一文讀懂熱噴涂技術

熱噴涂技術可以在設備維修中修舊利廢,使報廢了的零部件“起死回生”;也可以在新產品制造中進行強化和預保護,使其“益壽延年”。可以大量節約能源、節約材料、提高功效、降低成本,特別適合我國國情,符合我國現行的經濟政策。是當前國家提倡的節能減排、低能耗、高效率的一項重要實用技術。

01

熱噴涂的發展歷程

熱噴涂技術自1910年,由瑞士的M.U.Schoop博士完成最初的金屬熔液噴涂裝置以來,已有超過一百年的歷史。


最初,熱噴涂主要用于噴涂裝飾涂層,以氧-乙炔火焰或電弧噴涂鋁線和鋅線為主。上世紀30~40年代,隨著火焰和電弧線材噴涂設備的完善及火焰粉末噴槍的出現,熱噴涂技術從最初的噴涂裝飾涂層發展為用鋼絲修復機械零件,噴涂鋁或鋅作為鋼鐵結構的防腐蝕涂層。


50年代爆炸噴涂技術及隨后等離子噴涂技術的開發成功,熱噴涂技術在航天航空等領域獲得了廣泛的應用。同一時期研制成功了自熔合金粉末,使通過涂層重熔工藝消除涂層中的氣孔、與基體實現冶金結合成為可能,擴大了熱噴涂技術的應用領域。


80年代初期開發成功超音速火焰噴涂技術,90年代初期得到廣泛應用,使WC-Co硬質合金涂層的應用從航天航空領域大幅度擴大到各種工業領域。功率高達200kW的高能等離子噴涂技術、超音速等離子噴涂技術、及軸向送粉式等離子噴涂技術的、尤其是高效能超音速等離子噴涂技術的出現,為在各個工業領域進一步有效地利用熱噴涂技術提供了有力的手段。


電弧噴涂和豁然噴涂



我國熱噴涂技術是從20世紀50年代開始的,當時由吳劍春等人在上海組建了國內第一個專業化噴涂廠,研制氧乙炔焰絲材噴涂及電噴裝置,并對外開展金屬噴涂業務。


60年代少數軍工單位開始研究等離子噴涂技術(如北京航空工藝技術研究所、航天公司火箭技術研究院703所、航空部門410、420、430廠等單位),在我國軍工部門開始得到應用。


到了70年代中后期出現了許多品種的氧乙炔火焰金屬粉末噴涂(熔)設備和各種鎳、鐵、鈷基自熔性合金粉及復合粉末噴涂材料,給熱噴涂技術快速向前發展打下了一個堅實的基礎。熱噴涂材料是熱噴涂技術的“炊糧”,材料品種的增加和性能的改善,將直接提高涂層質量。


值得提出的是北京礦冶研究總院等單位在這一階段研制并開發了鎳包鋁等放熱型噴涂材料和多種復合粉末材料,拓寬了涂層應用范圍,給我國熱噴涂技術帶來生機,這一階段可以說是我國熱噴涂技術發展的初級階段,盡管這一階段有了一定的進展,但總的來說進展緩慢,只是到了70年代中后期80年代初才獲得了較快的發展。特別是原國家經委將熱噴涂技術作為國家重點推廣項目以后,發展速度更快并取得了顯著的經濟效益。


1981年10月21~27日由國家經委、國家科委主持在北京召開了首屆全國熱噴涂會議,會上宣布在國家經委領導下成立了全國熱噴涂協作組,掛靠北京礦冶研究總院。協作組對上聯系國家經貿委,對下聯系各省市、自治區經委科技處各部門科技局,以及大中型企業、大專院校、科研單位等,形成了跨地區、跨行業、跨部門推廣應用熱噴涂技術網絡體系。


1991年國家機電部武漢材料保護研究所向國家民政部申請成立了中國表面工程協會熱噴涂專業委員會,現掛靠中國農機院。這兩個噴涂行業組織的先后成立,大大地促進了我國熱噴涂技術的發展,從業單位由20世紀80年代初的幾十家到目前已經發展到近2000家專業噴涂廠家,可以說這一階段我國熱噴涂技術發展到了一個繁榮昌盛階段,應用范圍逐漸擴大。


在機械、冶金、石化、電力、鐵路、造紙、輕紡、醫療衛生、軍工和國防等國民經濟許多部門得到了廣泛應用。上世紀90年代發展到一個嶄新階段,這一階段的發展特點是:設備方面向高能、高焓、高速度方向發展;材料方面向系列化、標準化、商品化方向發展,以保證多功能高質量涂層的需要;工藝技術方面向機械化、自動化方向發展,如計算機控制、機械操作等;


推廣應用的著重點是:

(1)緊緊抓住推廣應用中的主要問題。各行業、各地區抓好量大面廣的典型件進行推廣應用,如:冶金行業的高爐風口、連鑄機軋輥、爐底輥,電力行業的鍋爐四管,煤炭行業的刮板機中部槽、液壓支柱,機械行業的閥門,造紙行業的烘缸,紡織行業的羅拉、過絲輪,石油行業的鉆桿、柱塞,制糖行業的底梳、面梳等。


