電弧噴涂技術(shù)應(yīng)用研究進展

梁　國，李壯志，顏　飛，張　婧，賈傳寶，常德春

(1.中國人民解放軍濟南軍區(qū)72502部隊，山東 濟南 250330；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；3.中國海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100)

電弧噴涂技術(shù)應(yīng)用研究進展

梁國1，李壯志1，顏飛1，張婧2，賈傳寶2，常德春3

(1.中國人民解放軍濟南軍區(qū)72502部隊，山東 濟南 250330；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001；3.中國海洋大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266100)

摘要：介紹了電弧噴涂技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展應(yīng)用情況，總結(jié)了電弧噴涂設(shè)備以及電弧噴涂工藝的最新研究進展，并且分析了電弧噴涂材料的研究情況，最后探討了電弧噴涂技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：電弧噴涂；噴涂設(shè)備；噴涂工藝；噴涂絲材

電弧噴涂是指利用電弧來熔化2根連續(xù)送進的金屬絲，在高速氣流作用下使熔化的金屬霧化并快速運動噴向工件形成涂層的技術(shù)[1]。電弧噴涂是鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕、耐磨損涂層和機械零件維修等工程中應(yīng)用最普遍的一種方法，可以完成其他工藝不能解決的問題。電弧噴涂工藝靈活，受限制小，可對大型設(shè)備進行大面積噴涂，也可對產(chǎn)品局部進行噴涂，可噴涂的絲材品種多，并適用于多種基體，噴涂層功能廣、效率高、成本低，除了普通的耐磨損、防腐蝕涂層外，還有耐高溫抗氧化、電導(dǎo)或電阻涂層等。電弧噴涂涂層具有良好的接合強度和極低的孔隙率，涂層致密均勻，而且噴涂過程中工件不變形，在技術(shù)上已比較成熟。本文主要從電弧噴涂設(shè)備、工藝以及材料應(yīng)用等方面介紹了我國電弧噴涂技術(shù)最新的研究進展。

1電弧噴涂設(shè)備

電弧噴涂設(shè)備一般包括電弧噴涂電源、控制系統(tǒng)、電弧噴槍、送絲裝置以及壓縮空氣供給系統(tǒng)[2]。噴涂電源供應(yīng)的能量使絲材端部產(chǎn)生電弧并維持電弧穩(wěn)定燃燒，其工作電壓和電流是影響涂層質(zhì)量的重要參數(shù)。電弧噴涂電源要求輸出電壓和電流極為穩(wěn)定，抗干擾能力強，調(diào)節(jié)靈敏，可長期在惡劣的條件下運行，這樣才能得到均勻的噴涂層，而且可以減少氧化燒損。同焊接系統(tǒng)采用的電源類似，電弧噴涂電源正朝著高效節(jié)能、大功率、小型化及智能化的方向發(fā)展。逆變技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為噴涂電源的發(fā)展提供了有效的途徑[3]。選用逆變方波交流電源能在保證能量連續(xù)供給以維持電弧穩(wěn)定燃燒的同時，使得電弧兩極發(fā)熱平衡，從而保證噴涂順利進行[4]。逆變電源能減小電弧噴涂設(shè)備的質(zhì)量和體積，實現(xiàn)大功率和小型化，同時可以增強電弧噴涂的穩(wěn)定性，提高噴涂質(zhì)量，擴大應(yīng)用范圍[5]。

