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热喷涂技术的发展及应用

 
1 表面工程及热喷涂技术的特点及发展

    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、化学成份和组织结构和应力状态,以获得所需要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要求的问题。表面工程技术在解决人类发展中遇到资源、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。21世纪表面工程技术将渗透各行各业,推动社会文明、提高生活质量。
    热喷涂技术是表面工程中的一个重要分支,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化状态,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、而腐蚀、而高温和隔热等优异性能,并能对磨损、腐蚀或加工超差引起的尺寸减小进行修复。热喷涂技术的应用主要包括:长效防腐、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四个方面。目前,热喷涂技术已广泛应用于几乎所有工业领域以及家庭用品(如不粘锅、红外线保健电热器等)。
    20世纪末,热喷涂技术的发展十分迅速,并迅速被推广使用。1980年到2000年,热喷涂市场的变化见表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,将占据25%的市场比例,居第二位。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到第三位。

表1  主要热喷涂方法的应用比例

年份

火焰喷涂

电弧喷涂

等离子喷涂

高速火焰喷涂

1980年

39%

6%

55%

-

2000年

12%

15%

48%

25%

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。

表2  热喷涂涂层的主要应用领域

领域

主要类型

涂层材料类型

防护涂层

阳极性防护涂层(抗大气压及浸渍腐蚀涂层)

Zn、Al、Zn-Al合金、Al-Mg合金、Al-Re

阴极性防护涂层(抗化学腐蚀涂层)

不锈钢、有色金属及合金、氧化物陶瓷、塑料等高分子材料

抗高温氧化涂层

Ni基、Co基合金、MCrAIY合金、氧化物陶瓷

强化涂层

耐磨粒磨损及冲蚀磨损

碳化物+金属、自熔性合金、氧化物陶瓷

耐摩擦磨损涂层

Mo或Mo+合金;有色金属及合金;自熔性合金;氧化物陶瓷

在强腐蚀介质中耐磨涂层

自熔性合金、高合金、陶瓷

特殊功能涂层

热障涂层

氧化物陶瓷

可磨密封涂层

金属+非金属复合材料

热辐射涂层

氧化物复合材料

导电屏蔽及防辐射涂层

金属

固体润滑涂层

金属+非金属复合材料

超导、耐电、高温塑料等特殊涂层

 

    近年的发展趋势和特点是:(1)大面积长效防护技术得到广泛应用,对于长期暴露在户外大气的钢铁结构件采用喷涂铝、锌及其合金涂层,代替传统的刷油漆的方法,实行阴极保护进行长效大气防腐;(2)采用热喷涂技术修复与强化大型关键设备及进口零部件国产化;(3)超音速火焰喷涂技术的应用:(4)气体爆燃式喷涂技术进一步得到应用;(5)高速、自动氧乙炔火焰末喷涂技术发展迅速;(6)热喷技术在化工防腐工程中得到应用;(7)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、生物等众多工程领域等方面得到了日益广泛的应用,热喷涂在海洋工程方面也得到了广泛应用。对船身、甲板、驳船、大平底船、拖船等,热喷涂都取得了良好的长效保护效果。

3  热喷涂技术在化工、石油行业中的应用

    在化工行业中,腐蚀尤为严重,它不仅造成大量材料和设备损失,而且因腐蚀造成的企业停产。安全事故及环境污染所带来的损失更难以估量的。防止“跑、冒、滴、漏”是化工企业设备管理的主要任务之一。集多种工艺方法于一身、以表面强化为宗旨的热喷涂技术可以喷涂所有的固态工程材料,并具有良好的化学稳定性,目前在化工行业中已得到日益广泛的应用。化工介质往往含有硫及氧,如燃料、酒精、醋酸、甲苯、甘油、糖浆的储罐,原轴套机械密封和叶轮,均可通过热喷涂解决防腐。对一般弱腐蚀介质可以通过金属热喷涂铝、锌、不锈钢加封闭解决,对强酸、碱等通过塑料火焰喷涂环氧、聚四氟乙烯等解决。效果十分显著。热喷涂在化工行业中的典型应用有如下几个方面:1、以低级材质 和加热喷涂层取代不锈钢、钛合金等高级材质不锈钢。2、可作为化工反应罐、贮罐、搅拌装置和管道的防腐涂层。3、可作为搪玻璃设备崩瓷损坏的良好修补层。
    热喷涂在石油工业中也得到了广泛的应用。热喷涂已成功用于石油勘探,开采等设备的修复和防护。热喷涂涂层已成功用于石油钢管、海洋平台的长效防腐。某井下作业公司工程安装公司引进的电弧喷涂技术,较好地解决了金属防腐难题,填补了油田金属防腐空白。工程安装公司目前已将该技术应用到线材、板材、型材及金属设备中,喷涂后的产品防腐能力提高了2倍以上。

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