火焰噴涂設備特點及其在金屬零件修復上的應用

彭怡楚

（安徽工業大學冶金工程學院，安徽 馬鞍山 243032）

隨著人類社會的發展，人們的出行方式越來越多樣化，海、陸、空配套的交通工具也越來越先進，需要使用大量的金屬零件。隨著交通工具使用年限的增加，金屬零件因磨損、腐蝕、劃傷而造成的機械損傷增多，造成零件尺寸超差不能使用，需要重新修復才能再次使用；部分高強度鋼、鈦合金類金屬零件的表面鍍鉻次數有限制，鍍鉻次數增加會帶來更多潛在的氫脆失效風險，造成零件失效。目前，再制造工程技術不斷拓展，涉及修復失效的金屬零件、對零件表面進行強化等，應用最多的是噴涂工藝、電刷鍍工藝和電火花強化工藝等，其中熱噴涂應用領域廣闊。火焰噴涂技術作為一種熱噴涂工藝方法，在大型船舶、民用航空領域應用廣泛，一些關鍵金屬零件的制造和修理均已采用火焰噴涂技術代替電鍍鉻，用于金屬零件尺寸修復與表面改性，擴展零部件用途和延長壽命，創造出巨大的經濟和社會效益。

1 火焰噴涂技術特性

現代科學技術和現代工業的發展，對各種金屬零件的表面性能要求越來越高。熱噴涂技術是一種零件表面涂層處理技術，能夠制出優于本體材料性能的表面功能薄層，賦予零件耐磨損、耐高溫、防腐蝕、防輻射、抗疲勞等性能。火焰噴涂技術是熱噴涂技術的一種，是一種可在材料表面高效率、快速地形成涂層的熱噴涂工藝方法，該工藝利用一種特殊結構的噴槍將材料加熱并霧化成熔化或半熔化的粒子，經加速后高速撞擊零件的基體表面，獲得結合致密性好、強度高的高質量涂層，廣泛用于零件表面改性和尺寸修復。基于火焰噴涂技術研發的火焰噴涂設備功能不斷提升，火焰噴涂方式包括火焰粉末噴涂、火焰線材噴涂等離子噴涂、超音速火焰噴涂等，火焰噴涂設備的控制系統能夠控制不同的噴涂工藝，在進行不同種類噴涂時，如果配置了各自工藝控制中心，能實現通過一個控制柜接口，同時控制任何一個或所有噴涂工藝的功能。

2 火焰噴涂設備特點

2.1 系統總體

火焰噴涂設備應具有完整性及成套性，至少應包括核心噴涂系統、噴砂系統、除塵系統、隔音房等（圖1）。需具有成熟的控制系統，易于操作，可對整個工藝過程精準操作和適時監控。噴涂房、噴砂房外的線纜及軟管應使用鋼制保護橋架；所有進入噴涂房、噴砂房的供電電纜應穿管保護，符合國家電工安全要求：充分考慮配套煤油、乙塊、氧氣等噴涂燃料的儲存、輸送安全。

圖1 火焰噴涂設備外形示意圖

2.2 噴涂系統

（1）噴涂系統包括工藝控制柜、氣體控制中心、分配控制器、水冷卻系統等主體設備，以及除塵器、風機、噴涂隔音房、機械手、轉臺等噴涂外圍設備。噴涂系統應配置集成控制系統，可對系統內的所有設備進行集中操控，具備對系統各分組件實現供電、收集故障信息，安全操作連鎖等功能，系統專門配置相應的擴展接口箱，聯結相應設備，提供系統安全連鎖、系統聯動運行、機械手協調運動。

（2）所配噴槍應能滿足各類涂層材料的噴涂要求，可獲得高致密性，高硬度涂層；同時能滿足大、中型鋼制零件噴涂的效率性要求，同時兼顧小型鈦合金零件單件噴涂時的熱量控制、經濟性等要求。配備的送粉器應具有高精度閉環控制功能，同時具有顯示送粉率的功能。配備熱噴涂工藝專用冷卻系統，制冷能力能滿足火焰噴槍滿負荷下冷卻需要；應配置工件冷卻裝置，具有不少于兩組壓縮空氣冷卻裝置，每路噴嘴壓縮空氣的啟停采用集成控制系統控制；配置調壓，冷卻效果滿足工件噴涂時的冷卻需求。噴涂系統應配置六軸機器人噴槍夾持模塊，采用六軸機械手，同時配備夾持噴槍的機械手槍架，輔助配備立臥兩用旋轉工作臺，具有安全連鎖，能與機器人實現聯動；旋轉工作臺運動精度能滿足噴涂工藝要求，能夠適應噴涂過程中零件受熱帶來的長度增加，可以杜絕非柔性工裝可能導致的零件受熱變形現象，具有非轉動定位功能，電機軸承具有防塵功能。配置濾筒式除塵器，除塵能力滿足噴涂房除塵需求。

