電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展與展望

電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展與展望

一、癲癇涂漆技術(shù)的發(fā)展和展望1.粉芯絲材在電弧噴涂技術(shù)上的應(yīng)用癲癇涂漆技術(shù)是噴漆技術(shù)的重要組成部分之一。這不僅是一種古老的涂漆技術(shù)，也是一種新的涂料技術(shù)。該技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)初,當(dāng)時(shí)由于受噴涂設(shè)備性能的限制,只能噴涂一些低熔點(diǎn)的金屬材料來(lái)防止鋼鐵表面銹蝕。隨著熱噴涂技術(shù)的發(fā)展與提高,電弧噴涂技術(shù)也在不斷進(jìn)步。到了20世紀(jì)中期,電弧噴涂技術(shù)已經(jīng)占據(jù)了重要地位。后來(lái)由于等離子、爆炸等噴涂技術(shù)的出現(xiàn),而且能滿足航空航天及火箭等尖端技術(shù)的需要,在某種程度上又限制了電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)70年代以來(lái),粉芯絲材的出現(xiàn)給電弧噴涂技術(shù)帶來(lái)了生機(jī)。粉芯絲材既克服了高合金成分難以拔絲的困難,同時(shí)還能使一些不導(dǎo)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(yīng)用,如Al2O3、TiO2、TiB2和Cr3C2等。由于粉芯絲材的成分具有易調(diào)節(jié)、生產(chǎn)周期短、選材便利以及成本較低等優(yōu)點(diǎn),因此促進(jìn)了電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展。近來(lái)隨著高合金和鋅鋁合金(85/15)絲材的出現(xiàn),使電弧噴涂技術(shù)得到更快的發(fā)展。2.電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)入80年代以后,隨著電弧噴涂材料品種的不斷增加及性能不斷提高,電弧噴涂設(shè)備又向精密化、自動(dòng)化方向發(fā)展,如超音速電弧噴涂、高速脈沖電弧噴涂、復(fù)合電弧噴涂、保護(hù)氣體電弧噴涂及真空電弧噴涂等。這些新的電弧噴涂工藝技術(shù)的出現(xiàn),大大提高了噴涂效率,改善了涂層質(zhì)量,拓寬了電弧噴涂技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)前這項(xiàng)技術(shù)很受青睞,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多部門發(fā)揮了重要作用,使古老的電弧噴涂技術(shù)煥發(fā)了青春。3.電弧噴涂技術(shù)高能等離子噴涂、高速火焰噴涂(HVOF)和燃?xì)獗▏娡考夹g(shù)固然在航空航天及國(guó)防等尖端領(lǐng)域的應(yīng)用是不可缺少的,但由于設(shè)備復(fù)雜、造價(jià)昂貴,又不易現(xiàn)場(chǎng)施工,因此電弧噴涂技術(shù)在某些領(lǐng)域里可以取代上述工藝方法。如電廠鍋爐受熱面、鋼廠轉(zhuǎn)爐煙罩及化工儲(chǔ)罐等許多行業(yè)的防腐耐磨涂層。據(jù)有關(guān)資料顯示,電弧噴涂技術(shù)在1960年、1980年和2000年占噴涂技術(shù)的比例分別為15%、6%和15%。