热喷涂技术在水工钢结构防护上的应用.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊9 3 热喷涂技术在水工钢结构防护上的应用 沈国军1 ，王泽华1 - ．，林萍华1 1 ．河海大学材料科学与工程学院．缸苏南京2 1 0 0 9 8 2 ．河海大学机电工程学院，江苏常州2 1 3 0 2 2 攮姜筒违了热喷豫技术的喷豫原理、馀层结构以及形成机理．热嗔辣技术的主要特点；综述了水工钢结 构耐蚀性涂层的研究情况及其在钢闸门、水轮机、启f j j 机桂塞杆辱方面的应用。 美量馕热喷涂；木工钢结构；防护技木 中瞳分类号T G l 7 4 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5C 2 0 0 7 } S 0 0 0 9 3 一0 3 A p p l i c a t i o no fT h e r m a lS p r a y i n gT e c h n o l o g yf o rH y d r a u l i c S t e e l ．s t r u c t u r eC o r r o s i o nP r o t e c t i o n S H E NG u o - j u n I ．W A N GZ e - h u a l 一．L I NP i n g - h u a l I ．D e l m r m u m to f M a t e r 缸h S c i e n c e ＆E n g l n 咖，啪U n i v e x a i t y ．N 删i n g2 1 0 0 9 8 ．C h i n a } 2 ．C o l i e l l eo fM e c h a a i c e l ＆E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ．H o h s lU n l v e c a i t y ，C h a n g z h o u2 1 3 0 2 2 ．C h k m A b s t r a c t T h e r r a a ls p r a y i n gp r i n c i p l ∞，t h es t r u c t u r ea n dt h ef o r m a t i o no fat y p i c a lc o a t i n gw e r ed e s c r i b e d ．T h e m a i ns h o r t c o m i n g sa n dm e r i t so ft h e r m a ls p r a y i n gw e r ea l s od i s c u s s e d ．T h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n so ft h e r m a l * s p r a y i n gc o a t i n g sf o rh y d r a u l i cs t e e l ．s t r u c t u r ec o r r o s i o np r o t e c t i o nW e r er e v i e w e d ． K e y w o r d s T h e r m a ls p r a y i n g ；H y d r a u l i cs t e e l - s t r u c t u r e ；C o r r o s i o np r o t e c t i o n 表面技术是是当今世界十项关键技术之一，热 喷涂技术是表面工程学的重要组成部分，它是一种 材料表面强化和表面改性的新技术。可以使基体表 面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐 射、减摩和密封等性能。热喷涂技术主要用于对部 件的修复、预保护及新产品的制造，可使工件获得所 需要的尺寸和性能。通过近一个世纪的应用和发 展。热喷涂技术已经取得了许多令人瞩目的成就，在 腐蚀与防护领域发挥更为广泛的作用。 