熱噴涂技術(shù)綜述

1、熱噴涂綜述 一、熱噴涂的定義 熱噴涂技術(shù)，是采用某種高溫?zé)嵩?，將欲涂覆的涂層材料熔化或至少軟化，并用氣體使之霧化成微細(xì)液滴或高溫顆粒，高速噴射到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體表面形成涂層的技術(shù)。 當(dāng)熱源的比能量足以使基體表面發(fā)生薄層熔化，與噴射的熔融顆粒形成完全致密的冶金結(jié)合涂層時(shí)，稱為熱噴焊，簡(jiǎn)稱噴焊。 使用高溫?zé)嵩?，如氧可燃?xì)怏w燃燒火焰、電弧、等離子電弧、激光束、爆炸能等，是熱噴涂技術(shù)區(qū)別于其他噴涂方法和表面涂覆方法的主要特征。不同熱源的最高溫度列于附表。 附表：不同熱源的最高溫度 熱 源 氧乙炔 氫原子 氧氫 氧煤氣空氣乙炔 空氣煤氣 氧乙炔爆炸電弧 等離子弧 最高溫度， 31004000270020

2、00232515303300600011000二、熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn) 采用熱噴涂技術(shù)，制備各種表面強(qiáng)化和表面防護(hù)涂層，具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 (1)能夠噴涂的材料范圍特別廣，包括各種金屬及合金、陶瓷及金屬陶瓷、塑料、非金屬礦物等幾乎所有固態(tài)工程材料。因而能夠制備耐磨、減摩、耐蝕、耐高溫、抗氧化、絕緣、導(dǎo)電、催化、輻射、防輻射、抗干擾、超導(dǎo)、非晶態(tài)及生物功能等各種功能涂層；(2)能夠在多種基體材料上形成涂層，包括金屬基體、陶瓷基體、塑料基體、石膏、木材甚至紙板上都能噴涂，被噴涂的材料范圍也十分廣泛；(3)一般不受被噴涂工件尺寸和施工場(chǎng)所的限制，既可廠內(nèi)施工，也可現(xiàn)場(chǎng)施工；(4)涂層沉積效率較高，特別

3、適合沉積薄膜涂層。涂層厚度可以控制，從幾十微米到幾毫米甚至可厚達(dá)20mm；(5)除噴焊外，熱噴涂施工對(duì)基體的熱影響很小，基體受熱溫度不超過(guò)200，基體不會(huì)發(fā)生變形和性能變化；(6)在滿足強(qiáng)度要求的前提下，制件基體可以采用普通材料代替貴重材料，僅涂層使用優(yōu)質(zhì)材料，使“好鋼用在刀刃上”；(7)熱噴涂施工藝靈活，方便，迅速，適應(yīng)性強(qiáng)。當(dāng)然，熱噴涂技術(shù)也有如下一些缺點(diǎn)。(1)除噴焊外，熱噴涂涂層與基體的結(jié)合主要是物理機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度不大高，涂層耐沖擊和重載性能較差；(2)噴涂涂層含有不同程度的孔隙，對(duì)于耐腐蝕、抗氧化、絕緣等應(yīng)用，一般不如整體材料。但可通過(guò)復(fù)合涂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方法予以改進(jìn)提高；(3)噴

4、涂小件時(shí)，涂層材料的收得率低；(4)熱噴涂手工操作時(shí)的勞動(dòng)條件較差，有噪音、粉塵、熱和弧光輻射問(wèn)題，必須注意勞動(dòng)保護(hù)措施。盡管如此，由于熱噴涂技術(shù)具有上述許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、冶金、能源、交通、石油化工、機(jī)械、輕紡等工業(yè)部門，成效十分顯著。 三、熱噴涂涂層的結(jié)構(gòu) 熱噴涂涂層是將熔融或至少軟化的粒子，高速噴射到基體上，發(fā)生碰憧、變形、快速凝固、堆積等過(guò)程，最后形成涂層。附圖是典型的熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖:熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)示意圖 1-涂層;2-氧化物夾雜;3-孔隙或空洞;4-顆粒間的粘接;5-變形顆粒;6-基體粗糙度;7-涂層與基體結(jié)合面 從附圖可以看出，熱噴涂涂層的組織

