末喷涂系统,其特点是高速喷咀,最高能量可达 26.250kcal/h,长时间工作不发热、不回火,并配以高精度送粉器,采用沸腾床原理,送粉精度高(5),送粉稳定性好,可送粒度在 5m 以上的各种陶瓷、金属、塑料等粉末。送粉率达 0.5kg/h-15kg/h。该枪的研制成功,将有益于氧乙炔火焰粉末喷涂技术发展。1.6 大功率燃气火焰重熔装置火焰喷涂喷焊技术在维修和强化工件表面中一直发挥着重要作用,特别是喷焊技术,具有非常

    9、高的结合强度,适合于要求结合强度高的工况条件下工作的工件。目前国内所生产的重熔枪由于功率小,可以满足小型工件喷焊强化要求。随着工业的发展特别是冶金行业要求喷焊强化的工件,越来越大,如连铸机的拉矫辊、输送辊、校直辊等等,要求喷焊的辊的直径可达到 400mm,国内的重熔枪显得力不从心。为了解决这个问题,国内已有人采用炉熔的工艺进行重熔强化处理。1.7 棒材及软线喷涂设备1.7.1 棒材喷涂设备尽管等离子喷涂能喷涂各种高熔点的陶瓷及金属氧化物材料,制备高性能涂层,但由于等离子喷涂系统设备复杂却投资费用大,又不宜现场施工,为了弥补上述不足,上海瑞法喷涂机械有限公司研制成功了陶瓷棒材喷涂设备,现已推向市

    10、场,为我国棒材喷涂技术创造了良好条件。1.7.2 软线喷涂装置软线热喷涂技术是把热喷涂材料制造成柔性软线进行热喷涂的技术。它是一种万能、强力、高速热喷涂系统。软线热喷涂系统是法国 SNMI 公司发明创造的。十年前通过中俄热喷涂企业引进到我国,在我国还是鲜为人知的新技术。经过十余年使用、开发、研究、推广已开始在我国使用。软线热喷涂技术在涂层性能、质量、经济性、适用性较粉末喷涂技术有显著提高,达到了中等等离子喷涂的水平。软线热喷涂技术是中国发展陶瓷热喷涂技术和热喷涂材料技术的发展方向,是热喷涂技术的新发展、新进步。2 热喷涂技术原理 表面工程是经表面预处理后,通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技

    11、术复合处理,改变固体金属表面和非金属表面的形态、化学成份和组织结构和应力状态,以获得所需要表面性能的系统工程。 热喷涂技术是表面工程中的一个重要分支,它是通过火焰、电弧或等离子体等热源,将某种线状和粉末状的材料加热至熔融或半融化状态,并将加速形成的熔滴高速喷向基体形成涂层。涂层具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温和隔热等优异性能,并能对磨损、腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复。热喷涂技术的应用主要包括:长效防腐、机械修复及先进制造技术、模具制作与修复、制造特殊的功能涂层等四个方面。目前,热喷涂技术已广泛应用于几乎所有工业领域以及家庭用品(如不粘锅、红外线保健电热器等) 。 热喷涂技术的发展十分迅速

    12、,并迅速被推广使用。1、热 喷 涂 技 术 具 有 的 优 点 : ( 1) 设 备 轻 便 , 可 现 场 施 工 。 ( 2) 工 艺 灵 活 、 操 作 程 序 少 。 可 快 捷 修 复 , 减 少 加 工 时 间 。 ( 3) 适 应 性 强 , 一 般 不 受 工 件 尺 寸 大 小 及 场 地 所 限 。 ( 4) 涂 层 厚 度 可 以 控 制 。 ( 5) 除 喷 焊 外 , 对 基 材 加 热 温 度 较 低 , 工 件 变 形 小 , 金 相 组 织 及 性能 变 化 也 较 小 。 (6)适用各种基体材料的零部件、几乎可在所有的固体材料表面上制备各种防护性涂层和功能性涂

    13、层。 3 热喷涂技术发展趋势及特点腐蚀和磨损是造成材料和零部件失效的主要原因,据有关资料报导,发达国家每年由于磨损和腐蚀造成的经济损失约占国民经济总产值的 45,全世界每年生产的钢材约 1/10 将变成铁锈。我国每年腐蚀、磨损造成的损失已达几仟亿元。所以热喷涂技术的推广应用在国民经济建设中越来越显得重要。当前,我国热喷涂技术已经发展到了一个崭新阶段,其喷涂工艺已从氧乙炔火焰金属粉末喷涂(焊)为主向高能、高速度先进设备方向发展;应用范围已从旧修利废为主向新产品预保护和强化方向发展。3.1 几种新工艺技术的应用(1)爆炸喷涂、超音速喷涂(HVOF、HVAF)喷涂连铸机轧辊和炉底辊。采用上述两种工艺

    14、,上海、江苏、广东、山东、四川、湖北等地已经成功喷涂了连铸机轧辊和炉底辊,喷涂 NiCr/Cr3C2涂层和 Al2O3、ZrO 2陶瓷涂层取得了良好效果,已有许多成功实例。(2)采用激光重熔、高频感应重熔、电子束重熔、大功率火焰重熔、炉中重熔工艺,已在伐门、石油行业各种柱塞,连铸机低温段各种轧辊(如 1450 轧机输送辊)广泛应用,克服了以往的氧乙炔火焰重熔功率低、易变形等缺,保证了涂层质量,采用高频重熔技术生产的石油光杆已出口国外。(3)电弧喷涂 Ni-Cr-Ti(45CT)、NiCr/Cr 3C2 、Ni70/Cr30 涂层已在电厂锅炉对流受热面上广泛应用,目前国内已有 30 多个电厂锅炉

