防磨防腐新材料超音速电弧喷涂技术

一、超音速电弧喷涂的原理

电弧喷涂原理是利用两根连续送进的金属丝作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，用压缩空气将熔化了的丝材雾化，并以超音速喷向工作件形成一种结合强度高、孔隙率低、表面粗糙度低的涂层的热喷涂方法。其工作原理与普通电弧喷涂（亚音速雾化）一样，超音速电弧喷涂是一个不断连续进行的熔化－雾化－沉积的过程。但在雾化方式上，超音速电弧喷涂与普通电弧喷涂有根本的区别，即超音速电弧喷涂是采用超音速雾化。其优点是：雾化效果好，雾化后的粒子细小均匀，速度高，有利于获得高质量的涂层。

超音速电弧喷涂采用拉伐尔喷嘴，将气流的速度从亚音速提高到超音速，加强了气流对粒子的加速效果，从而提高了粒子速度。粒子速度对涂层的性能有很大的影响。粒子速度高，粒子沉积时对基体的撞击作用就强，粒子变形就充分。有利于粒子与基体、粒子与粒子之间的结合，从而提高涂层的结合强度和内聚强度；粒子速度高，粒子沉积前在空气中的飞行时间短，飞行中产生的氧化物就少，有利于粒子的结合，从而提高涂层的内聚强度，降低涂层的孔隙率。粒子速度越高，越有利于获得高质量的涂层。随着热喷涂设备的更新换代，粒子速度在不断提高，涂层的质量也不断得到改善。

超音速雾化减小了粒子的粒度，降低了涂层的粗糙度。粗糙度是涂层的一项重要性能指标，它取决于雾化后粒子的粒度。超音速雾化加强了气流对丝材端部熔化金属间的作用，雾化的粒子细小均匀，大大降低了涂层的粗糙度。同时，粒子粒度的减小，也降低了粒子扁平化过程中的飞溅，有利于降低涂层的孔隙率。

超音速雾化是超音速电弧喷涂的出发点，是其与普通电弧喷涂的根本区别。

超音速电弧喷涂设备包括电源、喷枪、送丝机构及其附件，关键设备是超音速电弧喷枪。我公司采用进口喷嘴，并且喷涂电流稳定，能在保证丝材雾化效果、涂层质量的前提下，一天的喷涂面积达到20m2。

电弧喷涂时，弧区的温度高达5000－6000℃，用气冷的方式对喷嘴进行冷却。

二、超音速电弧喷涂的技术优点

超音速电弧喷涂与普通火焰喷涂相比，有以下技术优点：
1、热效率高。火焰喷涂产生的大部分热量散失到大气和冷却系统中了，热能的利用率仅为8－15%。而电弧喷涂是直接用电能转化为热能来熔化丝材，热能利用率高达70－80%。

2、生产效率高。电弧喷涂的生产效率高，表现在单位时间内喷涂的金属丝材多。一般情况下，其生产效率是火焰喷涂的8倍以上。

3、操作简单，安全可靠。电弧喷涂设备没有复杂的操纵机构，只要把工作电流、电压根据喷涂材料的不同选在规定范围内，均可保证喷涂质量。现场仅使用电能和压缩空气，不用氧气和乙炔等易燃气体，安全可靠。

4、涂层结合强度高。电弧喷涂可在不提高工作温度，不使用贵重金属的条件下获得较高的结合强度，一般可达20MPa,是火焰喷涂涂层强度的2.5倍。而超音速电弧喷涂涂层的结合强度可达60MPa，与等离子的质量接近。

5、涂层孔隙率低。涂层表面的孔隙率普遍低于1%，提高了涂层的耐磨耐蚀性能。

由于超音速电弧喷涂具有独特的优点，因此在材料防腐、耐磨，修旧利废以及电力生产领域得到广泛的应用，产生了很大的经济效益和社会效益。

超音速电弧喷涂的研制和应有成功，说明该技术具有高度的先进性和科学性。具体表现如下：

1、应用空气动力学原理和计算机设计以及拉伐尔喷嘴等手段，成功研制出超音速电弧喷枪，大幅度提高粒子速度，测得的粒子速度超过了当前国内外电弧喷涂粒子速度，其中铝离子最大速度为385.7m/s。

2、设计的超音速电弧喷涂电源，起弧可靠，还有拉伐尔喷嘴对气流的加速作用，拉长了电弧并能保持电弧稳定，有效提高了丝材粒子的雾化效果和涂层的致密度、结合强度。

3、喷枪采用气冷式，解决了金属粒子与喷嘴内壁的粘接难题，提高了气流的质量，致使粒子的速度和涂层质量都得到提高。
4、该技术具有较高的实用价值和推广价值。超音速电弧喷涂技术在当前电弧喷涂领域处于国际领先水平。

三、超音速电弧喷涂在热电厂中的应用

在我国， “锅炉四管”的磨损腐蚀一直是困扰CFB锅炉电站的瓶颈问题。由此引起的锅炉爆管、泄漏，腐蚀，停炉检修等造成的经济损失和社会影响是十分巨大的。

锅炉四管因长期处在硫化腐蚀、高温氧化和粒子冲刷的环境中，工作环境十分恶劣。为解决磨损腐蚀失效问题，在国外，采用电弧喷涂技术，例如美国、德国、前苏联、日本等国，在锅炉四管上，喷涂不同的合金材料，对减缓锅炉管子的磨损腐蚀，延长使用周期，是很有效果的。在国内超音速电弧喷涂技术也得到广泛应用，如我公司先后为国内几十家电厂对锅炉四管、外置式换热器、炉膛埋管受热面、冷渣器中的热交换器、水（汽）冷式旋风分离器膜式壁、炉膛水冷壁卫燃带及其炉顶出口四周易磨损部位进行了喷涂，都取得了明显效果。

四）、喷涂工艺、涂层材料特性

1、喷涂工艺

喷涂工艺主要包括两部分：表面预处理和喷涂。先采用石英砂进行预处理，以除去管件表面的氧化物，使待喷涂的表面变得光洁，提高涂层的结合强度。涂层厚度厚度一般为0.3－0.5mm，喷涂距离为150－200mm，喷涂角度90°。

2、涂层材料及其特性

涂层材料种类

a、镍铝合金　　　　　 规格　Ф3.0mm Ф2.0mm
b、镍铬钼锰防磨合金　　　 规格　Ф3.0mm Ф2.0mm
c、高铬镍钒锰基防磨合金　　规格　Ф3.0mm Ф2.0mm Ф1.6mm

材料特性

▲ 在所有金属喷涂材料中具有最低摩擦系数　0.08—0.12
▲ 涂层具有超级结合强度　　>50Mpa
▲ 高耐磨性能　　使用寿命1—3年
▲ 耐高温　　在950℃的高温下仍具有高强度的耐磨防腐性
▲ 高硬度　　HV∽380（加载100ｋｇ）
▲ 热传导性能极佳　　
▲ 热膨胀系数极小　　6.8×10-5/℃