5、結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：(1)涂層粒子因碰撞變形而呈扁平狀堆積結(jié)構(gòu)，具有各向異性。涂層與基體之間的結(jié)合主要是物理機(jī)械結(jié)合；(2)涂層顆粒堆積、重疊過(guò)程中，顆粒之間必然存在一定程度的孔隙和氣孔；高溫顆粒在噴射過(guò)程中，會(huì)與噴射氣體或周圍環(huán)境氣氛發(fā)生某種程度的化學(xué)反應(yīng)，如與環(huán)境中的空氣作用發(fā)生(3)氧化。因此，涂層組織中可能含有少量的氧化物夾雜；(4)由于高溫顆粒噴射到基體表面快速冷卻凝固，由于涂層材料與基體材料的熱物理性能特別是熱膨脹系數(shù)的差異，使涂層中形成相當(dāng)?shù)臒釕?yīng)力和殘余應(yīng)力?？刂坪吞幚聿缓茫锌赡苁雇繉影l(fā)生裂紋甚至剝落；(5)熱噴涂涂層的表面為粗糙的毛面，具有較高的表面能，這為復(fù)合涂層設(shè)計(jì)和制造提

6、供了良好的基礎(chǔ)。 根據(jù)熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)的這些特點(diǎn)，顯然，在熱噴涂涂層的設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)努力做到：制備清潔活化的基體表面以提高涂層與基體的界面性能；提高噴射顆粒的速 度以獲得高的動(dòng)能；保證噴射顆粒良好的受熱及熔化狀態(tài)，以達(dá)到足夠的熱能；控制涂層的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力大小和應(yīng)力分布；盡可能減少或避免噴射的高溫顆粒在噴 涂過(guò)程中與周圍環(huán)境氣氛發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)，乃是獲得優(yōu)質(zhì)涂層的主要條件。 四、熱噴涂層的應(yīng)用范圍 、耐磨損熱噴涂技術(shù)在高溫和低溫下最大的應(yīng)用領(lǐng)域。這類涂層具體分為以下幾種：（1）耐粘著磨損或劃傷兩個(gè)表面相對(duì)滑動(dòng)，碎屑從一個(gè)表面粘到另一個(gè)表面時(shí)，發(fā)生粘著磨損或劃傷。專用典型涂層為鈷基碳化鎢、碳化

7、鉻/鎳鉻涂層。（2）耐磨粒磨損當(dāng)較硬表面在較軟表面上滑動(dòng)，而且兩表面之間存在磨損時(shí)，發(fā)生磨粒磨損。當(dāng)纖維和絲線在表面高速通過(guò)時(shí)，也發(fā)生磨粒磨損。專有典型涂層為鈷基鎳鉻合金、自熔合金混合鉬、氧化鉻涂層。（3）耐微振磨損重復(fù)加載和卸載產(chǎn)生周期應(yīng)力導(dǎo)致表面開裂和大面積脫落。專用典型涂層為氧化鋁/二氧化鈦涂層。（4）耐氣蝕磨損液體流動(dòng)在表面產(chǎn)生機(jī)械沖擊。專用典型涂層為鋁青銅涂層。（5）耐沖蝕磨損氣體或液體攜帶粒子高速?zèng)_擊表面時(shí)，發(fā)生沖蝕磨損。專用典型涂層為氧化鋁/二氧化鈦、氧化鋁涂層 、耐高溫抗氧化這類涂層抗化學(xué)或物理分解，改善零件的高溫性能。這類涂層分為以下幾種：（1）熱障涂層在零件和高溫環(huán)境之間充

8、當(dāng)熱屏障。典型涂層為用氧化釔做穩(wěn)定化處理的氧化鋯涂層。（2）抗高溫氧化涂層保護(hù)基體抗高溫氧化。典型涂層為鎳/鉻涂層。（3）耐熱腐蝕涂層保護(hù)暴露在熱腐蝕性氣體中的基體。典型涂層為鎳/鉻涂層。3、防腐蝕涂層選擇這類涂層比較復(fù)雜，因?yàn)榱慵诜蹱顟B(tài)，環(huán)境溫度和各種介質(zhì)對(duì)涂層材料都有一定的要求，一般采用鈷基合金、鎳基合金和氧化物陶瓷等作為涂層材料，通過(guò)提高涂層的致密性，堵住腐蝕介質(zhì)的滲透；合理選擇涂層材料與零件基材的氧化/還原電位，防止電化學(xué)腐蝕，涂敷抑制腐蝕的封孔劑。 4、導(dǎo)電涂層或絕緣涂層這類涂層又分為以下幾種：（1）導(dǎo)電涂層專用典型涂層為銅涂層。（2）絕緣涂層專用典型涂層為氧化鋁涂層。（3）屏蔽