1 热喷涂技术概述 白2 0 世纪初第一个金属熔液式喷涂装置在瑞 士闸世以来，热喷涂技术已有近百年的历史[ 1 J 。它 是利用各种热源，将欲喷涂的固体涂层材料加热至 熔化或熔融状态．借助于高速气流的雾化效果使其 作者筒介沈M g 1 9 7 9 一 ．男．江苏丹阳人，磺士研究生 形成微细熔滴，喷射沉积刭经过预处理的工件基体 表面形成堆积结构涂层的技术L 2 ] 。典型的热喷涂 工艺有电弧喷涂、火焰喷涂和等离子喷涂3 种。不 论是何种喷涂方法，用何种喷涂材料．热喷涂原理和 涂层形成过程基本上是相同的。 喷涂材辩经热源熔融或雾化至在基体表面形成 稳定的涂层是十分复杂的过程。一般经过冲击、碰 撞、变形和凝固收缩4 个阶段。涂层是由无数变形 粒子互相交错波浪式堆叠在一起而形成的层状组织 结构 如图1 。在喷涂过程中。由于熔融颗粒在软 化、熔化、加速飞行以及与基材表面接触过程中与周 围介质发生化学反应，使得喷涂材料经喷涂后会出 现氧化物。同时存在部分喷涂颗粒因加热不充分而 形成。生粒”，而且由于颗粒的陆续堆叠和部分颗粒 的反弹散失．在颗粒之问不可避免地存在孔隙或空 万方数据 9 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 洞。因此。典型的热喷涂涂层是由变形颗粒、未熔颗 粒、气孔和氧化物等组成[ 3 ] 。 囤1 典型喷涂层结构 F i g ．1 S t r u c t u r eo ft y p i c a lc o a t i n g 涂层与基体表面之间的结台方式主要是“机械 锚固”，其次由于涂层和基材表面出现扩散和微区合 金化，两者之间呈现出一定的冶金一化学结合，涂层 与基体的结合力比较弱。在涂层制造过程中，在热 变化和冲击能量作用下。以及喷涂材料与基体之间 的物理性能和力学性能的差异，使得熔融态变形颗 粒在基体表面冷凝收缩时产生微观残余应力【4J ，并 随着涂层不断堆积而增大。 热喷涂技术可以根据不同的需求使零件表面获 得抗腐蚀、抗氧化、耐高温、耐磨损等特殊的物理化 学性能，具有喷涂工艺灵活、适应范围广、基体及喷 涂材料广泛、受热面积较小、生产效率高等特点L 5J 。 涂层中的孔隙和残余应力，以及较弱的结合强度等 结构上的缺陷，影响了涂层的耐磨、耐蚀等性能．一 定程度上限制了热喷涂技术在工业生产中的应用。 相关研究表明通过优化工艺参数、提高基体表面粗 糙度、喷涂过渡层、激光重熔和封孔处理等手段可以 显著改善涂层的结构和性能”- 9J 。 热喷涂技术在设备、材料、工艺等方面都在迅速 的发展。基本趋势是设备向高能、高焙、高速度发展； 材料向系列化、标准化、商品化方向发展，以保证多 功能高质量涂层的需要；工艺向机械化、自动化方向 发展，如计算机控制、机械手操作等[ ”] 。 2 涂层的耐蚀性能 在金属表面上制备具有耐蚀性的涂镀层对基体 起到屏蔽保护作用，可避免或延缓基体的腐蚀【2 J 。 传统的防护涂镀层主要是电镀层和防腐漆。这类防 护工艺存在环境污染或防护效果不佳的弱点。热喷 涂技术可以根据需要．喷涂不同防护涂层材料，制各 不同环境下使用的防护涂层。同时在生产工艺上能 避免或降低对环境的污染。 最常用的热喷涂防腐涂层材料是z n 、Ⅳ及其合 金，这类材料形成的涂层电极电位均负于钢铁，对钢 基体能起到阴极保护作用。国内外研究人员[ 1 1 。3 ] 采用电弧喷涂和火焰唼涂技术在碳钢表面制备了多 种类的Z n 、A 1 和Z n ．A I 涂层，对涂层进行室外暴露 腐蚀试验和实验室盐雾腐蚀试验，发现这些涂层均 表现出较强的耐腐蚀性，其中A l 和Z n ．A I 涂层更 佳。陶瓷材料特殊的晶体类型和化学键类型赋予其 高熔点、高硬度和高化学稳定性等鲜明特征【i “， ～，0 ，、c r 2 0 3 等是常用于制备耐蚀涂层的淘瓷材 料。近年来，等离子喷涂技术和超音速火焰喷涂技 术 H V O F 的发展。拓宽了陶瓷涂层的制备和应用， H V O F 喷涂w D l 7 C o 涂层在H C I 和} I N 0 3 等强腐 蚀环境中表现出比电镀硬铬更好的抗腐蚀性能L l “， 但相比锌、铝涂层。