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热喷涂技术综述


热喷涂综述
一、热喷涂的定义
热喷涂技术,是采用某种高温热源,将欲涂覆的涂层材料熔化或至少软化,并用气体使之雾 化成微细液滴或高温颗粒,高速喷射到经过预处理的基体表面形成涂层的技术。 当热源的比能量足以使基体表面发生薄层熔化,与喷射的熔融颗粒形成完全致密的冶金结合 涂层时,称为热喷焊,简称喷焊。 使用高温热源,如氧——可燃气体燃烧火焰、电弧、等离子电弧、激光束

、爆炸能等,是热 喷涂技术区别于其他喷涂方法和表面涂覆方法的主要特征。不同热源的最高温度列于附表。 附表:不同热源的最高温度
热 源 最高温度,℃ 氧-乙炔 氢原子 氧-氢 氧-煤气 空气-乙炔 空气-煤气 3100 4000 2700 2000 2325 1530 氧-乙炔爆炸 电弧 等离子弧 3300 6000 >11000

二、热喷涂技术的特点
采用热喷涂技术,制备各种表面强化和表面防护涂层,具有许多独特的优点。 (1)能够喷涂的材料范围特别广,包括各种金属及合金、陶瓷及金属陶瓷、塑料、非金属矿 物等几乎所有固态工程材料。因而能够制备耐磨、减摩、耐蚀、耐高温、抗氧化、绝缘、导电、 催化、辐射、防辐射、抗干扰、超导、非晶态及生物功能等各种功能涂层; (2)能够在多种基体材料上形成涂层,包括金属基体、陶瓷基体、塑料基体、石膏、木材甚 至纸板上都能喷涂,被喷涂的材料范围也十分广泛; (3)一般不受被喷涂工件尺寸和施工场所的限制,既可厂内施工,也可现场施工; (4)涂层沉积效率较高,特别适合沉积薄膜涂层。涂层厚度可以控制,从几十微米到几毫米 甚至可厚达 20mm; (5)除喷焊外,热喷涂施工对基体的热影响很小,基体受热温度不超过 200℃,基体不会发生 变形和性能变化; (6)在满足强度要求的前提下,制件基体可以采用普通材料代替贵重材料,仅涂层使用优质 材料,使“好钢用在刀刃上”; (7)热喷涂施工艺灵活,方便,迅速,适应性强。 当然,热喷涂技术也有如下一些缺点。 (1)除喷焊外,热喷涂涂层与基体的结合主要是物理机械结合,结合强度不大高,涂层耐冲 击和重载性能较差; (2)喷涂涂层含有不同程度的孔隙,对于耐腐蚀、抗氧化、绝缘等应用,一般不如整体材料。 但可通过复合涂层系统设计等方法予以改进提高; (3)喷涂小件时,涂层材料的收得率低;

(4)热喷涂手工操作时的劳动条件较差,有噪音、粉尘、热和弧光辐射问题,必须注意劳动 保护措施。 尽管如此,由于热喷涂技术具有上述许多独特的优点,已被广泛地应用于航空、航天、冶金、 能源、交通、石油化工、机械、轻纺等工业部门,成效十分显著。

三、热喷涂涂层的结构
热喷涂涂层是将熔融或至少软化的粒子,高速喷射到基体上,发生碰憧、变形、快速凝固、 堆积等过程,最后形成涂层。附图是典型的热喷涂涂层结构示意图。

附图:热喷涂涂层结构示意图 1-涂层;2-氧化物夹杂;3-孔隙或空洞;4-颗粒间的粘接;5-变形颗粒;6-基体粗糙度;7-涂层与基 体结合面 从附图可以看出,热喷涂涂层的组织结构具有如下特点: (1)涂层粒子因碰撞变形而呈扁平状堆积结构,具有各向异性。涂层与基体之间的结合主要 是物理机械结合; (2)涂层颗粒堆积、重叠过程中,颗粒之间必然存在一定程度的孔隙和气孔; 高温颗粒在喷射过程中,会与喷射气体或周围环境气氛发生某种程度的化学反应,如与环境中的 空气作用发生 (3)氧化。因此,涂层组织中可能含有少量的氧化物夹杂; (4)由于高温颗粒喷射到基体表面快速冷却凝固,由于涂层材料与基体材料的热物理性能特 别是热膨胀系数的差异,使涂层中形成相当的热应力和残余应力。控制和处理不好,有可能使涂 层发生裂纹甚至剥落; (5)热喷涂涂层的表面为粗糙的毛面,具有较高的表面能,这为复合涂层设计和制造提供了 良好的基础。 根据热喷涂涂层结构的这些特点,显然,在热喷涂涂层的设计和施工中,应努力做到:制 备清洁活化的基体表面以提高涂层与基体的界面性能;提高喷射颗粒的速 度以获得高的动能; 保证喷射颗粒良好的受热及熔化状态,以达到足够的热能;控制涂层的应力状态、应力大小和应 力分布;尽可能减少或避免喷射的高温颗粒在喷 涂过程中与周围环境气氛发生有害的化学反应, 乃是获得优质涂层的主要条件。