9、涂層抗電磁干擾（EMI）或高頻干擾（RFI）專用典型涂層為銅涂層。5、恢復(fù)尺寸涂層這類涂層主要用于修補(bǔ)因磨損或加工超差的零件。對(duì)涂層材料的選擇主要取決于零件的使用要求。6、間隙控制涂層這類涂層提供緊密的封嚴(yán)間隙，顯著提高設(shè)備性能和運(yùn)轉(zhuǎn)效率。與配合零件接觸時(shí)，涂層優(yōu)先受控磨損。典型涂層為鎳/石墨、聚酯鋁混合物、鋁/石墨涂層。 五、熱噴涂工程系統(tǒng)設(shè)計(jì) 要想采用熱噴涂涂層，獲得防磨防腐蝕應(yīng)用的成功，必須十分注意熱噴涂工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括如下內(nèi)容：1現(xiàn)場(chǎng)工況及失效分析 (1）現(xiàn)場(chǎng)工況：介質(zhì)的成分和濃度；雜質(zhì)種類及含量；使用溫度；介質(zhì)（氣體或液體）流速、流動(dòng)角度； 溶液的pH值； 溶液中的氧、氧化劑

10、和還原劑的含量； 介質(zhì)中含有機(jī)物、微生物。細(xì)菌情況； 腐蝕產(chǎn)物及生成膜的穩(wěn)定性，對(duì)環(huán)境的污染性。 (2)失效分析：應(yīng)根據(jù)具體的現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)可能產(chǎn)生的磨損腐蝕失效機(jī)理進(jìn)行分析或研究，以確定可能的磨損腐蝕類型。 2涂層材料的正確選擇 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境千差萬(wàn)別，影響磨損腐蝕及控制的因素很多，有時(shí)某一種機(jī)理的起主要作用，但許多情況下是多種機(jī)理的相互作用，加速磨損腐蝕失效過(guò)程。沒(méi)有能滿足 各種工況的萬(wàn)能耐蝕材料和抗磨蝕涂層。只有熟悉并掌握豐富、全面的材料科學(xué)知識(shí)，才能做到“對(duì)癥下藥”，正確合理地選擇涂層材料，進(jìn)行涂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 3.制備良好的基體表面提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，是各種表面涂層技術(shù)的主要目的之一，熱

11、噴涂涂層也不例外。為了獲得優(yōu)質(zhì)的涂層與基體的界面狀態(tài)，熱噴涂之前，要求基體表面預(yù)處理達(dá)到凈化、粗化和活化。 基體表面預(yù)處理的質(zhì)量，直接影響熱噴涂涂層與基體的結(jié)合性能，是整個(gè)熱噴涂過(guò)程成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，應(yīng)予高度重視。4正確地進(jìn)行涂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工 用于腐蝕防護(hù)與控制的熱噴涂涂層，常采用復(fù)合涂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工方法。一般是在基體材料上首先噴涂一層耐蝕性好的打底涂層，然后噴涂工作涂層，最后進(jìn)行涂層的封孔處理，以達(dá)到完全消除涂層氣孔影響的目的。 6涂層的后處理和精加工六、熱噴涂原材料：熱噴涂材料的形態(tài)分粉末、線材、棒材三種。不同工藝方法和噴涂設(shè)備（裝置），對(duì)粉末、線材、棒材的直徑和粉末的粒度都有具體要

12、求；熱噴涂材料的顯著特點(diǎn)是取材的廣泛和不同材料的可復(fù)合性，其中包括品種繁多的金屬、陶瓷、塑料三大類近150多個(gè)品種的噴涂材料. 六、熱噴涂工藝流程：熱噴涂各種方法其工藝流程基本相同，每一個(gè)環(huán)節(jié)又有多種方法，根據(jù)涂層設(shè)計(jì)，工件材質(zhì)，形狀和厚薄，原始表面狀態(tài)，對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的要求等多種因素進(jìn)行選擇，基本工藝流程如下：1、噴涂前零件表面處理：如溶劑清洗脫脂凈化或采用噴砂、電拉毛、機(jī)械加工等，使用零件噴涂部位的表面清潔并產(chǎn)生一定粗糙度，以增強(qiáng)涂層結(jié)合強(qiáng)度。2、噴涂工作層：選擇合適的噴涂方式和噴涂材料并按照操作規(guī)范及技術(shù)要求噴涂工作層.3、涂層后處理噴涂結(jié)束后，按照涂層用途，如用于防腐噴鋅、鋁、鉛、不銹

