电弧喷涂技术的发展现状及展望

、电弧喷涂技术的发展现状及展望1．电弧喷涂技术的发展过程电弧喷涂技术是热喷涂技术的重要组成部分之一，既是一种古老的喷涂技术，又是一种崭新的喷涂技术。该技术产生于20世纪初，当时由于受喷涂设备性能的限制，只能喷涂一些低熔点的金属材料来防止钢铁表面锈蚀。随着热喷涂技术的发展与提高，电弧喷涂技术也在不断进步。到了20世纪中期，电弧喷涂技术已经占据了重要地位。后来由于等离子、爆炸等喷涂技术的出现，而且能满足航空航天及火箭等尖端技术的需要，在某种程度上又限制了电弧喷涂技术的发展。20世纪70年代以来，粉芯丝材的出现给电弧喷涂技术带来了生机。粉芯丝材既克服了高合金成分难以拔丝的困难，同时还能使一些不导电的颗粒材料(陶瓷及碳化物)填充到粉芯丝材中，在电弧喷涂上得以应用，如AI2O3，、TiO2、TiB2和Cr3C2等。由于粉芯丝材的成分具有易调节、生产周期短、选材便利以及成本较低等优点，因此促进了电弧喷涂技术的发展。近来随着高合金和锌铝合金(85/15)丝材的出现，使电弧喷涂技术得到更快的发展。2．电弧喷涂技术进入了崭新时代进入80年代以后，随着电弧喷涂材料品种的不断增加及性能不断提高，电弧喷涂设备又向精密化、自动化方向发展，如超速电弧喷涂、高速脉冲电弧喷涂、复合电弧喷涂、保护气体电弧喷涂及真空电弧喷涂等。这些新的电弧喷涂工艺技术的出现，大大提高了喷涂效率，改善了涂层质量，拓宽了电弧喷涂技术的应用领域。当前这项技术很受青睐，在国民经济的许多部门发挥了重要作用，使古老的电弧喷涂技术焕发了青春。3．电弧喷涂技术的发展趋势与展望高能等离子喷涂、高速火焰喷涂(HVOF)和燃气爆炸喷涂技术固然在航空航天及国防等尖端领域的应用是不可缺少的，但由于设备复杂、造价昂贵，又不易现场施工，因此电弧喷涂技术在某些领域里可以取代上述工艺方法。如电厂锅炉受热面、钢厂转炉烟罩及化工储罐等许多行业的防腐耐磨涂层。据有关资料显示，电弧喷涂技术在1960年、1980年和2000年占喷涂技术的比例分别为15%、6%和15%。2000年以后，电弧喷涂技术发展的更加迅速，预计现在约占喷涂技术的比例已达20%左右，所以未来电弧喷涂技术的发展将迎来一个崭新的时代。二、超音速电弧喷涂技术的特点1．超音速电弧喷涂技术工作原理近年来，高能高速喷涂成为热喷涂发展的一个重要方向，特别是粒子速度受到普遍关注。粒子速度对涂层质量有决定性作用，热喷涂涂层质量的改善往往是粒子速度提高的结果。与等离子喷涂、超音速火焰喷涂相比，普通电弧喷涂粒子速度低，是制约电弧喷涂技术发展的重要因素。随着热喷涂技术的发展与提高，一种新的喷涂方法——超音速电弧喷涂技术应运而生。超音速电弧喷涂采用拉法尔喷嘴和计算机辅助设计技术，代表了当今电弧喷涂发展的最高水平。其工作原理是：燃烧于丝材端部的电弧将均匀送进的丝材熔化，经拉法尔喷嘴加速后的超音速气流再将熔化的丝材雾化为粒度细小均匀的粒子，喷向工件表面形成涂层，超音速电弧喷涂与普通电弧喷涂的火焰比较见图1。2．涂层特点(1)粒子速度超音速电弧喷涂粒子速度高，采用kodak1012型高速运动分析仪测得纯铝涂层的粒子最大速度为385.7m/s，平均速度为373.6m/s，T8钢涂层的粒子最大速度为301.9m/s，平均速度为259.6m/s。(2)结合强度按照标准ASTMC633-1979在电子拉伸试验机上进行涂层结合强度测试。以常用材料3Cr13为例，涂层结合强度平均值为60MPa，最大值为68.1MPa。(3)涂层孔隙率以3Cr13为例，用金相检查法测定：涂层均匀致密，无大的空洞缺陷，孔隙平均大小为0.9μm，孔隙率为0.7%。(4)涂层硬度采用Micromet－Ⅱ显微硬度计测试，以3Cr13为例，涂层硬度平均值为397HV。(5)粒子雾化用S-2700扫描电镜观察雾化粒子的形貌，同时测量粒子的粒度。以3Cr13为例,3Cr13粒子基本成球形，平均粒度为4.32μm，较大的为18.8μm，较小的为1μm，粒子雾化效果好，分布均匀。