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超音速电弧喷涂技术与应用
超音速电弧喷涂技术与应用王汉功查柏林苏勋家扬晖ｌ、前言电弧喷涂具有生产效率高、生产成本低、工件受热小等优点，在长效防腐、维修、设备 制造和特殊功能涂层的制备方面应用广泛．在热喷涂中占有重要的地位，但是。与等离子喷 涂和超音速火焰喷涂相比，普通电弧喷涂的涂层质量较低，结合强度约２０ＭＰａ，孔隙率３ ―１０％，限制了电弧喷涂的应用。 近
年来，高能高速喷涂成为热喷涂发展的―个重要方向。特别是粒子速度，受到普遍关 注，粒子速度对涂层质量有决定性的作用，与等离子喷涂、超音速火焰喷涂相比，普通电弧 喷涂粒子速度较低．粒子速度成为制约电弧喷涂发展的重要因素。为了提高电弧喷涂的粒子 速度。改善雾化效果，人们采用了多种方案，但效果并不理想。 普通电弧喷涂采用收缩型喷嘴。这神喷嘴气流的最大速度为音速，如果采用拉伐尔喷嘴 （缩放喷嘴），气流的速度将达到超音速，利用计算机辅助设计优化设计出拉伐尔喷嘴，在将 气流速度提高到超音速的同时，将粒子速度也加速到音速或者超音速，因此，实现超音速电 弧喷涂在理论上是可行的。由此可见，超音速电弧喷涂技术是生产实践的需要，是科学技术 发展的必然。２、超音速电弧喷涂的基本原理 与普通电弧喷涂一样．超音速电弧喷涂是―个不断重复进行的熔化――雾化――沉积的过程。其基本原理是；燃烧于丝材端部的的电弧将均匀送进的丝材熔化，经拉伐尔喷嘴加速 后的超音速气流将熔化的丝材雾化为粒度细小分布均匀的粒子，喷向基体形成涂层。 超音速电弧喷涂与普通电弧喷涂方法原理相似。但在雾化方式上，超音速电弧喷涂与普 通电弧喷涂有差剐，普通电弧采用亚音速雾化．而超音速电弧喷涂采用超音速雾化。与亚音 速雾化相比，超音速雾化的雾化效果好，雾化后的粒子细小均匀，速度高，有利于获得高质 量的涂层。 超音速电弧喷涂技术的关键是喷枪。喷枪采川拉伐尔喷嘴和气体循环冷却技术，高压空 气经喷枪的头部进入枪体，在冷却拉伐尔喷嘴的同时，将自身加温，然后进入拉伐尔喷嘴， 加速到超音速，超音速气流与熔化的丝材作用．将丝材雾化为粒度细小．分布均匀的粒子， 并将其加速到超音速。３、超音速电弧喷涂性能与分析３．１超音速电弧喷涂的粒子速度 测试结果表明，超音速电弧喷涂纯铝可达最大粒子速度为３８６ｍ／ｓ，平均速度３７３ｍ／ｓ， 超过常温音速．粒子速度是气流与粒子问拖动力作用的结果，拖动力取决于气流与粒子之间的相对速度，其大小可用ｒ式表示。ＡｄＦｆ――ｃ衄９ｌ（Ｖｇ－－Ｖｄ）ｌＶｇ―ｖｄ８其中．Ａｊ为粒子的表面积，ｃ衄为拖动系数，ｐ Ｅ为气流的密度，Ｖｇ为气流的速度，Ｖｄ 为粒子的速度．由上式可以磊出。气流速度越高。拖动力越大。气流对粒子的加速作用越强。 超音速电弧喷涂系统由于采用了拉伐尔喷嘴．气流的速度被提高到超音速，增大了拖动力， 提高了粒子速度。 ３．２超音速电弧喷缘的雾化效果 雾化气流的速度越高，雾化后的粒子越细小，分布越均匀。