四、

热喷涂层的应用范围

1、耐磨损——热喷涂技术在高温和低温下最大的应用领域。这类涂层具体分为以下几种: (1)耐粘着磨损或划伤——两个表面相对滑动, 碎屑从一个表面粘到另一个表面时,发生粘着 磨损或划伤。专用典型涂层为钴基碳化钨、碳化铬/镍铬涂层。 (2)耐磨粒磨损——当较硬表面在较软表面上滑动,而且两表面之间存在磨损时, 发生磨粒磨 损。当纤维和丝线在表面高速通过时,也发生磨粒磨损。专有典型涂层为钴基镍铬合金、自熔合 金混合钼、氧化铬涂层。 (3)耐微振磨损——重复加载和卸载产生周期应力导致表面开裂和大面积脱落。 专用典型涂层 为氧化铝/二氧化钛涂层。 (4)耐气蚀磨损——液体流动在表面产生机械冲击。 专用典型涂层为铝青铜涂层。 (5)耐冲蚀磨损——气体或液体携带粒子高速冲击表面时,发生冲蚀磨损。 专用典型涂层为氧 化铝/二氧化钛、氧化铝涂层 2、耐高温抗氧化——这类涂层抗化学或物理分解,改善零件的高温性能。这类涂层分为以下几 种: (1)热障涂层——在零件和高温环境之间充当热屏障。 典型涂层为用氧化钇做稳定化处理的氧 化锆涂层。 (2)抗高温氧化涂层——保护基体抗高温氧化。典型涂层为镍/铬涂层。 (3)耐热腐蚀涂层——保护暴露在热腐蚀性气体中的基体。典型涂层为镍/铬涂层。
3、防腐蚀涂层——选择这类涂层比较复杂,因为零件在服役状态, 环境温度和各种介质对涂层材料都有一定 的要求,一般采用钴基合金、镍基合金和氧化物陶瓷等作为涂层材料,通过提高涂层的致密性,堵住腐蚀介质 的渗透;合理选择涂层材料与零件基材的氧化/还原电位,防止电化学腐蚀,涂敷抑制腐蚀的封孔剂。

4、导电涂层或绝缘涂层——这类涂层又分为以下几种: (1)导电涂层——专用典型涂层为铜涂层。 (2)绝缘涂层——专用典型涂层为氧化铝涂层。 (3)屏蔽涂层——抗电磁干扰(EMI)或高频干扰(RFI)专用典型涂层为铜涂层。 5、恢复尺寸涂层——这类涂层主要用于修补因磨损或加工超差的零件。 对涂层材料的选择主要 取决于零件的使用要求。 6、间隙控制涂层——这类涂层提供紧密的封严间隙, 显著提高设备性能和运转效率。与配合零 件接触时,涂层优先受控磨损。典型涂层为镍/石墨、 聚酯铝混合物、铝/石墨涂层。

五、热喷涂工程系统设计
要想采用热喷涂涂层,获得防磨防腐蚀应用的成功,必须十分注意热喷涂工程的系统设计, 主要包括如下内容:

1.现场工况及失效分析 (1)现场工况: ①介质的成分和浓度; ②杂质种类及含量; ③使用温度; ④介质(气体或液体)流速、流动角度; ⑤溶液的 pH 值; ⑥溶液中的氧、氧化剂和还原剂的含量; ⑦介质中含有机物、微生物。细菌情况; ⑧腐蚀产物及生成膜的稳定性,对环境的污染性。 (2)失效分析: 应根据具体的现场条件,对可能产生的磨损腐蚀失效机理进行分析或研究,以确定可能的磨 损腐蚀类型。 2.涂层材料的正确选择 现场环境千差万别,影响磨损腐蚀及控制的因素很多,有时某一种机理的起主要作用,但 许多情况下是多种机理的相互作用,加速磨损腐蚀失效过程。没有能满足 各种工况的万能耐蚀 材料和抗磨蚀涂层。只有熟悉并掌握丰富、全面的材料科学知识,才能做到“对症下药”,正确 合理地选择涂层材料,进行涂层系统设计。 3.制备良好的基体表面 提高涂层与基体的结合强度,是各种表面涂层技术的主要目的之一,热喷涂涂层也不例外。 为了获得优质的涂层与基体的界面状态,热喷涂之前,要求基体表面预处理达到净化、粗化和活 化。 基体表面预处理的质量,直接影响热喷涂涂层与基体的结合性能,是整个热喷涂过程成功的 关键环节之一,应予高度重视。 4.正确地进行涂层系统设计与施工 用于腐蚀防护与控制的热喷涂涂层,常采用复合涂层系统设计和施工方法。一般是在基体材 料上首先喷涂一层耐蚀性好的打底涂层,然后喷涂工作涂层,最后进行涂层的封孔处理,以达到 完全消除涂层气孔影响的目的。 6.涂层的后处理和精加工 六、热喷涂原材料: 热喷涂材料的形态分粉末、线材、棒材三种。不同工艺方法和喷涂设备(装置),对粉末、线材、 棒材的直径和粉末的粒度都有具体要求;热喷涂材料的显著特点是取材的广泛和不同材料的可复 合性,其中包括品种繁多的金属、陶瓷、塑料三大类近 150 多个品种的喷涂材料.

六、热喷涂工艺流程:
热喷涂各种方法其工艺流程基本相同,每一个环节又有多种方法,根据涂层设计,工件材质,形 状和厚薄,原始表面状态,对涂层结合强度的要求等多种因素进行选择,基本工艺流程如下: 1、喷涂前零件表面处理:如溶剂清洗脱脂净化或采用喷砂、电拉毛、机械加工等,使用零 件喷涂部位的表面清洁并产生一定粗糙度,以增强涂层结合强度。 2、喷涂工作层: 选择合适的喷涂方式和喷涂材料并按照操作规范及技术要求喷涂工作层 .

3、涂层后处理 喷涂结束后,按照涂层用途,如用于防腐喷锌、铝、铅、不锈钢、各种陶 瓷等涂层,根据腐蚀介质选择相应耐蚀封孔剂对涂层进行封孔处理,塑料喷涂无需封孔处理;如 用于零件修复或预保护涂层,必须对喷涂按照零件图纸或用户给定尺寸公差加工,以达到使用要 求。

七、打底涂层的特性
1、在热喷涂火焰高温热源的作用下,涂层材料不同组分能发生放热化学反应,使涂层与基体形 成微冶金结合。最典型和应用最广的“自粘结”打低涂层材料是镍铝复合粉末。 Ni-Al 粉末的喷涂过程是一个 Ni、Al 间各种反应的综合放热过程。 2、“粗化”效应。粘结底层的表面比喷砂粗化处理的基体表面更不规则,因而工作涂层能与之 形成更强的机械嵌合。在选择底层粉末时,粉未的平均粒度可略大于工作层粉未的平均粒度。 3、“屏蔽”效应打底涂层具有比基体材料更好的抗氧化能力和耐蚀性能,在工作涂层与基体之 间起屏蔽作用,能将热喷涂涂层固有孔隙引起的基体氧化或腐蚀程度降至最低。 4、“缓冲”效应打底涂层的膨胀系数介于基体材料和工作涂层之间,且在机械及热负荷下具有 足够的韧性,能对因基体与工作涂层热膨胀系数不同而产生的应力起“缓冲”作用。