13、鋼、各種陶瓷等涂層，根據(jù)腐蝕介質(zhì)選擇相應(yīng)耐蝕封孔劑對(duì)涂層進(jìn)行封孔處理，塑料噴涂無(wú)需封孔處理；如用于零件修復(fù)或預(yù)保護(hù)涂層，必須對(duì)噴涂按照零件圖紙或用戶給定尺寸公差加工，以達(dá)到使用要求。 七、打底涂層的特性1、在熱噴涂火焰高溫?zé)嵩吹淖饔孟拢繉硬牧喜煌M分能發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，使涂層與基體形成微冶金結(jié)合。最典型和應(yīng)用最廣的“自粘結(jié)”打低涂層材料是鎳鋁復(fù)合粉末。Ni-Al粉末的噴涂過(guò)程是一個(gè)Ni、Al間各種反應(yīng)的綜合放熱過(guò)程。2、“粗化”效應(yīng)。粘結(jié)底層的表面比噴砂粗化處理的基體表面更不規(guī)則，因而工作涂層能與之形成更強(qiáng)的機(jī)械嵌合。在選擇底層粉末時(shí)，粉未的平均粒度可略大于工作層粉未的平均粒度。3、“屏蔽”

14、效應(yīng)打底涂層具有比基體材料更好的抗氧化能力和耐蝕性能，在工作涂層與基體之間起屏蔽作用，能將熱噴涂涂層固有孔隙引起的基體氧化或腐蝕程度降至最低。4、“緩沖”效應(yīng)打底涂層的膨脹系數(shù)介于基體材料和工作涂層之間，且在機(jī)械及熱負(fù)荷下具有足夠的韌性，能對(duì)因基體與工作涂層熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的應(yīng)力起“緩沖”作用。八、涂層封孔劑對(duì)很多熱噴涂涂層來(lái)說(shuō)，封孔是一項(xiàng)必要的后處理過(guò)程。當(dāng)涂層面臨腐蝕及氧化(有時(shí)處于高溫)環(huán)境時(shí)，封孔是涂層設(shè)計(jì)必需要考慮的一項(xiàng)內(nèi)容。本文涉及到封孔作業(yè)的目的和要求；介紹了封孔劑的種類、性能、施工要點(diǎn)、選擇依據(jù)及應(yīng)用范圍。任何一種熱噴涂方法，尤其是燃?xì)庖谎跹鎳娡?即火焰噴涂)所沉積的涂層，

15、都是一種有孔結(jié)構(gòu)?？傮w而言，涂層孔隙度范圍相當(dāng)大。燃?xì)庖谎跹鎳娡繉佑袝r(shí)高達(dá)15以上，而高速氧一燃?xì)鈬娡?HVOF)層則在1以下。在實(shí)際應(yīng)用中，有孔結(jié)構(gòu)有時(shí)是有利的。涂層孔隙有助于貯油，促進(jìn)潤(rùn)滑，減少磨損；在某些特殊應(yīng)用中，利用熱噴涂制取多孔材料，用于熱交換裝置或其它元件。然而，在更多的情況下，涂層的孔隙是不希望的。當(dāng)涂層暴露于大氣、蒸汽、工業(yè)氣氛、化學(xué)活性物質(zhì)、腐蝕氣體及高溫環(huán)境中，孔隙引入腐蝕元素，使涂層與基體發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)侵蝕，導(dǎo)致涂層失效，在這種情況下，必須對(duì)涂層進(jìn)行封孔。作為熱噴涂的一種后處理工序，封孔作業(yè)的主要內(nèi)容是封孔劑的選擇和施工方法。如果某些工件噴涂后還需要車削或磨削時(shí)，封孔

16、應(yīng)在此之前實(shí)施，以防涂層孔隙污染，保證更好、更干凈的磨削光潔度。當(dāng)噴涂陶瓷涂層用于絕緣的情況下，封孔能維持涂層的介電常數(shù)。否則，涂層孔隙將會(huì)吸濕或遭污染，形成涂層中不希望的導(dǎo)電通道。此外，對(duì)于泵或液壓機(jī)等設(shè)備，封孔還防止液體和壓力的密封泄漏。一、封孔劑的性能要求封孔劑的種類較多，為了達(dá)到良好的封孔效果，封孔劑必須滿足下列要求：1有足夠的滲透性因?yàn)榭紫稄澢旨?xì)小，沒(méi)有足夠高的滲透性，難以充填到必需程度。2耐化學(xué)溶劑的作用因?yàn)橥繉颖旧砭吞幱谀撤N化學(xué)和溶劑的腐蝕介質(zhì)中，封孔劑若不能經(jīng)受這些介質(zhì)的侵蝕，封孔即告無(wú)效。3能經(jīng)受一定的機(jī)械作用即封孔劑不因機(jī)械作用而脫落或碎裂。4在工作溫度下性能穩(wěn)定即封孔劑

