热喷涂技术的现状及应用.doc

Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date热喷涂技术的现状及应用热喷涂技术的现状及应用热喷涂技术的现状及在锅炉管道方面的应用摘要：热喷涂技术作为材料表面强化、保护和尺寸恢复的新技术，在设备维修、机械制造中得到广泛应用，尤其在电厂部件的修复和维护中得到充分体现。本文对热喷涂技术进行了简单介绍，综述了该技术在锅炉管道部件的应用。大力提倡和发展热喷涂技术，在电力工业中具有巨大的应用价值和广阔的市场前景，必将带来愈来愈大的社会和经济效益。关键词：热喷涂技术；材料表面强化；锅炉管道1 引言电力工业是国民经济的基础，承担着为各行各业和人民生活提供高效、清洁能源的重要任务。近年来，随着国民经济的飞速发展，使我国对电力的需求日益剧增，特别是南方一些经济发达城市，在炎暑的用电高峰期拉闸限电现象频频发生。为满足国民经济发展对电力的需求，全国各地兴建了不少电厂，旧电厂也纷纷进行扩容改造。随着越来越多的高参数、大容量机组投入运行，锅炉受热面的运行工况更为苛刻。我国目前还是一个以火电发电为主的国家，为使煤炭资源得以充分合理的利用，在电站锅炉中大量使用高含灰量的劣质煤，随着灰分不断升高、热值不断降低，锅炉受热面产生磨损、积灰、结渣、腐蚀等一系列问题，受热面使用寿命降低，锅炉管道爆漏现象频繁。因此，我们必须尽快找到解决锅炉“四管”爆漏问题的可行方法。表面处理工艺是指在基体材料表面上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法。它运用物理、化学或物理化学等技术手段来改变材料及其制件表面成份和组织结构，其特点是保持基体材料固有的特征，又赋予表面化所要求的各种性能，从而适应各种技术和服役环境对材料的特殊要求。最大的优势在于能以极少的材料和能源消耗制备出基体材料难以甚至无法获得的性能优异的表面薄层，从而获得最大的经济效益。所以我们选用表面处理的方法来解决锅炉“四管”爆漏问题。热喷涂技术作为材料表面处理的一项新技术，在设备维修、机械制造中得到广泛应用3。2 几种常见的热喷涂技术所谓热喷涂是利用气体、液体燃料以及电弧、等离子弧各种热源，将各种喷涂材料加热熔化或软化，并以高速气流为载体，喷射到经预处理的工件表面，形成具有耐磨、耐蚀、抗高温、耐氧化、隔热、绝缘等特殊性能的涂层，以达到提高工件性能、延长设备使用寿命的一种工艺方法和技术5。图1 热喷涂过程示意图热喷涂技术最突出的特点是涂层广泛、使用经济和操作简单，因此，从大型设备的防护到高新技术领域中特殊功能涂层；从航空航天军工部件，到民用生活设施，都可以发挥热喷涂技术的功能。可用于产品制造和设备维修，提高产品质量，延长使用寿命，降低废旧件的经济损失，能带来巨大的经济效益和社会效益。2.1 火焰喷涂技术火焰喷涂包括：线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。（1）丝材火焰喷涂法：是最早发明的喷涂法。它是把金属线以一定的速度送入喷枪里，使段不在高温或严重熔化，随即用压缩空气把其雾化并吹走，沉积在与处理过的工件表面上。图2为丝材火焰喷射法原理示意图。图2 丝材火焰喷射原理示意图（2）粉末火焰喷涂法：它与线材火焰喷涂的不同之处是喷涂材料不是线材而是粉末。图3是粉末火焰喷涂法原理示意图图3 粉末火焰喷射原理示意图2.2 等离子喷涂技术等离子喷涂是继火焰喷涂、电弧喷涂之后发展起来的一种新的喷涂技术30。等离子喷涂技术自50年代末期为适应航天工业的发展而问世，一直以来处于热喷涂技术发展的中心地位，各种等离子喷涂设备和相应的喷涂工艺不断涌现。等离子喷涂采用喷枪产生的等离子流将粉末加热和加速，在熔融或接近熔融的状态下喷向母材表面形成涂层。等离子弧产生的温度高达16000，喷流为速度300400m/s，因而可以喷涂各种高熔点、耐磨、耐热涂层。用该法制备的涂层有较高的结合强度，气孔及夹杂少，因而涂层特性好，尺寸也易于控制，更适合于陶瓷材料的喷涂。选用惰性气体作介质，减少了粒子飞行过程中的氧化，因此等离子喷涂广泛应用于耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温涂层的制备5。 2.3 电弧喷涂技术电弧喷涂是在两电极间施加一定电压产生电弧，用电弧产生的热量使金属焊丝熔化，熔化的熔滴在压缩空气的作用下喷向基体形成涂层5。