2000年以后,電弧噴涂技術(shù)發(fā)展的更加迅速,預(yù)計(jì)現(xiàn)在約占噴涂技術(shù)的比例已達(dá)20%左右,所以未來(lái)電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展將迎來(lái)一個(gè)嶄新的時(shí)代。二、高速圓弧投影技術(shù)的特點(diǎn)1.農(nóng)村高效電弧噴涂技術(shù)近年來(lái),高能高速噴涂成為熱噴涂發(fā)展的一個(gè)重要方向,特別是粒子速度受到普遍關(guān)注。粒子速度對(duì)涂層質(zhì)量有決定性作用,熱噴涂涂層質(zhì)量的改善往往是粒子速度提高的結(jié)果。與等離子噴涂、超音速火焰噴涂相比,普通電弧噴涂粒子速度低,是制約電弧噴涂技術(shù)發(fā)展的重要因素。隨著熱噴涂技術(shù)的發(fā)展與提高,一種新的噴涂方法——超音速電弧噴涂技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。超音速電弧噴涂采用拉法爾噴嘴和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),代表了當(dāng)今電弧噴涂發(fā)展的最高水平。其工作原理是:燃燒于絲材端部的電弧將均勻送進(jìn)的絲材熔化,經(jīng)拉法爾噴嘴加速后的超音速氣流再將熔化的絲材霧化為粒度細(xì)小均勻的粒子,噴向工件表面形成涂層,超音速電弧噴涂與普通電弧噴涂的火焰比較見(jiàn)圖1。2.涂層類型3.各種噴漆方法的技術(shù)特點(diǎn)由于采用的熱源不同、噴涂方法不同,因此其熱源溫度與粒子飛行速度也不盡相同,各種噴涂方法的工藝特點(diǎn)見(jiàn)表1。4.改善涂層質(zhì)量超音速電弧噴涂由于采用了拉法爾噴嘴,將噴涂粒子速度提高到超音速,因此改善了粒子霧化效果,提高了涂層質(zhì)量,在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)大力推廣應(yīng)用。據(jù)有關(guān)單位測(cè)試,現(xiàn)將噴涂純鋁涂層三種噴涂方法的主要性能,列于表2。三、音速電弧噴涂法與氧乙炔火焰絲材的對(duì)比由表1可以看出,盡管超音速火焰(HVOF)噴涂工藝方法的粒子飛行速度超過(guò)超音速電弧噴涂方法,但其設(shè)備復(fù)雜,不能到現(xiàn)場(chǎng)噴涂施工。而超音速電弧噴涂方法的粒子飛行速度大大超過(guò)了氧乙炔火焰絲材噴涂和普通電弧噴涂方法,且能在現(xiàn)場(chǎng)噴涂施工。結(jié)合我公司近年來(lái)采用超音速電弧噴涂技術(shù)在幾個(gè)工業(yè)部門的成功應(yīng)用,下面作簡(jiǎn)要概述。1.統(tǒng)一涂層的應(yīng)用高溫腐蝕磨損一直是工業(yè)鍋爐普遍存在的問(wèn)題,給生產(chǎn)帶來(lái)極大危害。僅以火力發(fā)電廠為例,燃煤鍋爐是重要的能量轉(zhuǎn)換裝置,有專家預(yù)測(cè)到2050年,我國(guó)燃煤鍋爐仍占50%。燃煤鍋爐“四管”(水冷壁、過(guò)熱器、再熱器和省煤器)對(duì)流受熱面受高溫?zé)煔庵酗w灰的沖擊磨損,以及高溫氧化和含硫介質(zhì)的高溫腐蝕作用,使“四管”壁減薄,經(jīng)常發(fā)生“四管”爆裂事故,造成電廠非計(jì)劃停爐。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),在電廠鍋爐事故中“四管”爆裂事故占40%~60%。350MW機(jī)組每停機(jī)一天造成的損失折合人民幣60萬(wàn)元,因此不斷尋求更好的方法,避免鍋爐受熱面產(chǎn)生故障,對(duì)企業(yè)獲得經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益來(lái)說(shuō)意義十分巨大。