热喷涂修复技术的应用文档.pdf

热喷涂修复技术在工业应用中的技术问题分析【摘 要】热喷涂修复技术在应用过程中涉及到毛坯的筛选、喷涂前后处理工艺、热喷涂工艺、产品质量检测与判定及寿命预估等方面.众多的辅助技术在热喷涂修复再制造的过程中得到应用,如表面清理技术、无损探测技术、机加工技术、表面预处理技术、喷涂后涂层处理技术以及毛坯和涂层质量评价体系等.各辅助技术合理应用对产品质量、经济性具有重要的意义.【关键词】热喷涂;修复技术;再制造;辅助技术【正文语种】中 文 工业产品中有较多的具有耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、隔热、电磁屏蔽等功能表面的零件，该类零件在使用过程中表面功能层免不了发生功能层损伤、脱落或失效等问题，因而会造成产品的使用性能得不到满足，甚至出现设备故障。表面功能层失效的零件必须及时发现的更换，避免造成事故。制造一个该类零件工序均较为复杂，加工成本高，大多数表面功能层失效的零件的基层材料损伤较小。采用热喷涂修身技术在报废零件表面重新喷涂一层功能材料，再加工成可再次使用的新零件，该工艺不仅可以减少一些零件制造的工序，还可减少原材料的使用。1 热喷涂修复技术的应用 1.1 表面清理技术 在热喷涂修复应用过程中做好再制造毛坯的清理工作是保证失效产品修复后质量的重要一环，不同的清理方法和清理质量对鉴定毛坯的可修复性、修复质量、修复成本和剩余寿命都会产生重要影响。对再制造毛坯表面清理是检测零件表面尺寸精度、几何形状精度、粗糙度、表面性能、磨蚀磨损及粘着情况等的前提，是进行热喷涂修复技术的基础。毛坯表面清理质量好坏直接影响毛坯表面检测可靠度、表面损伤分析可信度、热喷涂修复后产品质量，进而影响毛坯热喷涂修复工业应用经济性分析。毛坯表面的污染物按结合性质可分为机械性附着物和化学结合物两种。机械性附着物有油脂、损伤脱离物、灰尘等，化学结合主要是与失效产品表面有化学结合的氧化膜和腐蚀产物。常见的除污方法：依据溶剂溶解性的除污方法，如汽油除油等；依靠活性剂分子吸附在污染物表面而减弱污物与废品表面的附着力的除污方法，如水基清洗剂清洗等；依据清洗剂的皂化作用、乳化作用、分散作用的除污方法，如碱液清洗等；利用冲击震荡、高温或高压除污方法，如超声波清洗、高压水射流清洗、激光清洗法、高压蒸汽除油法等；利用污物与工件的物理性能不同的除污方法，如火焰除锈等；机械除污方法等。国内外政策和法律对生态环境的保护提出了更高的要求，净化方法中有采用污染环境的化学物质的方法将逐渐淘汰，根据物质的物理性质设计的净化方法（如火焰除锈、超声波清洗法、激光清洗法、喷砂除污法、喷干冰除污法等）和“绿色”清洗剂（如植物萃取清洗剂等）将得到更多的应用。1.2 无损探测技术 再制造毛坯的筛选和修复成品质量检测是热喷涂修复产品的质量控制节点。回收的毛坯服役了较长时间，其损伤和残余应力情况需要进行详实的检测。根据检测结果进行综合评价，最终决定该零件在技术上和经济上是否适宜热喷涂修复。目前国内外比较常用的无损检测技术主要有渗透探伤、磁粉探伤、涡流探伤、射线探伤、声发射探伤、红外探伤及金属磁记忆探伤技术。金属磁记忆探伤技术不仅可以发现零件的宏观缺陷，而且可发现应应力集中引起的早期损伤。另外金属磁记忆探伤技术不需要专门的磁化装置、不需要对表面预处理和使用耦合剂，检测设备轻便，检测速度快，测试结果重复性和可靠性均较好，较适合批量生产检测1。1.3 机加工技术 机加工技术在产品预清理、喷涂前后机加工、喷涂前处理过程中均可能运用到。因原始修复毛坯和喷涂层的表面不平整、内部有孔隙、硬度高且不均匀及加工余量小等特点，故修复工业流程中的机加工难度很大。目前热喷涂修复技术工业应用过程中采用的加工技术一般有铣削、车削、磨削、电火花加工、电解抛光或电解磨削，这些方法在加工效率和加工损伤方面有难以兼顾的矛盾，需再深入机加工新方法及其工艺工序方面研究，在保证加工质量的同时，提高加工效率，避免涂层因机加工发生热损伤或开裂甚至脱落。1.4 表面预处理 喷涂前为了增加涂层与基体的结合力，一般的预处理方式有表面粗化、涂结合底胶、喷涂黏结底层、钎剂预处理等。粗化处理的主要目的是增大基体表面的不平度，从而增加涂层与基体的结合面积，是喷涂颗粒形成交叠连锁状态，以增强结合力。热喷涂工件预处理中的表面粗化方法有喷砂、机械微刻、高压水射流处理技术、激光表面织构化、电火花拉毛等。喷涂黏结底层主要用于金属基体上喷涂陶瓷涂层时，克服和缓解两者在化学键、晶体结构和热物理性能等方面的差别，以提高结合强度和减少内应力。有些热物理性能与基体相差较大或对基体的润湿性很差的金属涂层也采用先喷涂黏结底层方法。而一般在非金属表面喷涂金属涂层时，常在基体表面涂结合底层以改善金属涂层的附着情况。