八、涂层封孔剂
对很多热喷涂涂层来说,封孔是一项必要的后处理过程。当涂层面临腐蚀及氧化(有时处于高温)环境时, 封孔是涂层设计必需要考虑的一项内容。本文涉及到封孔作业的目的和要求;介绍了封孔剂的种类、性能、施 工要点、选择依据及应用范围。 任何一种热喷涂方法,尤其是燃气一氧焰喷涂(即火焰喷涂)所沉积的涂层,都是一种有孔结构。总体而言,涂 层孔隙度范围相当大。燃气一氧焰喷涂层有时高达 15%以上,而高速氧一燃气喷涂(HVOF)层则在 1%以下。在 实际应用中,有孔结构有时是有利的。涂层孔隙有助于贮油,促进润滑,减少磨损;在某些特殊应用中,利用 热喷涂制取多孔材料,用于热交换装置或其它元件。然而,在更多的情况下,涂层的孔隙是不希望的。当涂层 暴露于大气、蒸汽、工业气氛、化学活性物质、腐蚀气体及高温环境中,孔隙引入腐蚀元素,使涂层与基体发 生化学或电化学侵蚀,导致涂层失效,在这种情况下,必须对涂层进行封孔。 作为热喷涂的一种后处理工序,封孔作业的主要内容是封孔剂的选择和施工方法。如果某些工件喷涂后还需要 车削或磨削时,封孔应在此之前实施,以防涂层孔隙污染,保证更好、更干净的磨削光洁度。当喷涂陶瓷涂层 用于绝缘的情况下,封孔能维持涂层的介电常数。否则,涂层孔隙将会吸湿或遭污染,形成涂层中不希望的导

电通道。此外,对于泵或液压机等设备,封孔还防止液体和压力的密封泄漏。 一、封孔剂的性能要求 封孔剂的种类较多,为了达到良好的封孔效果,封孔剂必须满足下列要求: 1.有足够的渗透性 因为孔隙弯曲又细小,没有足够高的渗透性,难以充填到必需程度。 2.耐化学溶剂的作用 因为涂层本身就处于某种化学和溶剂的腐蚀介质中,封孔剂若不能经受这些介质的侵蚀,封孔即告无效。 3.能经受一定的机械作用 即封孔剂不因机械作用而脱落或碎裂。 4.在工作温度下性能稳定 即封孔剂不能在操作温度下发生溶化、蒸发或分解等物理变化。 5.不能与涂层或基体发生化学反应 在工作环境下与涂层和基体保持化学稳定性。 6.不降低涂层或基体金属的性能。 7.当涂层用于食品行业时,对食物无毒。 8.施工时,保证安全。

九、超音速火焰喷嚏简介
YFCC 使用最新的高速火焰(HVOF)喷涂技术系 统,可进行金属喷涂,碳化物喷涂和特殊喷涂。该项技 术是把喷涂材料以粉末状态注入高速喷射燃烧的火焰 中 , 其 喷 射 速 度 可 达 2000 米 / 秒 , 燃 烧 温 度 适 中 喷涂原理 (≤3000℃ ) 。高速燃气一方面使粉末材料的颗粒达到半 熔化状态另一方面又使粉末材料的颗粒加速运动,将熔 化后的粉末材料紧密均匀地附着在被喷涂物体的表面 上,与基材物理结合在一起,而基材温度低于 150℃ , 使基材不发生任何变形。

从而形成少孔隙、低氧化、高粘合力、低残余应 喷涂优点 力的高质量涂层。 修复和恢复操作耐磨或耐腐蚀抗滑动磨损抗剥蚀、 典型应用 拉毛或粘附磨损抗空穴效应抗化学物质侵袭氧化和硫 化的控制空气和高温腐蚀控制

十、各种喷涂技术比较

表面处理 材料 工艺 抗磨性差易剥 蜗壳、金表 刷漆 聚合物 面 流和表面防腐 抗磨性能良好 Ni、Fe 基 喷焊 合金 抗磨蚀 金属表面 Ni60系列 中 易变形粘接强 度高 金属表面 电镀 亚音速 金属合金 电弧喷涂 金属表面 Metcoloy2 低 喷铝、锌,粘 硬铬 和喷嘴 镀铬 中 粘接强度低 用于形状修复 限用于小部件 但高温室工件 尼龙、环氧 低 落用于低速水 典型应用 产品名称 抗磨性 评价

