论文部分内容阅读
摘要：在化工装置大规模投产的今天，提高材料的性能对降低建造成本、提高装置安全性、延长装置寿命有着举足轻重的作用。喷涂技术的发展与应用使得提高材料的性能有了可能。合理選择喷涂材料和工艺，不仅具有积极的社会效益，更有着良好的经济效益。
关键词：化工装置喷涂技术介绍选用
Summary: In the large-scale production of chemical plant, to improve the performance of the material to reduce construction costs and improve device security, extend device life plays an important role in. Spraying the development and application of technology to improve material performance. Reasonable choice of spray materials and workmanship, not only has a positive social benefits, but also has good economic benefits.Keywords: chemical plant spray technology selection
中图分类号：C35 文献标识码：A文章编码：
0前言
近些年来，化工装置的大规模投产对提高金属材料的性能、延长仪器设备使用寿命提出了越来越高的要求。而这两个方面的要求又面临着高性能结构材料成本逐年上升的问题。与此同时，表面工程发展的也很快，尤其是热喷涂技术获得了巨大进展，为解决上述问题提供了一种新的方法。
热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射、沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。热喷涂技术在普通材料的表面上，制造一个特殊的工作表面，使其具有防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等功能，以其达到节约材料，节约能源的目的，我们把特殊的工作表面叫涂层，把制造涂层的工作方法叫热喷涂。
1、热喷涂技术的分类
作为新型的实用工程技术目前尚无标准的分类方法，一般按照热源的种类，喷涂材料的形态及涂层的功能来分。如按涂层的功能分为耐腐，耐磨，隔热等涂层；按加热和结合方式可分为喷涂和喷熔：前者是机体不熔化，涂层与基体形成机械结合；后者则是涂层再加热重熔，涂层与基体互溶并扩散形成冶金结合。
平常接触较多的一种分类方法是按照加热喷涂材料的热源种类来分的，按此可分为：
①火焰类，包括火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂；
②电弧类，包括电弧喷涂和等离子喷涂；
③电热法，包括电爆喷涂、感应加热喷涂和电容放电喷涂；
④激光类：激光喷涂。在我国，火焰类和电弧类喷涂法应用广泛。本文将主要阐述这两种喷涂技术。
1.1火焰类
1.1.1火焰喷涂
火焰喷涂（熔）技术以氧——燃气气体火焰作为热源，将喷涂（熔）材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷射到经过预处理的基体表面上，形成一种具有特殊性能的涂层。火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。
火焰喷涂技术的基本特点有：
①对基体要求不高。一般金属、非金属基体均可喷涂，对基体的形状和尺寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能喷涂；
②涂层材料广泛。金属、合金、陶瓷、复合材料均可为涂层材料；
③涂层的多孔性组织有储油润滑和减摩性能，含有硬质相得喷涂层宏观硬度可达450HB，喷涂层可达65HRC；
④火焰喷涂对基体影响小。基体表面受热温度为200~250℃，整体温度约为70℃~80℃，故基体变形小，材料组织不发生变化。
1.1.2 爆炸喷涂
爆炸喷涂是利用氧气和乙炔气点火燃烧，造成气体膨胀而产生爆炸，释放出热能和冲击波，热能使喷涂粉末熔化，冲击波则使熔融粉末以700～800m/s的速度喷射到工件表面上形成涂层。
爆炸涂层一般被认为仍然是高速熔融粒子碰撞基体的结果。爆炸喷涂的最大特点是粒子飞行速度高，动能大，所以爆炸喷涂涂层具有：
①涂层和基体的结合强度高；
②涂层致密，气孔率很低；
③涂层表面加工后粗糙度低；
④工件表面温度低。爆炸喷涂可喷涂金属，金属陶瓷及陶瓷材料。
1.1.3 超音速喷涂
超音速喷涂是燃料航空煤油与助燃剂以一定的比例导入燃烧室内混合，爆炸式燃烧，因燃烧产生的高温气体以高速通过膨胀管获得超音速。同时通入送粉气，定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃气中，一同射出喷涂于工件上形成涂层。在喷涂机喷嘴出口处产生的焰流速度一般为音速的4倍，即约1520m/s，最高可高达2400m/s。
