再制造工程中的热喷涂技术下连接法兰
2022-06-28 21:38:26 志铭五金网
再制造工程中的热喷涂技术（下）
再制造工程中的热喷涂技术（下） 2011： 2.3高速电弧喷涂Zn-Al-Mg-RE涂层耐海水腐蚀研究 舰船由于受到海水及海面盐雾的侵蚀，甲板及舰体腐蚀严重，每年都需要涂几次油漆进行防护；舰艇每次小修时更换腐蚀的钢板达到1/3，中修时的换板率超过了1/2，既增加了维修的工作量、降低了舰船在航率，又造成巨大的经济损失。海水对金属材料的腐蚀是典型的电化学腐蚀，海水中的氯离子（Cl－）对氧化钝化膜的穿透能力很强，因此，舰船在海水中很易被腐蚀。为增强舰船的耐腐蚀磨损性能，我们开发了高速电弧喷涂Al-Re、Zn-Al耐蚀涂层，耐腐蚀效果非常优异，当Zn-Al涂层中Al含量超过13％～15％时，涂层既具有纯Zn涂层对钢铁基体有效的阳极保护且对点腐蚀和裂纹不敏感的特点，又因涂层中含有足够的Al，能够形成完整的Al2O3保护膜而耐腐蚀磨损。Zn-Al涂层涂层是替代Zn和Al涂层的极有发展前途的耐蚀金属涂层。在Zn-Al耐蚀涂层的基础上，我们又开发了Zn-Al-Mg及Zn-Al-Mg-Re涂层。这两类涂层由于具有“自封闭”作用，进一步提高了涂层耐腐蚀性能。在涂层的腐蚀过程中，Zn可形成不溶解性的腐蚀产物（ZnO或Zn4(OH)6CO3·H2O）来封闭涂层中的孔隙，即“自封闭”效果。Mg加快了涂层中孔隙的“自封闭”过程，从而提高了涂层的耐蚀性。在加入0.7％-1.4％Mg后，Zn-Al-Mg合金涂层在盐雾腐蚀环境下耐蚀性比Zn-Al涂层提高了4倍。采用电化学阻抗谱法研究表征Zn-Al-Mg-Re涂层的“自封闭”效果。图6为Zn-Al-Mg-RE涂层的电化学阻抗谱，可见在浸泡初期呈现半径近似的两个半圆外形，而随后转入到单一半圆形状。浸泡初期对应的等效电路图见图7，与Zn-Al 和Zn-Al-Mg涂层相同；但浸泡后期对应的等效电路可用图8表示。比较图7和图8可以看出，在浸泡后期的电化学阻抗谱的测试中已经接收不到来自涂层/基体界面的信息。表明在浸泡后期Cl－不能到达涂层／基体界面。由于稀土元素的加入，Zn-Al-Mg-RE涂层的腐蚀产物与Zn-Al-Mg涂层比较并没有明显差别，但稀土元素可细化涂层颗粒，使颗粒粒度均匀，降低涂层孔隙率，使涂层组织致密，进而减少了腐蚀通道。因此，反应进行一定时间后，由于钝化膜及腐蚀产物的堵塞，Cl－很难通过涂层表面的缺陷进入涂层到达涂层/基体的界面，涂层的“自封闭”效果更加明显，大幅度提高了涂层腐蚀产物层的稳定性，从而使Zn-Al-Mg-RE涂层表现出优异的耐蚀性。2.4超音速等离子喷涂12Co-WC涂层耐砂粒磨损性能研究 等离子喷涂技术中等离子焰流的温度高达18000℃，可以将各种喷涂材料加热到熔融状态，因而高熔点陶瓷等难熔材料也可被用于等离子喷涂使用，从而得到高耐磨性的喷涂层。超音速等离子喷涂12Co-WC涂层主要由金属Co相以及硬质WC相和少量硬质W2C相组成，高硬度碳化物颗粒可以克服砂粒的划伤。采用装备再制造技术国防科技重点实验室研究开发的HEPJ高效能超音速等离子喷涂系统在坦克某磨损零部件表面制备了12Co-WC涂层。图9(a)为12Co-WC涂层的表面形貌照片。可以看出，高效能超音速等离子喷涂12Co-WC涂层表面均匀、致密。图9(b)为涂层的截面组织特征。分析表明，涂层组织致密、孔隙率较低（<1%），看不到明显的孔隙和孔洞，而且涂层与基体的结合非常紧密，基体表面一些不平的缺陷都被涂层填充。这有利于提高涂层的结合强度，减少裂纹源，从而有利于提高涂层的耐磨性。EDAX能谱分析表明，图9(c)中浅色区域为硬质WC陶瓷相，深色区域为金属Co粘结相。图10为涂层XRD衍射谱。分析结果表明，喷涂层主要由WC相、金属Co相及少量W2C相构成。W2C相的产生是由于喷涂过程中WC颗粒在高温下分解形成的。涂层的这种组织结构有利于硬质陶瓷颗粒承受载荷和抵抗砂粒犁削作用，对提高涂层的抗油润滑砂粒磨损性能非常有利。