熱噴涂在機電修復的應用
時間：2021-12-31??
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修復和改造廢舊機電產(chǎn)品進行的一系列技術措施或工程活動，又稱為再制造工程，是廢舊裝備高技術修復、改造升級的產(chǎn)業(yè)化。裝備再制造已成為國家大力發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的核心內(nèi)容之一。國外將再制造產(chǎn)業(yè)稱為“朝陽產(chǎn)業(yè)”。
熱噴涂修復和改造以“尺寸恢復和性能提升”為特色，具有噴涂材料廣泛
、基體形狀與尺寸不受制約、涂層厚度容易控制
、工藝操作簡單
、基體受熱影響小、能賦予零件表面特殊性能等特點
，已經(jīng)作為一種再制造修復成形技術在國防工業(yè)
、印刷、航空航天
、石油化工
、礦山機械、電力等領域得到廣泛重視和應用.
Ⅰ基于等離子噴涂技術的再制造等離子噴涂技術始于上世紀50年代末期，是利用等離子弧對噴涂材料進行加熱
、加速，形成涂層的工藝方法
，是熱噴涂技術中熱源溫度高
、能量集中的工藝方法，具有焰流溫度高
、射流速度快的特點
，理論上可以噴涂所有具有物理熔點的材料。等離子噴涂技術多用于解決航空
、航天領域等高溫部件的修復再制造
。基于以上技術工藝的發(fā)展
，等離子噴涂技術不但更多的應用于金屬零部件表面抗常溫腐蝕
、沖蝕、磨損的再制造
，而且在新型熱障涂層
、固體氧化物燃料電池
、人工關節(jié)涂層
、半導體絕緣涂層等領域也有著極大的應用前景[6、7]
。
1、用于重載履帶車輛薄壁零部件的再制造重載履帶車輛傳動、行動和操縱部分表面損傷的零件中有許多薄壁零件，約占60％，這類薄壁零件的內(nèi)表面通常都承受磨料磨損。例如
，主離合器總成中的壓縮輪盤的內(nèi)表面
，與耐磨鑄鐵制造的2個密封環(huán)相配合
，服役時，重載履帶車輛揚起的灰塵
、砂土等侵入該部位而形成SiO2沙粒的磨料磨損
。上世紀70、80年代國內(nèi)應用普通等離子噴涂技術修復重載履帶車輛的薄壁零件
，選用鎳包鋁作噴涂底層材料
，面層材料主要以鐵基、鎳基合金為主
。對經(jīng)等離子噴涂修復的重載履帶車輛的薄壁零件
，分兩批共6輛車進行了裝車考核試驗。結果表明
，對于密封環(huán)配合表面
，噴涂修復層比新品的耐磨性能提高了2.13倍；對于自壓油擋配合表面
，噴涂層的耐磨性比新品提高7.34倍
。報廢零件經(jīng)過等離子噴涂處理，不僅恢復了尺寸
，而且延長了使用壽命
。
2、重載車輛發(fā)動機活塞裙部的再制造活塞裙部是活塞組的重要組成部分，它主要起導向
、傳熱作用，并承受來自曲柄連桿機構的側向推力
。鋁合金活塞在使用過程中
，因活塞與缸套的非正常配合運動，致使活塞裙部產(chǎn)生劃傷
、磨損
，進而影響缸套的壽命。
針對活塞的工況和磨損形式，考慮到基體材質(zhì)采用超音速等離子噴涂AlSi＋Ni/Al復合涂層對活塞裙部進行修復強化
。涂層與基體結合強度大于55MPa，顯微硬度比基體提高2倍以上
，經(jīng)過1100h的臺架考核試驗
，得到了活塞裙部的耐磨損性能比基體提高1倍以上，實現(xiàn)了活塞裙部再制造
。
3 、印刷機械網(wǎng)紋輥的再制造
雕刻網(wǎng)紋輥通常應用在柔性印刷、凹版印刷 、高品質(zhì)的涂布及層壓復合機械上
。傳統(tǒng)加工基材一般選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼管
，鋼管的壁厚為7～1mm。輥體結構均采用帶軸輥體形式
，即用法蘭盤和芯軸與鋼管連接在一起
。通過在金屬基輥體表面電鍍銅或電鍍鉻處理后，電刻蝕網(wǎng)紋（著墨孔）
。在印刷過程中
，刮墨刀的作用會對網(wǎng)紋輥產(chǎn)生一定的磨損，使著墨孔的開口度逐漸變小
，同時深度逐漸變淺
，網(wǎng)紋輥的傳墨性下降。
針對網(wǎng)紋輥表面高耐磨性的要求，可采用等離子噴涂陶瓷涂層(如Cr2O3
、Al2O3涂層)修復傳統(tǒng)鍍鉻失效輥，然后用激光雕刻制成陶瓷網(wǎng)紋輥
