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热喷涂在修复和改造旧机电设备方面的应用

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热喷涂在修复和改造旧机电设备方面的应用

发布日期:2016-07-27 08:43 来源:http://www.shyingtie.com 点击:

修复和改造废旧机电产品进行的一系列技术措施或工程活动,又称为再制造工程,是废旧装备高技术修复、改造升级的产业化。装备再制造已成为国家大力发展战略性新兴产业的核心内容之一。国外将再制造产业称为“朝阳产业”。

上海静电喷涂


热喷涂修复和改造以“尺寸恢复和性能提升”为特色,具有喷涂材料广泛、基体形状与尺寸不受限制、涂层厚度容易控制、工艺操作简单、基体受热影响小、能赋予零件表面特殊性能等特点,已经作为一种再制造修复成形技术在国防工业、印刷、航空航天、石油化工、矿山机械、电力等领域得到广泛重视和应用.


本文围绕等离子喷涂、高速火焰喷涂与高速电弧喷涂三种技术,介绍工艺的基本原理、特点、发展以及在再制造领域的一些典型应用,并对热喷涂技术在再制造领域的发展前景作了展望。


Ⅰ基于等离子喷涂技术的再制造


等离子喷涂技术始于上世纪50年代末期,是利用等离子弧对喷涂材料进行加热、加速,最终形成涂层的工艺方法,是热喷涂技术中热源温度最高、能量最集中的工艺方法,具有焰流温度高、射流速度快的特点,理论上可以喷涂所有具有物理熔点的材料。等离子喷涂技术多用于解决航空、航天领域等高温部件的修复再制造。基于以上技术工艺的发展,等离子喷涂技术不但更多的应用于金属零部件表面抗常温腐蚀、冲蚀、磨损的再制造,而且在新型热障涂层、固体氧化物燃料电池、人工关节涂层、半导体绝缘涂层等领域也有着极大的应用前景[6、7]。


1、用于重载履带车辆薄壁零部件的再制造


重载履带车辆传动、行动和操纵部分表面损伤的零件中有许多薄壁零件,约占60%,这类薄壁零件的内表面通常都承受磨料磨损。例如,主离合器总成中的压缩轮盘的内表面,与耐磨铸铁制造的2个密封环相配合,服役时,重载履带车辆扬起的灰尘、砂土等侵入该部位而形成SiO2沙粒的磨料磨损。上世纪70、80年代国内首次应用普通等离子喷涂技术修复重载履带车辆的薄壁零件,选用镍包铝作喷涂底层材料,面层材料主要以铁基、镍基合金为主。对经等离子喷涂修复的重载履带车辆的薄壁零件,分两批共6辆车进行了装车考核试验。结果表明,对于密封环配合表面,喷涂修复层比新品的耐磨性能提高了2.13倍;对于自压油挡配合表面,喷涂层的耐磨性比新品提高7.34倍。报废零件经过等离子喷涂处理,不仅恢复了尺寸,而且延长了使用寿命。


2、重载车辆发动机活塞裙部的再制造


活塞裙部是活塞组的重要组成部分,它主要起导向、传热作用,并承受来自曲柄连杆机构的侧向推力。铝合金活塞在使用过程中,因活塞与缸套的非正常配合运动,致使活塞裙部产生划伤、磨损,进而影响缸套的寿命。


针对活塞的工况和磨损形式,考虑到基体材质采用超音速等离子喷涂AlSi+Ni/Al复合涂层对活塞裙部进行修复强化。涂层与基体结合强度大于55MPa,显微硬度比基体提高2倍以上,经过1100h的台架考核试验,得到了活塞裙部的耐磨损性能比基体提高1倍以上,实现了活塞裙部再制造。


3、印刷机械网纹辊的再制造


雕刻网纹辊通常应用在柔性印刷、凹版印刷、高品质的涂布及层压复合机械上。传统加工基材一般选用优质碳素钢管,钢管的壁厚为7~1mm。辊体结构均采用带轴辊体形式,即用法兰盘和芯轴与钢管连接在一起。通过在金属基辊体表面电镀铜或电镀铬处理后,电刻蚀网纹(着墨孔)。在印刷过程中,刮墨刀的作用会对网纹辊产生一定的磨损,使着墨孔的开口度逐渐变小,同时深度逐渐变浅,网纹辊的传墨性下降。


针对网纹辊表面高耐磨性的要求,可采用等离子喷涂陶瓷涂层(如Cr2O3、Al2O3涂层)修复传统镀铬失效辊,然后用激光雕刻制成陶瓷网纹辊。采用等离子喷涂技术再制造后的陶瓷网纹辊硬度高(1100~1300HV),在耐磨损、耐腐蚀、亲水性能方面都有大幅度提升,印刷图像清晰、逼真。