由雾化的原理可知，气流和 熔滴之问的相对速度是熔滴受到的气动力的决定因素，影响熔滴的变形和破裂，从而影响雾 化效果。如果用动能来描述气动力．用表面能来描述表面张力，则粒子的最大直径可按下式 确定：ｄⅫ＝――ｐ ｇＶ２２ＣＯ其中：ｃ为常数，Ｏ为熔滴的表面能，ｄ。。为粒子的最大直径。由上式可知气流的速度越 大，ｄ。。越小，雾化的微粒越细小。与普通电弧喷涂相比，超音速电弧喷涂的气流速度有很 大的提高，因而增强了雾化效果．雾化后的粒子细小均匀。雾化的３Ｃｒｌ３粒子基本成球形． 平均粒度为４．３２ ｕｍ，较大的为１９．８ ｕｍ，较小的为１ ３．３超音速电弧喷涂涂层结合强度 一般情况下，涂层是要承受一定的载荷，因此结台强度是涂层最重要的性能指标。 超音速电弧喷涂涂层的结合强度高，３Ｃｒｌ３涂层的结合强度平均值达６０ＭＰａ。普通电弧 喷涂只有２０ＭＰａ，而美国研制的二次雾化电弧喷涂才有４０ＭＰａ，这是超音速电弧喷涂粒子 速度提高后的直接结果。由动量定理ＭＶ－ＦＴ可知，粒子速度越高，动量越大，沉积时的冲 量越大。粒子与基体接触撞击到凝固结束的冷却速度很高，该过程只有１０－’～ｌＯ’６秒，因此， 速度越高，粒子对基体的撞击作用越强，粒子变形越充分，有利于提高活性区域的面积：同 时，粒子沉积时?粒子的部分动能转化为热能，提高了粒子与基体的接触温度，粒子速度越ｕｍ。商，转化的热能越多：超音速电弧喷涂提高了粒子的速度，从而提高了涂层的结合强度．３．４超音速电弧喷涂涂层孔隙率 ３Ｃｒｌ３涂层孔隙平均大小为０．９Ⅱｍ，面密度为０．９％，体密度为Ｏ．７Ｎ。 由涂层的显微组织可以发现，孔隙基本上出现在粒子的交界处，这说明不完全重叠是涂 层孔隙形成的主要因素。超音速电弧喷涂粒子的速度高，粒子沉积时撞击力大，变形充分． 大大减少了粒子间的不完全重叠。另外，由于速度的提高，粒子沉积前飞行时间的缩短减少４ｌ了粒子氧化的程度．氧化物夹杂的减少，促进了粒子间的良好结合，有利于降低涂层的孔隙率。 ３．５超音速电弧喷涂涂层耐蚀性能 采用热喷涂铝、锌及其合金涂层，对钢铁件进行长效防腐，早在３０年代就开始应用， 至今仍是普遍采用的防护措施，并在继续发展。国内外大量的研究应用效果表明，这是最有 效和最经济的防腐方法。超音速电弧喷涂铝和Ａｃ铝涂层中性盐雾试验结果表明，４５＃钢及４５＃钢表面刷涂料的 试样均出现大面积锈蚀，超音速电弧喷涂纯铝Ａｃ铝涂层及其复合涂层，试验合格。由于超 音速电弧喷涂涂层孔隙率低，基本上没有穿透孔，涂层表面有较合适的粗糙度，为封孔涂料提供了良好的结合面，且喷涂的涂层有一定的活性，涂料与涂层的粘结比较牢固；封孔涂料 封闭了涂层内的孔隙，阻止了腐蚀介质的渗透：具有阴极保护作用的铝涂层和耐蚀的封孔涂 料为基体提供了良好的耐腐蚀防护，所以，超音速电弧喷涂铝、Ａｅ铝及复合涂层具有良好 的防护效果。４、音速电弧喷涂技术的应用 超音速电弧喷涂涂层由于结合强度高，孔隙率低，表面粗糙度低，耐磨耐蚀性能好．与普通电弧喷涂相比，涂层陛能有了很大的提高，因而，在工业中得Ｎ－ｒ广泛地应用，特别是 在长效防腐、设备修复、旧件翻新、产品表面强化等方面。