熱噴涂涂層工業應用(二)

點擊數：566發布時間：2020-10-22 00:00:00　

3、航空、航天工業中的應用

熱噴涂技術在航空、航天工業中應用歷史久，范圍廣，涂層品種多，而且技術含量高。盡管航空、航天中飛機發動機、宇宙火箭等工作條件十分惡劣，對涂層可靠性要求非常苛刻，但當代航空發動機中一半以上的零件都有涂層（零件數已達1000個以上），主要用耐磨、耐腐蝕、抗氧化、封嚴。

對于發動機的絕熱涂層，過去一般采用穩定型的ZrO2（穩定劑為Y2O3，MgO，CaO，CeO等）面層材料和CoNiCrAlY高溫粘結底層材料，通過等離子噴涂，制備兩層或數層階梯結構涂層。自20世紀80年代末90年代初，由于新的涂層技術——電子束物理氣相沉積技術（EB-PVD法）的開發成功，制備的熱障涂層（TBC）為柱狀晶結構，與粘結底層加陶瓷涂層結構，我國目前主要采用二層涂層結構（CoNiCrAlY底層+穩定型ZrO2面層），并已應用在新型發動機燃燒室，加力燃燒室等熱部件上。目前對熱障涂層的改進主要從多層或梯度功能涂層的設計，粘結底層的預氧化處理，熱障陶瓷面層的滲鋁處理、陶瓷面層激光改性處理等方面研究和發展。

發動機封嚴涂層隨著熱端高溫氣流溫度的逐級提高，使用溫度從300℃到1100℃，目前最高溫度可達1350℃。AlSi-聚苯酯，鎳-石墨，鎳-硅藻土，NiCrAlY-BN，Y2O3穩定ZrO2-BN等復合粉末涂層，已獲得成功應用。其中，尤以高溫封嚴涂層制備和工作條件最困難要求其厚度達2-3mm，噴涂時必須嚴格控制涂層應力的產生。另外，要承受1000-1350℃高溫，遭受2-3倍音速的高溫氣流沖刷，受到超過300m/s線速度葉片尖部刮削而不發生剝落。故涂層必須耐高溫、抗氧化、耐、熱震、結合強度高，化學惰性，而且質軟（46-108HV），多孔（孔隙率達25%-30%）。

航空發動機某些零部件的磨損問題也是十分嚴重的，在服役期間，有的發動機低壓轉子轉速5000r/min，高壓轉子轉速15000r/min；并在極高負載和各種頻率的振動下工作，從而產生各種機理的磨損，這些磨損僅靠改變基體材料是達不到要求的。據英國RR公司統計，1976年前發動機零部件60%因磨損而報廢，采用耐磨涂層后報廢率降到30%，目前采用爆炸噴涂和HVOF噴涂涂層已有50多種在航空產品零件上獲得應用，如高低壓壓氣機葉片、蝸輪葉片、輪轂封嚴槽、齒輪軸、火焰筒外壁、襯套、副翼滑軌、制動裝置等。目前國內開發的某新機種上，規定采用十幾種熱噴涂層（主要是耐磨涂層）數百個零件，其中四種最關鍵的耐磨涂層必要采用結合強度好、涂層致密度高的爆炸噴涂和HVOF噴涂工藝制備。表3-2為爆炸噴涂在國內航空方面的應用。

4、鋼鐵工業中的應用

熱噴涂技術在鋼鐵工業的應用已有相當長的歷史。從西方發達國家鋼鐵工業中熱噴涂技術應用的對象來看，各式各樣的輥子占全部熱噴涂部件的85%以上，取行極顯著的技術經濟效果。如Co-WC噴涂的張緊輥，其壽命由鍍硬鉻使用的兩個半月延長到5年停機檢修時間和費用僅為原費用的1/10。退火爐導輥，過去平均每月停機30min進行檢修，噴涂后則可保持3年內不檢修，并極大地提高帶鋼的品質。日本鋼鐵公司熱噴涂退火爐輥的比率，從1982年的20%上升到1989年的100%，而帶鋼因輥面結瘤引起的廢品率則由80%下降到零。各