接强度中 用于现状修复 亚音速 金属合金 金属表面 火焰喷涂 及陶瓷 金属表面、 HVOF 喷涂 金属陶瓷 导叶、抗磨 风冷式 环 金属表面、 水轮机叶 抗气蚀优于不 片、导叶、 锈钢 HVOF 喷涂 金属陶瓷 水冷式 宫环、风 最有效的抗磨 机、叶片、 损防护 张紧辊、工 艺辊 抗磨环、迷 金属碳化钨 高 自动化工艺 Diaturb 中 自动化工艺 不抗汽蚀 陶瓷 度中 金属合金及 中 及防腐粘接强

HVOF 在水轮机抗磨蚀方面的应 用研究
一、引言

我国多泥沙河流上水轮机过流部件遭受磨蚀破坏,导致机组事故率上升,出力及效 率下降,检修费用增加等问题已成为当前水电生产中亟待解决的问题。由于不同流 域的泥沙含量、粒径级配、砂粒形状、硬度和过机流速不同,水轮机的机组材质、 设计参数、加工工艺、机械性能、运行工况不同,导致不同电站水轮机的磨蚀部件 和破坏程度也不尽相同。目前利用的主要方法是补焊打磨修型方法进行维修,不仅 工作量大,检修工期长,花费大量的人力物力,而且很难控制变形,不能保证叶型 的精确性。也不能保证过流面的光洁度。在材料方面,目前还没有一种可机加工的 材料达到既抗汽蚀又抗磨损的要求,所以通过过流面增强技术形成抗磨蚀涂层进行 防护很有必要。在利用喷涂技术进行抗磨蚀防护中,因涂层材料的不同以及形成涂 层的手段不同而效果有很大差异[1]。本文就高速火焰喷涂方法在水轮机抗磨蚀方面 的作用进行了分析研究,通过对比高速火焰喷涂与其他几种喷涂方法的工艺特点, 表明高速火焰喷涂对水轮机的抗磨蚀防护是一种有效的方法。

二、水轮机磨蚀机理分析

水轮机过流部件遭受磨蚀破坏机理主要是泥沙冲蚀磨损和汽蚀破坏以及它们之间 的联合作用[2]。根据 L.Finnie 的微切削理论,水轮机过流表面泥沙对金属材料的冲

蚀量可由下式表示[3]:

式中:

-- 冲蚀量(kg/mm2)

--流动沙粒质量(kg) ;

-- 冲蚀角;

-- 沙粒速度(m/s)

-- 金属材料的屈服应力。 上式表明,水轮机过流表面材料所受到的冲蚀量与沙粒质量的平方以及与沙粒速度 的 n 次方成正比,与沙粒相对金属表面的冲蚀角有关,金属材料在低冲蚀角的冲蚀 率达到峰值,随冲蚀角的增大,冲蚀率会逐渐下降。而材料的耐冲蚀性能取决于材

料的屈服应力,因而可以推论材料的弹性模量越高,材料的抗冲蚀性能越好[2]。另 外水轮机在运行中还经常发生汽蚀现象,导致水轮机过流部件的汽蚀破坏。实验表 明,水柱冲击过流部件表面时,接触冲击力由下式计算[4]:

式中:

-- 接触冲击力(N) ;

-- 水流弹性模量;

-- 流体密度(kg/m3) 上式说明接触冲击力

与冲击速度

和过流部件材料有关。材料的抗汽蚀性能与材料硬度成正比。 含沙水流中运转的水轮机一般情况下是在汽蚀与泥沙磨损联合作用的破坏下,二 者相互促进加速了水轮机的破坏程度。当含沙水流通过水轮机时,具有一定动能的

沙粒若与水轮机表面发生碰撞就有可能产生磨损,但并不是说含沙水流通过水轮机 就一定产生磨损。由上述公式可知,磨损的产生与沙粒的自身特性与水流的挟沙状 况以及材料特性都有紧密的联系。只有满足了磨损的条件既对某种材料而言,沙粒 不但具有一定的动能而且还要具有一定的冲角,使沙粒的压入压强大于材料的弹性 极限时才能发生。 而某种因素的改变都将影响磨损的生成。 如虽然水流的流速较大, 沙粒的动能较大,但若沙粒的冲角很小,压入压强小于材料的弹性极限,就不会产 生磨损。但若沙粒呈尖角形,当尖角与材料接触时,在同样的动能条件下,压入能 量都集中在尖角上,使压入压强增高,从而使磨损发生。对某种材料而言,当沙粒 粒径、冲角一定时,存在一临界流速,当水流速度大于该临界流速时发生磨损,小 于该临界流速时, 虽然沙粒不产生切削磨损, 但长时间作用会导致材料的疲劳破坏, 同样材料会发生磨损现象。由于目前我国水轮机大都在含沙流域运行,而大量的磨 损现象发生说明自然界水力环境的恶劣,因此,我们必须通过改善材料表面特性以 达到抵抗泥沙磨损的破坏作用。这就要求在材料方面既要有很高的硬度抵抗泥沙磨 损,同时材料还要具备一定的韧性来达到抗汽蚀的功效。