電弧噴涂系統(tǒng)中的電弧噴槍是非常重要的部件[6]，電弧噴槍由殼體、導(dǎo)電嘴、噴嘴、霧化風(fēng)帽和遮弧罩等組成，一般分為手持式和固定式2種。手持式噴槍的操作靈活方便，適用于噴涂結(jié)構(gòu)不規(guī)則的試件，并能在相對狹小的空間應(yīng)用；固定式噴槍通常用于大面積的試件或者噴涂生產(chǎn)線以及某些對涂層均勻性有較高要求的工作場合等。電弧噴槍的功能是送進絲材，并使送出絲材端相交，從而產(chǎn)生電弧使絲材熔化，再利用氣流使熔化的金屬霧化噴出[7]。電弧噴槍的結(jié)構(gòu)與性能直接影響到噴涂層的質(zhì)量和性能[8]。目前，電弧噴槍的研究熱點是使用真空電弧噴涂得到純凈、致密的涂層，另外就是利用空氣動力學(xué)的原理，對電弧噴槍作大量的改進，以細化噴涂粒子，改善霧化效果，提高噴涂質(zhì)量[9-10]。查志宏等[11]利用空氣動力學(xué)原理，研制出了類拉伐爾風(fēng)帽型噴槍，該噴槍使金屬微液滴在超音速狀態(tài)下霧化，從而獲得更細的金屬粒子。該噴槍能使粒子束更加集中，這樣有助于提高沉積效率，節(jié)約噴涂材料，從而提高電弧噴涂制模的效率。王銳等[12]設(shè)計出二進四出多霧化電弧噴槍，該噴槍可以改變霧化氣流場和流速，使霧化氣流場合理分布，提高了噴涂粒子的射流速度，改善了霧化效果，使霧化粒子更細小更均勻，降低了涂層孔隙率，獲得了更大噴涂幅寬。噴槍中的導(dǎo)電嘴與噴嘴是非常關(guān)鍵的零件，對噴涂層的質(zhì)量及噴涂過程的穩(wěn)定有直接影響。導(dǎo)電嘴應(yīng)有合適的長度和孔徑才能使金屬絲材穩(wěn)定導(dǎo)電，孔徑偏小會影響送絲，孔徑過大則會導(dǎo)致絲材不能對中，使絲材導(dǎo)電不穩(wěn)定，從而影響噴涂穩(wěn)定性；另外，導(dǎo)電嘴內(nèi)壁應(yīng)保持清潔，粘上油污或其他絕緣的物質(zhì)會影響絲材的導(dǎo)電性能，增加送絲阻力。導(dǎo)電嘴之間的夾角一般為30°～60°。盤狀絲材從送絲機構(gòu)經(jīng)送絲管送入導(dǎo)電嘴時會出現(xiàn)固有的彎曲現(xiàn)象，所以不能保證2根金屬絲相交時總是處于中心位置，當(dāng)交點偏離氣流中心時，容易造成霧化氣流波動；因此，目前的電弧噴槍均采用在噴槍端部氣流內(nèi)霧化絲材的設(shè)計方式，以保證穩(wěn)定的霧化過程[13]。

電弧噴槍因送絲方式的不同可以分為推絲式和拉絲式2種。由于拉絲式噴槍體積大，質(zhì)量也很大，一般都做成固定式，適合于噴涂生產(chǎn)線使用；但拉絲式噴槍的送絲裝置全在槍上，各種零件受質(zhì)量限制，體積都很小，所以拉絲的力量有限，不能滿足所有絲材的送絲要求，一般只能拉動小盤的鋅、鋁等材質(zhì)較軟的絲材。推絲式噴槍是由專門的送絲機構(gòu)通過2根特制的送絲軟管推送到導(dǎo)電嘴中，所以槍體結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量小，操作靈活，最適合手持作業(yè)[14]。

送絲系統(tǒng)通常由送絲機構(gòu)、送絲軟管和絲盤等組成，送絲機構(gòu)還包括直流伺服電動機、減速器、送絲主動輪、送絲輪和壓絲輪等。送絲系統(tǒng)的作用是將2根相互絕緣的金屬絲穩(wěn)定地自動送入電弧區(qū)。絲盤上的金屬絲經(jīng)過安裝在減速器輸出軸上的送絲主動輪驅(qū)動送絲輪，使金屬絲進入送絲軟管及噴槍內(nèi)的導(dǎo)電嘴。由于送絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性關(guān)系到電弧噴涂工作的生產(chǎn)率和涂層質(zhì)量，所以要求送絲系統(tǒng)具有優(yōu)良的驅(qū)動性能及較小的送絲阻力。

電弧噴涂系統(tǒng)多采用一體式電控氣、電開關(guān)，操作方便，可實現(xiàn)長距離作業(yè)[15]。電弧噴涂系統(tǒng)精良的性能和穩(wěn)定的運行狀態(tài)能為獲得性能優(yōu)良的噴涂層提供最基本的保障[16]。現(xiàn)代化的智能噴涂系統(tǒng)能夠自動進行規(guī)范程序操作，避免因操作人員的誤操作而產(chǎn)生的機器損壞，確保了操作人員和設(shè)備的安全[17-18]。

2電弧噴涂工藝

電弧噴涂的施工過程主要有3道工序：噴砂、噴涂以及涂層封閉。各個施工階段有著嚴密的檢測手段及檢測方式[19]。

為了使涂層與基體材料很好地接合，基材表面必須清潔，同時還要進行粗糙處理。噴砂是最常用的粗化處理方法[20]，噴砂時一般先選用16～20號石英砂粗噴，最后用14～16號軸承鋼砂進行表面粗糙化處理，使其表面粗糙度達到Ra(60～80) μm，噴砂后管壁表面應(yīng)干燥，無灰塵油污、無氧化物或其他雜物，保持清潔。基材的表面應(yīng)呈現(xiàn)出均質(zhì)的金屬外觀。噴涂時采用井字型噴涂方式，確保噴涂層的厚度均勻及接合力足夠大。噴涂表面應(yīng)是干凈均勻的，不允許有起皮、鼓包、顆粒粗大、裂紋、掉塊、漏噴及其他影響涂層使用的缺陷[21]。電弧噴涂空氣氣源的壓力一般為0.6～0.7 MPa。