超音速電弧噴涂技術(shù)是電廠鍋爐受熱面防磨、防腐的一種行之有效的方法,具有廣泛的應(yīng)用前景(這里僅以循環(huán)流化床鍋爐為例,見(jiàn)圖2)。上述復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)、涂層厚度和涂層性能,完全可以滿足循環(huán)流化床鍋爐受熱面運(yùn)行工況條件的要求,我公司已經(jīng)在全國(guó)十幾個(gè)電廠、化肥廠和造紙廠的循環(huán)流化床鍋爐受熱面上得到成功應(yīng)用。SAM耐磨粉芯絲材噴涂層檢測(cè)結(jié)果:(1)涂層厚度:0.5~0.6mm。(2)涂層組織結(jié)構(gòu):涂層組織呈典型的疊狀結(jié)構(gòu)特征,涂層組織致密,氧化物很少,無(wú)粗大孔隙,涂層顯微組織見(jiàn)圖3。(3)硬度:960~1237HV(換算值60~70HRC)(4)結(jié)合強(qiáng)度:平均≥50MPa。結(jié)合強(qiáng)度拉伸試驗(yàn)對(duì)偶件照片見(jiàn)圖4。涂層與膠連接的部位破斷,涂層的結(jié)合強(qiáng)度大于膠的結(jié)合強(qiáng)度(該試件的結(jié)合強(qiáng)度為58MPa)。(5)涂層與基體結(jié)合狀態(tài):涂層與基體界面結(jié)合良好,為鑲嵌式結(jié)合。(6)X射線衍射檢測(cè)出涂層中含有大量非晶(衍射角45°~50°),以及FeCr、Fe3B相、a-Fe相等,見(jiàn)圖5。(7)涂層磨粒磨損試驗(yàn)表明,相對(duì)耐磨性為Q235鋼的18倍以上,見(jiàn)圖6。(8)檢驗(yàn)結(jié)論:涂層組織致密,無(wú)粗大孔隙,氧化物含量少,SAM粉芯絲材超音速電弧噴涂層與基體結(jié)合良好,具有較高的結(jié)合強(qiáng)度,平均≥50MPa,噴涂時(shí)可以不打底。涂層硬度為960~1237HV。涂層具有良好的耐磨性,適于較嚴(yán)重磨損部位的防護(hù),是適用于循環(huán)流化床鍋爐受熱面抗高溫沖蝕、磨損的優(yōu)異防護(hù)涂層材料。2.鋼渣香煙裝置3.復(fù)合涂層的制備我公司承接的國(guó)家重點(diǎn)工程——青島大煉油3000m3天然氣(煤氣)球罐,使用環(huán)境溫度為-20~60℃,特別是“在事故狀態(tài)下硫化氫含量上限≤10×10-4,儲(chǔ)存周期≤5天”的特定環(huán)境下,碳鋼球罐內(nèi)表面噴涂純鋁涂層,再進(jìn)行有機(jī)涂層封閉處理,組成復(fù)合涂層進(jìn)行長(zhǎng)效防腐。該工程已于2008年初完工(見(jiàn)圖8),經(jīng)監(jiān)理單位驗(yàn)收質(zhì)量?jī)?yōu)良,現(xiàn)已投入使用。4.萃取槽加熱管系統(tǒng)包鋼稀土廠反應(yīng)釜,介質(zhì)為鹽酸、硫酸,使用環(huán)境溫度為250℃,反應(yīng)釜原內(nèi)襯搪瓷,由于在操作時(shí)不注意,將搪瓷碰破,失掉防腐效果。該廠萃取槽加熱管原為不銹鋼制造,使用介質(zhì)為鹽酸、有機(jī)酸,因此使用壽命很短。對(duì)以上兩種部件(釜、管),我公司采用超音速電弧噴涂技術(shù),噴涂特制合金,采用特制封閉劑,于2007~2008年成功噴涂了20多個(gè)反應(yīng)釜近300m2(見(jiàn)圖9),代替原搪瓷釜,現(xiàn)都在正常使用。四、農(nóng)村高效電弧噴涂法(1)電弧噴涂技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,現(xiàn)已達(dá)到嶄新的階段。(2)該技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便,易于現(xiàn)場(chǎng)施工,成本較低,易于推廣。