熱噴涂復合材料及其對環境的影響

摘 要：文章結合熱噴涂復合材料工藝的主要特點，論述了熱噴涂復合材料材料在加熱熔化過程、霧化過程、飛行過程、碰撞沉積過程的作用機理。分析了熱噴涂工藝過程中產生乙炔、丙烯、丙烷等易燃、易爆危險氣體，形成高速燃氣火焰噴涂過程中的回火燃燒、爆炸，出現涂層材料蒸發，形成金屬粉塵燃爆，以及非金屬粉塵污染等影響環境的因素。

關鍵詞：熱噴涂；工藝特點；環境污染

引言

現代制造技術的發展，機械零件不但要有良好的綜合性能，還要環境負荷小、循環利用率高，以便節約資源、減少環境污染，真正達到綠色材料的目標[1]。熱噴涂復合材料技術是根據零件性能要求，利用熱源將熱噴涂基體材料加熱至熔化或半溶化狀態，并以一定的速度通過噴涂設備將基體材料和增強材料顆粒噴射沉積到經過預處理的零件材料表面形成涂層的方法，它賦予了零件表面特殊的性能及功能。隨著熱噴涂技術的發展，各種熱噴涂工藝層出不窮，應用不斷擴大，其中部分涂層制備工藝技術已納入先進制造技術[2]。隨著現代科學技術的發展，熱噴涂技術應用也在不斷的擴大，不同性能的涂層材料結合不同的工藝方法，可制備具有不同力學性能及功能性的減摩耐磨[3]、耐磨涂層[4]、催化功能、耐腐蝕涂層[5]、抗氧化涂層等。無論是金屬、合金，還是陶瓷、金屬陶瓷，以及塑料、金屬塑料、復合材料，涂層材料幾乎涉及到所有固態工程材料領域。然而，熱噴涂復合材料技術涉及到高溫、易燃燒氣體、易爆炸、粉塵等物質，不但容易引起環境污染，而且對安全防護也有更高要求，加強熱噴涂復合材料技術的環境保護具有實際意義。

1 熱噴涂復合材料工藝的技術特點

熱噴涂復合材料工藝技術方法較多，不同方法具有相應的特點。無論何種工藝方法，噴涂過程中在零件表面形成涂層的原理以及形成涂層的結構特點具有很大的相似之處。在不同的熱噴涂工藝技術方法中，噴涂材料一般要通過加熱熔化過程、霧化過程、飛行過程、碰撞沉積過程。噴涂過程中，熱熔化過程是指噴涂材料的線材連續不斷地進入噴涂設備的熱源高溫區被加熱熔化，從而形成熔滴；或者是當噴涂材料的粉末直接進入噴涂設備的熱源高溫區，材料粉末在行進的過程中被加熱至溶化或半熔化狀態。霧化過程是在外加壓縮氣流或熱源自身氣流動力的作用下，將熔滴霧化成微細熔粒，然后加速粒子的飛行速度過程；對于粉末材料，是指當被加熱到超過材料的熔點形成液滴時，通過在高速氣流的作用下，粉粒被霧化破碎成更細微粒，并加速飛行速度過程。飛行過程是指已經熔化或半熔化狀態的霧化粒子，由于在外加壓縮氣流或熱源自身氣流動力的作用向工件表面被加速飛行的過程，霧化粒子飛行過程中的速度是變化的，一般是首先被加速，然后隨飛行距離的增加而減速。碰撞沉積過程是飛行過程中具有一定溫度和速度的霧化粒子在接觸機械零件基體材料的瞬間，以較高的動能沖擊零件表面，并與零件表面產生強烈的碰撞。在碰撞機械零件表面的瞬間，噴涂粒子的動能在零件表面轉化為熱能，并傳遞給零件的基體材料，在凹凸不平的零件基材表面上產生凝固和形變。由于零件基體材料溫度低，變形粒子冷卻速率大，體積產生收縮，呈現出扁平狀形態，并牢固地粘結在零件基體材料表面上。在噴涂粒子不斷地沖擊碰撞零件基體表面過程中，不斷碰撞、變形、凝固、收縮，形成一定厚度的涂層。