電弧噴涂工藝的合理選擇對涂層性能的優(yōu)劣具有決定作用[22]， 陳彬等[23]通過不同噴涂工藝形成涂層的組織結(jié)構(gòu)、涂層與基體的界面接合形貌、孔隙率與氧化物分布等涂層微觀結(jié)構(gòu)的金相試驗結(jié)果，建立了噴涂工藝的評價指標集；將二元對比分析法和模糊綜合評判相結(jié)合，可以對噴涂涂層的定性指標進行有效的綜合權(quán)衡分析，為噴涂工藝的選擇提供合理依據(jù)。王銀軍等[24]研究發(fā)現(xiàn)，采用合適的表面預(yù)處理、噴涂打底層，嚴格控制基體的熱量輸入是提高涂層接合強度的有效途徑。董立先等[25]研究表明，除了電弧電流之外，噴涂距離也能影響涂層性能穩(wěn)定性。噴涂工藝方面則向機械化和自動化方向發(fā)展，如計算機控制和機械手操作等。在電流電壓方面，通常在噴鋅或噴鋁時的空載電壓調(diào)節(jié)到30～32 V，電流調(diào)節(jié)到180～200 A即可；而噴涂不銹鋼、銅或其他硬質(zhì)合金時，電壓應(yīng)為35～38 V，電流應(yīng)為200～250 A。

3電弧噴涂材料及應(yīng)用

隨著電弧噴涂設(shè)備的不斷完善，電弧噴涂所用的絲材品種逐年增加，性能也隨之提高，應(yīng)用面也越來越廣，主要在防腐、耐磨涂層和零件修復(fù)等領(lǐng)域被應(yīng)用。

電弧噴涂材料一般有粉芯絲材和實芯絲材2種。實芯絲材主要包括有色金屬絲材(鋁、鋅、銅和鎳等金屬及其合金)和黑色金屬絲材(碳鋼和不銹鋼)等；粉芯絲材則是由金屬外皮包裹著一定粒度的不同類型的金屬、合金粉末、復(fù)合陶瓷粉末材料等構(gòu)成，粉芯絲材拓寬了電弧噴涂材料的應(yīng)用范圍，克服了高合金絲材不宜成形的缺點，還使一些不能導(dǎo)電的顆粒材料在電弧噴涂上得以應(yīng)用，并可制造特殊的合金涂層和金屬陶瓷復(fù)合材料涂層，是一種非常有發(fā)展前景的電弧噴涂材料，在國內(nèi)外已得到成功應(yīng)用[26]。

鋅絲和鋁絲及其合金是最常用的純金屬噴涂絲材，主要用于對橋梁、石油平臺、艦船、水利設(shè)施和運輸管道等大型鋼鐵結(jié)構(gòu)件進行長效防腐。它們對鋼鐵材料的保護機理主要有2個：1)隔離腐蝕介質(zhì)；2)作為犧牲陽極對基體進行陰極保護[27]。研究發(fā)現(xiàn)，鋅鋁合金有著更好的防腐效果，合金涂層中Zn腐蝕電位較低，不但能保護基體不被腐蝕，還能減緩Al的腐蝕速率，而Al具有較高的硬度，強化了整個涂層體系，提高了涂層耐磨性和耐沖蝕性，從而延長了涂層的使用壽命。另外，Al的表面生成致密的氧化鋁膜，抗腐蝕能力很強，而Zn的腐蝕產(chǎn)物能封閉涂層中的空隙，進一步強化了金屬涂層的保護作用，起到長效防腐的效果。研究人員通過添加其他合金元素，能降低孔隙率，進一步提高涂層防腐效果及使用壽命[28]。向ZnAl合金里面添加Mg和一些稀土元素成為國內(nèi)相關(guān)材料研制單位的研究熱點[29-30]。

除了可以作為耐腐蝕涂層外，很多材料因硬度較高，也可以作為耐磨涂層使用。鋁青銅噴涂絲、鎳基合金噴涂絲以及316L不銹鋼噴涂絲等也是常用的防腐耐磨噴涂絲材[31]。鋁青銅涂層的接合強度高，抗海水腐蝕能力強，并具有很好的耐腐蝕疲勞和耐磨性，主要用于噴涂水泵葉片、氣閘閥門、活塞和軸瓦表面。張忠禮等[32]采用鋁青銅作為高溫防護涂層體系，薛冰等[33]采用超音速電弧噴涂技術(shù)制備鐵鉻鋁/鋁青銅金屬復(fù)合涂層發(fā)現(xiàn)，該涂層具有較好的抗高溫氧化性能。鎳基合金噴涂絲具有很好的抗高溫氧化性能，可在800 ℃高溫下使用，是目前應(yīng)用很廣的熱阻材料。鎳鉻涂層可以耐水蒸汽和酸堿等介質(zhì)的腐蝕，因此，鎳鉻合金被大量用作耐腐蝕及耐高溫噴涂層。趙曉舟等[34]針對垃圾焚燒爐過熱器熱腐蝕及磨損問題，設(shè)計開發(fā)了新型鎳基粉芯絲材，試驗發(fā)現(xiàn)鎳基涂層在高溫時能夠有效阻止腐蝕介質(zhì)向涂層內(nèi)部的滲透。碳鋼和不銹鋼類絲材具有強度較高、耐磨性好和價格低廉等特點，也是使用較多的噴涂材料。