（1）連續退火爐輥

汽車用外客薄板和硅鋼片板材表面質量要求極高，不允許有任何劃痕和缺陷。故生產中各個工藝環節對與鋼板接觸傳動的爐輥表面狀態提出嚴格要求。在寶鋼薄板生產線上采用HVOF技術在連續退火爐輥表面噴涂NiCr- Cr3C2作抗積瘤涂層，該涂層具有耐磨、耐高溫、自清潔作用。使用效果達到日本同類產品水平。在武鋼硅鋼片生產線上采用等離子噴涂NiCr-8%Y2O3/ZrO2涂層用于硅鋼片高溫連續退火爐輥防積瘤。該輥長2700mm，工作部位長1500mm，輥徑φ120mm，工作溫度860~920℃，工作介質為氮氫還原性氣氛并具有不同露點。使用結果證明：陶瓷涂層爐底輥壽命超過6個月，最長達2年。涂層抗積瘤效果明顯，硅鋼片表面質量達到武鋼設計要求.

（2）熱浸鍍生產線沉沒輥

采用森吉米爾（Sendzimir）法進行薄板鋼帶連續熱浸鍍鋅（CGL）和熱浸鍍鋁、錫等屬熔液生產線中（見示意圖4-80）。熔液坩堝中工作的沉沒輥和穩定輥等均遭受694~800℃鋁熔液和452~570℃鋅熔液侵蝕，同時鋼帶由輥面帶動的運動速度高達35~40m/s。合金輥一般在鋁溶液中壽命僅2~3天，鋅熔液中僅10天左右就會產生很深的磨痕和蝕坑，劃傷帶鋼表面使廢次品率增加。采用等離子噴涂Al2O3+TiO2，MgO- ZrO2，MoAl2O4，與NiCrAlY形成的梯度涂層（總厚達1mm）（圖4-81照片），以及用HVOF噴涂Co-WC涂層作為沉沒輥和穩定輥工作層。由于涂層材料與鋁、鋅熔液不潤濕和不產生化學反應。上述兩種工藝涂層分別在連續熱浸鍍鋁、鋅生產線坩堝中運動的壽命提高3~4倍。該類涂層還可用在熔液Cu、鋼液方面作錠模、運輸槽、坩堝內壁涂層和電偶套管、攪拌器、支架等保護層。

（3）熱軋工具

大口徑無縫鋼管（φ219~φ377mm）自動軋管機所用的軋管機頂頭，傳統采用Cr17Ni2Mo整體鑄造的耐熱馬氏體不銹鋼制造，頂頭與970~1050℃的鋼管內壁以每秒3~3.5m速度相對位移，實際頂頭表面溫度高達1050~1150℃，使頂頭高溫硬度和強度急劇下降，表面氧化燒傷，產生“結瘤”，撕裂、拉傷、凹陷。其消耗量為每軋制千噸鋼管耗頂頭16t。經包鋼無縫鋼管廠3年的實際生產驗證，噴焊頂頭平均使用壽命提高3~5倍。軋制每千噸鋼管耗頂頭降至3t。年增效益達1000萬元以上。

5、印刷、造紙工業中的應用

隨著科技的發展，對紙張的印刷的技術要求越來越高，苛刻特殊的性能要求恰好是熱噴涂涂層發揮其作用的領域。

（1）印刷機械

等離子噴涂陶瓷涂層技術在印刷機輥子上已成功應用多年，其應用領域正日益擴大。陶瓷涂層的許多特點正適合印刷機輥子的需要，它們包括：高耐磨性；高耐蝕性；絕熱性；防粘性；可刻蝕性；可維修性；選擇性潤濕性、親水性；電絕緣性、親水性；咬人性、適度粗糙度的保持性。

①暈光輥 聚乙烯塑料薄膜電刻蝕用電暈處理機輥，輥長達5000mm，其典型外徑為250-500mm，需要在輥面等離子噴涂介電常數6-9的介電涂層，耐2萬V以上的擊穿電壓。

氧化鋁涂層耐壓強度為100-175kV/cm，因此滿足2萬V以上的擊穿電壓需制備2mm左右的厚涂層。噴涂態的氧化鋁涂層為易吸潮的γ-Al2O3結構，涂層的介電常數取決于涂層中的干燥度，一般噴涂的氧化鋁涂層要用硅酮樹脂封孔。

②彩色膠印輥  自20世紀80年代后，采取噴涂陶瓷涂層—磨光或拋光—激光刻蝕—拋光成型成套工藝制備。經刻蝕后的輥面能精確地向印刷輥輸送油墨，因而能獲得圖像清晰的彩色膠印畫面，不串色。