钎剂预处理是指在热喷涂前在基体表面预置一层钎剂，以达到提高涂层结合强度的效果。目前预置钎剂对热喷涂涂层结合的作用机制还不甚清楚，一般认为喷涂时熔化的钎剂液滴在基体上铺展过程实现活化去膜，此过程中，液滴温度、基体温度及界面热阻起主要的影响作用。但需进一步进行研究以获取实证2。1.5 喷涂后涂层处理技术 喷涂层是由无数扁平化的完全熔化颗粒、部分熔化颗粒、孔隙、氧化物、夹杂等复杂的组分相互堆积形成的层状结构3。孔隙作为喷涂层中一种常见结构对涂层的使用性能和服役寿命产生重要的影响，见图 1。图 1 热喷涂涂层内部缺陷 热喷涂时，由于熔化或半熔化粒子与基体温差大，涂层与基体两者材料的热膨胀系数不同，熔化或半熔化粒子结晶时要收缩，颗粒撞击基体时要产生变形和硬化等，在涂层到基体系统中就不可避免地要产生残余应力。涂层中存在的残余应力对涂层界面韧性、结合强度、耐热循环能力、耐腐蚀、抗疲劳等涂层性能都有着显著的影响，是导致涂层表面裂纹、涂层剥落以及被涂覆工件变形的一个重要因素3。（1）重熔处理 为了减小热喷涂层中的孔隙率或氧化物，改善其与基体的结合强度，有必要对涂层进行重熔处理。重熔处理是使用高温热源将涂层中的部分金属熔化，金属液渗入其他金属颗粒当中，填充金属颗粒间的孔隙，使孔隙率降低甚至消失，热喷涂层中疏松的层状组织变为较均匀的致密组织。目前，重熔处理技术主要分为激光重熔、电子束重熔、钨极氩弧重熔、火焰重熔、高频感应重熔和整体加热重熔等。重熔处理技术因其加热方式、加热温度、加热区域等限制，以及重熔处理工件的形状尺寸差异，故应该根据喷涂层及喷涂产品特征选择适用的重熔处理技术。（2）封孔处理 加工后的喷涂层表面一般是存在孔洞结构，表面孔洞有助于贮存润滑油，可改善工件配合面间的润滑。而当喷涂层在腐蚀介质中工作时，喷涂层表面有孔洞结构的工件更易被腐蚀，需要采用封孔处理技术以防止腐蚀介质对工件造成腐蚀。封孔材料对热喷涂涂层耐蚀性的提高主要体现在两个方面：封孔剂渗入涂层孔隙起到填充作用；封孔剂在涂层表面固化，形成一层化学膜隔绝外界腐蚀介质。封孔材料的选择可根据工件的工况和工作介质可选用石蜡、酚醛树脂和环氧树脂封孔剂等有机封孔材料，以及磷酸盐类等无机封孔材料。与有机封孔材料剂相比，无机封孔剂具有良好的耐高温性能。（3）改善残余应力 热喷涂涂层残余应力的存在影响着涂层的使用性能，如涂层的疲劳性能和抗应力腐蚀性能等。目前改变残余应力状态和分布的方法主要目的是使喷涂后涂层残余拉应力转变为压应力，从而提高涂层的使用性能。改善涂层残余应力状态和分布的方法有很多，常用的改善应力处理方法有喷丸、激光喷丸、超声喷丸、滚压等。喷丸和激光喷丸两处理方法是采用不同手段给予涂层表面一冲击力，使工件表面发生塑性变形，压缩塑性变形层难以恢复，从而消除涂层残余拉应力，形成残余压应力。喷涂层的滚压处理是在热状态下利用高硬度材料制成的工具对涂层表面施加一定压力，使涂层金属产生塑性变形和残余压应力。此外，滚压处理可降低涂层空隙率，使其结构紧凑，提高其硬度，同时可降低涂层表面粗糙度和提高尺寸精度作用4。2 质量评价体系 为了预测涂层的综合服役性能和服役寿命，建立完善的涂层质量评价体系对热喷涂修复过程的经济性判定具有重大意义。涂层的综合服役性能及其服役寿命并不能仅用任一单一指标来衡量，而需用涂层的结构完整性来衡量5。对涂层的结构完整性评价主要包括涂层的厚度、结合强度、硬度、表面粗糙度、残余应力及涂层所含结构缺陷对满足预期功能要求及安全性和可靠性的影响程度。经过结构完整性控制的热喷涂修复零部件始终要进入服役阶段，研究其服役过程中寿命衰退和功能丧失的内在规律，对于建立寿命预测模型和丰富再制造基础理论至关重要。涂层结构缺陷、界面特征、残余应力、涂层厚度等性能均对涂层寿命衰退和功能丧失具有较大的影响。3 结束语 为了提高毛坯利用率、生产效率、再制造产品质量，降低修复成本，提高产品及企业竞争力，需要加强热喷涂修复技术工业应用方面各辅助技术创新。研发环保清洁的表面清理技术，应用无损检测技术、高效低损伤的机加工技术、低成本的表面预处理技术、多功能复合的涂层后处理技术来实现零件表面的优化处理。参考文献：1邢海燕，徐成，赵金洋，等.装备再制造工程中毛坯筛选的最新无损检测技术J.炼油与化工，2010，21（2）：7-9.2周羊羊，马国政，王海斗，等.热喷涂层孔隙及对涂层性能影响的研究现状J.材料导报，2016，30（17）：90-96.3何嘉武，马世宁，巴德玛.表面滚压强化技术研究与应用进展J.装甲兵工程学院学报，2013，27（3）：75-81.4徐滨士，王海斗，朴钟宇，等.再制造的热喷涂合金涂层的结构完整性与服役寿命预测研究J.金属学报，2011，47（11）：1355-1361.5边境，张立东，刘贵民.再制造工程中的无损检测技术J.兵器装备工程学报，2004，25（5）：13-15.