    15、对流受热面上广泛应用,获得了较好效果。(4)电弧及其它喷涂方法,喷涂 304L、316L 不锈钢材料、哈氏合金高耐蚀材料已在食品、化工容器中广泛应用,取代整体制作不锈容器,效果很好。(5)超音速等离子喷涂已在军工及国防工业中发挥了重要作用。(6)引进的 HVOF、HVAF 以及高能等离子喷涂设备正在攻克钢厂结晶管。(7)TiB 2、Al 2O3/TiB2涂层正在攻克电介槽节能课题,同时也在攻克熔融金属腐蚀问题。(8)棒材及陶瓷软线喷涂,正在为现场喷涂陶瓷及合金涂层服务,解决了一部分等离子,超音速现场不能喷涂的问题。(9)锌、铝及其合金大面积长效防护涂层,已在国内重大工程中应用,如新建的长江大桥

    16、水闸门、大型管道、煤矿井筒等大型工程应用已百余例。3.2 我国热 喷 涂 工 艺 技 术 近 年 发 展 趋 势 与 特 点 :(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 , 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 电 视 铁 塔 、 桥 梁 、 公路 设 施 、 水 闸 门 、 微 波 塔 、 高 压 输 电 铁 塔 、 地 下 电 缆

    17、支 架 , 航 标 浮 鼓 、 竖 井井 筒 等 大 型 工 程 , 都 采 用 了 喷 涂 铝 、 锌 及 其 合 金 方 法 进 行 防 腐 。 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 近 年来 这 方 面 已 有 许 多 成 功 应 用 实 例 , 如 : 一 米 七 轧 机 、 高 速 风 机 转 子 , 大 型 挤压 机 柱 塞 、 大 型 齿 轮 、 电 极 挤 压 成

    18、 型 嘴 、 大 功 率 汽 车 曲 轴 等 。 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

    19、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

    20、 乙 炔 火 焰 塑 料 粉 末 喷 涂 设 备 , 采 用 该 项 工 艺 技 术 , 已 在 化 工贮 罐 、 管 道 、 陶 瓷 行 业 泸 泥 机 板 框 、 印 染 行 业 的 导 布 辊 、 煤 炭 行 业 带 式 运 输机 铸 铁 托 轮 、 石 油 行 业 注 聚 设 备 , 以 及 表 面 装 潢 等 方 面 都 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 腐 蚀 是 机 械 部 件 受 周 围 介

    21、 质的 化 学 或 电 化 学 作 用 而 失 效 的 主 要 原 因 之 一 。 它 不 仅 使 大 量 金 属 材 料 受 损 失 ,从 而 造 成 的 停 产 损 失 更 难 以 估 计 , 所 以 人 们 对 化 工 防 腐 工 作 特 别 重 视 。 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

    22、, 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 。 该

    23、系 列 封 孔 剂 已 获 专 利 并 获 国 家 发 明 奖 。 这 些 封 孔 剂 的 研 究 成 功 ,使 热 喷 涂 技 术 在 化 工 防 腐 工 程 中 的 应 用 有 了 新 进 展 。 (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

    24、 光 重 熔 技 术 应 用 在 纺 织 机 械 中 。 (8)热喷涂技术在建筑装潢医疗卫生方面也得到了应用 近年来四川、上海、沈阳、云南等地采用热喷涂技术喷涂了各种雕像、饰物、大型壁面等收到了良好效果,如沈阳市国际商场的孔雀开屏大型壁画就采用了热喷涂技术。随着热喷涂技术的发展与提高,该项技术已渗透到其他领域中,如生物领域用热喷涂方法,制造人工骨骼,目前国内已临床 200 多例,效果很好。此外,用热喷涂方法制造的人工牙齿,也得到了初步应用。 (9) 热喷涂在石油工业中也得到了广泛的应用 热喷涂已成功用于石油勘探,开采等设备的修复和防护。热喷涂涂层已成功用于石油钢管、海洋平台的长效防腐。某井下作

    25、业公司工程安装公司引进的电弧喷涂技术,较好地解决了金属防腐难题,填补了油田金属防腐空白。工程安装公司目前已将该技术应用到线材、板材、型材及金属设备中,喷涂后的产品防腐能力提高了两倍以上。 结论:由于表面工程技术节能、节材,从而保护了人类赖以生存的宝贵资源,同时还对环境保护起到了非常关键的作用。21 世纪表面工程技术将渗透各行各业,推动社会文明、提高生活质量。参考文献:【1】 表面技术的发展和应用.物理. 徐宾士,马世宁,刘世参,张振学,张伟.1999.( 8)【2】 涂层技术原理及应用,北京. 化学工行业出版社. 宋幼慧.2000表面工程与维修.北京:机械工业出版社 .徐宾士主编 .1996材料成型新技术结课论文学号 200806025姓名:郭军卫

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