17、不能在操作溫度下發(fā)生溶化、蒸發(fā)或分解等物理變化。5不能與涂層或基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)在工作環(huán)境下與涂層和基體保持化學(xué)穩(wěn)定性。6不降低涂層或基體金屬的性能。7當(dāng)涂層用于食品行業(yè)時(shí)，對(duì)食物無(wú)毒。8施工時(shí)，保證安全。九、超音速火焰噴嚏簡(jiǎn)介噴涂原理YFCC使用最新的高速火焰（HVOF）噴涂技術(shù)系統(tǒng)，可進(jìn)行金屬噴涂，碳化物噴涂和特殊噴涂。該項(xiàng)技術(shù)是把噴涂材料以粉末狀態(tài)注入高速噴射燃燒的火焰中，其噴射速度可達(dá)2000米/秒,燃燒溫度適中（3000）。高速燃?xì)庖环矫媸狗勰┎牧系念w粒達(dá)到半熔化狀態(tài)另一方面又使粉末材料的顆粒加速運(yùn)動(dòng)，將熔化后的粉末材料緊密均勻地附著在被噴涂物體的表面上，與基材物理結(jié)合在一起，而基材溫

18、度低于150，使基材不發(fā)生任何變形。噴涂?jī)?yōu)點(diǎn)從而形成少孔隙、低氧化、高粘合力、低殘余應(yīng)力的高質(zhì)量涂層。典型應(yīng)用修復(fù)和恢復(fù)操作耐磨或耐腐蝕抗滑動(dòng)磨損抗剝蝕、拉毛或粘附磨損抗空穴效應(yīng)抗化學(xué)物質(zhì)侵襲氧化和硫化的控制空氣和高溫腐蝕控制十、各種噴涂技術(shù)比較表面處理工藝材料典型應(yīng)用產(chǎn)品名稱抗磨性評(píng)價(jià)刷漆聚合物蝸殼、金表面尼龍、環(huán)氧低抗磨性差易剝落用于低速水流和表面防腐噴焊Ni、Fe基合金金屬表面抗磨蝕Ni60系列中抗磨性能良好但高溫室工件易變形粘接強(qiáng)度高電鍍硬鉻金屬表面和噴嘴鍍鉻中限用于小部件粘接強(qiáng)度低亞音速電弧噴涂金屬合金金屬表面Metcoloy2低用于形狀修復(fù)噴鋁、鋅，粘接強(qiáng)度中亞音速火焰噴涂金屬合金

19、及陶瓷金屬表面金屬合金及陶瓷中用于現(xiàn)狀修復(fù)及防腐粘接強(qiáng)度中HVOF噴涂風(fēng)冷式金屬陶瓷金屬表面、導(dǎo)葉、抗磨環(huán)Diaturb中不抗汽蝕自動(dòng)化工藝HVOF噴涂水冷式金屬陶瓷金屬表面、水輪機(jī)葉片、導(dǎo)葉、抗磨環(huán)、迷宮環(huán)、風(fēng)機(jī)、葉片、張緊輥、工藝輥金屬碳化鎢高抗氣蝕優(yōu)于不銹鋼自動(dòng)化工藝最有效的抗磨損防護(hù)HVOF在水輪機(jī)抗磨蝕方面的應(yīng)用研究一、引言我國(guó)多泥沙河流上水輪機(jī)過(guò)流部件遭受磨蝕破壞，導(dǎo)致機(jī)組事故率上升，出力及效率下降，檢修費(fèi)用增加等問(wèn)題已成為當(dāng)前水電生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。由于不同流域的泥沙含量、粒徑級(jí)配、砂粒形狀、硬度和過(guò)機(jī)流速不同，水輪機(jī)的機(jī)組材質(zhì)、設(shè)計(jì)參數(shù)、加工工藝、機(jī)械性能、運(yùn)行工況不同，導(dǎo)致