4、航空航天发动机高温部件的再制造


随着航空发动机技术的不断发展与性能提升,发动机的工作温度也逐步升高。目前先进发动机的压气机出口温度已达到650℃,燃烧室及加力燃烧室的工作温度接近2000℃,涡轮进口温度达到1650~1750℃。这些部位的零件多采用钛合金、镍合金等材料制造,承受的温度有限,往往因高温疲劳而失效。研究表明,通过调整基体材料的方法提高零部件的使用温度已经很难有所突破。


热障涂层是航空、航天领域应用比较成熟的一项强化修复技术,它是通过采用等离子喷涂技术在高温合金基体表面制备氧化物陶瓷涂层,通过陶瓷涂层的隔热作用,实现了航空、航天发动机热端部件使用温度(耐温性能)的提升。航空发动机叶片、尾翼喷管采用等离子喷涂技术制备MCrAlY-Y2O3/ZrO2双层结构热障涂层修复后,零件的隔热性能比基体提高了50~100℃。


Ⅱ基于高速火焰喷涂(HVOF/HVAF)技术的再制造


21世纪以来,采用空气助燃的大气超音速火焰喷涂系统(HVAF)出现,其焰流温度较低(1400~1600℃)、粒子速度更快(700~800m/s),在制备Cu基、Al基等易氧化材料涂层及其WC-Co、NiCr-Cr3C2等金属陶瓷涂层方面显示出独特的优势。


超音速火焰喷涂具有粒子速度快,结合强度高,涂层内部为压应力,可以厚成形(几个毫米)的特点,超音速火焰喷涂技术适用于各类大型磨损失效轴、辊的再制造,可广泛应用于航空航天、钢铁冶金、石油化工、造纸及生物医学等领域损伤部件的再制造。


1、钢铁冶金辊类部件的再制造


钢铁冶金领域热镀锌槽中的沉没辊、稳定辊,经受严重的熔融锌液腐蚀,使用寿命较短。一般工作1~2周,因辊面腐蚀而产生严重的粘锌渣现象,在镀锌过程中对钢板产生划伤,影响镀锌板质量。对镀锌工作辊传统的修复方法是采用车削减小尺寸修复法,重新获得好的辊面状态。但经几次加工后,整个辊体因超差而报废。


采用超音速火焰喷涂技术,在沉没辊、稳定辊上制备80~120μm的WC-12Co涂层,再加上后期的封孔处理。结果表明,涂层孔隙率小于1%,硬度在1000~1100HV之间,具有优异的抗粘锌、耐磨损性能,再制造后辊子的使用寿命从原来的2周提高到7~9周,效果显著。


2、航空航天起落架等部件的再制造


飞机起落架因在飞机起落阶段承受严重的冲击和磨损,通常是在起落架表面镀硬铬层,由于镀铬层的硬度有限,使起落架的寿命很难满足要求,报废严重。针对起落架的实际工况,目前国外多采用超音速火焰喷涂技术来修复强化起落架。喷涂材料选用WC-Co、WC-CoCr金属陶瓷,修复后涂层的硬度比原镀铬层高出50%。


3、造纸行业工作辊的再制造


造纸行业的工作辊,对辊面的表面粗糙度有较高要求,目前需每隔半个月到4个月精磨一次。由于表面耐磨性不高,辊子的使用周期和寿命受到较大影响。对严重磨损的工作辊,采用HVOF在辊体表面制备150μm的WC-Co涂层,涂层孔隙率低于0.5%,硬度比基体材料提高5~6倍,大幅度降低了工作辊的维护成本。


4、石油化工球阀、柱塞等零件的再制造


在石油化工领域,许多球阀、柱塞等零件尺寸大、磨损严重,使用寿命较短。例如,工作温度在540℃,压力高达140MPa的含有腐蚀性砂浆的管线中的金属座球阀,球阀材质一般为316或304不锈钢,经高压砂浆冲刷后,磨损非常严重。严重影响了阀门正常通断功能,有时使用几周就因磨损需要更换。对这一类球阀零件,采用超音速火焰喷涂WC-Co涂层对其进行尺寸修复再制造。涂层硬度可达1200—1300HV,耐磨粒磨损和冲蚀磨损性能比基体提高3~5倍。


Ⅲ 基于高速电弧喷涂技术的再制造


近年来新型喷涂枪和逆变喷涂电源的不断研发,使该技术工艺稳定可靠。喷涂材料也取得了长足的进步,可选材料范围广泛。高温电弧喷涂具有效率高、成本低,涂层厚度大、零件尺寸限制少,应用领域广等特点。高速电弧喷涂技术可以赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。在恢复零部件产品的磨损、腐蚀失效尺寸的同时,可有效提升产品的表面性能。目前,电弧喷涂技术已在装备发动机、石油化工、矿山机械和电力行业传动部件及结构件的修复与再制造等方面得到了一定的应用,效果显著。