对耐蚀性陶瓷涂层主要还是集中 在试验研究上，实际应用相对较少。 涂层孔隙的存在对以防腐为主要功能的涂层而 言是十分有害的[ 1 “．腐蚀介质往往能穿透涂层孔隙 到达被保护基体表面，造成基体的腐蚀，是涂层失效 的主要原因[ ”_ 1 ⋯。采用台理手段，消除热喷涂涂 层表面或内在的孔隙，堵住腐蚀介质通过涂层孔隙 达到基体的通道．已成为扩大热喷涂工艺在防腐蚀 领域应用的重要研究方向【1 ⋯。涂层封孔是目前应 用最多的降低涂层孔隙率的方法之一，对涂层进行 重熔改性也能达到改善涂层结构、降低孔隙率的目 的，超音速火焰喷涂和超音速等离子喷涂技术等高 能、高速热喷涂技术的发展也为制备低孔隙率的涂 层提供了技术支持[ ”，列。 3 热喷涂在水工钢结构腐蚀防护中的 应用 热喷涂技术在腐蚀防护方面的应用，欧美等西 方发达国家从2 0 世纪3 0 年代开始逐步采用热喷涂 技术对钢结构进行防腐处理。我国较大规模地运用 热喷涂防腐技术是从2 0 世纪6 0 年代开始的，近年 来有了较大的发展和应用。 水工钢结构、钢闸门、水轮机及大型液压启闭机等 金属构件，长期处于于湿交替、浸没水下及水流冲刷等 环境中．受到大气、目光、温度和水生物的侵蚀，使钢材 表面极易发生腐蚀，导致承载强度逐渐降低，严重地影 响工程运行安全。热喷涂涂层以其优异的耐腐蚀性成 为解决水工钢结构腐蚀问题的主要方法之一。 热喷涂锌、铝及其合金涂层是目前我国大面积 应用于水工钢闸门及其钢结构辅助设施的长效防腐 蚀技术。我国三河闸钢结构阿门2 0 世纪6 0 年代就 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 9 5 采用热喷涂锌防护，有效地防止了钢闸门的锈蚀，并 在全国推广应用【2 刈；大型水利枢纽葛洲坝工程自 1 9 8 4 年开始对闸门钢结构及预埋件采用热喷涂技 术防护；三峡工程钢结构达2 8 万吨，基本上采用电 弧喷涂和高压无气喷涂保护。处于干湿交替环境的 闸门已固定采用热喷涂技术防护1 2 】。万泉河上共 有3 座提升闸门．这3 座闸门都有不同程度的腐蚀． 尤其是下游的大石桥闸门情况最为严重。严重处腐 蚀坑深达3m m 以上。采用热喷涂铝防腐蚀工艺解 决闸门的防腐问题，与之前的刷涂船用防腐漆的方 法相比。造价稍高些。但从彻底和长远防护效果以及 影响闸体使用寿命等方面分析，其综合成本低于传 统方法【捌。 水轮机在使用过程中，导水叶、转轮、叶片的迷 宫环等部件遭受强烈的空泡腐蚀。对上述部件采用 火焰喷焊含高钼的镍基自熔性合金焊层，显示出优 异的抗气蚀性能．其耐气蚀系数比奥氏体不锈钢焊 条堆焊层提高近1 0 倍【1 “。火焰喷涂N i 6 0 喷焊层、 超音速火焰喷涂C r 3 Q ．N i C r 涂层和W C - C r - C o 涂层 具有较好的抗气蚀性能，涂层组织致密，与基体结合 强度高[ 2 3 】。喷涂碳化钨硬涂层已在小浪底水轮机过 流部件的活动导叶、转轮、顶盖和底环的上、下抗磨 板等流速较高的部件表面得到应用L 2 “。 液压启闭机活塞杆．传统的防腐蚀手段是电镀 硬铬。电镀硬铬的耐磨耐蚀性能存在不足，特别是 耐腐蚀性能，明显不如热喷涂陶瓷涂层，而且电镀工 艺会导致严重的环境污染。热喷涂技术在施工工 艺、涂层性能和生产成本等诸多方面优于电镀硬 铬[ 2 5 1 ，为实现热喷涂涂层代替硬铬层提供了可 能[ 2 “，国外在热喷涂涂层取代硬铬层方面开展了大 量的研究工作【2 ”2 ”，并且已有成功应用的例子，如 德国洪格尔公司于1 9 9 5 年开始研制并生产大型液 压油缸用陶瓷涂覆的活塞杆。长度可达2 0m ，直径 可达1m 这种活塞杆以其优异的耐磨耐蚀性能成 为传统镀铬活塞杆的最佳取代者【l “。 4 结论 随着人们对产品性能要求的提高．对环境保护 的重视以及热喷涂技术的不断发展，热喷涂技术必 将逐步取代传统的防腐蚀技术，在我国水工金属结 构中的防腐蚀应用将会更加广泛。 参考文献 [ 1 ] 马跃进，刘风臣，张建牵，等．表面工程与热喷涂技术发 展综述[ J ] ．河北农业大学学报。