超音速喷涂主要特点有：
①粉粒温度较低，只适于喷涂金属粉末、Co-Wc粉末以及低熔点TiO2陶瓷粉末；
②粉粒运动速度高；
③粉粒尺寸小（10～53>；μm）、分布范围窄；
④涂层结合强度好、致密度高，无分层现象。
⑤涂层表面粗糙度低；
⑥喷涂距离可在较大范围内变动，且不影响喷涂质量；
⑦可得到比爆炸喷涂更厚的涂层，残余应力也得到改善；
⑧喷涂效率高，操作方便；
⑨噪音大（大于120dB），需有隔音和防护装置。
1.2电弧类
1.2.1电弧喷涂
电弧喷涂是在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧，因电弧产生的热使金属焊丝逐渐熔化，熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成涂层。
电弧喷涂按电弧电源可分为直流电弧喷涂和交流电弧喷涂。电弧产生的温度与电弧气体介质、电极材料种类及电流有关（如Fe料，电流280安，电弧温度为6100K）。但一般来说，电弧喷涂比火焰喷涂粉末粒子含热量更大一些，粒子飞行速度也较快，因此，熔融粒子打到基体上时，形成局部微冶金结合的可能性要大的多。所以，涂层与基体结合强度较火焰喷涂高1.5～2.0倍，喷涂效率也较高。电弧喷涂还可方便地制造合金涂层或“伪合金”涂层。通过使用两根不同成分的丝材和使用不同进给速度，即可得到不同的合金成分。电弧喷涂与火焰喷涂设备相似，同样具有成本低，一次性投资少，使用也方便等优点。近些年来，为了进一步提高电弧喷涂涂层的性能，国外对设备和工艺进行了较大的改进，公布了不少专利。例如，将甲烷等加入到压缩空气中作为雾化气体，以降低涂层的含氧量。日本还将传统的圆形丝材改成方形，以改善喷涂速率，提高了涂层的结合强度。
1.2.2 等离子喷涂
等离子喷涂是利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，与自由电弧项比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。等离子喷涂包括大气等离子喷涂，保护气氛等离子喷涂，真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有的特点：
①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂；
②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高；
③由于使用惰性氣体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。等离子弧按接电方法不同，分为三种形式：非转移弧、转移弧、联合弧。
1.3电热法与激光法
1.3.1电爆喷涂
电爆喷涂是在线材两端通以瞬间大电流，使线材熔化并发生爆炸。此法专用来喷涂气缸等内表面。
1.3.2感应加热喷涂
感应加热喷涂是采用高频涡流把线材加热，然后用高压气体雾化并加速的喷涂方法。
1.3.3电容放电加热
电容放电加热是利用电容放电把线材加热，然后用高压气体雾化并加速的喷涂方法。
1.3.4激光法
激光法是把高密度能量的激光束朝着接近于零件的基体表面的方向直射，基体同时被一个辅助的激光加热器加热，同时，细微的粉末以倾斜的角度被吹送到激光束中，熔化粘结到基体表面，形成了一层薄的表面涂层，与基体之间形成良好的结合（喷涂环境可选择大气气氛或惰性气体气氛，或真空下进行）。
2、热喷涂技术的选择
以上介绍的喷涂技术中火焰类喷涂和电弧类喷涂在国内已经得到了比较广泛的应用，尤其是火焰类喷涂。选择合适的喷涂方法，不仅能保证金属材料的使用寿命和性能，也使得化工装置变得更加经济。
火焰喷涂的优点是：设备简单、工艺操作简便、应用广泛灵活、适应性强、修复速度快、经济性好、噪声小等，但是涂层的抗拉强度较低，涂层的抗冲击能力和抗疲劳能力很差。爆炸喷涂的优点有涂层与基体结合强度高，涂层致密性好，表明粗糙度低；缺点是设备价格高，噪音大，所处环境属于氧化性气氛。超音速喷涂的优点是涂层强度高，致密性好，残余应力小，喷涂效率高；缺点是噪音大，需配有隔音和防护装置及使用面较窄。电弧喷涂的优点在于效率高，能形成合金或者伪合金层；局限性在于喷涂材料必须做成线材，某些硬质合金、难熔合金很难拔成线材；同时，喷涂材料必须是导电的焊丝，故只能使用金属，而不能使用陶瓷。等离子喷涂具有超高温特性，适合高熔点材料的喷涂，且工作气体为惰性气体，对喷涂材料影响很小，但一次投资较大，对氮气或氩气的纯度有较高要求。
3、结论
喷涂技术的长足进步使得化工装备在选材方面有了较大的空间，延长了设备的寿命，降低了整个装置的费用。合理的利用这些技术，不仅有重大的潜在的社会效益，还有相当可观的经济效益。
参考文献
[1]喷涂技术与应用李会谦，许根国，杨晓剑。
[2]喷涂技术的发展与应用王永兵，刘湘，祁文军，李志国。
[3]弧喷涂技术及其应用张文华，胡正前。
[4]滨士，王海军，朱胜，梁秀兵. 高效能超音速等离子喷涂技术的研究与开发应用[J].制造技术与机床，2003（2）：30-33。
