熱噴涂技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用

1、熱噴涂技術(shù)的現(xiàn)狀及在鍋爐管道方面的應(yīng)用摘要：熱噴涂技術(shù)作為材料表面強(qiáng)化、保護(hù)和尺寸恢復(fù)的新技術(shù)，在設(shè)備維修、機(jī)械制造中得到廣泛應(yīng)用，尤其在電廠部件的修復(fù)和維護(hù)中得到充分體現(xiàn)。本文對(duì)熱噴涂技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，綜述了該技術(shù)在鍋爐管道部件的應(yīng)用。大力提倡和發(fā)展熱噴涂技術(shù)，在電力工業(yè)中具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景，必將帶來(lái)愈來(lái)愈大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：熱噴涂技術(shù)；材料表面強(qiáng)化；鍋爐管道1 引言電力工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，承擔(dān)著為各行各業(yè)和人民生活提供高效、清潔能源的重要任務(wù)。近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，使我國(guó)對(duì)電力的需求日益劇增，特別是南方一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市，在炎暑的用電高峰期拉閘限電現(xiàn)象頻

2、頻發(fā)生。為滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力的需求，全國(guó)各地興建了不少電廠，舊電廠也紛紛進(jìn)行擴(kuò)容改造。隨著越來(lái)越多的高參數(shù)、大容量機(jī)組投入運(yùn)行，鍋爐受熱面的運(yùn)行工況更為苛刻。我國(guó)目前還是一個(gè)以火電發(fā)電為主的國(guó)家，為使煤炭資源得以充分合理的利用，在電站鍋爐中大量使用高含灰量的劣質(zhì)煤，隨著灰分不斷升高、熱值不斷降低，鍋爐受熱面產(chǎn)生磨損、積灰、結(jié)渣、腐蝕等一系列問(wèn)題，受熱面使用壽命降低，鍋爐管道爆漏現(xiàn)象頻繁。因此，我們必須盡快找到解決鍋爐“四管”爆漏問(wèn)題的可行方法。表面處理工藝是指在基體材料表面上人工形成一層與基體的機(jī)械、物理和化學(xué)性能不同的表層的工藝方法。它運(yùn)用物理、化學(xué)或物理化學(xué)等技術(shù)手段來(lái)改變材料及其制件

3、表面成份和組織結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是保持基體材料固有的特征，又賦予表面化所要求的各種性能，從而適應(yīng)各種技術(shù)和服役環(huán)境對(duì)材料的特殊要求。最大的優(yōu)勢(shì)在于能以極少的材料和能源消耗制備出基體材料難以甚至無(wú)法獲得的性能優(yōu)異的表面薄層，從而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。所以我們選用表面處理的方法來(lái)解決鍋爐“四管”爆漏問(wèn)題。熱噴涂技術(shù)作為材料表面處理的一項(xiàng)新技術(shù)，在設(shè)備維修、機(jī)械制造中得到廣泛應(yīng)用3。2 幾種常見(jiàn)的熱噴涂技術(shù)所謂熱噴涂是利用氣體、液體燃料以及電弧、等離子弧各種熱源，將各種噴涂材料加熱熔化或軟化，并以高速氣流為載體，噴射到經(jīng)預(yù)處理的工件表面，形成具有耐磨、耐蝕、抗高溫、耐氧化、隔熱、絕緣等特殊性能的涂層，以達(dá)到

4、提高工件性能、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的一種工藝方法和技術(shù)5。圖1 熱噴涂過(guò)程示意圖熱噴涂技術(shù)最突出的特點(diǎn)是涂層廣泛、使用經(jīng)濟(jì)和操作簡(jiǎn)單，因此，從大型設(shè)備的防護(hù)到高新技術(shù)領(lǐng)域中特殊功能涂層；從航空航天軍工部件，到民用生活設(shè)施，都可以發(fā)揮熱噴涂技術(shù)的功能?？捎糜诋a(chǎn)品制造和設(shè)備維修，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命，降低廢舊件的經(jīng)濟(jì)損失，能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2.1 火焰噴涂技術(shù)火焰噴涂包括：線材火焰噴涂和粉末火焰噴涂。（1）絲材火焰噴涂法：是最早發(fā)明的噴涂法。它是把金屬線以一定的速度送入噴槍里，使段不在高溫或嚴(yán)重熔化，隨即用壓縮空氣把其霧化并吹走，沉積在與處理過(guò)的工件表面上。圖2為絲材火焰噴射法原理