三、高速火焰喷涂(HVOF)的特点

一、

喷涂技术

热喷涂技术是.用高能热源, 利用喷枪形成高温和火焰流, 在高温下 (一般为3000℃ ) 将粉末溶解,利用火焰流速将已溶粉末或未溶粉末夹带并以高速喷向工件基材表 面,形成涂层。其特点是工艺简单,基材温度较低(一般控制在150℃ 以下) ,工件 不会发生变形,喷涂材料与工件材料基本无关,粘接强度较高,涂层特性主要由粉

末特性体现(如抗磨、抗腐蚀等) 。使用最新的高速火焰(HVOF)喷涂技术系统, 可进行金属喷涂,碳化物喷涂和特殊喷涂。该项技术是把喷涂材料以粉末状态注入 高速喷射燃烧的火焰中,其喷射速度可达2000米/秒,燃烧温度适中(≤3000℃ ) 。高 速燃气一方面使粉末材料的颗粒达到半熔化状态另一方面又使粉末材料的颗粒加 速运动,将熔化后的粉末材料紧密均匀地附着在被喷涂物体的表面上,与基材物理 结合在一起,而基材温度低于150℃ ,使基材不发生任何变形。从而形成少孔隙、 低氧化、高粘合力、低残余应力的高质量涂层。

二、

喷焊技术

喷焊技术的工艺与焊接工艺及效果相当,它一般采用高放热材料(含 Ni) 。目前最 常用的是 Ni-Cr-B-Si 粉料或在该料中再加入 WC、Cr3C2等硬质材料组或粉末,具 体工艺是,预热工件至400℃ 左右,首先用喷枪将粉末喷在工件表面,然后用乙炔 火焰加热涂层至1100℃ 左右,使涂层重溶,与基材产生化学反应(焊接)溶解在一 起,形成新的涂层。 该技术的特点是:a.结合强度高,一般均高达150Mpa 以上,即冶金结合强度; b. 表面孔隙率极低;c.涂层光滑,尤其是对平面部件,效果更佳; d.硬度较高;e.成 本较低。 缺点是: a.由于是热加工工艺所以在喷焊的过程中, 工件受热较大, 温度高达1000℃ 以上,变形较大,且很难控制,尤其是对大形部件,一方面预热较困难,二是无法 控制变形;b.由于无法进行控温冷却,所以在冷却过程中基材内部将产生较大的残 余应力,而该应力将可能影响机组的安全运行。c.对特种钢(如不锈钢)工件,由 于降温的不可控制,使得工件材料的性质发生相变,从而改变原材料的性能。