[5]stil S, Li H, Coddet C. New developments in the PROTAL process[A]. ITSC 2004[C]. Osaka, 2004(CD-ROM)。
关键词：化工装置喷涂技术介绍选用
Summary: In the large-scale production of chemical plant, to improve the performance of the material to reduce construction costs and improve device security, extend device life plays an important role in. Spraying the development and application of technology to improve material performance. Reasonable choice of spray materials and workmanship, not only has a positive social benefits, but also has good economic benefits.Keywords: chemical plant spray technology selection
中图分类号：C35 文献标识码：A文章编码：
0前言
近些年来，化工装置的大规模投产对提高金属材料的性能、延长仪器设备使用寿命提出了越来越高的要求。而这两个方面的要求又面临着高性能结构材料成本逐年上升的问题。与此同时，表面工程发展的也很快，尤其是热喷涂技术获得了巨大进展，为解决上述问题提供了一种新的方法。
热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射、沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。热喷涂技术在普通材料的表面上，制造一个特殊的工作表面，使其具有防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等功能，以其达到节约材料，节约能源的目的，我们把特殊的工作表面叫涂层，把制造涂层的工作方法叫热喷涂。
1、热喷涂技术的分类
作为新型的实用工程技术目前尚无标准的分类方法，一般按照热源的种类，喷涂材料的形态及涂层的功能来分。如按涂层的功能分为耐腐，耐磨，隔热等涂层；按加热和结合方式可分为喷涂和喷熔：前者是机体不熔化，涂层与基体形成机械结合；后者则是涂层再加热重熔，涂层与基体互溶并扩散形成冶金结合。
平常接触较多的一种分类方法是按照加热喷涂材料的热源种类来分的，按此可分为：
①火焰类，包括火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂；
②电弧类，包括电弧喷涂和等离子喷涂；
③电热法，包括电爆喷涂、感应加热喷涂和电容放电喷涂；
④激光类：激光喷涂。在我国，火焰类和电弧类喷涂法应用广泛。本文将主要阐述这两种喷涂技术。
1.1火焰类
1.1.1火焰喷涂
火焰喷涂（熔）技术以氧——燃气气体火焰作为热源，将喷涂（熔）材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷射到经过预处理的基体表面上，形成一种具有特殊性能的涂层。火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。
火焰喷涂技术的基本特点有：
①对基体要求不高。一般金属、非金属基体均可喷涂，对基体的形状和尺寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能喷涂；
②涂层材料广泛。金属、合金、陶瓷、复合材料均可为涂层材料；
③涂层的多孔性组织有储油润滑和减摩性能，含有硬质相得喷涂层宏观硬度可达450HB，喷涂层可达65HRC；
④火焰喷涂对基体影响小。基体表面受热温度为200~250℃，整体温度约为70℃~80℃，故基体变形小，材料组织不发生变化。
1.1.2 爆炸喷涂
爆炸喷涂是利用氧气和乙炔气点火燃烧，造成气体膨胀而产生爆炸，释放出热能和冲击波，热能使喷涂粉末熔化，冲击波则使熔融粉末以700～800m/s的速度喷射到工件表面上形成涂层。
爆炸涂层一般被认为仍然是高速熔融粒子碰撞基体的结果。爆炸喷涂的最大特点是粒子飞行速度高，动能大，所以爆炸喷涂涂层具有：
①涂层和基体的结合强度高；
②涂层致密，气孔率很低；
③涂层表面加工后粗糙度低；
④工件表面温度低。爆炸喷涂可喷涂金属，金属陶瓷及陶瓷材料。
1.1.3 超音速喷涂
超音速喷涂是燃料航空煤油与助燃剂以一定的比例导入燃烧室内混合，爆炸式燃烧，因燃烧产生的高温气体以高速通过膨胀管获得超音速。同时通入送粉气，定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃气中，一同射出喷涂于工件上形成涂层。在喷涂机喷嘴出口处产生的焰流速度一般为音速的4倍，即约1520m/s，最高可高达2400m/s。
超音速喷涂主要特点有：
①粉粒温度较低，只适于喷涂金属粉末、Co-Wc粉末以及低熔点TiO2陶瓷粉末；
②粉粒运动速度高；
