超音速火焰喷涂技术在工业中的应用
【摘要】 HVOF的焰流速度和温度在大范围内连续可调，可满足多种材料的喷涂要求，在工业中有广阔的应用前景。HVOF制备的碳化物陶瓷涂层结合强度高，结构致密，耐磨性能好，在冶金、电力、液压气动、阀门和拉拔丝等行业获得应用，并取得很好的经济效益。用HVOF制备的无氧化物铜涂层结构致密、结合力高，在导电导热领域有潜在的应用价值。
一、概述
磨损是机械零部件失效的主要方式之一，而且往往与腐蚀同时存在，是影响零部件寿命的重要因素。近年来，我国制造业发展迅猛，对耐磨材料和耐磨涂层的需求日益增长。HVOF超音速火焰喷涂，焰流速度和温度在大范围内连续可调，能满足多种喷涂材料的要求，其制备的涂层结合强度高、孔隙率低，可制备耐磨、耐蚀、导热、绝缘、导电和密封等涂层，在机械制造、航空航天、水利电力、矿山冶金、石油化工和造纸皮革等领域有广阔的应用前景。HVOF超音速火焰喷涂典型的应用见下表。
二、HVOF的应用
1．在冶金行业中的应用
在冶金行业、有多种轧辊和输送辊需要耐磨强化或修复，其中，冷轧带钢连续退火炉底辊是重要的一种。冷轧带钢依靠炉内一组炉辊的转动实现作业，退火炉内的温度一般达450～1200℃，炉辊在高温下连续输送带钢，钢带表面的氧化膜或沉积的铁屑被还原与活化，生成Fe、Fe3O4和FeO及其他化合物，在与辊面间的摩擦力作用下，产生很大的挤压应力，辊面的保护膜被破坏，裸露的活性金属表面就会与活化了的铁粉在压应力下产生固相焊接，使辊面产生结瘤，破坏了辊面原有的粗糙度，带钢会被结瘤划伤，影响表面质量。
辊面的结瘤现象，实际上是粘着磨损。为了减少结瘤给钢带生产造成的损失，可在辊面超音速火焰喷涂NiCr-Cr3C2涂层，它具有抗高温氧化、抗热震、抗磨损的特点，能使炉底棍在高温下长时间的连续工作，且能经受周期性的热冲击。当炉低辊工作温度超过900℃时，一股喷涂Co基合金。
在冶金生产线，使用了大量的输送辊，输送各类钢材，长期使用后出现磨损，影响钢材质量。输送辊的工作温度相对较低，其表面可喷涂Co基WC涂层，该涂层一般可在450℃下工作，有很好的耐磨性和综合机械力学性能。
超音速火焰喷涂在喷涂碳化物陶瓷方面具有得天独厚的优势，而冶金行业对碳化物金属陶瓷涂层有很大的需求，因此获得大量应用。
2．在造纸印刷业中的应用
用HVOF超音速火焰喷涂制备的WC涂层压光辊，比冷硬铸铁更能显示出优良的耐磨性，WC涂层还具有很高的滚动接触疲劳强度，能承受压光辊的辗压力，涂层致密，可以磨削至镜面，耐副食性也优于电镀辊面。可在碳钢辊表面喷涂WC涂层，尤其适合于制造超大型压光辊，不存在冷硬铸铁的铸造缺陷，此外，该涂层还可喷涂在脱水箱面板表面，仅0.15mm的厚度耐磨性就足以胜过不锈钢几十倍。
HVOF超音速火焰喷涂陶瓷涂层在涂布机的涂布辊上，亲水性能远远胜于电镀辊面，带水、上料均匀度好。陶瓷涂层内分布有做细毛孔，具有一定的吸水能力，可增强涂层的润湿性。应用于烘干区烘干辊表面，可有效防止粘胶发生，且涂层耐磨寿命远远大于氟塑料防粘涂层，防粘效果与塑料涂层相当。
3．在石油工业中的应用
在石油工业中，有大量的机械设备，如：泵、阀、钻井机械、输运设备、提升设备和管道等，影响寿命的重要因素是磨损与腐蚀，因此，表面工程在石油工业中具有重要的地位。
HVOF超音速火焰喷涂在强化和修复抽油泵活塞杆方面有很好的应用效果，活塞什喷涂WC涂层强化后，耐磨性大大提高，使用寿命提高数倍。
在石油机械中，阀座和轴类零部件的磨损也比较严重。由于HVOF超音速火焰喷涂制备的Co基WC涂层残余应力低，涂层厚度可达3mm，甚至更厚，所以涂层与基体结合好，在承受重载的磨损件的尺寸恢复中有较好的应用。
4．在电力系统中的应用
在我国，由于受能源结构的制约，在相当长一段时间内，火力发电狂电力中占有相当大的比例。风机、叶轮、锅炉和汽轮发电机组等是火力发电中的重要设备，由于工作环境不同，且工况较恶劣，所以部分设备寿命较短，严重地影响牛产的安全性和经济效益。
在电力巾，煤粉依靠送粉机进行输送，送粉机叶片受到高速煤粉的强烈磨损和冲刷，损坏特别严重，叶片的强化措施有喷焊、堆焊、镶嵌陶瓷片、超音速火焰喷涂等几种方法。喷焊、堆焊因热输入量大，容易造成叶片变形，破坏叶轮原有的平衡状态，也易造成喷焊、堆焊层材料的相变、脱碳，甚至产生裂纹等失效，但它的优点是强化层与基体的结合力强。镶嵌陶瓷片因粘合剂的结合力低和老化原因容易造成脱落，使用效果受影响。采用HVOF超音速火焰喷涂碳化物陶瓷涂层，涂层制备时工件温度低于200℃，热输入量小，工作不变形，涂层宏观硬度存65HRC以上，耐冲蚀性能大大提高。
电厂锅炉水冷壁管受高温腐蚀和冲蚀磨损，失效严重，对电力生产影响很大。在国外，最成功的防护措施是超音速火焰喷涂碳化物陶瓷涂层；在国内，通常的表而防护措施是采用电弧喷涂镍铬合金和铁铬铝合金耐磨涂层。二者相比，超音速火焰喷涂的涂层性能和防护寿命比电弧喷涂大大提高。
三、结语
目前，在国际国内热喷涂界，正积极进行超音速火焰喷涂技术部分取代电镀硬铬的研究。由于电镀硬铬对环境的严重污染，越来越受到环境保护方面的压力，急需其他技术来替代。已有研究表明，超音速火焰喷涂的涂层性能，如结合力、涂层强度、可制备的涂层厚度、耐磨性和耐蚀性方面均优于电镀硬铬层，而且性价比也高于电镀硬铬层，是替代电镀硬铬技术的优先技术。HVOF超音速火焰喷涂由于焰流特性的可调节性，制备的涂层性能优越，昕以在此领域将有很大的应用空间。 |