。采用等離子噴涂技術再制造后的陶瓷網(wǎng)紋輥硬度高（1100～1300HV）
，在耐磨損、耐腐蝕
、親水性能方面都有大幅度提升
，印刷圖像清晰、逼真
。
4、航空航天發(fā)動機高溫部件的再制造
隨著航空發(fā)動機技術的不斷發(fā)展與性能提升，發(fā)動機的工作溫度也逐步升高。目前先進發(fā)動機的壓氣機出口溫度已達到650℃
，燃燒室及加力燃燒室的工作溫度接近2000℃，渦輪進口溫度達到1650～1750℃
。這些部位的零件多采用鈦合金
、鎳合金等材料制造，承受的溫度有限
，往往因高溫疲勞而失效
。研究表明，通過調(diào)整基體材料的方法提高零部件的使用溫度已經(jīng)很難有所突破
。
熱障涂層是航空 、航天領域應用比較成熟的一項強化修復技術
，它是通過采用等離子噴涂技術在高溫合金基體表面制備氧化物陶瓷涂層
，通過陶瓷涂層的隔熱作用，實現(xiàn)了航空
、航天發(fā)動機熱端部件使用溫度（耐溫性能）的提升
。航空發(fā)動機葉片
、尾翼噴管采用等離子噴涂技術制備MCrAlY－Y2O3/ZrO2雙層結構熱障涂層修復后，零件的隔熱性能比基體提高了50～100℃
。
Ⅱ基于高速火焰噴涂（HVOF／HVAF）技術的再制造２１世紀以來 ，采用空氣助燃的大氣超音速火焰噴涂系統(tǒng)（HVAF）出現(xiàn)，其焰流溫度較低（1400～1600℃）
、粒子速度更快（700～800m/s）
，在制備Cu基、Al基等易氧化材料涂層及其WC－Co
、NiCr－Cr3C2等金屬陶瓷涂層方面顯示出獨特的優(yōu)勢
。
超音速火焰噴涂具有粒子速度快，結合強度高 ，涂層內(nèi)部為壓應力
，可以厚成形（幾個毫米）的特點，超音速火焰噴涂技術適用于各類大型磨損失效軸
、輥的再制造
，可廣泛應用于航空航天、鋼鐵冶金
、石油化工
、造紙及生物醫(yī)學等領域損傷部件的再制造。
1 、鋼鐵冶金輥類部件的再制造
鋼鐵冶金領域熱鍍鋅槽中的沉沒輥、穩(wěn)定輥，經(jīng)受嚴重的熔融鋅液腐蝕
，使用壽命較短
。一般工作1～2周，因輥面腐蝕而產(chǎn)生嚴重的粘鋅渣現(xiàn)象
，在鍍鋅過程中對鋼板產(chǎn)生劃傷
，影響鍍鋅板質(zhì)量。對鍍鋅工作輥傳統(tǒng)的修復方法是采用車削減小尺寸修復法
，重新獲得好的輥面狀態(tài)
。但經(jīng)幾次加工后，整個輥體因超差而報廢
。
采用超音速火焰噴涂技術，在沉沒輥、穩(wěn)定輥上制備80～120μm的WC－12Co涂層，再加上后期的封孔處理。結果表明，涂層孔隙率小于1％，硬度在1000～1100HV之間，具有優(yōu)異的抗粘鋅、耐磨損性能，再制造后輥子的使用壽命從原來的2周提高到7～9周，效果顯著。2、航空航天起落架等部件的再制造飛機起落架因在飛機起落階段承受嚴重的沖擊和磨損，通常是在起落架表面鍍硬鉻層，由于鍍鉻層的硬度有限，使起落架的壽命很難滿足要求，報廢嚴重 。針對起落架的實際工況，目前國外多采用超音速火焰噴涂技術來修復強化起落架
。噴涂材料選用WC－Co
、WC－CoCr金屬陶瓷，修復后涂層的硬度比原鍍鉻層高出50％
。
3 、造紙行業(yè)工作輥的再制造
造紙行業(yè)的工作輥，對輥面的表面粗糙度有較高要求 ，目前需每隔半個月到4個月精磨一次
。由于表面耐磨性不高，輥子的使用周期和壽命受到較大影響
。對嚴重磨損的工作輥
，采用HVOF在輥體表面制備150μm的WC－Co涂層，涂層孔隙率低于0.5％
，硬度比基體材料提高5～6倍
，大幅度降低了工作輥的維護成本。
4、石油化工球閥、柱塞等零件的再制造在石油化工領域，許多球閥、柱塞等零件尺寸大、磨損嚴重，使用壽命較短。例如，工作溫度在540℃，壓力高達140MPa的含有腐蝕性砂漿的管線中的金屬座球閥，球閥材質(zhì)一般為316或304不銹鋼，經(jīng)高壓砂漿沖刷后，磨損非常嚴重。嚴重影響了閥門正常通斷功能，有時使用幾周就因磨損需要更換。對這一類球閥零件，采用超音速火焰噴涂WC－Co涂層對其進行尺寸修復再制造。涂層硬度可達1200—1300HV，耐磨粒磨損和沖蝕磨損性能比基體提高3～5倍。Ⅲ 基于高速電弧噴涂技術的再制造近年來新型噴涂槍和逆變噴涂電源的不斷研發(fā)，使該技術工藝穩(wěn)定可靠。噴涂材料也取得了長足的進步，可選材料范圍廣泛。高溫電弧噴涂具有效率高、成本低，涂層厚度大、零件尺寸用量少，應用領域廣等特點。高速電弧噴涂技術可以賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞
、防輻射等性能。在恢復零部件產(chǎn)品的磨損
、腐蝕失效尺寸的同時
，可有效提升產(chǎn)品的表面性能。目前
，電弧噴涂技術已在裝備發(fā)動機
、石油化工、礦山機械和電力行業(yè)傳動部件及結構件的修復與再制造等方面得到了一定的應用
，效果顯著
。
1、發(fā)動機缸體的再制造重載裝備車輛發(fā)動機的缸體主軸承座孔在使用中長期承受交變應力及瞬間沖擊，變形嚴重，而且表面產(chǎn)生腐蝕和磨損，造成尺寸超差和劃傷。采用電弧噴涂不銹鋼涂層的試驗發(fā)現(xiàn)，涂層耐蝕性較好，但硬度較高不利于后續(xù)加工，且涂層易產(chǎn)生裂紋，使用中存在隱患，不能滿足再制造產(chǎn)品的可靠性要求。使用自動化高速電弧噴涂技術制備不銹鋼＋低熔點合金的偽合金復合涂層，防腐耐磨效果好，而且涂層殘余應力較低、硬度可控，后加工方便，經(jīng)考核，該再制造產(chǎn)品獲得了較好的應用效果。2、石油化工鉆機設備零部件的再制造石油鉆機等設備中一些大功率曲軸以及各類泵柱塞經(jīng)常發(fā)生磨損失效，損失嚴重。研究表明，采用高速電弧噴涂修復再制造柱塞，使用壽命是原先表面淬火柱塞的1倍以上，且成本低于噴焊鎳基合金
。對于一些大直徑柱塞，噴焊對工件會產(chǎn)生變形
，無法使用噴焊修復
。而用高速電弧噴涂再制造一個12噸左右的柱塞，并對涂層作封孔處理
，其再制造產(chǎn)品使用性能優(yōu)于新的柱塞
，而成本只有新柱塞的1/4。
3、礦山機械關鍵部件的再制造
油壓機或水壓機是礦山機械中的重要裝備，由于重復的往復運動，柱塞零件易造成大面積劃傷
，以致無法正常工作
。更換新柱塞成本較高，損失巨大
。 采用高速電弧噴涂“鎳鉻”復合涂層體系或其它耐磨損涂層技術
，可以修復磨損的柱塞。
例如，某型500噸的油壓機
，柱塞重約1.4噸，因軸向劃痕損傷嚴重
，劃痕深度約0.2～0.8mm
，造成漏油。據(jù)統(tǒng)計更換一根新柱塞約需4萬元
，而對損壞的柱塞進行噴涂處理成本僅為1000元左右
，經(jīng)濟效益顯著
。
4、電力行業(yè)的結構件再制造電廠鍋爐管道和葉輪片等零部件都因磨損、沖蝕
、腐蝕等原因失效，損壞
、維修率高
。采用高速電弧噴涂技術制備45CT、SL30
、FeAl金屬間化合物耐高溫腐蝕和耐磨的復合涂層
，對損傷工件進行修復再制造
。結果表明
，使用FeAl/Cr3C2新型噴涂絲材，采用自動化高速電弧噴涂技術制備了具有優(yōu)異抗熱腐蝕與沖蝕性能的復合涂層
，涂層中生成的新型Fe3Al和FeAl金屬間化合物抗高溫熱腐蝕性能優(yōu)異
，Cr3C2顆粒彌散分布于涂層中，起到了硬質(zhì)相的抗沖蝕強化效果
。
應用該技術對火電廠鍋爐高溫省煤器等管道進行了噴涂施工，結果表明，涂層的抗高溫腐蝕與沖蝕性能是工業(yè)高溫用20鋼的2倍以上
，降低了電廠維護的成本
，有效避免了爆管等故事的發(fā)生，并使資源得以二次利用
。
除了上述三種熱噴涂技術之外，其他熱噴涂技術如普通火焰噴涂技術、燃氣爆炸噴涂技術
、電熱爆炸噴涂技術等在再制造領域也得到一定的研究和應用
。修復和改造廢舊機電產(chǎn)品進行的一系列技術措施或工程活動，又稱為再制造工程
，是廢舊裝備高技術修復
、改造升級的產(chǎn)業(yè)化。裝備再制造已成為國家大力發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的核心內(nèi)容之一
。國外將再制造產(chǎn)業(yè)稱為“朝陽產(chǎn)業(yè)”
。
熱噴涂修復和改造以“尺寸恢復和性能提升”為特色，具有噴涂材料廣泛、基體形狀與尺寸不受條件
、涂層厚度容易控制、工藝操作簡單
、基體受熱影響小
、能賦予零件表面特殊性能等特點
，已經(jīng)作為一種再制造修復成形技術在國防工業(yè)、印刷
、航空航天
、石油化工、礦山機械
、電力等領域得到廣泛重視和應用.