(3)在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的超音速電弧噴涂技術(shù),可獲得更優(yōu)良的涂層,已在許多重要工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用。我公司應(yīng)用此技術(shù)已取得顯著成效。(1)粒子運(yùn)動(dòng)分析超音速電弧噴涂粒子速度高,采用kodakl012型高速運(yùn)動(dòng)分析儀測(cè)得純鋁涂層的粒子最大速度為385.7m/s,平均速度為373.6m/s,T8鋼涂層的粒子最大速度為301.9m/s,平均速度為259.6m/s。(2)涂層結(jié)合強(qiáng)度按照標(biāo)準(zhǔn)ASTMC633—1979在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試。以常用材料3Cr13為例,涂層結(jié)合強(qiáng)度平均值為60MPa,最大值為68.1MPa。(3)層的空隙率以3Cr13為例,用金相檢查法測(cè)定:涂層均勻致密,無(wú)大的空洞缺陷,孔隙平均大小為0.9μm,孔隙率為0.7%。(4)涂層硬度采用Micromet-Ⅱ顯微硬度計(jì)測(cè)試,以3Cr13為例,涂層硬度平均值為397HV。(5)粒子粒度的確定用S—2700掃描電鏡觀察霧化粒子的形貌,同時(shí)測(cè)量粒子的粒度。以3Cr13為例,3Cr13粒子基本成球形,平均粒度為4.32μm,較大的為18.8μm,較小的為1μm,粒子霧化效果好,分布均勻。(1)復(fù)合涂層型涂層水冷壁基材+耐磨合金涂層+封閉層,組成耐高溫、耐磨損、耐腐蝕復(fù)合涂層。其中,SAM耐磨合金層底層≥0.7mm(北京工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的粉芯絲材),特制耐高溫封閉層為0.1mm,涂層總厚度≥0.8mm。(2)比較涂層材料(1)熔點(diǎn)1300℃,可長(zhǎng)期在900℃環(huán)境下工作。(2)線膨脹系數(shù)(12.2~14)×10-6/℃,與20鍋爐鋼基本相近(20G鋼的線膨脹系數(shù)為11.16~13.95×10-6/℃)。(3)涂層與基材結(jié)合強(qiáng)度≥50MPa。(4)涂層硬度:949~1362HV(即≥67HRC換算值)。(5)涂層耐磨度相當(dāng)于Q235鋼的18倍以上。(6)涂層抗高溫氧化性:6.3mg/cm2(750℃氧化250h)。(7)涂層孔隙率<1%。(8)噴涂時(shí)控制基材溫度≤120℃,基體不發(fā)生變形。(3)材料拉伸和磨粒磨損試驗(yàn)檢測(cè)所用設(shè)備包括:金相顯微鏡、HXD—1000數(shù)字式顯微硬度計(jì)、MTS—800材料拉伸試驗(yàn)機(jī)和MLS—225濕式橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)。(1)煙罩氧化和疲勞轉(zhuǎn)爐煉鋼是當(dāng)今世界煉鋼的主要方法,近來(lái)興起的濺渣護(hù)爐工藝,明顯提高了轉(zhuǎn)爐爐齡和煉鋼效率,但隨之而來(lái)的是轉(zhuǎn)爐煙罩的防護(hù)難題。轉(zhuǎn)爐的水冷煙罩主要冷卻煉鋼的煙氣(溫度高達(dá)1100~1400℃,含CO、CO2、N2和S等氣體及高溫渣、鐵粒、石灰等粉塵),一般煙罩用20鋼制成,其失效原因:煙罩內(nèi)氣流介質(zhì)溫度高,排出大量固體粉塵沖刷,以及高溫氣體腐蝕,使之減薄;濺渣護(hù)爐高壓氮?dú)獯灯鸬囊簯B(tài)渣及鋼液,濺起后燒穿爐罩;轉(zhuǎn)爐間隙吹煉,管子受溫度變化的