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热喷涂丝材的应用现状和发展 |
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作为材料科学领域表面技术分支中制备涂层的一类工艺方法，热喷涂技术被广泛用于产品制造、设备维修、长效防腐及表面强化等目的，其应用领域涉及冶金、机械、石化、电力、汽车和船舶等行业。
热喷涂材料是热喷涂技术的物质基础，具有粉末、丝材和棒材三种形式。据统计，现在全世界每年大约消耗3.5万t左右的喷涂材料。其中丝材约为2万t左右。常用的热喷涂方法包括火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和超音速喷涂等，其中电弧喷涂和火焰喷涂中的线材火焰喷涂工艺均需使用丝材作为原料。电弧喷涂工艺工作原理如图1所示。
图1 电弧喷涂工艺工作原理图
从成分及结构上划分，热喷涂丝材包括纯金属、合金(实芯丝材)和复合丝材(粉芯丝材或管状丝材)三类。以下从这三个方面对热喷涂丝材的应用和发展趋势进行介绍。
一、纯金属喷涂丝材
锌丝和铝丝是最常见的也是用量最大的纯金属喷涂丝材，主要用于对桥梁、井架、发射塔、舰船、港口、水利设施和运输管道等大型钢铁结构件进行腐蚀防护。它们对钢铁材料的保护机理主要有两个：一是具有与涂料涂装防腐机理类似的阻挡腐蚀介质的隔离作用；二是具有通过涂层材料的有效防护实现阴极的(即钢铁构件)保护作用。这是因为锌、铝的电极电位比钢铁要低，在有电解质时对钢铁材料呈阳极，使钢铁构件受到阴极保护而不被腐蚀。其防护实例如图2所示。
图2 电弧喷涂Zn、Al涂层对储油罐和桥梁进行防护
在Zn中添加Al，能提高涂层的耐蚀性能。目前，在国内已实现了ZnAl合金丝的批量生产，常见的牌号为ZnAl15合金丝。最近，北京有色金属研究总院已实现了Al含量更高的ZnAl20合金丝的批量生产。另外，AlMg合金丝以及稀土Al合金丝也逐步成为国内相关材料研制单位的热点研究项目。
铜丝和钼丝也是较为常见的纯金属喷涂丝材。前者主要用作电器开关和电子元件的导电涂层以及塑像、工艺品水泥等建筑表面的装饰涂层。后者早期主要用作结合底层材料，现在则更多地被作为耐摩擦磨损的工作涂层使用。例如，汽车行业中的活塞环、拨叉、同步啮合环等零件的表面涂层。
二、合金喷涂丝材
常见的合金喷涂丝材主要为Fe基和Ni基两大类。
1．Fe基合金喷涂丝材
Fe基喷涂丝材中应用较多的是碳钢丝、不锈钢丝和耐热铁合金丝。
碳钢丝按碳含量的多少又可分成低、中和高碳钢丝三类。由低、中碳钢丝制备的涂层，易于切削，可用于超差零件的尺寸恢复；高碳钢丝则可用于轴类等零件表面的耐磨涂层的制备。
不锈钢是指具有抵抗大气、酸、碱、盐等腐蚀作用的合金钢的总称，按其金相组织可分为五类：即铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢。其中，马氏体(如Cr13型)型不锈钢丝和奥氏体(如18-8型)不锈钢丝是两类较为常用的喷涂丝材。前者可用作各种轴类件上的轴承位、柱塞和套筒等零件的耐磨涂层；后者由于具有比前者好很多的耐腐蚀性能，因而被更多地用在工作环境中存在腐蚀介质的零件的表面。如造纸烘缸、泵壳、阀门以及各类化工储罐等。
FeCrAl合金是良好的高温电阻材料，具有很好的抗高温氧化性能，其合金丝也被作为喷涂材料喷到钢铁上形成抗高温氧化涂层。该种材料早期曾在燃煤电厂锅炉受热面管道的涂层防护中得到较多的应用，近几年已逐渐被抗高温、耐腐蚀性能更好的镍铬合金所取代。
2．Ni基合金喷涂丝材
NiCr合金丝是最早获得应用的Ni基合金丝材，作为高温电阻材料，这类合金具有很好的抗高温氧化性能。早期使用的NiCr合金主要是Ni80Cr20系列，随后又出现了Ni70Cr30系列。目前，由北京有色金属研究总院研制成功的Wcr在43％～45％之间的高铬镍基合金丝材PS45，已实现产业化生产，并在国内获得广泛应用，同时已有部分产品出口至美国和日本等国家。非常高的铬含量使得由该种合金丝材制备的涂层在高温环境下能发生选择性氧化，在涂层表面形成一层连续且致密的Cr203保护膜，从而有利于阻止外界腐蚀介质的侵入和涂层内金属离子的向外扩散。另外，试验表明，该种涂层材料还具有十分优秀的抗硫化物(包括SO2、H2S以及硫酸盐等)腐蚀性能，使其非常适用于火力电厂锅炉以及有着类似工况的零部件的预防护。
