HVO/AF超音速火焰噴涂技術在工業中的應用

【摘要】 HVO/AF的焰流速度和溫度在大范圍內連續可調，具備HVOF、HVAF和冷噴涂的功能，可滿足多種材料的噴涂要求，在工業中有廣闊的應用前景。HVO/AF制備的碳化物陶瓷涂層結合強度高，結構致密，耐磨性能好，在冶金、電力、液壓氣動、閥門和拉拔絲等行業獲得應用，并取得很好的經濟效益。用HVO/AF制備的無氧化物銅涂層結構致密、結合力高，在導電導熱領域有潛在的應用價值。

一、概述

磨損是機械零部件失效的主要方式之一，而且往往與腐蝕同時存在，是影響零部件壽命的重要因素。近年來，我國制造業發展迅猛，對耐磨材料和耐磨涂層的需求日益增長。HVO/AF超音速火焰噴涂具有氧氣煤油超音速火焰噴涂(HVOF)、空氣煤油超音速火焰噴涂(HVAF)和冷噴涂的功能，焰流速度和溫度在大范圍內連續可調，能滿足多種噴涂材料的要求，其制備的涂層結合強度高、孔隙率低，可制備耐磨、耐蝕、導熱、絕緣、導電和密封等涂層，在機械制造、航空航天、水利電力、礦山冶金、石油化工和造紙皮革等領域有廣闊的應用前景。HVO/AF超音速火焰噴涂典型的應用見下表。

二、HVO/AF的應用

1．在冶金行業中的應用

在冶金行業、有多種軋輥和輸送輥需要耐磨強化或修復，其中，冷軋帶鋼連續退火爐底輥是重要的一種。冷軋帶鋼依靠爐內一組爐輥的轉動實現作業，退火爐內的溫度一般達450～1200℃，爐輥在高溫下連續輸送帶鋼，鋼帶表面的氧化膜或沉積的鐵屑被還原與活化，生成Fe、Fe3O4和FeO及其他化合物，在與輥面間的摩擦力作用下，產生很大的擠壓應力，輥面的保護膜被破壞，裸露的活性金屬表面就會與活化了的鐵粉在壓應力下產生固相焊接，使輥面產生結瘤，破壞了輥面原有的粗糙度，帶鋼會被結瘤劃傷，影響表面質量。

輥面的結瘤現象，實際上是粘著磨損。為了減少結瘤給鋼帶生產造成的損失，可在輥面超音速火焰噴涂NiCr-Cr3C2涂層，它具有抗高溫氧化、抗熱震、抗磨損的特點，能使爐底棍在高溫下長時間的連續工作，且能經受周期性的熱沖擊。當爐低輥工作溫度超過900℃時，一股噴涂Co基合金。

在冶金生產線，使用了大量的輸送輥，輸送各類鋼材，長期使用后出現磨損，影響鋼材質量。輸送輥的工作溫度相對較低，其表面可噴涂Co基WC涂層，該涂層一般可在450℃下工作，有很好的耐磨性和綜合機械力學性能。

超音速火焰噴涂在噴涂碳化物陶瓷方面具有得天獨厚的優勢，而冶金行業對碳化物金屬陶瓷涂層有很大的需求，因此獲得大量應用。圖1為HVO/AF超音速火焰噴涂Co基WC涂層對酸洗鍍鋅輥進行表面強化，以提高其工作壽命，設備使用單位為邯鄲鋼鐵集團。

圖1 HVO/AF在冶金行業中的應用

2．在造紙印刷業中的應用

用HVO/AF超音速火焰噴涂制備的WC涂層壓光輥，比冷硬鑄鐵更能顯示出優良的耐磨性，WC涂層還具有很高的滾動接觸疲勞強度，能承受壓光輥的輾壓力，涂層致密，可以磨削至鏡面，耐副食性也優于電鍍輥面。可在碳鋼輥表面噴涂WC涂層，尤其適合于制造超大型壓光輥，不存在冷硬鑄鐵的鑄造缺陷，此外，該涂層還可噴涂在脫水箱面板表面，僅0.15mm的厚度耐磨性就足以勝過不銹鋼幾十倍。

HVO/AF超音速火焰噴涂陶瓷涂層在涂布機的涂布輥上，親水性能遠遠勝于電鍍輥面，帶水、上料均勻度好。陶瓷涂層內分布有做細毛孔，具有一定的吸水能力，可增強涂層的潤濕性。應用于烘干區烘干輥表面，可有效防止粘膠發生，且涂層耐磨壽命遠遠大于氟塑料防粘涂層，防粘效果與塑料涂層相當。

3．在石油工業中的應用

在石油工業中，有大量的機械設備，如：泵、閥、鉆井機械、輸運設備、提升設備和管道等，影響它們壽命的重要因素是磨損與腐蝕，因此，表面工程在石油工業中具有重要的地位。

HVO/AF超音速火焰噴涂在強化和修復抽油泵活塞桿方面有很好的應用效果，活塞什噴涂WC涂層強化后，耐磨性大大提高，使用壽命提高數倍。

在石油機械中，閥座和軸類零部件的磨損也比較嚴重。由于HVO/AF超音速火焰噴涂制備的Co基WC涂層殘余應力低，涂層厚度可達3mm，甚至更厚，所以涂層與基體結合好，在承受重載的磨損件的尺寸恢復中有較好的應用。