1、发动机缸体的再制造


重载装备车辆发动机的缸体主轴承座孔在使用中长期承受交变应力及瞬间冲击,变形严重,而且表面产生腐蚀和磨损,造成尺寸超差和划伤。采用电弧喷涂不锈钢涂层的试验发现,涂层耐蚀性较好,但硬度较高不利于后续加工,且涂层易产生裂纹,使用中存在隐患,不能满足再制造产品的可靠性要求。使用自动化高速电弧喷涂技术制备不锈钢+低熔点合金的伪合金复合涂层,防腐耐磨效果好,而且涂层残余应力较低、硬度可控,后加工方便,经考核,该再制造产品获得了较好的应用效果。


2、石油化工钻机设备零部件的再制造


石油钻机等设备中一些大功率曲轴以及各类泵柱塞经常发生磨损失效,损失严重。研究表明,采用高速电弧喷涂修复再制造柱塞,使用寿命是原先表面淬火柱塞的1倍以上,且成本低于喷焊镍基合金。对于一些大直径柱塞,喷焊对工件会产生变形,无法使用喷焊修复。而用高速电弧喷涂再制造一个12吨左右的柱塞,并对涂层作封孔处理,其再制造产品使用性能优于新的柱塞,而成本只有新柱塞的1/4。


3、矿山机械关键部件的再制造


油压机或水压机是矿山机械中的重要装备,由于重复的往复运动,柱塞零件易造成大面积划伤,以致无法正常工作。更换新柱塞成本较高,损失巨大。 采用高速电弧喷涂“镍铬”复合涂层体系或其它耐磨损涂层技术,可以修复磨损的柱塞。


例如,某型500吨的油压机,柱塞重约1.4吨,因轴向划痕损伤严重,划痕深度约0.2~0.8mm,造成漏油。据统计更换一根新柱塞约需4万元,而对损坏的柱塞进行喷涂处理成本仅为1000元左右,经济效益显著。


4、电力行业的结构件再制造


电厂锅炉管道和叶轮片等零部件都因磨损、冲蚀、腐蚀等原因失效,损坏、维修率高。采用高速电弧喷涂技术制备45CT、SL30、FeAl金属间化合物耐高温腐蚀和耐磨的复合涂层,对损伤工件进行修复再制造。结果表明,使用FeAl/Cr3C2新型喷涂丝材,采用自动化高速电弧喷涂技术制备了具有优异抗热腐蚀与冲蚀性能的复合涂层,涂层中生成的新型Fe3Al和FeAl金属间化合物抗高温热腐蚀性能优异,Cr3C2颗粒弥散分布于涂层中,起到了硬质相的抗冲蚀强化效果。


应用该技术对火电厂锅炉高温省煤器等管道进行了喷涂施工,结果表明,涂层的抗高温腐蚀与冲蚀性能是工业高温用20钢的2倍以上,降低了电厂维护的成本,有效避免了爆管等故事的发生,并使资源得以二次利用。


除了上述三种热喷涂技术之外,其他热喷涂技术如普通火焰喷涂技术、燃气爆炸喷涂技术、电热爆炸喷涂技术等在再制造领域也得到一定的研究和应用。


Ⅳ 热喷涂技术在再制造领域的发展前景


1、加强各类热喷涂技术应用于再制造领域的适应性研究,获得系统全面的各类热喷涂技术适应性解决方案。当前,再制造企业在我国尚处起步阶段,面对大量的损伤零部件还没有系统科学的技术工艺和解决方案。


2、加强复合技术的研究和应用,包括热喷涂技术自身在材料、工艺及设备方面的复合研究,以及热喷涂技术和其他技术的复合研究,以适应再制造产品对技术的需求。


3、加强热喷涂技术在高效、规模化生产应用中的研究。前许多热喷涂技术成果还仅处于实验室或小样本试验阶段,另一方面,目前多采用人工喷涂和低精度操作装置的作业手段,与未来高度产业化生产相差甚远。通过加强高稳定性、自动化和智能热喷涂技术的研究,提高生产效率、产品可靠性和质量,改善作业环境。


4、加强热喷涂再制造技术标准、工艺规范等方面的研究。目前许多喷涂再制造技术的规范化程度不高,质量控制体系不健全。应加强各种热喷涂再制造技术标准的制定,规范热喷涂再制造工艺,加强管理,推动热喷涂技术在再制造领域的可持续发展。


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