(2)抓大型關鍵設備的維修與強化,如:冶金行業的萬噸油壓機柱塞、煉鐵廠的高爐大料鐘、寶鋼的高溫爐輥、獨山子煉油廠的燃氣輪機葉片以及濰坊純堿廠的二氧化碳壓縮機汽缸,這些設備其價值都在百萬元以上,甚至每天創造價值都在百萬元以上,修復意義重大。


(3)抓好進口零部件的維修與強化。近年來許多部門進口設備比較多,采用熱噴涂技術進行修復與強化既可解決生產急需又可節約大量外匯。


(4)開展社會主義大協作,對重大設備采取專家會診,協作攻關。如包鋼引進德國6500m3引風機大軸、北京東方紅煉油廠引進日本的關鍵設備、武鋼1.7m軋機、西南鋁加工廠號稱“國寶”的萬噸油壓機柱塞、貴州鋁廠的碳素電極擠壓成形嘴等大型進口關鍵設備都組織專家會診,協作攻關,成功地進行了修復,既解決了企業生產中的難關,又為國家節約了大量外匯,其經濟效益和社會效益重大。


(5)加強國內外的交流與合作,僅全國熱噴涂協作組就已經召開了16屆年會和各種類型的國內外技術交流活動,舉辦了兩屆中、日熱噴涂技術研討會以及多次國際間的技術交流活動。近年來和國際上有影響的相關組織和企業保持著密切的聯系,如美國金屬學會熱噴涂協會(ASMTSS)、德國焊接學會(DVS)、國際熱噴涂協會(ISPC,CANADA)、蘇爾壽美科公司(SULZER METCO,SWITZERLAND)、普萊克斯公司(PRAXAIR,USA)以及愛羅普拉斯瑪株式會社(AEROPLASMA,JAPAN)等。


借鑒國外的先進熱噴涂技術,為我國熱噴涂技術的發展與提高作出了重要舉措。還舉辦6次大型技術講座、30多次普及型和專業型技術培訓班,召開7次大型現場技術經驗交流會,出版印刷10余種論文集。“八五”期間熱噴涂技術的推廣應用獲國家“高效優質的熱噴涂技術”的推廣獎。


超音速噴涂和等離子噴涂



進入21世紀以來,我國的熱噴涂技術已經有了飛快的發展,設備與材料經過幾十年的自主開發和引進、借鑒國外先進技術,目前,中國已能開發和生產真空等離子、大氣等離子(高能等離子)、爆炸噴涂、等離子堆焊、電弧噴涂及火焰粉末噴涂及火焰線材噴涂設備,生產金屬粉末(Ni、Co、Fe基)、各種復合粉、陶瓷、金屬陶瓷粉末、各種合金絲材和粉芯絲材等,基本上可以滿足國內熱噴涂市場的需要。有些品種已經達到國際先進水平。


冷噴涂和爆炸噴涂




應該特別指出的是,最早問世的火焰噴涂技術、電弧噴涂技術在飛速發展的熱噴涂技術中,不但沒有被淘汰,而是經過不斷改進在適應各類材料的噴涂中繼續發展。


各種新型噴涂材料的出現,進一步擴大了火焰噴涂技術的使用范圍。新型火焰噴涂槍可以噴涂各種金屬、陶瓷、金屬加陶瓷的復合材料和各種塑料粉末材料的涂層。盡管等離子和HVOF/HVAF超音速以及爆炸噴涂的涂層優于常規火焰噴涂和電弧噴涂,但由于投資大、操作控制系統復雜、設備笨重、無法現場施工等缺點,應用范圍受到極大限制,在防腐和維修市場難以推廣普及。


新型火焰噴涂設備與技術和超音速電弧噴涂設備與技術在工業防腐和零件修復市場中永遠是主要技術力量。特別值得指出的是,電弧噴涂既是一種古老的噴涂技術,又是一種嶄新的噴涂技術。該技術產生于20世紀初,當時由于受噴涂設備性能的限制,只能噴涂一些低熔點的金屬材料來防止鋼鐵表面銹蝕。隨著熱噴涂技術的發展與提高,電弧噴涂技術也在不斷進步。到了20世紀中期,電弧噴涂技術已經占據了重要地位。后來由于等離子、爆炸等噴涂技術的出現,能滿足航空、航天、火箭等尖端技術的需要,在某種程度上限制了電弧噴涂技術的發展。


進入90年代,由于北京工業大學研制成功粉芯絲材,給電弧噴涂技術帶來了生機。粉芯絲材既克服了高合金成分難以拔絲的困難,同時還能使一些不導電的顆粒材料(陶瓷及碳化物)填充到粉芯絲材中,在電弧噴涂上得以應用,如Al2O3、TiO2、TiB2和Cr3C2等。由于粉芯絲材成分易調節、生產周期短、選材便利、成本較低等優點,因此促進了電弧噴涂技術的發展。