采用等離子噴涂氧化鉻涂層能滿足彩色膠印輥使用要求。涂層制備時，要求孔隙率低和涂層不失氧，一般采取在等離子噴涂送粉氣中加氧，功率在50kW以上進行噴涂作業。制備的涂層經適當磨光后，用激光進行刻蝕，刻蝕形成的窩狀熔池最佳半徑應為1-3μm，典型深度為10-15μm，但一般商品化制作均大于要求的數倍，如激光刻蝕的密度為140線/cm。國內進行該方面的研究，已達到大面積、長時間噴涂的涂層無任何缺陷，涂層經精密加工達到Ra0.1μm以下，滿足激光刻蝕400線/cm的要求。激光刻蝕的熔池不規則平整，涂層應進行表面最后拋光才能應用。目的是使刮刀與輥面完全接觸，有效控制油墨輸送量，形成清晰的印刷效果。

（2）造紙機械

造紙工業中，從紙槳生產到成品紙張成型的整個工序過程，采用熱噴涂涂層的主要零件有：壓光輥、烘缸、木材輸送盤磨損板、風機葉輪、輸送螺桿、蒸煮鍋、黑液鍋爐管道、腭形夾爪，紙張脫水板、泵軸及軸套、機械密封環等十幾種。針對具體使用環境，可采用各種涂層進行腐蝕保護和提供特殊功能表面，延長工件的服役壽命和降低成本。目前，熱噴涂涂層在下面幾個部件上的應用效果十分突出。

①烘缸  造紙烘缸基體一般均用鑄鐵鑄造而成，烘缸直徑有φ1.5m，φ2.0m，φ3.0m等等，最大的可達6m以上。烘缸內通入壓力為1Mpa的過熱蒸汽用于干燥烘缸表面的紙張。由于烘缸材質為鑄鐵，連續的紙帶貼于缸面干燥，并以高速（最高可達約30m/s）從缸面揭去，加之刮紙刀相對于烘缸運動（功能為刮揭紙張），故烘缸表面同時受到自身缺陷、紙漿中所含堿液、松香、明礬等介質的腐蝕和刮刀的磨損，需要施加涂層。傳統方法是在烘缸表面鍍硬鉻、電弧噴涂鋁青銅+1Cr18Ni9Ti涂層和等離子噴涂Mo和含Mo的鎳基涂層。

最近推出用高速氧燃料噴涂（HVOF），在我國又稱為超音速火焰噴涂，這種工藝噴涂Co-WC層和氟化乙丙烯（FEP）聚合物層，可使烘缸表面的釋放性能顯著提高。因為在HVOF中，噴涂粉末粒度只有5~30μm，粒子飛行速度達600~900m/s；因而產生高硬度（1100~1200HV）的無孔隙涂層。噴涂操作時，每遍噴涂厚度為0.10~0.15mm，不存在層間缺陷，而涂層在使用期間磨損是均勻的，故可保證涂層在任何剩余厚度下都具有相同性能。Co-WC涂層可拋光到相當低的粗糙度，氟化乙丙烯擁有與溫度低于200℃時的特氟隆一樣的抗粘連特性和耐腐蝕性，且與CoCr-WC涂層有更好的粘連性，能更有效地改善紙張的表面效果。

2.壓光輥   典型的壓光輥要求有非常光滑的表面，用來加工高檔光板紙。傳統的表面處理方法是鍍硬鉻后拋光，由于工作運行時表面與刮刀接觸，易產生劃痕磨損。輥的壽命3~6個月。先后采用電弧和等離子噴涂Ni-Al+高鉻不銹鋼后用酚醛清漆封閉，但涂層表面粗糙度達不到要求。

采用HVOF和SB-HVOF噴涂100μm厚度的耐磨CoCr-WC或Co-WC涂層，然后拋光精蝕到Ra≈0.01~0.03μm，壓光輥的壽命可達2年。

3.黑液鍋爐管道    紙漿堿回收用的黑液鍋爐，在使用過程中，燃燒的黑液和無機物對鍋爐水冷壁管道有嚴重的腐蝕和沖刷磨損作用。采用美國TAFA公司研制的45CT（Ni55 Cr45）電弧噴涂單層涂層，取代過去采用的多層涂層體系（Ni-Al+不銹鋼+純Al+SiAl封孔劑）使用壽命可達4年以上。由于45CT屬高鎳鉻材料，成本貴且制成絲材工藝要求高，隨后相繼研制了Fe-22Cr-6Al合金線材等，采用電弧噴涂涂層基本達到45CT絲材性能指標，而成本大大降低。