③粉粒尺寸小（10～53>；μm）、分布范围窄；
④涂层结合强度好、致密度高，无分层现象。
⑤涂层表面粗糙度低；
⑥喷涂距离可在较大范围内变动，且不影响喷涂质量；
⑦可得到比爆炸喷涂更厚的涂层，残余应力也得到改善；
⑧喷涂效率高，操作方便；
⑨噪音大（大于120dB），需有隔音和防护装置。
1.2电弧类
1.2.1电弧喷涂
电弧喷涂是在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧，因电弧产生的热使金属焊丝逐渐熔化，熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成涂层。
电弧喷涂按电弧电源可分为直流电弧喷涂和交流电弧喷涂。电弧产生的温度与电弧气体介质、电极材料种类及电流有关（如Fe料，电流280安，电弧温度为6100K）。但一般来说，电弧喷涂比火焰喷涂粉末粒子含热量更大一些，粒子飞行速度也较快，因此，熔融粒子打到基体上时，形成局部微冶金结合的可能性要大的多。所以，涂层与基体结合强度较火焰喷涂高1.5～2.0倍，喷涂效率也较高。电弧喷涂还可方便地制造合金涂层或“伪合金”涂层。通过使用两根不同成分的丝材和使用不同进给速度，即可得到不同的合金成分。电弧喷涂与火焰喷涂设备相似，同样具有成本低，一次性投资少，使用也方便等优点。近些年来，为了进一步提高电弧喷涂涂层的性能，国外对设备和工艺进行了较大的改进，公布了不少专利。例如，将甲烷等加入到压缩空气中作为雾化气体，以降低涂层的含氧量。日本还将传统的圆形丝材改成方形，以改善喷涂速率，提高了涂层的结合强度。
1.2.2 等离子喷涂
等离子喷涂是利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧，与自由电弧项比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。等离子喷涂包括大气等离子喷涂，保护气氛等离子喷涂，真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有的特点：
①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂；
②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高；
③由于使用惰性氣体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。等离子弧按接电方法不同，分为三种形式：非转移弧、转移弧、联合弧。
1.3电热法与激光法
1.3.1电爆喷涂
电爆喷涂是在线材两端通以瞬间大电流，使线材熔化并发生爆炸。此法专用来喷涂气缸等内表面。
1.3.2感应加热喷涂
感应加热喷涂是采用高频涡流把线材加热，然后用高压气体雾化并加速的喷涂方法。
1.3.3电容放电加热
电容放电加热是利用电容放电把线材加热，然后用高压气体雾化并加速的喷涂方法。
1.3.4激光法
激光法是把高密度能量的激光束朝着接近于零件的基体表面的方向直射，基体同时被一个辅助的激光加热器加热，同时，细微的粉末以倾斜的角度被吹送到激光束中，熔化粘结到基体表面，形成了一层薄的表面涂层，与基体之间形成良好的结合（喷涂环境可选择大气气氛或惰性气体气氛，或真空下进行）。
2、热喷涂技术的选择
以上介绍的喷涂技术中火焰类喷涂和电弧类喷涂在国内已经得到了比较广泛的应用，尤其是火焰类喷涂。选择合适的喷涂方法，不仅能保证金属材料的使用寿命和性能，也使得化工装置变得更加经济。
火焰喷涂的优点是：设备简单、工艺操作简便、应用广泛灵活、适应性强、修复速度快、经济性好、噪声小等，但是涂层的抗拉强度较低，涂层的抗冲击能力和抗疲劳能力很差。爆炸喷涂的优点有涂层与基体结合强度高，涂层致密性好，表明粗糙度低；缺点是设备价格高，噪音大，所处环境属于氧化性气氛。超音速喷涂的优点是涂层强度高，致密性好，残余应力小，喷涂效率高；缺点是噪音大，需配有隔音和防护装置及使用面较窄。电弧喷涂的优点在于效率高，能形成合金或者伪合金层；局限性在于喷涂材料必须做成线材，某些硬质合金、难熔合金很难拔成线材；同时，喷涂材料必须是导电的焊丝，故只能使用金属，而不能使用陶瓷。等离子喷涂具有超高温特性，适合高熔点材料的喷涂，且工作气体为惰性气体，对喷涂材料影响很小，但一次投资较大，对氮气或氩气的纯度有较高要求。
3、结论
喷涂技术的长足进步使得化工装备在选材方面有了较大的空间，延长了设备的寿命，降低了整个装置的费用。合理的利用这些技术，不仅有重大的潜在的社会效益，还有相当可观的经济效益。
参考文献
[1]喷涂技术与应用李会谦，许根国，杨晓剑。
[2]喷涂技术的发展与应用王永兵，刘湘，祁文军，李志国。
[3]弧喷涂技术及其应用张文华，胡正前。
[4]滨士，王海军，朱胜，梁秀兵. 高效能超音速等离子喷涂技术的研究与开发应用[J].制造技术与机床，2003（2）：30-33。
[5]stil S, Li H, Coddet C. New developments in the PROTAL process[A]. ITSC 2004[C]. Osaka, 2004(CD-ROM)。