热喷涂涂层工业应用(二)

点击数：1000发布时间：2020-10-22 00:00:00　

3、航空、航天工业中的应用

热喷涂技术在航空、航天工业中应用历史久，范围广，涂层品种多，而且技术含量高。尽管航空、航天中飞机发动机、宇宙火箭等工作条件十分恶劣，对涂层可靠性要求非常苛刻，但当代航空发动机中一半以上的零件都有涂层（零件数已达1000个以上），主要用耐磨、耐腐蚀、抗氧化、封严。

对于发动机的绝热涂层，过去一般采用稳定型的ZrO2（稳定剂为Y2O3，MgO，CaO，CeO等）面层材料和CoNiCrAlY高温粘结底层材料，通过等离子喷涂，制备两层或数层阶梯结构涂层。自20世纪80年代末90年代初，由于新的涂层技术——电子束物理气相沉积技术（EB-PVD法）的开发成功，制备的热障涂层（TBC）为柱状晶结构，与粘结底层加陶瓷涂层结构，我国目前主要采用二层涂层结构（CoNiCrAlY底层+稳定型ZrO2面层），并已应用在新型发动机燃烧室，加力燃烧室等热部件上。目前对热障涂层的改进主要从多层或梯度功能涂层的设计，粘结底层的预氧化处理，热障陶瓷面层的渗铝处理、陶瓷面层激光改性处理等方面研究和发展。

发动机封严涂层随着热端高温气流温度的逐级提高，使用温度从300℃到1100℃，目前最高温度可达1350℃。AlSi-聚苯酯，镍-石墨，镍-硅藻土，NiCrAlY-BN，Y2O3稳定ZrO2-BN等复合粉末涂层，已获得成功应用。其中，尤以高温封严涂层制备和工作条件最困难要求其厚度达2-3mm，喷涂时必须严格控制涂层应力的产生。另外，要承受1000-1350℃高温，遭受2-3倍音速的高温气流冲刷，受到超过300m/s线速度叶片尖部刮削而不发生剥落。故涂层必须耐高温、抗氧化、耐、热震、结合强度高，化学惰性，而且质软（46-108HV），多孔（孔隙率达25%-30%）。

航空发动机某些零部件的磨损问题也是十分严重的，在服役期间，有的发动机低压转子转速5000r/min，高压转子转速15000r/min；并在极高负载和各种频率的振动下工作，从而产生各种机理的磨损，这些磨损仅靠改变基体材料是达不到要求的。据英国RR公司统计，1976年前发动机零部件60%因磨损而报废，采用耐磨涂层后报废率降到30%，目前采用爆炸喷涂和HVOF喷涂涂层已有50多种在航空产品零件上获得应用，如高低压压气机叶片、蜗轮叶片、轮毂封严槽、齿轮轴、火焰筒外壁、衬套、副翼滑轨、制动装置等。目前国内开发的某新机种上，规定采用十几种热喷涂层（主要是耐磨涂层）数百个零件，其中四种最关键的耐磨涂层必要采用结合强度好、涂层致密度高的爆炸喷涂和HVOF喷涂工艺制备。表3-2为爆炸喷涂在国内航空方面的应用。

4、钢铁工业中的应用

热喷涂技术在钢铁工业的应用已有相当长的历史。从西方发达国家钢铁工业中热喷涂技术应用的对象来看，各式各样的辊子占全部热喷涂部件的85%以上，取行极显著的技术经济效果。如Co-WC喷涂的张紧辊，其寿命由镀硬铬使用的两个半月延长到5年停机检修时间和费用仅为原费用的1/10。退火炉导辊，过去平均每月停机30min进行检修，喷涂后则可保持3年内不检修，并极大地提高带钢的品质。日本钢铁公司热喷涂退火炉辊的比率，从1982年的20%上升到1989年的100%，而带钢因辊面结瘤引起的废品率则由80%下降到零。各

（1）连续退火炉辊

汽车用外客薄板和硅钢片板材表面质量要求极高，不允许有任何划痕和缺陷。故生产中各个工艺环节对与钢板接触传动的炉辊表面状态提出严格要求。在宝钢薄板生产线上采用HVOF技术在连续退火炉辊表面喷涂NiCr- Cr3C2作抗积瘤涂层，该涂层具有耐磨、耐高温、自清洁作用。使用效果达到日本同类产品水平。在武钢硅钢片生产线上采用等离子喷涂NiCr-8%Y2O3/ZrO2涂层用于硅钢片高温连续退火炉辊防积瘤。该辊长2700mm，工作部位长1500mm，辊径φ120mm，工作温度860~920℃，工作介质为氮氢还原性气氛并具有不同露点。使用结果证明：陶瓷涂层炉底辊寿命超过6个月，最长达2年。涂层抗积瘤效果明显，硅钢片表面质量达到武钢设计要求.

