热喷涂技术及其在铁路行业中的应用

    摘要：综述了表面工程及热喷涂技术的特点及发展，重点综述了热喷涂技术在工程中，尤其是在铁路行业中的应用。热喷涂技术作为表面工程技术的一个重要分支，在铁路行业中的应用前景极为广阔，进一步推广应用该技术将产生较大的经济和社会效益。
    关键词：表面工程,热喷涂,铁路
    表面工程及热喷涂技术的特点和发展
    表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面和非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需要的表面性能的系统工程。表面工程综合了多个领域的基础理论、技术和最新成果。表面工程技术因在基体材料表面制造了一层涂层或薄膜，或通过表面改性赋予材料许多特殊性能，使材料的表面性能大大优于材料基体，不仅能大大延伸基体材料的应用领域，而且解决了许多领域中材料无法满足环境条件要求的问题。表面工程技术在解决人类发展中遇到的资源、能源、环境等共同问题中起着不可替代的重要作用
由于表面工程技术节能、节材，从而保护了人类赖以生存的宝贵资源，同时还对环境保护起到了非常关键的作用，因而可以说表面工程技术是21世纪是知识经济的时代，信息技术、生物工程、宇航技术、海洋工程技术、新材料技术等领域的科技发展日新月异，前景十分广阔。20世纪末，表面工程在上述高新科技领域发挥了十分重要的作用。可以预测，21世纪表面工程技术将更深地融入高新技术领域。21世纪表面工程技术将渗透到各行各业，推动社会文明、提高生活质量。
    据美国商务部调查，表面工程技术将同新材料技术、计算机技术、生物技术、自动化及传感技术、电子技术、医学技术等一起成为主导21世纪发展的关键技术。21世纪将是表面工程飞速发展的世纪。据预测，未来10—20年间，表面工程发展的主要趋势为：与高技术交叉融合，相辅相成，突破性解决时代重大问题；以节能和保护资源为目标，多领域促进经济可持续发展；采用先进制造技术，实现自身少排放或无排放的绿色表面工程；快捷灵活，超越单元技术，实现与整体制造业融合集成的表面工程；多种表面工程技术复合和综合的第2代表面工程技术。
    热喷涂技术是表面工程技术中的一个重要分支，它是通过火焰、电弧或等离子体等热源，将某种线状和粉末状的材料加热至熔融或半融融状态，并将加速形成的熔滴高速喷向基体，形成涂层。涂层具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温和隔热等优良性能，并能对磨损、腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复。热喷涂技术的应用主要包括：长效防腐、机械修复及先进制造技术、模具制作与修复、制造特殊的功能涂层等4个方面。目前，热喷涂技术已广泛应用于几乎所有的工业领域以及家庭用品，如不粘锅、红外线保健电热器等。
    基于热喷涂市场的巨大潜力及其社会效益和经济效益，使其在世界范围内受到极大的关注。以热喷涂长效防腐为例，据工业发达国家统计，每年因腐蚀造成的经济损失占国民生产总值GNP的2%~4%。据统计，我国每年因腐蚀所造成的经济损失达2000多亿元。因此做好防腐蚀工作是非常重要的。事实证明，只要采用热喷涂等长效防腐措施，许多由腐蚀引起的损失是可以避免的。热喷涂应用在机械修复及先进制造技术、模具制作与修复、制造特殊的功能涂层等方面的经济和社会效益也是非常显著的。正是由于热喷涂技术的广泛应用和巨大的社会和经济效益，在近几个五年计划中，国家已多次将热喷涂技术列为重点推广项目。
20世纪末，热喷涂技术的发展十分迅速，并被推广使用。1980~2000年，热喷涂市场的变化情况见表1。到20世纪末，等离子喷涂仍然居主导地位。值得注意的是，高速火焰喷涂（HVOF）迅速发展，占据25%的市场比例，居第2位。电弧喷涂技术由于经济性好，涂层性能比火焰喷涂层优越，将部分代替火焰喷涂技术上升至第3位。
    2 热喷涂技术的应用
    热喷涂技术目前已经得到了广泛的应用，其主要应用领域如表2所示。近年的发展趋势和特点是：
    a.大面积、长效防护技术得到了广泛应用，对于长期暴露在户外大气环境下的钢铁结构件采用喷涂Al、Zn 及其合金涂层，代替传统的刷油漆方法，实行阴极保护;进行长效大气防腐蚀；
    b.采用热喷涂技术修复与强化大型关键设备及进口零部件；
    c.超音速火焰喷涂技术的应用；
    d. 气体爆燃式喷涂技术进一步得到应用；
    e. 高速、自动氧乙炔火焰粉末喷涂技术的发展迅速；
    f. 热喷涂技术在化工防腐工程中得到应用；
    g. 激光重熔技术开始应用。目前，热喷涂技术在军事、水利、电力、化工、建筑、环保、生物以及海洋工程等众多工程领域中得到了日益广泛的应用。采用热喷涂，使船身、甲板、驳船、大平底船、拖船等都得到了良好的长效保护。
    3热喷涂技术在铁路行业中的应用
热喷涂技术在铁路行业中的应用非常广泛。典型的应用如表3所示。在铁路桥梁维修时，有些桥梁采用整体电弧喷涂Al或 Zn进行防腐处理，由于铁轨的振动和枕木的微小移动，桥梁的上盖板防腐涂层不仅要求具有耐腐蚀性能，还应具有一定的耐磨损性能，所以大多数桥梁的上盖板采用电弧喷涂Zn+耐磨漆，也有些桥梁上采用电弧喷涂Al+不锈钢+封孔剂的方案。宝鸡渭河铁路大桥采用电弧喷Al+不锈钢+封孔剂的施工方案，预计寿命20年以上。
    目前，中国有几十个专业喷涂厂承接电视塔、桥梁、输变电铁塔、地下电缆管道等大型工程，喷涂面积达2×105m2，为这些工程节省了大量的维修费用，取得了明显的经济效益和社会效益。1985年国家广电部以广科技字42号文“关于广播电视铁塔防腐”发至全国，要求今后设计、建设广播电视塔，必须全部采用热喷涂技术进行防腐处理。由于工业大气污染加剧，空气中含S量增加，现在电气化铁路架线铁塔为增强在工业大气中的防腐蚀能力，采用电弧喷Al防腐蚀，取代传统的镀Zn工艺。
    电弧喷涂Al涂层应用到铁路桥梁正交异型板搭接面，提高搭接面之间的摩擦系数，同时又有长效防腐的功能。桥梁栓接面电弧喷涂Al涂层抗滑移系数初始值为0.673，电弧喷涂Al涂层具有良好的耐老化性能，能够满足桥梁设计标准对栓接面抗滑移系数不小于 0.45的要求。
铁路罐车也采用热喷涂的办法进行内壁和外壁防大气或介质腐蚀，取得了良好的效果。我们还成功地完成了内燃机车发动机排气管的热障陶瓷等离子喷涂、曲轴轴颈的火焰喷涂修复等工程。
    随着人们对材料性能的要求进一步提高，热喷涂工艺作为一种优良的表面工程技术具有广阔的发展前景，进一步广泛深入地推广应用该项技术，将产生巨大的经济和社会效益。