熱噴涂金屬涂層與艦船應(yīng)用前景

張米斯，高新華，寧暉，王奎升

1北京化工大學機電工程學院，北京100029

2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

熱噴涂金屬涂層與艦船應(yīng)用前景

張米斯1，高新華2，寧暉1，王奎升1

1北京化工大學機電工程學院，北京100029

2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

由于艦船服役的特殊環(huán)境，導(dǎo)致艦船裝備運行故障頻繁、服役壽命縮短并且維護成本增大。對比、分析了電弧噴涂、超音速火焰噴涂和等離子噴涂3種熱噴涂金屬涂層技術(shù)的優(yōu)點和缺點，指出超音速火焰噴涂金屬涂層技術(shù)適用于艦船建造階段的大面積噴涂。在此基礎(chǔ)上，闡述了影響金屬涂層耐蝕性、附著力、孔隙率的因素，介紹了目前金屬涂層在艦船上的應(yīng)用狀況。最后，結(jié)合艦船對金屬涂層的要求，提出了開展?jié)M足大面積噴涂施工的超音速火焰噴涂裝備技術(shù)集成研究的必要性和工作內(nèi)容，著重強調(diào)了采用封閉再處理技術(shù)可有效降低金屬涂層孔隙率，進一步提高金屬涂層在工況中的環(huán)境適應(yīng)性，以滿足金屬涂層在艦船上大規(guī)模應(yīng)用的要求。

熱噴涂技術(shù)；金屬涂層；綜述；艦船

0 引 言

由于艦船服役的特殊環(huán)境，艦船上的裝備及其材料長期面臨著高鹽霧、高溫、高濕、強紫外線暴曬和干濕交替的海洋大氣環(huán)境的腐蝕威脅，導(dǎo)致艦船裝備運行故障頻繁、服役壽命短且維護成本大。最終，還可能導(dǎo)致艦船的出航率降低，并且嚴重威脅到艦船的安全服役。盡管有機防腐涂層已經(jīng)在艦船上得到了廣泛應(yīng)用，但是由于有機防腐涂層應(yīng)用性能的局限性，使其很難滿足艦船在特殊部位和環(huán)境條件下的特殊使用要求［1-2］。金屬涂層具有良好的機械力學性能，具有優(yōu)秀的耐磨、耐溫性。同時，金屬涂層與基體金屬結(jié)合強度較高，耐腐蝕、耐高溫、耐輻射等性能優(yōu)良，能夠滿足艦船特殊服役環(huán)境的需求。為此，運用熱噴涂金屬涂層技術(shù)可有效解決這些艦船防腐難題?，F(xiàn)階段，美國海軍已經(jīng)在艦艇上使用了金屬涂層技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)逐步在艦船上得到了廣泛應(yīng)用。

由此，有針對性地研發(fā)性能優(yōu)越的金屬涂層，采用金屬涂層技術(shù)賦予材料新的性能，在艦船防腐、耐磨方面開發(fā)、推廣金屬涂層技術(shù)十分必要，對建造一流艦船，發(fā)展我國艦船制造業(yè)具有重要意義。

1 金屬涂層的熱噴涂技術(shù)

對于金屬涂層的制備，一般采用熱噴涂技術(shù)。熱噴涂技術(shù)能在金屬基體表面通過噴涂，制備出具有優(yōu)異性能的涂層，從而賦予基體更好的耐磨、耐蝕、耐高溫、耐沖擊等性能，該技術(shù)已應(yīng)用于金屬表面防護及修復(fù)領(lǐng)域。常見的主要有電弧噴涂、超音速火焰噴涂和等離子噴涂技術(shù)。

1.1 電弧噴涂

對于電弧噴涂，使用的是粉芯絲材和實芯絲材進行噴涂。噴涂材料包括鋁、鋅、不銹鋼、鎳、銅、鋁青銅、鉻化鎳、鉬、錫、巴氏合金、AlMg5等［3］。電弧噴涂的溫度最高可達6 000°C，噴涂顆粒速度為180～335 m/s，其特點是涂層性能穩(wěn)定、噴涂效率高。