图9 超音速等离子喷涂12Co-WC涂层的表面(a)、截面(b)及截面放大图(c)实车研究表明，超音速等离子喷涂12Co-WC涂层在油润滑条件下耐砂粒磨损性能极为优异，无论砂粒尺寸如何变化、润滑油中砂粒含量有何不同，其耐磨性均明显优于原始基体。图11为超音速等离子喷涂12Co-WC涂层的磨痕表面，可见涂层表面只被砂粒磨出了很细微的犁沟。摩擦学理论认为，当涂层表面硬度Hm和磨粒硬度Ha之比大于0.8时为软磨粒磨损；而当Hm/Ha小于0.8时，材料的抗磨能力急剧下降，为硬磨粒磨损。在本试验条件下，涂层与磨粒的硬度之比约等于0.85，因此，涂层与对摩件之间主要发生软磨粒磨损，在试样磨损表面仅出现轻微擦伤痕迹，表现出良好的抗磨性能。超音速等离子喷涂12Co-WC涂层由于喷涂颗粒飞行速度高，WC颗粒的分解及Co的烧损都比较少，形成了典型的“硬质相+软基体”的耐磨组织。涂层中突出的WC硬质相直接承受载荷，保护基体不受磨粒的作用，摩擦副和砂粒主要和硬质相发生接触和滑动摩擦，由于这些高硬的陶瓷相与摩擦副及砂粒发生粘着的几率很小，所以涂层磨损很小。而软基体Co相主要起支撑硬质相的作用，能够改善涂层韧性，增加硬质相与基质相之间的粘接强度，减小涂层在砂粒和摩擦副冲击下剥落的可能。当施加载荷时，承受压力增大的硬质相颗粒陷入软基体中，将使更多的硬质颗粒承载而达到载荷均匀分布。2.5超音速等离子喷涂Al2O3/TiO2纳米结构涂层耐磨性能研究 利用装备再制造技术国防科技重点实验室研究开发的HEPJ高效能超音速等离子喷涂还制备出了Al2O3/TiO2纳米结构复合涂层。纳米热喷涂与普通热喷涂的喂料（即用于喷涂的材料）都是微米级的，但关键区别在于纳米热喷涂的喂料是由大量纳米颗粒重构后形成的微米级喂料。图12为微米喂料的重构及纳米热喷涂的原理示意图。纳米颗粒不能直接用于热喷涂，主要是因为其尺寸与质量太小，喷涂时既可能大量飞散损耗，也容易发生烧结。图13显示了将纳米Al2O3与TiO2颗粒重构为微米级的Al2O3/TiO2复合颗粒的过程。图13(a)、(b)分别为纳米Al2O3与TiO2颗粒的透射电镜形貌，显示它们均有团聚现象。对它们进行超声分散后，利用液相分散喷雾合成法进行重构处理，得到了微米级的纳米结构喂料，见图13(c)。图13(d)为喷涂后得到的Al2O3/TiO2纳米结构涂层透镜形貌及选区电子衍射，可见该涂层主要由亚微米晶和纳米晶结构组成。下表为分别利用自行研制的高效能超音速等离子喷涂设备（HEPJ）和美国进口METCO -9MB等离子喷涂设备制备的纳米结构喷涂层的力学与摩擦学性能测试结果，可见由HEPJ制备的涂层性能明显优于由METCO-9MB制备的涂层。两种喷涂方法所得纳米结构涂层的性能对比表 高效能超音速等离子喷涂 美国METCO-9MB等离子喷涂 显微硬度（HV0.05） 1166 713 结合强度（MPa） 29.4 11.4 相对耐磨性 1.12 1
3 结束语 再制造工程是废旧产品高技术维修的产业化，“产品”既可以是设备、系统、设施，也可以是其零部件；既包括硬件，也包括软件。再制造是以产品后半生为研究对象，提升、改造废旧产品的性能，使废旧产品重获生命力。再制造的重要特征是再制造产品质量和性能达到或超过新品，成本却只是新品的50%，节能60%，节材70%，对环境的不良影响与制造新品相比显著降低。热喷涂技术是再制造工程的关键支撑技术之一。作为热喷涂技术的最新代表，高速电弧喷涂技术和超音速等离子喷涂技术分别以其高效廉价、应用范围广泛和质量优异、超强加工能力而受到广泛重视。利用高速电弧喷涂技术制备了用于锅炉水冷壁管道的Fe-Al及其复合物的金属间化合物耐高温冲蚀涂层、甲板防滑用Al/Al2O3增摩涂层、舰船钢结构耐海水腐蚀用Zn-Al-Mg-RE涂层；利用超音速等离子喷涂技术制备了用于摩擦副耐细砂磨损涂层及Al2O3/TiO2纳米结构耐磨涂层。这些喷涂层很好地满足了再制造装备的耐磨、耐蚀等要求。