5、示意圖。圖2 絲材火焰噴射原理示意圖（2）粉末火焰噴涂法：它與線材火焰噴涂的不同之處是噴涂材料不是線材而是粉末。圖3是粉末火焰噴涂法原理示意圖圖3 粉末火焰噴射原理示意圖2.2 等離子噴涂技術(shù)等離子噴涂是繼火焰噴涂、電弧噴涂之后發(fā)展起來(lái)的一種新的噴涂技術(shù)30。等離子噴涂技術(shù)自50年代末期為適應(yīng)航天工業(yè)的發(fā)展而問(wèn)世，一直以來(lái)處于熱噴涂技術(shù)發(fā)展的中心地位，各種等離子噴涂設(shè)備和相應(yīng)的噴涂工藝不斷涌現(xiàn)。等離子噴涂采用噴槍產(chǎn)生的等離子流將粉末加熱和加速，在熔融或接近熔融的狀態(tài)下噴向母材表面形成涂層。等離子弧產(chǎn)生的溫度高達(dá)16000，噴流為速度300400m/s，因而可以噴涂各種高熔點(diǎn)、耐磨、耐熱涂層。用

6、該法制備的涂層有較高的結(jié)合強(qiáng)度，氣孔及夾雜少，因而涂層特性好，尺寸也易于控制，更適合于陶瓷材料的噴涂。選用惰性氣體作介質(zhì)，減少了粒子飛行過(guò)程中的氧化，因此等離子噴涂廣泛應(yīng)用于耐蝕、耐磨、隔熱、絕緣、抗高溫涂層的制備5。 2.3 電弧噴涂技術(shù)電弧噴涂是在兩電極間施加一定電壓產(chǎn)生電弧，用電弧產(chǎn)生的熱量使金屬焊絲熔化，熔化的熔滴在壓縮空氣的作用下噴向基體形成涂層5。電弧噴涂涂層是層狀組織，但由于電弧能量密度高，熔化粒子加熱溫度高，粒子變形量足夠大，所以涂層的結(jié)合強(qiáng)度高于火焰噴涂；但是電弧的高溫使得合金元素的燒損和蒸發(fā)嚴(yán)重，導(dǎo)致涂層中的合金元素減少，影響了涂層的質(zhì)量。近來(lái)由于藥芯焊絲的使用使得這一情況

7、得以解決。另外電弧噴涂的材料必須是導(dǎo)電的材料，因此只適用于噴涂金屬及合金，而對(duì)陶瓷材料就無(wú)能為力。2.4 超音速電弧噴涂技術(shù)超音速電弧噴涂原理是燃燒于絲材端部的電弧將均勻送進(jìn)的絲材熔化，經(jīng)拉伐爾噴嘴加速后的超音速氣流將熔化的絲材霧化為粒度細(xì)小分布均勻的粒子，噴向工件形成涂層。噴涂時(shí)，相交成一定角度連續(xù)送進(jìn)的兩根絲材，分別接電源的正負(fù)極。絲材端部短接的瞬間，接觸起弧；在電源的作用下，電弧保持穩(wěn)定燃燒；在電弧發(fā)生點(diǎn)的背后，經(jīng)拉伐爾噴嘴加速后速度達(dá)到超音速的氣流使熔化的絲材脫離并霧化為粒子，在超音速氣流的作用下噴射到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基材表面形成涂層。與普通電弧噴涂一樣，超音速電弧噴涂是一個(gè)不斷重復(fù)進(jìn)行的

8、熔化-霧化-沉積的過(guò)程。在霧化方式上，超音速電弧噴涂采用超音速霧化，與一般的亞音速霧化相比，超音速霧化后的粒子細(xì)小均勻，速度高，有利于獲得高質(zhì)量的涂層。超音速霧化是超音速電弧噴涂的出發(fā)點(diǎn)，是超音速電弧噴涂與普通電弧噴涂的根本區(qū)別。由于采用了拉伐爾噴嘴，提高了粒子的速度，減小了粒子的粒度，所以，制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度高，孔隙率低，表面粗糙度低。超音速電弧噴涂設(shè)備包括電源、噴槍、送絲機(jī)構(gòu)及其他附件，關(guān)鍵設(shè)備是超音速電弧噴槍。3 涂層材料目前，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)出多種鍋爐管道專(zhuān)用涂層，按涂層材料性質(zhì)可分為金屬涂層、陶瓷涂層、金屬陶瓷復(fù)合涂層(MMC)及金屬間化合物涂層(IMC)6。而我國(guó)用于鍋爐管道防腐的噴涂