电弧喷涂涂层是层状组织，但由于电弧能量密度高，熔化粒子加热温度高，粒子变形量足够大，所以涂层的结合强度高于火焰喷涂；但是电弧的高温使得合金元素的烧损和蒸发严重，导致涂层中的合金元素减少，影响了涂层的质量。近来由于药芯焊丝的使用使得这一情况得以解决。另外电弧喷涂的材料必须是导电的材料，因此只适用于喷涂金属及合金，而对陶瓷材料就无能为力。2.4 超音速电弧喷涂技术超音速电弧喷涂原理是燃烧于丝材端部的电弧将均匀送进的丝材熔化，经拉伐尔喷嘴加速后的超音速气流将熔化的丝材雾化为粒度细小分布均匀的粒子，喷向工件形成涂层。喷涂时，相交成一定角度连续送进的两根丝材，分别接电源的正负极。丝材端部短接的瞬间，接触起弧；在电源的作用下，电弧保持稳定燃烧；在电弧发生点的背后，经拉伐尔喷嘴加速后速度达到超音速的气流使熔化的丝材脱离并雾化为粒子，在超音速气流的作用下喷射到经过预处理的基材表面形成涂层。与普通电弧喷涂一样，超音速电弧喷涂是一个不断重复进行的熔化-雾化-沉积的过程。在雾化方式上，超音速电弧喷涂采用超音速雾化，与一般的亚音速雾化相比，超音速雾化后的粒子细小均匀，速度高，有利于获得高质量的涂层。超音速雾化是超音速电弧喷涂的出发点，是超音速电弧喷涂与普通电弧喷涂的根本区别。由于采用了拉伐尔喷嘴，提高了粒子的速度，减小了粒子的粒度，所以，制备的涂层结合强度高，孔隙率低，表面粗糙度低。超音速电弧喷涂设备包括电源、喷枪、送丝机构及其他附件，关键设备是超音速电弧喷枪。3 涂层材料目前，国内外已开发出多种锅炉管道专用涂层，按涂层材料性质可分为金属涂层、陶瓷涂层、金属陶瓷复合涂层(MMC)及金属间化合物涂层(IMC)6。而我国用于锅炉管道防腐的喷涂材料有：超音速电弧喷涂FeCrAl，得到结构致密，高结合强度的耐高温腐蚀涂层6。西安交通大学采用等离子喷涂工艺在102钢表面喷涂Cr3C2-NiCrAl金属陶瓷，在陕西省秦岭电厂、翰城电厂等单位推广使用，取得良好的经济效益和社会效益6。我国全军装备维修表面工程研究中心近年开发出SL30（高铬镍合金），专门用于锅炉受热面管的高温防腐。实验结果6表明：SL30涂层性能与45CT涂层非常接近，具有优异的抗高温氧化、抗腐蚀性能，且成本比45CT大大降低。1998年国内先后对西柏坡电厂、邯郸热电厂的部分锅炉水冷壁遭受热腐蚀部位进行高速电弧喷涂SL30复合涂层，效果很好6。北京有色金属研究总院最近自行研制了适用于燃煤电厂锅炉“四管”防护用的一种新型高铬镍基合金（仿美国45CT，质量百分含量：Cr大于40%，Ni余量，其它元素含量小于4%）。经试验显示在高温下具有优异的抗氧化、硫化、硫氧化腐蚀性能6。热喷涂技术作为重要的表面改性技术，正不断发展，已制备出了纳米结构涂层。这种热喷涂纳米结构涂层与传统的涂层相比，有着更优良的性能，是一种新型的涂层材料，因而有着更广阔的前景。4 锅炉管道应用锅炉四管的腐蚀磨损，一直是动力、造纸、冶金和化工等行业中存在的严重问题。热喷技术提供了经济而合理地解决该问题的有效途径，提高了锅炉的耐腐蚀与磨损性能。采用火焰喷涂NiCr合金，电弧喷涂NiCrAl，FeCrAl以及等离子喷涂NiCrCr3C2等热喷涂方法，对锅炉“四管”进行保护，已大量应用，并取得了明显效果和良好的经济效益。目前在该领域内使用最广泛的是电弧喷涂美国的45CT涂层。我国自主研发的SL30涂层与45CT性能相当。图2是几种典型的涂层和20钢的腐蚀动力学曲线比较7。图4 典型涂层与20钢腐蚀动力学曲线5 结论1) 本文简略介绍了目前热喷涂技术常见的几种喷涂方法：火焰喷涂技术，等离子喷涂技术，电弧喷涂技术以及超音速电弧喷涂技术。2) 本文扼要的介绍了喷涂材料所必须具备的性能，以及目前我国最新研发的SL30涂层已具备了和美国45CT涂层相当的优异性能。3) 本文简单介绍了热喷涂技术在锅炉管道方面的应用。参考文献1 吴和元，阂小兵热喷涂技术在火电行业的应用J湖南电力，2002.4：562 李美栓金属的高温腐蚀M北京：冶金工业出版社，2001：45-483 高海燕，贺跃辉，沈培智FeAl金属间化合物研究现状J材料导报，2008(7) VOL22，7：68-714 周长华，张孝彬，热喷涂技术的现状和发展J材料科学与工程，1998.12,第16卷，第4期：71-735 胡传忻，热喷涂原理及应用M北京：中国科学技术出版社，1994：1136 张平热喷涂材料M北京：国防工业出版社，2006：3007 吴子健热喷涂技术与应用M北京：机械工业出版社，2005：286-287-