（2）热浸镀生产线沉没辊

采用森吉米尔（Sendzimir）法进行薄板钢带连续热浸镀锌（CGL）和热浸镀铝、锡等属熔液生产线中（见示意图4-80）。熔液坩埚中工作的沉没辊和稳定辊等均遭受694~800℃铝熔液和452~570℃锌熔液侵蚀，同时钢带由辊面带动的运动速度高达35~40m/s。合金辊一般在铝溶液中寿命仅2~3天，锌熔液中仅10天左右就会产生很深的磨痕和蚀坑，划伤带钢表面使废次品率增加。采用等离子喷涂Al2O3+TiO2，MgO- ZrO2，MoAl2O4，与NiCrAlY形成的梯度涂层（总厚达1mm）（图4-81照片），以及用HVOF喷涂Co-WC涂层作为沉没辊和稳定辊工作层。由于涂层材料与铝、锌熔液不润湿和不产生化学反应。上述两种工艺涂层分别在连续热浸镀铝、锌生产线坩埚中运动的寿命提高3~4倍。该类涂层还可用在熔液Cu、钢液方面作锭模、运输槽、坩埚内壁涂层和电偶套管、搅拌器、支架等保护层。

（3）热轧工具

大口径无缝钢管（φ219~φ377mm）自动轧管机所用的轧管机顶头，传统采用Cr17Ni2Mo整体铸造的耐热马氏体不锈钢制造，顶头与970~1050℃的钢管内壁以每秒3~3.5m速度相对位移，实际顶头表面温度高达1050~1150℃，使顶头高温硬度和强度急剧下降，表面氧化烧伤，产生“结瘤”，撕裂、拉伤、凹陷。其消耗量为每轧制千吨钢管耗顶头16t。经包钢无缝钢管厂3年的实际生产验证，喷焊顶头平均使用寿命提高3~5倍。轧制每千吨钢管耗顶头降至3t。年增效益达1000万元以上。

5、印刷、造纸工业中的应用

随着科技的发展，对纸张的印刷的技术要求越来越高，苛刻特殊的性能要求恰好是热喷涂涂层发挥其作用的领域。

（1）印刷机械

等离子喷涂陶瓷涂层技术在印刷机辊子上已成功应用多年，其应用领域正日益扩大。陶瓷涂层的许多特点正适合印刷机辊子的需要，它们包括：高耐磨性；高耐蚀性；绝热性；防粘性；可刻蚀性；可维修性；选择性润湿性、亲水性；电绝缘性、亲水性；咬人性、适度粗糙度的保持性。

①晕光辊 聚乙烯塑料薄膜电刻蚀用电晕处理机辊，辊长达5000mm，其典型外径为250-500mm，需要在辊面等离子喷涂介电常数6-9的介电涂层，耐2万V以上的击穿电压。

氧化铝涂层耐压强度为100-175kV/cm，因此满足2万V以上的击穿电压需制备2mm左右的厚涂层。喷涂态的氧化铝涂层为易吸潮的γ-Al2O3结构，涂层的介电常数取决于涂层中的干燥度，一般喷涂的氧化铝涂层要用硅酮树脂封孔。

②彩色胶印辊  自20世纪80年代后，采取喷涂陶瓷涂层—磨光或抛光—激光刻蚀—抛光成型成套工艺制备。经刻蚀后的辊面能精确地向印刷辊输送油墨，因而能获得图像清晰的彩色胶印画面，不串色。