近年來高合金、鋅鋁合金(85/15)的絲材的出現,使電弧噴涂技術發展得更快。隨著電弧噴涂材料的品種不斷增加,性能不斷提高,電弧噴涂設備又向精密化、自動化方向發展。如超音速電弧噴涂、高速脈沖電弧噴涂、復合電弧噴涂、保護氣體電弧噴涂和真空電弧噴涂等,這些新的電弧噴涂工藝技術的出現,大大地提高了噴涂效率,改善了涂層質量,拓寬了電弧噴涂技術的應用領域。當前這項技術很受青睞,在國民經濟許多部門發揮了重要作用,使古老的電弧噴涂技術煥發了青春。


激光噴涂和HVAF超音速噴涂



熱噴涂設備與材料經過幾十年的自主開發和引進、借鑒國外先進技術,目前,中國已能開發和生產真空等離子、大氣等離子、爆炸噴涂、等離子堆焊、電弧噴涂、火焰粉末噴涂、火焰線材噴涂設備,生產金屬粉末(Ni、Co、Fe基,合計約300t/年)、陶瓷、金屬陶瓷粉末(Al2O3、Al2O3+TiO2、Cr2O3、WC—Co等,合計約200t/年),絲材(Al、Zn、Cu、不銹鋼等,合計約1000t/年)。


盡管設備總體還沒有達到世界先進水平,材料方面仍有許多改進之處,但是,中國已成為世界上少數幾個能在熱噴涂設備和材料上自給自足的國家之一,基本滿足熱噴涂行業需要。同時,約有10%的設備和材料仍需進口。


真空等離子噴涂


02

熱噴涂技術的應用現狀

熱噴涂技術作為一種技術涉及面廣、加工工藝相對簡單靈活、應用范圍廣、經濟效益大的現代加工新技術,它可使表面具備耐磨、防腐、絕熱、耐熱、導電、絕緣、抗沖蝕、抗氧化、減摩、潤滑、防輻射等功能。不但可以用于機械零部件的修復和表面強化,而且可以用于制造。


由于噴涂材料的選擇范圍廣,不受整體材料合金化的限制,可較方便地獲得超硬合金、各種陶瓷或金屬陶瓷涂層以及各種功能涂層,且涂層相對于整體高級材料而言材料用量少,比起整體提高材質無疑要經濟得多,因此可大膽使用貴重材料,其成本不會增加很多,而材料的表面性能卻能得到大幅提高,經熱噴涂修復的零件使用壽命一般可以達到甚至數倍超過新品。


03

熱噴涂技術未來發展趨勢與展望

從未來的發展趨勢看,熱噴涂系統工程的研究將越來越受到人們的重視。目前許多國家都加強了對熱噴涂系統工程的研究,即從失效分析入手,通過對表面預處理,噴涂設備、噴涂材料及噴涂工藝的優化,制定出熱噴涂實施工藝計劃。在發展過程中,熱噴涂技術與其他學科相互交叉滲透形成了新的表面處理工藝。未來熱噴涂技術可能在以下方面發展:



(1)在噴涂材料的選擇方面:火焰噴涂技術、等離子噴涂技術和超音速火焰噴涂技術所采用的粉末型噴涂材料還將是市場需求主流,電弧噴涂技術和冷噴涂技術噴涂材料的選擇雖然有一定的局限性,但未來隨著工藝進步與更新,還將得到進一步拓展。


(2)在涂層與基體的結合強度方面:冷噴涂、超音速火焰噴涂、超音速等離子噴涂和LPPS-TF涂層等與基體的結合強度相對較高的方法,將發揮更大的作用。


(3)在基礎理論的研究方面:熱噴涂技術是一個涉及多學科,交叉性很強的邊緣性學科。它由于受到高溫、高速以及力學非均勻性等參數因素的影響,熱噴涂技術基礎理論的研究面臨很大的困難,基礎理論的研究尤為重要。


(4)在新型噴涂材料研發方面:熱噴涂材料總的發展趨勢是:涂層成分的復合化和低雜質化,結構的超微化和納米化,而且納米結構復合型,多元合金等各種新型材料的研發為研究的熱點。


(5)在噴涂工藝和設備研發方面:提高涂層質量和擴展噴涂材料的關鍵是要提高噴涂粒子的能量和速度,因此,熱噴涂工藝和設備的改進和開發要向著高能和高速的方向發展。


(6)在新的應用領域拓展方面:熱噴涂技術具有和其它學科彼此滲透、相互貫通的特點,利用這一特點不斷的開發新的熱噴涂技術,并開發出新的熱噴涂技術應用領域。熱噴涂技術與其它相關技術的結合是探索和開發熱噴涂新應用領域的有效途徑。

來源:CTSA熱噴涂技術平臺


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