高速火焰喷涂(HVOF)是二十世纪八十年代出现的一种高能喷涂方法。它是以氧 及某种燃气类作热源,通过高强度的燃烧使气体快速膨胀,形成高压,燃烧产物在 高压驱动下形成高速气流,以两倍马赫以上的高速通过枪管冲击枪外。HVOF 火焰 温度通常在3000℃ 左右,喷枪喷射火焰速度 >2000m/s,喷涂的粉末飞行速度可达 300-600米/秒,涂层致密,孔隙率低(气孔率可低于1%),喷涂温度低,残余应力低, 涂层硬度高,Co-WC 涂层 HV 可达1490。涂层与基体的结合强度高,对 Cr-Ni 基 合金粉末和 Co 基合金粉末涂层来说,可达到70Mpa 以上。近几年已在葛州坝水电 厂、青铜峡水电厂、刘家峡水电厂等十几家电厂进行了应用,并取得了显著的效果。 由于水轮机过流表面曲线的复杂性以及水轮机磨蚀破坏因素的多元性,给强化水轮 机过流表面技术带来许多难题。二十世纪90年代后期开始使用喷焊技术对水轮机过 流表面进行喷涂,取得了一定的效果[6]。喷焊技术是对工件加热后进行表面喷粉, 然后进行重溶的一种热加工工艺过程,由于水轮机叶型的复杂性以及工件厚大等特 点,给叶片加热工艺带来很多困难,而由于叶片应力分布情况很复杂,使得水轮机 在经历了温度升降后叶片发生变形。因此利用喷焊技术对水轮机(特别是大中型水 轮机)进行喷涂还存在着许多无法克服的工艺困难。 在利用等离子喷涂工艺对水轮机进行喷涂方面,目前也有一些应用。等离子喷涂是 将金属粉未通过等离子弧焰流中心加热到熔化或半熔化状态,随着焰流高速喷射并 沉积到经预处理的工件表面上,从而形成一种具有特殊性能的涂层。 等离子弧具有高 温(弧中心温度高达32000K)和高速(焰流速度最高达3050m/s,粉末离子喷射时最高 达610m/s)特点,涂层的致密度也较高(可达88%-99%),粘着强度可到70Mpa。 利用等 离子喷涂工艺进行喷涂时工件无须加热,因而受热变形小。和 HVOF 相比,等离子 喷涂在喷 Co-WC,WC-Co-Cr 及 NiCr-Cr3C2等这些用于水轮机抗磨蚀的粉末时, 这

些材料在等离子焰流中因经受很高的温度,会导致分解脱碳与氧化,使涂层性能变 差。 另一种水电站应用的喷涂方法是电弧喷涂,普通电弧喷涂的最大特点是热效率高, 生产效率高,操作简单,生产成本低,但与 HVOF 和等离子喷涂相比又具有涂层与 基体结合强度低,涂层孔隙率高的缺点。 以下是高速火焰喷涂(HVOF)与等离子喷涂(APS) 、喷焊(FS) 、热喷涂(TS) 和刷涂(BS)等工艺性能的差异[5]:

喷涂工艺硬度 (HV)结合强度 (MPa)喷涂材料 HVOF1000-1200>90Cr-Ni 基合金粉末 HVOF1100-1300>90Co 基合金粉末 APS900-110030金属铬粉末 FS600-700>90自溶性 Cr-Ni 基粉末 FS600-700>90Co 基自溶性金属粉末 TS--耐磨橡胶 BS--无机涂料

而最能发挥 HVOF 特长的是喷涂碳化物基的金属陶瓷粉, 因其较高的喷射速度以及 较低的火焰温度保证了粉末在喷涂中更少的氧化和失炭,从而使涂层有更高的硬度

和更好的耐磨损性。 在水轮机抗磨蚀由于既要防止变形又不能承受高温,因此,选用 HVOF 更适合对水 轮机进行抗磨处理。在具体喷涂过程中,针对不同型号、不同流域、不同工况的水 轮机我们要进行分析试验,采用不同的喷涂材料。

参考文献 [1] 张菁 期 [2] 庞佑霞 郭源君 刘厚才水轮机过流部件磨蚀机理的研究 《润滑与密封》 2001 年第4期 [3] L.Finnie,Some reflections on the past and future of 揭晓华 高速火焰喷涂技术及其应用 《国外金属热处理》1998年第2

erosion,Wear,1995,186-187:1-10. [4] K.K Sinha et al.,Tool Alloy Steels,1990,24 (2):443 [5] 薛伟 陈昭运 耐泥沙磨蚀涂层研究 《机械工程材料》 第25卷第6期