實芯絲材現(xiàn)階段已發(fā)展較為成熟并被成功應(yīng)用，而粉芯絲材的出現(xiàn)豐富了噴涂材料的種類，使得多種材料在電弧噴涂中有效應(yīng)用。美國Metalspray公司于90年代成功研發(fā)出用超音速電弧噴涂75Cr3C2/25NiCr粉芯絲材，大副度簡化了實際操作過程并減少了成本，展現(xiàn)了電弧噴涂耐高溫沖蝕磨損涂層在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢[35]。王昊等[36]制備Fe基合金陶瓷涂層發(fā)現(xiàn)，經(jīng)有機硅封閉處理后涂層的開路電位及腐蝕電位提高，腐蝕電流降低，等效電阻增大，耐腐蝕性能大幅提高。趙秋穎等[37]在FeCrBC合金系粉芯絲材中添加一定的氟化鈣，研究氟化鈣對電弧噴涂鐵基涂層組織及磨損性能的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉芯絲材中氟化鈣質(zhì)量分數(shù)由0%增加到10%時，涂層摩擦因數(shù)及磨損量減小，添加氟化鈣的涂層磨損后表面形貌光滑平整。近年來，非晶納米晶復(fù)合涂層引起了人們的密切關(guān)注，以鐵[38-39]、鋁[40]和鎳[41]為基體的非晶納米晶復(fù)合涂層[42]被廣泛研究和應(yīng)用，在納米復(fù)合材料方面，開展納米陶瓷增強復(fù)合材料和非晶合金材料[43]等新型優(yōu)質(zhì)絲材的研究。

另外，電弧噴涂作為有效的手段在零件修復(fù)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[44-45]，例如再制造曲軸[46-47]、柱塞修復(fù)[48]、風(fēng)機葉片修復(fù)[49]和烘缸修復(fù)[50]等。陳永雄等[51]針對廢舊汽車鋁合金發(fā)動機缸蓋的再制造需求，對發(fā)動機缸蓋進行了失效分析，并研究了高速電弧噴涂Al-RE涂層的再制造工藝，實現(xiàn)了鋁合金缸蓋的再制造。

4結(jié)語

電弧噴涂技術(shù)已被人們接受和認可，在國內(nèi)外的應(yīng)用研究也正推向深入。總體來看，下述幾個方面將是電弧噴涂技術(shù)的研究重點。

1)關(guān)注電弧噴涂工藝過程的機理研究[52]。研究電弧噴涂的過程及機理，對開發(fā)新的噴涂工藝及提高涂層的質(zhì)量和性能有重要意義。

2)開發(fā)新設(shè)備，研究自動化噴涂技術(shù)。在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上開發(fā)噴涂效率高、效果好的便攜式設(shè)備，并在實際工作中推廣應(yīng)用。現(xiàn)有的噴涂技術(shù)以人工為主，機器多為輔助，離大規(guī)模的應(yīng)用還有差距；因此，借鑒國外行業(yè)經(jīng)驗，加快自動化電弧噴涂技術(shù)的研究，對拓展電弧噴涂的應(yīng)用領(lǐng)域和降低人工成本有重要意義。

3)研究新型噴涂材料。開發(fā)性能優(yōu)良、便于生產(chǎn)施工的新型絲材并在工業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，提高絲材的使用率，降低材料成本。

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責(zé)任編輯鄭練

Research and Application of Progress of Arc Spraying

LIANG Guo1,LI Zhuangzhi1,YAN Fei1,ZHANG Jing2,JIA Chuanbao2, CHANG Dechun3

(1.Unit 72502, Chinese PLA Jinan Military Area, Jinan 250300，China;2. Institute of Oceanographic Instrumentation,Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266100, China;3. College of Chemistry and Chemical Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266001, China)

Abstract:The paper introduced the development and application of arc spraying. Recent research developments of arc spraying equipment and technology were reviewed. The study of wires material for the arc spraying was also analyzed. At last, the development trend of arc spraying was discussed.

Key words:arc spraying, equipment, technology, wires material

收稿日期：2014-06-25

作者簡介：梁國(1978-)，男，講師，主要從事車輛維修技術(shù)等方面的研究。

中圖分類號：TG 174.4

文獻標志碼：B