NiAl合金丝是另外一种得到广泛应用的镍基合金丝材(见图3)。这种主要作为电弧喷涂结合底层材料使用的合金丝材也是由北京有色金属研究总院率先研制成功的(该项目荣获北京市科技进步二等奖)。该种丝材的名义成分为Ni95Al5。由其制备的涂层的结合强度可达55MPa以上，是喷涂各种轴类件、柱塞、造纸烘缸以及在金属基体上制备陶瓷涂层时必不可少的底层材料。
图3 北京有色金属研究总院研制的高铬镍基合金丝材PS45和镍铝合金丝
蒙乃尔(NiCu)合金因具有较好的耐蚀性也是被较多使用的一种Ni基合金材料。其耐蚀性能，在还原气氛中比镍好，在氧化气氛中优于铜，在许多介质中都表现出比不锈钢更突出的耐蚀性能。
3．其他合金喷涂丝材
其他常用的合金喷涂丝材还包括铜合金丝材和锡合金丝材。
铜合金中的黄铜主要用于修复磨损及加工超差零件，也可作为装饰涂层使用。在黄铜中添加1％(质量分数)左右的锡，可改善黄铜的耐海水腐蚀性能，故被称为海军黄铜，大量用在与海水接触的活塞、轴套和气阀上。铝青铜的强度比一般黄铜高一倍，因而具有很好的腐蚀疲劳性能和耐磨性能，主要用在水泵叶片、阀门和轴瓦上，也可用来修复青铜铸件及作装饰涂层。磷青铜和白铜呈美丽的淡黄色和白色，主要被用作装饰涂层。
锡基合金中较常使用的是锡基巴氏合金(SnSbCu合金)丝，它主要被用来修复滑动轴承的轴瓦。
三、复合喷涂丝材
复合喷涂丝是指用机械方法将两种或两种以上的材料复合压实制成的喷涂材料，现在又被称为粉芯丝材或管状丝材。
国内最早出现的复合喷涂丝是由北京有色金属研究总院研制成功的火焰喷涂结合底层材料——NiAl复合丝。它是采用粉／管复合法，将一定配比的Ni粉和Al粉装入铝管之中，再通过适当的减径变形手段以及特殊的接头工艺制成了可供连续喷涂使用的Ф3mm(或3.175ram)的丝材。该种复合丝是增效型复合喷涂材料的典型代表。在喷涂过程中，Ni和Al发生化合反应形成NiAl和Ni3Al化合物，分别放出142.8J和157.92J的热量，从而使涂层可与很多金属形成十分牢固的“微冶金”结合。与早期作为结合底层材料使用的钼丝相比，由NiAl复合丝制备的涂层具有更高的使用温度(前者为430℃，后者可达870℃)。同时，从材料成本角度考虑，后者也要比前者经济得多。另外，由NiAl复合丝制备的涂层中因含有Ni3A1等化学性能稳定、高温强度好的金属间化合物而也可直接被作为耐高温氧化、磨损的工作层使用。
现在使用更多的是另外一类采用粉/皮复合法制成的复合丝，即将粉末填料添加到作为包覆用的金属或合金带中(一股为碳钢带)，经过卷曲、拉拔等工艺制成的复合喷涂丝(见图4)。该种工艺具有粉末组元调节方便、生产周期短、效率高的优点，既适于多品种、小批量的开发目的，也可用于大批量的定型生产。目前，该种复合丝中的粉末填料多为陶瓷、金属陶瓷(如TiB2/NiAl复合丝(粉/管法)和耐磨复合丝(粉/皮法)Al203NiCR-Cr3C2Fe(Cr)3B)等硬质耐磨粉末，同时添加少量的如Ni、Al等合金元素，有利于提高结合强度。由于这类丝材制备的涂层呈软基体中包含硬质相的结构，因而具有较好的耐磨粒磨损性能，适合作为耐冲刷涂层使用。这类复合丝材的出现是对实芯合金丝材的一个有力补充，解决了部分材料不能采用传统的塑性加工工艺制备成丝材的难题。目前。这类丝材已在燃煤电厂循环流化床锅炉受热面管道、风机叶轮等部件的耐磨防护上得到了广泛的应用。
图4 北京有色金属研究总院研制的NiAl复合丝（粉/管法）和耐磨复合丝（粉/皮法）
四、热喷涂丝材的新发展
由于复合喷涂丝材具有组分易于调节、生产周期短的特点，故近来热喷涂丝材的研究热点多集中在这一类丝材上面。其一是通过添加适当的组元(如在Fe中加入B)，以便在涂层中获得一定比例的具有优异耐磨、耐蚀性能的非晶态涂层；其二是将经过团聚的纳米粉末作为组元添加到包覆钢带中，以便在涂层中获得一定比例的纳米尺度的组成相，从而增强涂层的韧性、硬度等多方面的综合性能。(end)
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(3/27/2008) |
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