热喷涂技术在腐蚀与防护领域的研究及应用
秦技强 黄 勇 谢学军
腐蚀科学与防护技术
摘要 简述了提高热喷涂涂层耐蚀性能的途径和热喷涂防腐技术在我国的应用及存在的问题.
关键词 热喷涂 耐蚀性能 应用 发展
自1910年发明热喷涂技术至今,已有80余年的发展历史.其应用领域极其广泛.20世纪30年代,热喷涂技术在防腐方面得到成功应用.从那时起,美国、西欧等发达国家开始逐步对钢铁结构件采用热喷涂技术进行防腐处理,并且不断扩大它的应用范围.今天,热喷涂技术已经成为一种重要的防腐方法,在腐蚀与防护领域里发挥着越来越大的作用.
1热喷涂涂层耐蚀性的研究
用于防腐蚀目的的热喷涂涂层材料主要有:(1)金属及合金.包括Zn及Zn合金、Al及Al合金、Ni及Ni合金等.(2)陶瓷和金属陶瓷.陶瓷主要是指氧化物、氮化物、硼化物、硅化物陶瓷,金属陶瓷有镍包氧化铝、镍包碳化钨、钴基自熔合金包碳化钨、镍包铬等.(3)塑料.主要有聚乙烯树脂、尼龙、环氧树脂、EVA树脂等.涂层对金属材料的保护机理主要有两个方面:一是具有与涂料涂装防腐机理类似的阻挡腐蚀介质的隔离作用,二是具有通过涂层材料自我牺牲实现的阴极保护作用.
根据使用热源不同,热喷涂工艺可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等技术.目前应用于防腐的主要有火焰喷涂和电弧喷涂两种技术.
降低涂层孔隙率和提高涂层材料的耐蚀性,是提高热喷涂涂层的耐蚀性能的主要方法.采用合理的工艺手段,消除热喷涂涂层表面或内在的孔洞,使基体与腐蚀介质隔离,以增强涂层的耐蚀性能,成为扩大热喷涂工艺在腐蚀与防护领域应用的一大重要研究方向.降低涂层孔隙率的途径可概括为:
1 改进喷涂设备,使用合理的喷涂工艺.目前
普遍应用的喷涂工艺中,涂层孔隙率在1%~15%间,大小顺序为:火焰喷涂>电弧喷涂>等离子喷涂>爆炸喷涂.据文献报道[4,5],提高喷涂过程中喷枪的功率,缩短喷涂距离,基体材料预热,用保护气氛喷涂工艺制备涂层等措施,能够提高喷涂粒子熔的化率,增加离子间和涂层离子-基体间的结合力,减少涂层中的裂纹和孔洞.Leigh S H研究结果表明,喷涂角度偏离垂直方向时,涂层的孔隙率增大[6].高速氧-燃气喷涂、超音速等离子弧喷涂、低真空等离子弧喷涂等新的热喷涂技术,均显著地改善了涂层的质量.
2 采用后处理工艺.涂层的后处理包括对涂层
的机械加工和热处理[7].常见的后处理工艺有:封孔处理、重熔处理、强化处理和扩散处理.如:在In-conel 625合金表面采用火焰喷涂Ni-Al保护涂层然后用含Y的金属有机化合物热解的办法在涂层表面沉积0·5μm~1·5μm的Y2O3薄膜,并进行封闭处理[8].涂层的激光重熔处理和HIP处理能够大幅度的改善涂层内在及表面的质量[9,10].利用激光部分重熔等离子喷涂热障涂层,并合理选择工艺,可以获得理想的单一柱晶结构,封闭表面气孔,改善抗蚀性[11].
选择耐蚀性能好的涂层材料也是提高涂层耐蚀能力的一种重要方法.粉芯线材中加入稀土使涂层的耐磨性、耐蚀性均有所提高[12].等离子喷涂掺SiO2的ZrO2涂层,与普通ZrO2涂层相比其耐高温腐蚀性能提高[13].
2热喷涂与其它表面防腐技术的比较
热喷涂技术与其它防腐工艺相比,在金属表面前期处理工艺基本相同.热喷涂表面处理要求略高,采用喷砂工艺净化毛化表面要求达到2·5Sa级以上.热喷涂Zn及Al涂层厚度一般为0·2 mm~0·3mm即可达到防腐要求.涂层可一次完成,较其它防腐方法施工周期短、效率高.采用火焰线材或电弧线材对钢铁喷涂Zn或Al,再对涂层加以封孔处理后,在一般腐蚀环境下涂层有效期可达30年以上,较一般油漆防腐涂层寿命长5倍~10倍.实用效果表明,采用热喷涂Zn及Al进行金属表面多种环境下的防腐,效果是显著的.热喷涂技术使用设备较多,工艺要求严,工程造价高,但按防腐寿命平均25年计算,防腐寿命内循环费用远低于其它防腐方法的费用.而且热喷涂工业对环境污染小,是一种环保型产业.随着热喷涂工艺成本降低,热喷涂技术正逐渐取代电镀铬技术.
3热喷涂技术在我国腐蚀领域的应用
我国较大规模地运用热喷涂防腐技术是从80年代开始的.国家广播电视部制定文件要求对新建彩电发射塔的钢结构件必须采用热喷涂防腐技术.国家煤炭工业部、国家水利电力部也分别要求对煤矿井架和水利设施等钢铁结构件进行热喷涂防腐处理.目前,热喷涂技术已广泛应用于电力、船舶、机械、桥梁、造纸、化工、航空、石油、煤炭、汽车等领域.
1 上海喷涂机械厂对南京长江大桥下层铁路
枕木下面的“上盖板”作了喷锌防腐处理,这是我国第一次尝试对大型桥梁的部分构件做热喷锌防腐处理.
2 电弧喷涂Al涂层应用到铁路桥梁正交异板
搭接面,提高搭接面之间的摩擦系数,同时又有长效防腐功能.并具有良好的耐老化性能,能够满足桥梁设计标准对栓接面抗滑移系数不低于0·45的要求[14].已成功的应用到芜湖长江大桥的栓接面.3 煤矿井筒阴暗、潮湿、淋水、相对湿度大,其腐蚀十分严重.目前用油漆防护,防护年限为3年~5年,1990年中国矿业大学对山西晋山煤矿,河南铁王沟煤矿,淮北桃园煤矿井筒进行热喷涂复合涂层的防腐工程,预计寿命30年以上[15].
4 根据中国海域的特点,人民解放军海军采用
热喷涂技术解决海洋舰船的腐蚀问题.期望该技术能对舰船有更长久的保护[16].
5 江苏省三河闸水库管理处到1978年已先后
对水库的63个水闸门做了喷锌防腐处理[17];已决定长江三峡工程采用热喷涂技术保护浸泡在水中的全部钢结构件.
6 大港电厂和西柏坡电厂采用电弧喷涂低碳
马氏体—Ni-Cr-高温封孔剂对锅炉水冷壁进行高温防腐处理,预计防腐寿命6年~9年.
4存在的问题
生产规模小,热能利用率低,导致生产成本较高;自动化程度远远落后于发达国家;工程设计人员和专业防腐人员对热喷涂防腐技术还不够了解;有关部门只注意压缩一次性建设投资,忽视了后期维修周期短,费用高,停工停产损失更大的问题.这些都是很重要的制约因素.
参考文献略
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