由于電弧噴涂的溫度高，可以熔融一些比較難熔的材料。同時，粒子具有很高的動能和熱能。因此，噴涂制備的金屬涂層具有較高的結(jié)合強度。采用電弧噴涂技術(shù)制備的金屬涂層防腐性能較好，可對鋼鐵結(jié)構(gòu)件進行長效防腐。基于噴涂效率高這一特點，電弧噴涂技術(shù)十分適用于大面積金屬涂層的噴涂。

然而，電弧噴涂也有弊端。從材料要求上講，它要求噴涂材料必須能導(dǎo)電，且要求噴涂材料必須能拉制成絲材。噴涂的金屬涂層孔隙率為3%～15%，孔隙率較高。從使用上講，電弧噴涂的設(shè)備昂貴、重量較重，噪聲較大，并且人工操作環(huán)境差。

1.2 超音速火焰噴涂

采用超音速火焰噴涂技術(shù)進行噴涂施工，其焰流溫度能達到3 500℃，焰流速度超過1 200 m/s，粒子速度為200～1 000 m/s，能噴涂金屬、合金、金屬陶瓷等多種涂層，并且涂層結(jié)合力好、致密度高，具有很好的耐磨和抗氧化性能。

超音速火焰噴涂的粒子速度非?？欤请娀娡苛Ｗ铀俣鹊?倍多，材料粒子能對基體產(chǎn)生非常大的沖擊力，從而提高了涂層與基體間的結(jié)合強度。相較于電弧噴涂技術(shù)而言，超音速火焰噴涂的溫度更低，能有效降低噴涂粉末的氧化和相變，使制得的金屬涂層具有良好的耐磨和抗氧化性能［4-5］。

即便如此，超音速火焰噴涂技術(shù)仍然存在一些缺點。從工藝上講，噴涂溫度較低，不適于噴涂高熔點的材料，沉積速度和沉積效率不高，孔隙率依然有1%左右。從實際使用來講，槍管在噴涂過程中容易堵塞；噴涂金屬和合金時，其粉末制備成本較高。因此，導(dǎo)致噴涂金屬涂層的成本也相對較高。

1.3 等離子噴涂

等離子噴涂所采用的熱源是等離子弧，主要噴涂金屬粉末材料。等離子體溫度高，可達16 000℃［6］，能噴涂熔點高的難熔金屬（W，Ti等）和陶瓷（氧化物、碳化物等）。焰流速度較快，可達700 m/s。

盡管等離子噴涂的粒子速度沒有超音速火焰噴涂的粒子速度大，但是噴涂溫度比電弧噴涂和超音速火焰噴涂都高。為此，制得的金屬涂層硬度較高、孔隙率較低、結(jié)合強度高，耐磨、耐蝕性能也比較優(yōu)越。鑒于等離子體溫度很高，能熔融一切材料，因此，一般采用等離子噴涂技術(shù)來制備熔點較高的陶瓷涂層［7］。

然而，正是由于等離子體溫度高，也就使得金屬涂層的氧化比其他幾種方法更為嚴重。除此之外，等離子噴涂技術(shù)無法在露天現(xiàn)場施工，也不能噴涂尺寸過大的零件，噴涂成本昂貴。特別是在噴涂過程中，會產(chǎn)生熱輻射、紫外線輻射、大量的有害氣體和粉塵等［8］，對人體傷害極大，因此該方法的應(yīng)用受到一定的限制。

為了對比電弧噴涂、超音速火焰噴涂以及等離子噴涂技術(shù)的優(yōu)劣，現(xiàn)將各項性能數(shù)據(jù)列于表1。從表1可知，超音速火焰噴涂具有較低的火焰溫度和較高的粒子速度，制備的涂層結(jié)合強度較高，孔隙率和氧化程度最低，具有明顯的優(yōu)勢，特別適合金屬涂層的噴涂，包括非晶態(tài)合金涂層的噴涂。雖然超音速火焰噴涂的運作成本高于電弧噴涂，但綜合經(jīng)濟收益會更高。因此，超音速火焰噴涂技術(shù)適用于艦船建造階段的大面積噴涂。同時，可以采用電弧噴涂技術(shù)作為后期修補的技術(shù)手段。