腐蚀一直是困扰人们的技术难题．超音速电弧喷涂由于涂层均匀致密、孔隙率低、穿透性孔隙少，为腐蚀的防护提供了一条成本低、效果好的途径，特别是在桥柴、钢铁塔架、水 闸门、工业锅炉等的腐蚀防护。 在机械零部件的某些部位，采用热喷涂方法，制各耐磨或耐磨耐蚀的凉层，对零部件进行修复或强化，是热喷涂技术应用的一个重要的方面．超音速电弧喷徐工艺简单．制备的涂 层结合强度高、孔隙率低，经磨削加工后易于满足精度和表面粗糙度要求。曲轴喷涂后经磨削加工到规定尺寸，装车试验，性能电好，使用一年．检查发现，涂层完好。 在生产领域，超音速电弧喷涂也可对新产品进行表面强化，以提高产品的性能和使用寿 命。超音速电弧喷涂强化的印刷辊，涂层均匀致密．与基体结合力强，磨削加工后，涂层表面光滑，表面强化效果好，满足使用要求。超音速电弧喷涂还可用于模具修复、模具制造、 特种功能凉层制备、装饰等领域。 总之，超音速电弧喷涂由于采用了拉伐尔喷嘴，将粒子的速度提高到超音速，改善了粒子的雾化效果，提高了涂层质量，在工业中得到较广泛地应用，成功地推动了电弧喷徐的发 展。超音速电弧喷涂技术与应用作者： 作者单位： 王汉功， 查柏林， 苏勋家， 杨晖本文读者也读过(10条) 1. 吴剑鸣.李光银.丁新云.赵丽宏.尹思华 超音速电弧喷涂表面合金化防腐技术[期刊论文]-油气田地面工程 ) 2. 李平.王汉功.乔生儒.LI Ping.WANG Han-gong.QIAO Sheng-ru 工艺参数对超音速电弧喷涂钛-铝涂层表面粗糙 度的影响[期刊论文]-材料工程. 李平.乔生儒.王汉功.LI Ping.QIAO Sheng-ru.WANG Han-gong 钛-铝双丝超音速电弧喷涂过程中熔滴粒子几何 特性研究[期刊论文]-表面技术) 4. 王汉功.汪刘应 超音速电弧喷涂与设备维修[会议论文]-1999 5. 王树国.Wang Shuguo 3Cr13材料的超音速电弧喷涂工艺试验研究[期刊论文]-齐鲁石油化工) 6. 李平.王汉功 钛铝双丝超音速电弧喷涂Al-TiN复合材料涂层的组织结构研究[会议论文]-2008 7. 汪刘应.王汉功.华绍春.曹小平.Wang Liuying.Wang Hangong.Hua Shaochun.Cao Xiaoping 用分形理论研究超 音速电弧喷涂PS45涂层结合强度与喷涂电压的关系[期刊论文]-稀有金属材料与工程) 8. 张冰.张勇.张俊.ZHANG Bing.ZHANG Yong.ZHANG Jun 应用于反应釜的超音速电弧喷涂涂层的耐蚀性[期刊论文 ]-材料保护) 9. 李平.王汉功.郭秦.胡重庆 超音速电弧喷涂Ti-Al涂层抗滑动磨损性能研究[期刊论文]-材料科学与工艺 ) 10. 李存剑.陈海明.陈宝林 超音速电弧喷涂药芯丝KF39D的研制[会议论文]-2005引用本文格式：王汉功.查柏林.苏勋家.杨晖 超音速电弧喷涂技术与应用[会议论文] 2006
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