摘要：介绍了电弧喷涂技术的工艺过程和防腐机理，论述了该技术的主要特点、应用和研究进展。
关键词：电弧喷涂；防腐机理；应用；进展
电弧喷涂技术（简称 AS）是热喷涂技术的一个重要分支，它是以两根金属丝材作为电极，在喷枪端部相交短路产生的电弧为热源， 使金属丝材熔化，金属雾化成微熔滴，并将微熔滴加速喷射到工件表面上，继而沉积、冷却而形成涂层的一种工艺[1]。 从原理上讲，它可以喷涂除极易升华的物质外的任何材料，具有施工灵活、节省材料、能源等特点。 在高温、高压、重载及腐蚀介质等环境下，大多数材料表面易产生腐蚀及氧化等。 电弧喷涂作为表面技术之一， 在其容易产生安全隐患的部位进行防护，可以大大减少事故出现的几率，提高设备运行效率。 尤其是近几年各种新丝材的研发和超音速以及大功率二次雾化喷涂技术的应用, 使其得到了快速发展, 部分取代了火焰喷涂和等离子涂[2]。
1 电弧喷涂工艺过程分析
下图 1 所示为电弧喷涂的工艺示意图。 在喷涂时，两根丝状喷涂材料经送丝机构均匀、连续地送进喷枪的两个导电嘴内， 导电嘴分别接喷涂电源的正、负极，并保证两根丝材端部接触前的绝缘性。 当两根丝材端部接触时，由于短路产生电弧，其温度约为 6000℃，可使丝材端部瞬间熔化。用压缩空气将电弧熔化的金属雾化成微熔滴， 熔化的金属液滴在丝材喷端被压缩气体带走、雾化，然后在基体表面冷却、沉积而形成涂层。 喷射沉积时，熔粒的喷射速度可达 200m/s。
2 电弧喷涂技术的防腐机理
2.1 钢铁腐蚀机理
钢铁腐蚀的机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀以及多种因素共同作用， 化学腐蚀是钢铁在干燥气体（如氧、氯、硫化氢等）和非电解质溶液中进行化学反应的结果，在腐蚀过程中不产生电流。 电化学腐蚀是钢材和腐蚀介质发生电化学反应而引起的腐蚀，在腐蚀过程中有阳极和阴极区，电流可以通过金属在一定的距离内流动， 钢材在各种电介质溶液(如海水、酸、碱等)中的腐蚀多属于电化学腐蚀。
2.2 电弧喷涂防腐机理
由于锌、 铝金属涂层的自腐蚀电位都比钢结构低，因此涂层具有牺牲阴极的保护作用，锌、铝涂层在腐蚀介质中属于去氧腐蚀, 铝涂层还有很强的钝化作用，因此锌、铝及其合金涂层在腐蚀介质中腐蚀比较缓慢，腐蚀电流小，具有良好的耐腐蚀性能，使复合涂层的耐腐性能大大提高，具有其它涂层无法比拟的长效防腐功能。 在电弧喷涂锌、铝的工艺中，锌、铝与钢材基体形成机械和冶金相结合的涂层，金属铝、锌在雾化过程中，与气流中的氧气反应， 在涂层中形成化学性能稳定的致密保护膜， 能有效地把环境介质与钢铁基体隔离开来，起“帘栅屏蔽”作用[3]。 同时，从理论上分析锌的自腐蚀电位比铝低， 能与钢材基体构成较大的腐蚀电位差，防腐蚀效果较为理想，但人吸入过量锌粉后，会造成锌中毒，同时污染环境，因此电弧喷涂铝更为常见。
3 电弧喷涂技术的特点和应用
3.1 电弧喷涂技术的特点
电弧喷涂具有下述特点：效率高，电弧喷涂单位时间内喷涂金属的重量大， 电弧喷涂的效率正比于电弧 电流，比火焰喷涂提高 2－6 倍[4]；涂层性能优异，喷涂层与基体结合强度可以达到 25.6MPa，为火焰喷涂的 2.5 倍[5]；结合强度高 ，电弧喷涂层与钢材基体具有优良的涂层结合力， 在轻微的弯曲、冲击或碰撞下也能确保防腐涂层不脱落、不起皮、 结合牢固； 喷涂工艺灵活， 其加工对象小到10mm 的内孔，大到如铁塔、桥梁等大型构件[6]；能源利用率高，能耗少，电弧直接作用在喷涂金属的端部熔化金属，能源利用率可达 90%，是所有热喷涂方法中能源利用最充分的一种；安全度高，电弧喷涂技术仅使用电和压缩空气，不使用易燃气体，安全性高。