20、不同電站水輪機(jī)的磨蝕部件和破壞程度也不盡相同。目前利用的主要方法是補(bǔ)焊打磨修型方法進(jìn)行維修，不僅工作量大，檢修工期長(zhǎng)，花費(fèi)大量的人力物力，而且很難控制變形，不能保證葉型的精確性。也不能保證過(guò)流面的光潔度。在材料方面，目前還沒(méi)有一種可機(jī)加工的材料達(dá)到既抗汽蝕又抗磨損的要求，所以通過(guò)過(guò)流面增強(qiáng)技術(shù)形成抗磨蝕涂層進(jìn)行防護(hù)很有必要。在利用噴涂技術(shù)進(jìn)行抗磨蝕防護(hù)中，因涂層材料的不同以及形成涂層的手段不同而效果有很大差異1。本文就高速火焰噴涂方法在水輪機(jī)抗磨蝕方面的作用進(jìn)行了分析研究，通過(guò)對(duì)比高速火焰噴涂與其他幾種噴涂方法的工藝特點(diǎn)，表明高速火焰噴涂對(duì)水輪機(jī)的抗磨蝕防護(hù)是一種有效的方法。二、水輪機(jī)磨蝕機(jī)理

21、分析水輪機(jī)過(guò)流部件遭受磨蝕破壞機(jī)理主要是泥沙沖蝕磨損和汽蝕破壞以及它們之間的聯(lián)合作用2。根據(jù)L.Finnie的微切削理論，水輪機(jī)過(guò)流表面泥沙對(duì)金屬材料的沖蝕量可由下式表示3： 式中： - 沖蝕量（kg/mm2） -流動(dòng)沙粒質(zhì)量（kg）； - 沖蝕角； - 沙粒速度（m/s） - 金屬材料的屈服應(yīng)力。 上式表明，水輪機(jī)過(guò)流表面材料所受到的沖蝕量與沙粒質(zhì)量的平方以及與沙粒速度的n次方成正比，與沙粒相對(duì)金屬表面的沖蝕角有關(guān)，金屬材料在低沖蝕角的沖蝕率達(dá)到峰值，隨沖蝕角的增大，沖蝕率會(huì)逐漸下降。而材料的耐沖蝕性能取決于材料的屈服應(yīng)力，因而可以推論材料的彈性模量越高，材料的抗沖蝕性能越好2。另外水輪機(jī)在

22、運(yùn)行中還經(jīng)常發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致水輪機(jī)過(guò)流部件的汽蝕破壞。實(shí)驗(yàn)表明，水柱沖擊過(guò)流部件表面時(shí)，接觸沖擊力由下式計(jì)算4： 式中： - 接觸沖擊力（N）； - 水流彈性模量； - 流體密度（kg/m3） 上式說(shuō)明接觸沖擊力 與沖擊速度 和過(guò)流部件材料有關(guān)。材料的抗汽蝕性能與材料硬度成正比。 含沙水流中運(yùn)轉(zhuǎn)的水輪機(jī)一般情況下是在汽蝕與泥沙磨損聯(lián)合作用的破壞下，二者相互促進(jìn)加速了水輪機(jī)的破壞程度。當(dāng)含沙水流通過(guò)水輪機(jī)時(shí)，具有一定動(dòng)能的沙粒若與水輪機(jī)表面發(fā)生碰撞就有可能產(chǎn)生磨損，但并不是說(shuō)含沙水流通過(guò)水輪機(jī)就一定產(chǎn)生磨損。由上述公式可知，磨損的產(chǎn)生與沙粒的自身特性與水流的挾沙狀況以及材料特性都有緊密的聯(lián)系。

23、只有滿足了磨損的條件既對(duì)某種材料而言，沙粒不但具有一定的動(dòng)能而且還要具有一定的沖角，使沙粒的壓入壓強(qiáng)大于材料的彈性極限時(shí)才能發(fā)生。而某種因素的改變都將影響磨損的生成。如雖然水流的流速較大，沙粒的動(dòng)能較大，但若沙粒的沖角很小，壓入壓強(qiáng)小于材料的彈性極限，就不會(huì)產(chǎn)生磨損。但若沙粒呈尖角形，當(dāng)尖角與材料接觸時(shí)，在同樣的動(dòng)能條件下，壓入能量都集中在尖角上，使壓入壓強(qiáng)增高，從而使磨損發(fā)生。對(duì)某種材料而言，當(dāng)沙粒粒徑、沖角一定時(shí)，存在一臨界流速，當(dāng)水流速度大于該臨界流速時(shí)發(fā)生磨損，小于該臨界流速時(shí)，雖然沙粒不產(chǎn)生切削磨損，但長(zhǎng)時(shí)間作用會(huì)導(dǎo)致材料的疲勞破壞，同樣材料會(huì)發(fā)生磨損現(xiàn)象。由于目前我國(guó)水輪機(jī)大都在含