2 熱噴涂復合材料工藝過程的環境污染

機械零件無論是燃氣熱噴涂、電弧熱噴涂，還是超音速熱噴涂，以及等離子熱噴涂工藝，機械零件在熱噴涂生產過程中一般都涉及到高溫火焰、紫外線輻射、高溫電弧、噪聲、非金屬粉塵、有害氣體和易燃氣體等因素，在熱噴涂車間的環境范圍內直接涉及到環境污染和人身安全健康。在安全生產、清潔生產、保護環境的要求下，熱噴涂復合材料工藝過程的環境保護已經引起企業和政府的高度重視。所以，必須認真分析熱噴涂過程中影響環境質量的因素，才能防止環境污染、及影響人們心身健康因素的發生。一是熱噴涂生產場地的乙炔、丙烯、丙烷等易燃、易爆危險氣體因素。乙炔是火焰噴涂、噴焊、爆炸噴涂工藝技術中最常用的可燃性氣體。根據乙炔性能特點，乙炔在常溫常壓下是一種無色氣體，而工業上應用的乙炔含有雜質硫化氫及磷化氫等，熱噴涂過程中有特殊的臭味。乙炔在一定的壓力和溫度，或者與接觸的介質、乙炔中的雜質變化時，純乙炔也能夠分解爆炸。乙炔氣體與空氣或氧氣混合時，極易引起爆炸，由于乙炔與空氣混合氣的自燃溫度只有305℃，在這么低的溫度下，混合氣在大氣條件下也能發生爆炸；特別是乙炔與氧氣的混合氣有很寬的爆炸范圍。丙烯在常溫常壓下為無色可燃性氣體，該氣體具有烴類特有的臭味，丙烯對皮膚粘膜有一定刺激性，高濃度的丙烯有麻醉作用。丙烯對人的心血管毒性要比乙烯強，丙烯可引起心室的早搏、血壓降低和心力衰竭等現象。丙烷的燃燒溫度468℃，丙烷在常溫常壓下為無色可燃性氣體，當空氣中含量達一定量丙烷時，易產生自爆現象。二是在燃氣火焰噴涂或高速燃氣火焰噴涂過程中的回火燃燒、爆炸。熱噴涂中的回火現象就是噴涂過程中，噴涂火焰產生燃氣輸送管道倒燃燒，或者噴涂火焰從噴嘴或燃燒室延著噴槍內部和的現象。一般情況下，當混合氣體噴射速度小于混合氣體的燃燒速度，產生噴射速度緩慢而燃燒速度較快現象時易產生回火燃燒。當燃燒室壓力過大，熱噴涂火焰焰流在噴嘴處阻力增加時易產生回火燃燒。當熱噴涂噴槍內混合氣路的部件密封不嚴，從而產生泄漏時易產生回火燃燒。當熱噴涂噴嘴內部產生堵塞時易產生回火燃燒。在生產中對回火防護不當時會造成燃爆的危險，要求操作人員必須合理使用防回火器。三是熱噴涂過程中涂層材料產生蒸發，形成金屬粉塵燃爆，以及非金屬粉塵污染。噴涂過程中，由于高溫當被蒸發的材料離開電弧高溫區后，就會冷凝成非常細小的金屬粉末，這些非常活潑，聚集到一定濃度時與空氣中氧元素發生反應時，就會產生自燃或引起爆炸。熱噴涂過程中粉末材料噴射后，會有不同程度的破碎和粉化，產生的粉塵危害。例如生產場地常有復合材料中的剛玉砂粉塵、碳化硅粉塵、石英砂粉塵等。熱噴涂生產在噴射時產生的硅粉塵對人體呼吸系統危害最大，而且對人體的危害作用會長期積累危害人體健康。

參考文獻

[1]解念鎖.梯度功能材料的制造方法及應用[J].陜西工學院學報，2002，18（2）：4-7.

[2]袁曉靜，王漢功，查柏林.多功能超音速火焰噴涂WC10Co4Cr涂層磨損性能研究[J].材料科學與工程學報，2004，22（2）：204-208.

[3]李春月，解念鎖，王艷.SiCp/Cu復合材料高溫抗氧化性能研究[J].陜西理工學院學報（自然科學版），2009，25（4）：1-4.

[4]解念鎖.碳鋼WC-10Co-4Cr復合涂層的組織及性能研究[J].陜西工學院學報，2005，21（1）：5-7.

[5]劉建偉，解念鎖.表面復合材料制備技術與應用[J].科技創新導報，2009（32）：206.

作者簡介：桑軒（1992，9-），男，陜西高陵人，大學本科，主要研究方向：金屬材料工程。