1 9 9 9 ，2 2 2 7 5 7 9 ． [ 2 ] 李金桂，吴再思．防腐蚀表面工程技术【M ] ．北京化学 工业出版社．2 0 0 3 2 5 2 2 5 3 ；3 6 ；3 4 1 3 4 2 ． [ 3 ] 董允，张廷森，林晓娉．现代表面工程技术[ M ] ．北京机 械工业出版社，2 0 0 0 1 0 2 1 0 3 ． [ 4 】K u t o d aS ，C [ y n eTW ．T h eq u e n c h i n gs t r e s si nt h e r m a l s p r a y e de o a t i n g s [ J 】．T h i nS o l i dF i l m s ，1 9 9 1 ，2 0 0 4 9 6 6 ． 【5 ] 胡传斯．热喷涂原理及应用[ M ] ．北京中国科学技术出 版社．1 9 9 4 ． 【6 ] 陈传忠，雷廷权，包垒台，等．等离子喷涂广激光重熔陶 瓷涂层存在问题及改进措施[ J 】．材料科学与工艺，2 0 0 2 ． 1 0 4 4 3 1 4 3 5 ． [ 7 ] 邓春明，周克崧，刘敏，等．超音速火焰喷涂及封孔处理 对低合金钢抗中性盐雾腐蚀性能的影响[ J ] ．材料保护， 2 0 0 6 ，3 9 i o 3 3 3 5 ． [ 8 ] 罗成．熊翔，李行志．等离子喷涂N i c r - B - S I ／A I z q - T i O 金属陶瓷工艺参数的优化[ J 】．粉末冶金材料科学与工 程，2 0 0 4 ．1 1 2 9 8 1 0 3 ． [ 9 ] 冯拉俊，惠博，粱天权．等离子喷涂N i - 仙q 梯度陶瓷涂 层的性能研究【J ] ．表面技术，2 0 0 5 ，3 4 2 1 5 1 7 ． [ i o ] 刘广海．中国热喷涂技术近期发展概况[ J 】．机械工人 热加工 ，2 0 0 0 ， 1 3 6 ． [ i i ] 竹本．热喷涂锯柱1 0 年海水腐蚀行为[ J ] ．腐蚀科学与 防护技术，2 0 0 0 ，1 2 3 1 2 5 1 2 9 ． [ 1 2 3 周学杰，张三平，付志募，等．金属喷涂层在海水中的腐 蚀研究[ J ] ．腐蚀科学与防护技术，2 0 0 4 ，1 6 4 2 3 6 2 3 9 ． [ 1 3 ] 董立先。王勇．李学胜．电弧喷涂铝及铝一锌涂层在动 态腐蚀舟质中的耐蚀性研究[ J ] ．石油大学学报 自然 科学腹 ，2 0 0 3 ，2 7 3 7 7 8 1 ． 【1 4 ] 邓世均．高性能陶瓷涂层[ M ] ．北京化学工业出版社， 2 0 0 4 5 6 5 9 ；6 2 2 6 2 4 ；6 2 2 6 2 4 ． [ 1 5 ] G i o v a n n iB d e U i ，R o h e r t oG i o v a n a r d i 。L u ∞L u } v a r g l i ．C o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fH V O F - s p r a y e d ∞甜n 口h h a f dc h r o m er e p l a e e m e a t [ J ] ．C o r r o s i o nS c i e n c e ，2 0 0 6 ，4 8 3 3 7 5 3 3 9 7 ． [ 1 6 ] C e l i kE ．O z d e m i r I ，A v e i E ．C o r r o s i o nb e h a v i o u r 。fp l a s m a s p r a y e dc o a t i n g s [ J 】．S u r f a c e ＆C o a t i n g sT ∞h n o l o g y 。 2 0 0 5 ，1 9 3 2 9 7 3 0 2 ． [ t T ] 花国然．罗新华，黄园慧。等．激光重熔改性等离子喷涂 陶瓷撩层的组织及其耐腐蚀性能[ J 】．中国有色金属学 报，2 0 0 4 ．1 4 6 9 3 4 9 3 8 ． [ 1 8 ] 赵卫民，王勇，薛怖，等．