24、沙流域運(yùn)行，而大量的磨損現(xiàn)象發(fā)生說(shuō)明自然界水力環(huán)境的惡劣，因此，我們必須通過(guò)改善材料表面特性以達(dá)到抵抗泥沙磨損的破壞作用。這就要求在材料方面既要有很高的硬度抵抗泥沙磨損，同時(shí)材料還要具備一定的韌性來(lái)達(dá)到抗汽蝕的功效。三、高速火焰噴涂（HVOF）的特點(diǎn) 一、 噴涂技術(shù) 熱噴涂技術(shù)是.用高能熱源，利用噴槍形成高溫和火焰流，在高溫下（一般為3000）將粉末溶解，利用火焰流速將已溶粉末或未溶粉末夾帶并以高速噴向工件基材表面，形成涂層。其特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，基材溫度較低（一般控制在150以下），工件不會(huì)發(fā)生變形，噴涂材料與工件材料基本無(wú)關(guān)，粘接強(qiáng)度較高，涂層特性主要由粉末特性體現(xiàn)（如抗磨、抗腐蝕等）。使用最

25、新的高速火焰（HVOF）噴涂技術(shù)系統(tǒng)，可進(jìn)行金屬噴涂，碳化物噴涂和特殊噴涂。該項(xiàng)技術(shù)是把噴涂材料以粉末狀態(tài)注入高速噴射燃燒的火焰中，其噴射速度可達(dá)2000米/秒,燃燒溫度適中（3000）。高速燃?xì)庖环矫媸狗勰┎牧系念w粒達(dá)到半熔化狀態(tài)另一方面又使粉末材料的顆粒加速運(yùn)動(dòng)，將熔化后的粉末材料緊密均勻地附著在被噴涂物體的表面上，與基材物理結(jié)合在一起，而基材溫度低于150，使基材不發(fā)生任何變形。從而形成少孔隙、低氧化、高粘合力、低殘余應(yīng)力的高質(zhì)量涂層。 二、 噴焊技術(shù) 噴焊技術(shù)的工藝與焊接工藝及效果相當(dāng)，它一般采用高放熱材料（含Ni）。目前最常用的是Ni-Cr-B-Si粉料或在該料中再加入WC、Cr3C

26、2等硬質(zhì)材料組或粉末，具體工藝是，預(yù)熱工件至400左右，首先用噴槍將粉末噴在工件表面，然后用乙炔火焰加熱涂層至1100左右，使涂層重溶，與基材產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)（焊接）溶解在一起，形成新的涂層。 該技術(shù)的特點(diǎn)是：a.結(jié)合強(qiáng)度高，一般均高達(dá)150Mpa以上，即冶金結(jié)合強(qiáng)度； b.表面孔隙率極低；c.涂層光滑，尤其是對(duì)平面部件，效果更佳；d.硬度較高；e.成本較低。 缺點(diǎn)是：a.由于是熱加工工藝所以在噴焊的過(guò)程中，工件受熱較大，溫度高達(dá)1000以上，變形較大，且很難控制，尤其是對(duì)大形部件，一方面預(yù)熱較困難，二是無(wú)法控制變形；b.由于無(wú)法進(jìn)行控溫冷卻，所以在冷卻過(guò)程中基材內(nèi)部將產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，而該應(yīng)力

27、將可能影響機(jī)組的安全運(yùn)行。c.對(duì)特種鋼（如不銹鋼）工件，由于降溫的不可控制，使得工件材料的性質(zhì)發(fā)生相變，從而改變?cè)牧系男阅堋?高速火焰噴涂（HVOF）是二十世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的一種高能噴涂方法。它是以氧及某種燃?xì)忸愖鳠嵩?，通過(guò)高強(qiáng)度的燃燒使氣體快速膨脹，形成高壓，燃燒產(chǎn)物在高壓驅(qū)動(dòng)下形成高速氣流，以兩倍馬赫以上的高速通過(guò)槍管沖擊槍外。HVOF火焰溫度通常在3000左右，噴槍噴射火焰速度2000m/s，噴涂的粉末飛行速度可達(dá)300-600米/秒，涂層致密，孔隙率低(氣孔率可低于1%)，噴涂溫度低，殘余應(yīng)力低，涂層硬度高，Co-WC涂層HV可達(dá)1490。涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，對(duì)Cr-Ni基合金粉