3.2 电弧喷涂技术的应用
目前，电弧喷涂技术的应用已经在各行各业取得了显著成效。电弧喷涂设备的改进和喷涂材料的进步，包括电弧喷涂枪、送丝机构以及专用喷涂电源等，大大提高了涂层质量，推动了电弧喷涂技术在工业中的应用范围。 近年来，由于电弧喷涂用管状丝材和自粘结丝的出现， 电弧喷涂层的硬度、耐磨性和结合强度大大提高，使这项技术应用于零件修复和表面改性抗高温腐蚀提供了可能性。
3.2.1 电弧喷涂快速制模技术
电弧喷涂制模技术是将两根带电的制模专用金属丝通过导管不断地向前输送， 金属丝在喷枪前相交形成电弧，金属丝经电弧熔化，在压缩空气的作用下，将熔化的金属雾化成金属微粒，并以一定的速度喷射到样模表面，一层一层地相互叠加、堆积而形成高密度、高结合强度的金属喷涂层，即模具型腔的壳体（或实体），从而形成了所需的模具型腔。 电弧喷涂快速成型模具的工艺流程如下图 2 所示。 电弧喷涂具有生产周期短、 制模成本低、原形尺寸不受限制等优点，尤其适用于难以机械加工，图形复杂，带有装饰花纹的型腔模具。 目前， 快速成形技术主要用于生产注塑模、 压铸模等，这些模具一般具有复杂的型芯和型腔，用传统方法加工相当困难， 而用电弧喷涂快速成型方法制作模具，则工艺简单、精度高。 可用于反应注塑成型工艺中的聚氨酯零件如汽车的驾驶盘、 仪表盘、坐垫、靠垫、阻流板、民用建筑的隔热材料、轻工业中的鞋底等[7]。 我国利用 2mm 丝材电弧设备，对电弧喷涂制模具技术进行了比较系统的研究和开发 , 在脱模剂、制模材料、制模工艺等方面都取得了一定进展[8]。
3.2.2 长效防腐涂层的应用
锌、铝金属涂层具有良好的耐腐蚀性能，使复合涂层的耐腐性能大大提高， 具有其它涂层无法比拟的长效防腐功能。虽然氧化层非常致密 ,但涂层中仍有微小孔隙，可在锌、铝涂层上加有机涂料做封孔处理，形成复合涂层，一方面，阻止腐蚀介质透过涂层孔隙形成穿孔腐蚀；另一方面, 有机涂料本身的耐腐蚀性能会与锌、 铝涂层发生协同效应, 从而使复合涂层的耐腐蚀性能大大提高。采用电弧喷涂技术可对处在海域环境的舰船和长期暴露在户外潮湿环境中的桥梁和电视塔等的钢结构进行表面处理[9-11]。 我校在研的“基于超音速电弧喷涂技术的防腐蚀涂层研究”课题，首次将电弧喷涂技术应用于化工反应釜的表面防腐， 拓宽了该技术的应用领域。
3.2.3 电弧喷涂是获得优良装饰涂层的有效手段
应用电弧喷涂锡、铝、铜等金属材料，可以在模板、水泥等建材上形成独特的装饰效果的涂层。在国内已成功应用于长达 10m 的大型壁画的喷铜装饰，节省了大量的铜材。
3.2.4 机械零件的修复与预保护
众所周知， 现在已有许多修复机器零件的方法，可以使磨损或损坏的零件恢复工作能力。 这些方法包括修复尺寸、填补零件、塑性变形、涂覆合成材料涂层和电镀层、堆焊、热喷涂等。 最好的方法不仅能恢复配合性质, 而且还能将零件修复到原始的尺寸以保证其互换性。 电弧喷涂在机器零件的修理工艺中得到了越来越多的采用， 这类金属涂层可将机器零件修复到原始尺寸以保证其完全互换性，与其它修复磨损零件的方法相比，这是金属电弧喷涂的优越性。 用金属电弧喷涂方法修复零件的成本仅是制造新零件成品的 5%～25%[12]。
4 电弧喷涂技术的新进展
为了进一步拓展电弧喷涂技术的应用范围，人们正在发展和开发各种新型电弧喷涂方法。
4.1 保护气体电弧喷涂技术