N i C r B S i 超音建火焰喷涂层的 电化学腐蚀机制[ J ] ．西安交通大学学报，2 0 0 4 ，3 8 3 2 8 6 2 9 0 ． [ 1 9 ] 胨琳，张三平，周学杰．热喷涂涂层孔脒率的降低方法 [ J ] ．热加工工艺，2 0 0 4 ， 2 5 2 5 4 ． 下转第1 1 1 页 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 1 1 1 - 耐霉菌．采用此项技术对饮用水水箱进行长效防腐 处理安全可靠有效，大大延长了水箱使用寿命，可保 证饮用水质达到国家饮用水标准。社会效益和经济 效益明显。 参考文献 【1 ] 苊文彬．除氧嚣水箱的防腐处理【J ] ．江西电力职业技术 学院学报，2 0 0 5 ，1 8 I ；1 3 1 4 ． [ 2 ] 李培元。火力发电厂水处理及水质控制[ M 】．北京中 国电力出版社．2 0 0 0 ． 上接第9 5 页 【2 0 】杜令忠，董世运，镣维普．高能高速热喷涂工艺的发展 及应用【J 】．焊接技术．2 0 0 4 ，3 3 2 2 6 一；9 ． [ 2 1 ] 徐善安，张立师，张敬．三河闸工程安全运行5 0 年【J 】． 人民长江。2 0 0 4 ，3 5 3 4 2 4 4 ． 【2 2 ] 龚宗元，李海燕。胡传忻，等．万泉河闸门热喷防腐工程 [ J 】．北京水利，1 9 9 6 ， I 4 9 5 0 ． [ 2 3 ] 张萍．流体机械表面抗气蚀涂层的组织结构与性能研 究[ D ] ．南京河海大学，2 0 0 6 ． [ 2 4 ] 张建生，黄强．小浪底水轮机抗磨蚀应用研究[ J 】．水力 发电学报，2 0 0 7 ，2 6 1 1 2 9 1 3 4 ． 【2 5 ] 周克崧．热喷涂技术替代电镀硬铬的研究进展[ J ] ．中 国有色金属学报，2 0 0 4 ．1 4 1 1 8 2 1 9 0 ． [ 2 6 ] I { 犟华。脒雪菊，林萍华．等离子喷涂陶瓷涂层代替镀 铬的可行性研究[ J ] ．河海大学常州分校学报，2 0 0 6 ，2 0 3 I 一3 ． [ 2 7 ] K o P L ．R o b e r t s 砸M F ，W e a rc h 8 r a c t e d 鲥璐o fe k c t r o 【”一 kh a r dc h r o m ea n dt h 唧d 印甩y e dW C - 1 0 C o - 4 c rc o a t l n g s s U d i n ga g a i 珊tA i - N P b m r Ⅱei I la 证a t2 1 ℃a n da t 一4 0 ℃ J ] ．W e a r ，2 0 0 2 2 5 2 8 8 0 一8 9 3 ． [ 2 8 ] F e d 血五L 。R o s s lS 。c 由t dR ，靠a I ．C o r r 耐o na n dW e Ⅱ b e h a v i o I l ro fH V O Fc e 啪耽c o a t i n g su s e dt D 托p l a c eh a r d c h r o m l u m J 】．E l e c t r o c h e m i c a lA c t a ，2 0 0 4 4 9 2 8 0 3 2 8 1 4 ． 上接第9 7 页 圈l回转支承示意图及防腐技术要求 F i g ．1 S k e t c ha n da n t i - c a r t e s i a nr e q u i r e m e n t o fb e a r t n g s 4 结论 风电设备塔筒外表面和回转支承采用电弧喷涂 圈2 喷涂防腐施工后韵风力回转支承 F i g 。2 W i n dp o w e rb e a r i n ga f t e ra K s p r a y e d a n ds e a l e d 技术可以获得3 0 年以上的长效防腐蚀寿命。风电 设备不同部位推荐选用不同的防腐蚀涂装方案，可 降低设备防腐维护费用，提高无故障运行时间。 万方数据