2.3 噴砂系統

（1）噴砂系統工作原理：室外空氣經噴砂室頂部安裝的分散送風消音板送入室內，在噴砂室橫斷面形成空氣靜流層，將室內砂粒、清理物灰塵等經吸砂地板帶入分選器，由分選器將有用砂子和其他廢物分開，有用的砂子流回噴砂罐循環使用，其他廢物被空氣帶入除塵器，經過二次除塵后，灰塵流入垃圾桶，潔凈空氣經鼓風機排入大氣，噴砂系統原理示意圖如圖2。噴砂系統用于金屬類零件為主（材料以鈦合金或高強鋼為主，也有部分其他材質，如滲碳鋼等）表面噴砂處理，自動回收砂料封閉噴砂，可滿足對工件涂層的剝離，也可達到清除銹層、氧化皮、毛刺、電鍍與涂裝前期預處理等要求。

圖2 噴砂系統原理示意圖

（2）噴砂系統應配置至少2套獨立的噴砂單元，用以滿足鋼制零件與鈦合金零件噴砂工序的嚴格分離：2套噴砂單元所配噴砂槍都應配置進口調砂、進口氣動排氣、調砂以及噴砂管。所配砂粒分離系統應配置兩級分離系統，第一級應為不銹鋼制旋風分離系統，第二級應為振動篩分系統，配置不銹鋼篩網，可按照實際需要選用不同目數進行篩分。鋼制零件噴砂單元應配置噴槍夾持機構，具備至少一個自由度，能滿足中小型鋼制零件的噴砂需求，同時兼顧零件快速裝夾，夾持機構移動軸應有良好的防砂處理。應配置集成控制系統，集成過程中采用知名品牌可編程控制器為控制核心單元，具備對系統各分組件實現供電、收集故障信息，安全操作連鎖等功能，電路設計上充分考慮安全、可靠，風機的控制具有過熱、超載、缺相、反向等保護功能。噴砂系統應配置脈沖干式濾筒除塵器，采用脈沖反吹清灰方式，過濾精度高、過濾阻力小、粉塵排放量小，濾芯數量滿足噴砂房除塵及回砂等功能需求。所配噴砂房應有良好的隔音功能，系統回砂和除塵采用2臺風機，用于砂料和粉塵的回收，風機配有隔音罩，系統運行時噪音水平符合國際相關標準。

2.4 除塵系統

整套設備所有除塵器均應采用濾筒式除塵，濾筒采用知名品牌（如：唐納森品牌或同等級品牌），噴涂系統濾芯數、鋼制零件噴砂單元濾芯數、鈦合金零件噴砂單元濾芯數等均應有明確要求。除塵器應采用PLC控制，并有壓差顯示：除塵器所配風機排風量應不低于35000m/h，風機軸承采用進口品牌，風機應配置出口消音器，噴涂系統風機排風口高度應符合環保相關要求，風機排風管出口應配置防雨眉。除塵風機應配置變頻控制器，噴涂系統運行為全頻運行，噴涂系統停機時可選擇節能模式運行。除塵器濾芯脈沖反吹系統電機為防爆電機，同時應具有壓縮空氣干燥設施，確保壓縮空氣含水量不超標；除塵風機配隔音房、檢査平臺，除塵器抽風及排風管應進行防腐處理。

2.5 隔音房

所配噴涂房以及噴砂系統中鋼制零件噴砂單元房應有良好的隔音功能，隔音板噴涂房進風口、排風口均應配置消音器，系統運行時噪音水平符合國際相關標準；噴涂房工作門應設置警示燈并有電器聯鎖設計，當系統進行噴涂時，警示燈應閃爍，單開工作門應能在房間內開門；噴涂房應配置觀察窗不少于2組，觀察視窗應配置3層隔音玻璃。應配置防塵照明燈，光照度大于300勒克斯。