采用等离子喷涂氧化铬涂层能满足彩色胶印辊使用要求。涂层制备时，要求孔隙率低和涂层不失氧，一般采取在等离子喷涂送粉气中加氧，功率在50kW以上进行喷涂作业。制备的涂层经适当磨光后，用激光进行刻蚀，刻蚀形成的窝状熔池最佳半径应为1-3μm，典型深度为10-15μm，但一般商品化制作均大于要求的数倍，如激光刻蚀的密度为140线/cm。国内进行该方面的研究，已达到大面积、长时间喷涂的涂层无任何缺陷，涂层经精密加工达到Ra0.1μm以下，满足激光刻蚀400线/cm的要求。激光刻蚀的熔池不规则平整，涂层应进行表面最后抛光才能应用。目的是使刮刀与辊面完全接触，有效控制油墨输送量，形成清晰的印刷效果。

（2）造纸机械

造纸工业中，从纸桨生产到成品纸张成型的整个工序过程，采用热喷涂涂层的主要零件有：压光辊、烘缸、木材输送盘磨损板、风机叶轮、输送螺杆、蒸煮锅、黑液锅炉管道、腭形夹爪，纸张脱水板、泵轴及轴套、机械密封环等十几种。针对具体使用环境，可采用各种涂层进行腐蚀保护和提供特殊功能表面，延长工件的服役寿命和降低成本。目前，热喷涂涂层在下面几个部件上的应用效果十分突出。

①烘缸  造纸烘缸基体一般均用铸铁铸造而成，烘缸直径有φ1.5m，φ2.0m，φ3.0m等等，最大的可达6m以上。烘缸内通入压力为1Mpa的过热蒸汽用于干燥烘缸表面的纸张。由于烘缸材质为铸铁，连续的纸带贴于缸面干燥，并以高速（最高可达约30m/s）从缸面揭去，加之刮纸刀相对于烘缸运动（功能为刮揭纸张），故烘缸表面同时受到自身缺陷、纸浆中所含碱液、松香、明矾等介质的腐蚀和刮刀的磨损，需要施加涂层。传统方法是在烘缸表面镀硬铬、电弧喷涂铝青铜+1Cr18Ni9Ti涂层和等离子喷涂Mo和含Mo的镍基涂层。

最近推出用高速氧燃料喷涂（HVOF），在我国又称为超音速火焰喷涂，这种工艺喷涂Co-WC层和氟化乙丙烯（FEP）聚合物层，可使烘缸表面的释放性能显著提高。因为在HVOF中，喷涂粉末粒度只有5~30μm，粒子飞行速度达600~900m/s；因而产生高硬度（1100~1200HV）的无孔隙涂层。喷涂操作时，每遍喷涂厚度为0.10~0.15mm，不存在层间缺陷，而涂层在使用期间磨损是均匀的，故可保证涂层在任何剩余厚度下都具有相同性能。Co-WC涂层可抛光到相当低的粗糙度，氟化乙丙烯拥有与温度低于200℃时的特氟隆一样的抗粘连特性和耐腐蚀性，且与CoCr-WC涂层有更好的粘连性，能更有效地改善纸张的表面效果。

2.压光辊   典型的压光辊要求有非常光滑的表面，用来加工高档光板纸。传统的表面处理方法是镀硬铬后抛光，由于工作运行时表面与刮刀接触，易产生划痕磨损。辊的寿命3~6个月。先后采用电弧和等离子喷涂Ni-Al+高铬不锈钢后用酚醛清漆封闭，但涂层表面粗糙度达不到要求。

采用HVOF和SB-HVOF喷涂100μm厚度的耐磨CoCr-WC或Co-WC涂层，然后抛光精蚀到Ra≈0.01~0.03μm，压光辊的寿命可达2年。

3.黑液锅炉管道    纸浆碱回收用的黑液锅炉，在使用过程中，燃烧的黑液和无机物对锅炉水冷壁管道有严重的腐蚀和冲刷磨损作用。采用美国TAFA公司研制的45CT（Ni55 Cr45）电弧喷涂单层涂层，取代过去采用的多层涂层体系（Ni-Al+不锈钢+纯Al+SiAl封孔剂）使用寿命可达4年以上。由于45CT属高镍铬材料，成本贵且制成丝材工艺要求高，随后相继研制了Fe-22Cr-6Al合金线材等，采用电弧喷涂涂层基本达到45CT丝材性能指标，而成本大大降低。