9、材料有：超音速電弧噴涂FeCrAl，得到結(jié)構(gòu)致密，高結(jié)合強(qiáng)度的耐高溫腐蝕涂層6。西安交通大學(xué)采用等離子噴涂工藝在102鋼表面噴涂Cr3C2-NiCrAl金屬陶瓷，在陜西省秦嶺電廠、翰城電廠等單位推廣使用，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益6。我國(guó)全軍裝備維修表面工程研究中心近年開(kāi)發(fā)出SL30（高鉻鎳合金），專(zhuān)門(mén)用于鍋爐受熱面管的高溫防腐。實(shí)驗(yàn)結(jié)果6表明：SL30涂層性能與45CT涂層非常接近，具有優(yōu)異的抗高溫氧化、抗腐蝕性能，且成本比45CT大大降低。1998年國(guó)內(nèi)先后對(duì)西柏坡電廠、邯鄲熱電廠的部分鍋爐水冷壁遭受熱腐蝕部位進(jìn)行高速電弧噴涂SL30復(fù)合涂層，效果很好6。北京有色金屬研究總院最近自行研制

10、了適用于燃煤電廠鍋爐“四管”防護(hù)用的一種新型高鉻鎳基合金（仿美國(guó)45CT，質(zhì)量百分含量：Cr大于40%，Ni余量，其它元素含量小于4%）。經(jīng)試驗(yàn)顯示在高溫下具有優(yōu)異的抗氧化、硫化、硫氧化腐蝕性能6。熱噴涂技術(shù)作為重要的表面改性技術(shù)，正不斷發(fā)展，已制備出了納米結(jié)構(gòu)涂層。這種熱噴涂納米結(jié)構(gòu)涂層與傳統(tǒng)的涂層相比，有著更優(yōu)良的性能，是一種新型的涂層材料，因而有著更廣闊的前景。4 鍋爐管道應(yīng)用鍋爐四管的腐蝕磨損，一直是動(dòng)力、造紙、冶金和化工等行業(yè)中存在的嚴(yán)重問(wèn)題。熱噴技術(shù)提供了經(jīng)濟(jì)而合理地解決該問(wèn)題的有效途徑，提高了鍋爐的耐腐蝕與磨損性能。采用火焰噴涂NiCr合金，電弧噴涂NiCrAl，F(xiàn)eCrAl以及

11、等離子噴涂NiCrCr3C2等熱噴涂方法，對(duì)鍋爐“四管”進(jìn)行保護(hù)，已大量應(yīng)用，并取得了明顯效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益。目前在該領(lǐng)域內(nèi)使用最廣泛的是電弧噴涂美國(guó)的45CT涂層。我國(guó)自主研發(fā)的SL30涂層與45CT性能相當(dāng)。圖2是幾種典型的涂層和20鋼的腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線比較7。圖4 典型涂層與20鋼腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線5 結(jié)論1) 本文簡(jiǎn)略介紹了目前熱噴涂技術(shù)常見(jiàn)的幾種噴涂方法：火焰噴涂技術(shù)，等離子噴涂技術(shù)，電弧噴涂技術(shù)以及超音速電弧噴涂技術(shù)。2) 本文扼要的介紹了噴涂材料所必須具備的性能，以及目前我國(guó)最新研發(fā)的SL30涂層已具備了和美國(guó)45CT涂層相當(dāng)?shù)膬?yōu)異性能。3) 本文簡(jiǎn)單介紹了熱噴涂技術(shù)在鍋爐管道方面的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 吳和元，閡小兵熱噴涂技術(shù)在火電行業(yè)的應(yīng)用J湖南電力，2002.4：562 李美栓金屬的高溫腐蝕M北京：冶金工業(yè)出版社，2001：45-483 高海燕，賀躍輝，沈培智FeAl金屬間化合物研究現(xiàn)狀J材