用保护性气体在涂层的制备过程进行保护，该技术可以降低熔滴材料的热损率、 氧化物的含量及涂层的孔隙率等。 目前常采用辅助装置将还原性介质，如 CO2和 CH4等，引入压缩空气中作保护气体，降低涂层含氧量。 还可用惰性气体 Ar 或N2气作为保护气体，减少氧化物夹杂，但是由于雾化气体消耗量大， 因此使用惰性气体成本会过分提高。 如果保护气体与喷涂金属在高温下发生反应，生成特殊物质，这样还可获得特殊涂层。 Air Product s and Chemicals 公司就使钛丝在喷涂过程中氮化成为氮化钛 ,从而获得金属陶瓷涂层[13]。
4.2 高速喷涂技术
为了减少金属熔滴的氧化， 从而改善电弧喷涂涂层的质量， 研制和开发高速喷涂技术是主要的发展方向。 根据空气动力学原理，将高压气体通过特殊设计的喷嘴加速， 作为电弧喷涂的高速雾化气流 (高于音速)，可用于雾化和加速熔融金属粒子而形成更加致密的电弧喷涂层。 高速电弧喷涂技术是电弧喷涂的重要发展方向。
4.3 真空电弧喷涂
真空电弧喷涂（VAS）[14]将喷涂工作气氛抽成真空。 该技术可以大幅度地降低氧化物的含量 ,降低孔隙率,提高涂层结合强度。 主要用于喷涂活泼金属 (如 Ti 或 Ta) , 制造致密高纯度的耐腐蚀涂层或制造带孔隙表面粗糙的生物植入体 (如应用外科手术中带有 Ti 涂层的植入体) , 此工艺与低压等离子喷涂相比 , 具有操作简单 , 成本低的特点[15]。
4.4 电弧喷涂过程的计算机仿真技术
利用流体力学数值模拟（CFD）实现电弧喷涂过程的计算机仿真， 从理论上解决喷涂机理的气相和粒子相的动力学及热物理特性问题， 优化喷枪结构，大功率、二次雾化是电弧喷枪的未来发展方向。
4.5 纳米涂层
近年来， 纳米材料的出现使得纳米涂层的制备成为可能， 将预先制备的纳米粉末喷涂沉积在基材表面形成纳米涂层。 该种复合涂层可以具有耐高温、抗氧化、抗腐蚀、高硬度、高耐磨性和自润滑性，并可具有广泛化的光学性能、优异的电磁等性能，具有十分广泛的潜在功能[16]。 目前国内外用热喷涂制备纳米涂层的研究还处于实验阶段，且局限于粉末制备， 尚未达到用粉芯丝材获得纳米涂层的高度。 从已有的研究结果来看，用热喷涂技术制备的纳米结构涂层性能优异 , 具有良好的应用前景 ,但从经济效益考虑 ,如何降低制作涂层的成本还亟待研究。
4.6 粉末复合电弧喷涂技术
通过电弧熔化线材， 同时加入合金或陶瓷粉末，高速喷到金属表面，获得高耐磨性，高耐蚀性的复合喷涂层。 这种方法可用于碳钢、合金钢、铸铁等材料制成的零件或构件， 实现表面强化和表面防护的目的。 也可用于一些磨损件或腐蚀件的表面修复。 为了将金属和陶瓷优越性综合于一体，金属陶瓷、金属颗粒弥散强化陶瓷、金属基复合材料等先后发展起来。 近期推出的 JCW-T 电弧喷涂粉芯丝材， 采用低碳钢带包敷 TiB2-Al2O3复合陶瓷，喷涂涂层硬度达 57.5HRB，可用于提高锅炉管壁及风机叶片等的高温耐磨性[17，5]。
5 结论
电弧喷涂技术以其优良的经济特性及涂层性能取得了巨大的经济效益。 各种新能源、新工艺、新材料的发展及高新科技的要求， 必将促进电弧喷涂技术更加飞速地发展。 目前国内电弧喷涂技术水平相对滞后， 与国外先进国家相比还有一定的差距，因此，我们很有必要总结先进经验，建立技术市场，缩小与国际高水平的差距，充分发挥它在国民经济中应有的效力。
参考文献略
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