表1 幾種常見熱噴涂技術(shù)的特點比較Tab.1 The comparison of thermal spraying technologies

2 影響熱噴涂金屬涂層性能的因素

2.1 涂層耐蝕性

決定熱噴涂金屬涂層性能的根本是涂層自身的耐蝕性。即使是同一種金屬涂層材料，因涂層自身組織的非均勻性、致密性和氧化物含量的不同，金屬涂層的耐蝕性能也不同。同時，噴涂材料粉末的顆粒大小、均勻程度等因素也會對金屬涂層的耐蝕性產(chǎn)生影響。不同的噴涂材料制備出的涂層性能也不同。比如，絕緣陶瓷涂層耐磨、絕緣，可以有效防止電偶腐蝕［9］；WC涂層具有優(yōu)秀的耐磨耐蝕性能［10］；鈦鎳合金涂層以其自身的超彈性效應(yīng)展示出了優(yōu)異的抗空泡腐蝕和抗腐蝕性能，是最具潛力的的抗空泡腐蝕材料；金屬陶瓷涂層可用作耐熱防滑涂層［11-12］；非晶涂層的耐磨性能遠遠高于普通鋼材，幾乎不受淡水、中性鹽水、堿液和海水的腐蝕。

除此之外，熱噴涂工藝控制參數(shù)也會對噴涂涂層性能產(chǎn)生影響。比如，不同的工藝控制參數(shù)會影響金屬涂層孔隙率的大小，而孔隙率對金屬涂層性能的影響則至關(guān)重要。

2.2 附著力

金屬涂層的耐蝕性能不僅與涂層本身的性質(zhì)有關(guān)，還與金屬涂層與基體之間的結(jié)合強度（附著力）有關(guān)［13］。金屬涂層附著力的大小表征著金屬涂層與基體的結(jié)合強度。附著力小意味著金屬涂層與基體之間的結(jié)合強度低，則可能導(dǎo)致涂層從基體上剝落，使金屬涂層失效。附著力不僅與基體本身材料有關(guān)，與噴涂施工技術(shù)也有關(guān)，而且最重要的是基材的表面預(yù)處理。從表1所列的3種熱噴涂技術(shù)的對比可見，采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備的金屬涂層的結(jié)合強度最大，最高達到80 MPa以上。

一般基材表面都有氧化皮。如果基材表面處理不好，會影響金屬涂層的附著力。因為一旦外界溫度發(fā)生變化，或者受到機械力作用時，金屬涂層可能會翹起或剝落，從而使涂層喪失保護功能。同樣，如果基材表面上存在未清除的銹蝕產(chǎn)物和油脂時，也會使涂層的附著力降低，影響涂層的保護性能?？傊?，經(jīng)過預(yù)處理后基材表面的粗糙度、清潔度、鹽含量等都會對涂層附著力產(chǎn)生很大影響。隨著表面粗糙度的增大，涂層與基體金屬接觸的表面積也增大了，也有利于提高涂層的附著力［14-15］。因此，在露天現(xiàn)場施工的時候，經(jīng)過表面預(yù)處理的基體要盡快進行噴涂作業(yè)，以保證涂層具有良好的結(jié)合性能。

2.3 孔隙率

在金屬涂層的制備過程中，由于金屬粒子的相互疊加堆積，粒子與粒子之間必定會形成孔隙，孔隙可以分為貫穿孔和非貫穿孔2類。由于貫穿孔直接連通了腐蝕環(huán)境與基材，因此，貫穿孔比非貫穿孔更需要引起重視。涂層孔隙率的主要來源是未熔化的、部分熔化的或再固化的粒子。孔隙率能影響涂層的機械力學性能以及熱物理性質(zhì)等［16］，是涂層一項至關(guān)重要的性質(zhì)。因此，必須采取一系列措施來降低涂層孔隙率，保證涂層具有優(yōu)秀的防腐耐磨性能。

研究表明，經(jīng)過再處理的涂層的耐磨性能與未經(jīng)過再處理的涂層耐磨性能相比，前者比后者高出77%～140%［17］。這主要是因為涂層經(jīng)過再處理后能有效降低涂層中的孔隙率，減少甚至是消除涂層中的孔隙，使得涂層缺陷進一步降低，從而增強涂層的耐磨性能。