[6] 门志慧 等 中小型水电站水轮机喷焊工艺及经济效益分析 《水机磨蚀》 1999-2000论文集

1、防护材料 我公司采用的是适用于水轮机过流部件表面抗泥沙磨损的专用材料,其主要 成分为碳化钨材料 (市场上通用的碳化钨粉如钴-碳化钨类主要特点是干湿抗磨,对 于湿环境尤其是水下恶劣环境不能适应,由于其抗汽蚀能力极低,因此不适用水电 站喷涂) 。我公司所用材料的结合强度大于70MPa,表面硬度大于1100Hv,表面抗 汽蚀能力比0Cr13Ni4Mo 高70倍以上,其抗汽蚀能力与0Cr13Ni4Mo 相当。我公司 采用先进的喷涂工艺,喷涂过程中能够严格控制基材温升,保证基材不发生变形, 从而确保原设计的精度。 2、关于设备的现场施工特点 我公司由于采用先进的可分离控制型设备并使用液体燃料,因而可以运送全 部喷涂系统到现场进行作业。如若发生局部涂层为达到质量保证的要求,我公司还 可采用先进的工艺技术到现场或机坑内实施局部喷涂修补。 3、关于待喷涂材料表面的要求 为了保证喷涂质量,其待喷涂材料的表面粗糙度应小于 6.3μm,表面无大于 0.5mm 孔径的孔洞,无加渣气孔现象及焊接现象,无腐蚀和侵蚀现象。 4、关于涂层的抗汽蚀性能 在机组实际运行过程中,防护涂层的破坏方式有二:一是撞击。即在叶片或 导叶的进口部位由于大颗粒石头等硬物以大冲角直接撞击,是的涂层局部波坏或多 次撞击后涂层发生疲劳而产生局部损坏,这种损坏有影响到邻近区域。二是遭受到 强汽蚀。 尽管我公司的涂层比13-5不锈钢的抗汽蚀能力高, 但仍处在同一数量级上。 由于目前世界上还没有研制出既抗汽蚀又抗磨损的涂层材料,因此在强汽蚀情况

下,我们不能保证所有喷涂层发生损坏。在这方面,参考国外经验,多是在叶型设 计时采用无汽蚀或少汽蚀设计来控制汽蚀破坏。 5、关于工期及质量保证 喷涂每平方米平均所需5小时。 质量保证期为机组运行8000小时或签发初步验收证明日期之日起2年, 以先到 日期为准。在此期间涂层在遭受到泥沙磨损时,其脱落面积不超过喷涂总面积的 10%,喷涂表面无裂纹现象。


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热喷涂技术的研究综述_能源/化工_工程科技_专业资料。成绩日 期 《表面工程技术》结课论文 题 目 热喷涂技术的研究综述 材控 1211 2012118502104 赵乙丞 专业班级...
热喷涂文献综述
热喷涂文献综述_电力/水利_工程科技_专业资料。《材料表面工程》课程期末作业 题...(1)火焰喷涂法是目前喷涂技术中使用较广泛的一种工艺。采用火焰喷涂法技 术,...
热喷涂技术现状及最新研究
热喷涂技术研究现状及应用华南理工大学 杨沙 摘要:重点介绍气体爆炸喷涂,新型超音速火焰喷涂,超音速等离子喷涂技术,综述热喷涂技术在热障 涂层、非晶涂层、纳米涂层、...
热喷涂技术
热喷涂技术的研究综述摘要:提高热喷层的致密性,减少其孔隙,可以防止涂层过早腐蚀,延长其使用 寿命。简述了热喷涂层孔隙出现的原因;介绍了减少热喷涂层孔隙率、提高...
热喷涂技术
热喷涂技术_材料科学_工程科技_专业资料。表面工程学 齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院 热喷涂技术的研究综述孙* (齐鲁工业大学 机械与汽车工程学院 20130102***) ...
热喷涂表面技术的发展现状
综述热喷涂技术的研究现状以及未来的发展趋势, 主要介绍了超音速火焰喷涂 技术、火焰喷涂技术、电弧喷涂技术、等离子喷涂技术、冷喷涂技术与超音速电 弧喷涂技术等 ,...
热喷涂工艺概述
热喷涂工艺概述_机械/仪表_工程科技_专业资料。热喷涂技术概述众所周知, 除少数贵金属外,金属材料会与周围介质发生化学反应和电化 学反应而遭受腐蚀。此外,金属表面...
热喷涂技术
热喷涂技术_材料科学_工程科技_专业资料。热喷涂技术应用与发展尚晓娟 205110803 金材 111 摘要:本文综述热喷涂技术的工艺,分类,应用,热喷涂材料等。分析了热喷涂...
热喷涂技术
本文对热喷涂技术进行 了简单介绍,综述了该技术在锅炉管道部件的应用。大力提倡和发展热喷涂技术,在电力工 业中具有巨大的应用价值和广阔的市场前景,必将带来愈来愈...
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