28、末和Co基合金粉末涂層來(lái)說(shuō)，可達(dá)到70Mpa以上。近幾年已在葛州壩水電廠、青銅峽水電廠、劉家峽水電廠等十幾家電廠進(jìn)行了應(yīng)用，并取得了顯著的效果。 由于水輪機(jī)過(guò)流表面曲線的復(fù)雜性以及水輪機(jī)磨蝕破壞因素的多元性，給強(qiáng)化水輪機(jī)過(guò)流表面技術(shù)帶來(lái)許多難題。二十世紀(jì)90年代后期開始使用噴焊技術(shù)對(duì)水輪機(jī)過(guò)流表面進(jìn)行噴涂，取得了一定的效果6。噴焊技術(shù)是對(duì)工件加熱后進(jìn)行表面噴粉，然后進(jìn)行重溶的一種熱加工工藝過(guò)程，由于水輪機(jī)葉型的復(fù)雜性以及工件厚大等特點(diǎn)，給葉片加熱工藝帶來(lái)很多困難，而由于葉片應(yīng)力分布情況很復(fù)雜，使得水輪機(jī)在經(jīng)歷了溫度升降后葉片發(fā)生變形。因此利用噴焊技術(shù)對(duì)水輪機(jī)（特別是大中型水輪機(jī)）進(jìn)行噴涂還存在

29、著許多無(wú)法克服的工藝?yán)щy。 在利用等離子噴涂工藝對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行噴涂方面，目前也有一些應(yīng)用。等離子噴涂是將金屬粉未通過(guò)等離子弧焰流中心加熱到熔化或半熔化狀態(tài),隨著焰流高速噴射并沉積到經(jīng)預(yù)處理的工件表面上,從而形成一種具有特殊性能的涂層。等離子弧具有高溫(弧中心溫度高達(dá)32000K)和高速(焰流速度最高達(dá)3050m/s,粉末離子噴射時(shí)最高達(dá)610m/s)特點(diǎn),涂層的致密度也較高(可達(dá)88%-99%),粘著強(qiáng)度可到70Mpa。利用等離子噴涂工藝進(jìn)行噴涂時(shí)工件無(wú)須加熱，因而受熱變形小。和HVOF相比，等離子噴涂在噴Co-WC,WC-Co-Cr及NiCr-Cr3C2等這些用于水輪機(jī)抗磨蝕的粉末時(shí)，這些材料

30、在等離子焰流中因經(jīng)受很高的溫度，會(huì)導(dǎo)致分解脫碳與氧化，使涂層性能變差。 另一種水電站應(yīng)用的噴涂方法是電弧噴涂，普通電弧噴涂的最大特點(diǎn)是熱效率高，生產(chǎn)效率高，操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，但與HVOF和等離子噴涂相比又具有涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低，涂層孔隙率高的缺點(diǎn)。 以下是高速火焰噴涂（HVOF）與等離子噴涂（APS）、噴焊（FS）、熱噴涂（TS）和刷涂（BS）等工藝性能的差異5： 噴涂工藝硬度 （HV）結(jié)合強(qiáng)度 （MPa）噴涂材料 HVOF1000-120090Cr-Ni基合金粉末 HVOF1100-130090Co基合金粉末 APS900-110030金屬鉻粉末 FS600-70090自溶性Cr-Ni基粉末 FS600-70090Co基自溶性金屬粉末 TS-耐磨橡膠 BS-無(wú)機(jī)涂料 而最能發(fā)揮HVOF特長(zhǎng)的是噴涂碳化物基的金屬陶瓷粉，因其較高的噴射速度以及較低的火焰溫度保證了粉末在噴涂中更少的氧化和失炭，從而使涂層有更高的硬度和更好的耐磨損性。 在水輪機(jī)抗磨蝕由于既要防止變形又不能承受高溫，因此，選用HVOF更適合對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行抗磨處理。在具體噴涂過(guò)程中，針對(duì)不同型號(hào)、不同流域、不同工況的水輪機(jī)我們要進(jìn)行分析試驗(yàn)，采用不同的噴涂材料。 參考文獻(xiàn) 1 張菁 揭曉華 高速火焰噴涂技術(shù)及其應(yīng)用 國(guó)外金屬熱處理1998年第2期 2 龐佑霞 郭源君 劉厚才水輪機(jī)過(guò)流部件磨蝕機(jī)理的研