3．各种喷涂方法的工艺特点由于采用的热源不同、喷涂方法不同，因此其热源温度与粒子飞行速度也不尽相同，各种喷涂方法的工艺特点见表1。4．三种喷涂方法纯铝涂层的主要性能超音速电弧喷涂由于采用了拉法尔喷嘴，将喷涂粒子速度提高到超音速，因此改善了粒子雾化效果，提高了涂层质量，在工业领域应大力推广应用。据有关单位测试，现将喷涂纯铝涂层三种喷涂方法的主要性能，列于表2。三，超音速电弧喷涂技术在重要工业领域的应用由表1可以看出，尽管超音速火焰(HVOF)喷涂工艺方法的粒子飞行速度超过超音速电弧喷涂方法，但其设备复杂，不能到现场喷涂施工。而超音速电弧喷涂方法的粒子飞行速度大大超过了氧乙炔火焰丝材喷涂和普通电弧喷涂方法，且能在现场喷涂施工。结合我公司近年来采用超音速电弧喷涂技术在几个工业部门的成功应用，下面作简要概述。1．电厂锅炉受热面(锅炉四管)高温腐蚀磨损一直是工业锅炉普遍存在的问题，给生产带来极大危害。仅以火力发电厂为例，燃煤锅炉是重要的能量转换装置，有专家预测到2050年，我国燃煤锅炉仍占50%。燃煤锅炉“四管”(水冷壁、过热器、再热器和省煤器)对流受热面受高温烟气中飞灰的冲击磨损，以及高温氧化和含硫介质的高温腐蚀作用，使“四管”壁减薄，经常发生“四管”爆裂事故，造成电厂非计划停炉。据有关资料统计，在电厂锅炉事故中“四管”爆裂事故占40%～60%。：350MW机组每停机一天造成的损失折合人民币60万元，因此不断寻求更好的方法，避免锅炉受热而产生故障，对企业获得经济效益和社会效益来说意义十分巨大。超音速电弧喷涂技术是电厂锅炉受热面防磨、防腐的一种行之有效的方法，具有广泛的应用前景(这里仅以循环流化床锅炉为例，见图2)。(1)涂层结构水冷壁基材+耐磨合金涂层+封闭层，组成耐高温、耐磨损、耐腐蚀复合涂层。其中，SAM耐磨合金层底层≥0.7mm(北京工业大学生产的粉芯丝材)，特制耐高温封闭层为0.1mm，涂层总厚度≥0.8mm。(2)涂层主要性能①熔点1300℃，可长期在900℃环境下上作。②线膨胀系数(12.2～14)×10“心，与20锅炉钢基本相近(20G钢的线膨胀系数为11.16～13.95×10-6/℃)。③涂层与基材结合强度≥50MPa。④涂层硬度：949～1362I-IV(即≥67HRC换算值)。⑤涂层耐磨度相当于Q235钢的18倍以上。⑥涂层抗高温氧化性:6.3mg/cm2(750℃氧化250h)。⑦涂层孔隙率＜1%。⑧喷涂时控制基材温度≤120℃，基体不发生变形。上述复合涂层结构、涂层厚度和涂层性能，完全可以满足循环流化床锅炉受热面运行工况条件的要求，我公司已经在全国十几个电厂、化肥厂和造纸厂的循环流化床锅炉受热面上得到成功应用。(3)SAM涂层性能检测(经北京工业大学材料学院检测)检测所用设备包括：金相显微镜、HXD-1000数字式显微硬度计、MTS-800材料拉伸试验机和MLS225湿式橡胶轮磨粒磨损试验机。SAM耐磨粉芯丝材喷涂层检测结果：①涂层厚度：0.5～0.6mm。②涂层组织结构：涂层组织呈典型的叠状结构特征，涂层组织致密，氧化物很少，无粗大孔隙，涂层显微组织见图3。③硬度：960～1237HV(换算值60～70HRC)④结合强度：平均≥50MPa。结合强度拉伸试验对偶件照片见图4。涂层与胶连接的部位破断，涂层的结合强度大于胶的结合强度(该试件的结合强度为58MPa)。⑤涂层与基体结合状态：涂层与基体界面结合良好，为镶嵌式结合。⑥X射线衍射检测出涂层中含有大量非晶(衍射角45。～50。)，以及FeCr、Fe3B相、a-Fe相等，见图5。⑦涂层磨粒磨损试验表明，相对耐磨性为Q235钢的18倍以上，见图6。⑧检验结论：涂层组织致密，无粗大孔隙，氧化物含量少，SAM粉芯丝材超音速电弧喷涂层与基体结合良好，具有较高的结合强度，平均≥50MPa，喷涂时可以不打底。涂层硬度为960～1237HV。涂层具有良好的耐磨性，适于较严重磨损部位的防护，是适用于循环流化床锅炉受热面抗高温冲蚀、磨损的优异防护涂层材料。