3 火焰噴涂技術應用

火焰噴涂工藝技術現階段已經較為成熟，是目前應用比較廣泛的噴涂方法之一，是再制造工程中的關鍵技術，也是噴涂工藝今后發展的主要趨勢，該技術在金屬零件修復上應用廣泛，可以制備出減摩耐磨、抗高溫氧化、耐腐蝕、防輻射、導電絕緣等功能涂層。

（1）火焰噴涂工藝相比傳統的等離子噴涂，涂層孔隙率更低，一般不大于1%，而等離子涂層一般不大于6%；基體結合強度更高，不小于70Mpa，而等離子涂層一般不超過50Mpa。相比傳統鍍硬絡工藝，涂層孔率低（硬鉻層易產生網紋，導致漏油漏氣）、硬度和耐磨性高（碳化鎢／鉆涂層耐磨性是硬鉻層的4倍以上），無氫脆。另外，等離子噴涂和鍍鉻層均為拉應力，火焰噴涂則可產生壓應力，因此涂層厚度遠遠高于等離子涂層和鍍鉻層（等離子涂層厚度極限0.8mm，鍍鉻層厚度極限0.2mm，火焰噴涂涂層厚度極限2mm)，抗疲勞性能更優，更能滿足零件修理質量要求，已大量應用民航客機金屬零件的制造和維修中，火焰噴涂新型設備，自動化程度、生產效率、涂層質量更高。

（2）火焰噴涂技術主要用于功能性涂層制備，可用于解決零件機械損傷中因磨損、腐蝕、劃傷造成的尺寸超差以及高強鋼、鈦合金類零件的代輅修復，綜合性能優異。其主要特點為：

涂層比鉻層硬度高，摩擦系數低，耐磨性更好；涂層表面為壓應力，可提供更高的涂層厚度，最高可達2mm，可進行大尺寸修復，比鍍鉻結合力好、強度高，不產生氫脆，可代替鉻。

高速區范圍大，可操作噴涂距離范圍大，工藝性好；火焰及噴涂粒子速度高，可連續噴涂，工作效率高。適用范圍廣，適用于所有的金屬和金屬合金材料。

對零件基體影響小，噴涂過程中零件表面溫度可控制在200℃以下，可有效避免對零件基材的影響。環境污染主要為廢氣和噪聲，廢氣處理率99%以上，噪聲通過廠房隔音控制在85dB以下，環境污染小。

（3）火焰噴涂技術適用于所有的金屬和金屬合金材料，可用于機械零部件腐蝕、裂紋、磨損、劃傷等損傷缺陷排除后的尺寸恢復，亦可用于高強度鋼、鈦合金零件的代鉻修復，適用范圍廣泛。該技術可用于噴涂碳化鎢、碳化鉻、鈷基合金、鎳鉻合金、不銹鋼等材料，基本涵蓋了各類功能性涂層，可滿足零件修理的各類需求。

（4）火焰噴涂技術成熟可靠，對基體材料疲勞性能影響很小，耐磨性能是電鍍硬鉻的4倍以上，密封性能遠優于硬鉻。美國曾在上個世紀九十年代中期開展火焰噴涂工藝代替電鍍硬鉻的研究，選用飛機起落架為試驗對象，飛機起落架在對其噴涂涂層后，后期經過1700多次的飛行起降未發現任何問題，性能良好。

（5）火焰噴涂新型設備，有較好的易用性、維護性。經調研國外品牌在國內設有設備代理商，均可提供全面的培訓服務，包括詳細的操作、檢測、日常維護及標準的噴涂工藝等。設備在使用維護時無特殊要求，主要易損件為噴槍槍管，設備供應商提供的相關備件包可保障設備正常運行1500h易損件的更換需求。

4 結語

隨著火焰噴涂技術的發展和應用范圍的不斷擴大，火焰噴涂技術將成為航空設備、大型船舶再制造領域不可或缺的中堅力量，它將不斷提高和發展，以適應再制造領域的快速發展。提高火焰噴涂技術在金屬零件修復中的應用范圍實現高效規模化生產，提高生產效率的同時獲得可靠、穩定的高質量涂層，進一步提高再制造零件的性能，進而實現節能減排目標具有重要的現實意義。