4．在液壓氣動設備中的應用

泵、缸、閥是組成液壓和氣動系統的基本單元，磨損和介質的腐蝕是制約其使用壽命的關鍵因素。利用HVO/AF超音速火焰噴涂技術可對泵軸、缸活塞桿和閥芯等進行強化和修復，這些部件要求有較高的精度和較低的表面粗糙度，HVO/AF超音速火焰噴涂層經磨削后精度和表面質量均很高，能滿足其使用要求。

硬密封球閥在工業中有廣闊的應用，它依靠閥芯和閥座間的硬密封來控制流體通斷，由于不需要使用非金屬密封材料，具有結構緊湊、密封可靠、耐蝕性強的特點，因而在化工行業有廣闊的應用。在硬密封球閥的閥芯上制備一定厚度的耐磨耐蝕金屬陶瓷涂層，并磨削至需要的精度和表面粗糙度，可大大提高密封性能和使用壽命。例如，溫州成達特種閥門廠使用HVO/AF超音速火焰噴涂技術強化硬密封球閥，大大提高閥的使用性能和壽命，并能滿足石油化工行業部分特殊工況的需要，受到用戶的好評。

5．在電力系統中的應用

在我國，由于受能源結構的制約，在相當長一段時間內，火力發電狂電力中占有相當大的比例。風機、葉輪、鍋爐和汽輪發電機組等是火力發電中的重要設備，由于工作環境不同，且工況較惡劣，所以部分設備壽命較短，嚴重地影響牛產的安全性和經濟效益。

在電力巾，煤粉依靠送粉機進行輸送，送粉機葉片受到高速煤粉的強烈磨損和沖刷，損壞特別嚴重，葉片的強化措施有噴焊、堆焊、鑲嵌陶瓷片、超音速火焰噴涂等幾種方法。噴焊、堆焊因熱輸入量大，容易造成葉片變形，破壞葉輪原有的平衡狀態，也易造成噴焊、堆焊層材料的相變、脫碳，甚至產生裂紋等失效，但它的優點是強化層與基體的結合力強。鑲嵌陶瓷片因粘合劑的結合力低和老化原因容易造成脫落，使用效果受影響。采用HVO/AF超音速火焰噴涂碳化物陶瓷涂層，涂層制備時工件溫度低于200℃，熱輸入量小，工作不變形，涂層宏觀硬度存65HRC以上，耐沖蝕性能大大提高。

電廠鍋爐水冷壁管受高溫腐蝕和沖蝕磨損，失效嚴重，對電力生產影響很大。在國外，最成功的防護措施是超音速火焰噴涂碳化物陶瓷涂層；在國內，通常的表而防護措施是采用電弧噴涂鎳鉻合金和鐵鉻鋁合金耐磨涂層。二者相比，超音速火焰噴涂的涂層性能和防護壽命比電弧噴涂大大提高。

HVO/AF超音速火焰噴涂NiCr-Cr2C3涂層在水冷壁管的應用表明，涂層硬度高，耐高溫性能好，防護壽命長。

6．在拉拔絲設備中的應用

拔絲塔輪、收線盤、拔絲缸及導向槽等是拔絲沒備的關鍵零部什，磨損是其失效的主要原因。以拔絲塔輪為例，它以一定的張緊力將絲材纏繞在輪表而的凹槽內、由于輪表面與絲材之間的磨損，降低其使用壽命，利用HVO/AF超音速火焰噴涂WC涂層可對拔絲輪進行表面強化，可大大提高其使用壽命。圖2為HVO/AF超音速火焰噴涂強化拔絲塔輪。

圖2 HVO/AF超音速火焰噴涂強化拔絲塔輪

目前，在國際國內熱噴涂界，正積極進行超音速火焰噴涂技術部分取代電鍍硬鉻的研究。由于電鍍硬鉻對環境的嚴重污染，越來越受到環境保護方面的壓力，急需其他技術來替代。已有研究表明，超音速火焰噴涂的涂層性能，如結合力、涂層強度、可制備的涂層厚度、耐磨性和耐蝕性方面均優于電鍍硬鉻層，而且性價比也高于電鍍硬鉻層，是替代電鍍硬鉻技術的優先技術。HVO/AF超音速火焰噴涂由于焰流特性的可調節性，制備的涂層性能優越，昕以在此領域將有很大的應用空間。

三、結語

HVO/AF的焰流速度和溫度可在大范圍內連續可調，具備HVOF、HVAF和冷噴涂的功能，可滿足多種材料的噴涂要求，在工業中有廣闊的應用前景。

HVO/AF制備的碳化物陶瓷涂層結合強度高，組織致密，耐磨性能好，已在冶金、電力、液壓氣動、閥門、拉拔絲等行業獲得廣泛的應用，取得很好的社會及經濟效益