選取合適的噴涂工藝參數(shù)，如：噴涂距離、主氣流量及送粉器的送粉量、粉末顆粒大小等都可以降低孔隙率。在利用等離子噴涂ZrO2涂層時發(fā)現(xiàn)：粉末顆粒的直徑增大，涂層孔隙率也會隨之增大。同時，噴涂的速度越快，涂層的孔隙率就越高，且隨著基材預(yù)熱溫度的升高，涂層孔隙率明顯下降［18-19］。中科院金屬研究所王建強課題組采用高分辨透射X射線三維成像技術(shù)，研究了非晶涂層中孔隙的分布狀況，如圖1所示。

圖1 鐵基非晶涂層的X射線三維圖像Fig.1 X-ray three-dimensional images of iron-based amorphous coating

如圖1（b）所示，鐵基非晶涂層中存在著不規(guī)則孔隙的分布。其中，孔隙的大小主要為0～20 μm，如圖1（c）。在涂層的厚度方向上，孔隙分布主要集中在涂層與基材的結(jié)合界面，并且在60 μm的涂層厚度中。之后，隨著涂層厚度增大，孔隙在涂層中的分布基本保持不變，如圖1（d）所示?？梢?，為了提高金屬涂層的耐蝕性，迫切需要開展其封孔技術(shù)的研究。

所以，為了降低涂層孔隙率，除了采用某些具備自封閉作用的噴涂材料外，還可以采用封孔劑封孔。通過涂刷封孔劑，滲入涂層中的孔隙內(nèi)將孔隙填塞住，待其固化后便能完全堵塞孔隙，可以阻止外界的腐蝕介質(zhì)向涂層內(nèi)部乃至金屬基體表面滲透，達到防止涂層及金屬基體被腐蝕，延長其使用壽命的目的。

3 熱噴涂金屬涂層在艦船上應(yīng)用的展望

目前，熱噴涂金屬涂層有WC涂層、絕緣陶瓷涂層、鈦鎳合金涂層、金屬陶瓷涂層、非晶合金涂層等。這些金屬涂層都具有優(yōu)良的耐磨、耐蝕或抗空蝕性能，已廣泛應(yīng)用于艦船的零部件上，包括艦船渦輪發(fā)動機軸、潛艇聲吶換能器板、甲板垂直起降區(qū)、主甲板、兩棲登陸艦的舵軸和轉(zhuǎn)向軸等。

如前文所述，超音速火焰噴涂技術(shù)因具有熱噴涂效率高、成本適中，且噴涂涂層的孔隙率最低等優(yōu)勢，適用于艦船建造階段的大面積噴涂。當前，對于超音速火焰噴涂，在國內(nèi)外主要采用手持式和機械臂式。其中，機械臂式因自動化程度高且效率高，應(yīng)用普遍。然而，這種左右搖擺式機械臂只適用于小型工件的噴涂，無法實現(xiàn)大面積的噴涂，并且也無法在噴涂過程中同時對噴涂涂層狀況進行檢測?；诖?，有必要開展以下滿足大面積噴涂施工的超音速火焰噴涂裝備技術(shù)的集成研究。

1）設(shè)計、構(gòu)建超音速火焰噴槍大平面噴涂裝置。

2）在大平面噴涂裝置上，集成金屬涂層噴涂狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)。

3）研制、構(gòu)建超音速火焰大平面噴涂裝置的控制系統(tǒng)。

4）建造可移動、集裝箱式超音速火焰大平面噴涂裝備。

構(gòu)建超音速火焰噴涂大平面噴涂裝置的難點在于：平面噴涂裝置的設(shè)計，如何在保證精度的條件下實現(xiàn)噴槍移動速度平穩(wěn)、可調(diào)？如何保證整體裝置的平衡性？如何保證裝置在海洋環(huán)境條件下現(xiàn)場噴涂的可適性？

然而，上述超音速火焰大平面噴涂裝置的技術(shù)集成只是金屬涂層在艦船上推廣應(yīng)用的第一步。如前文所述，基于艦船服役環(huán)境的特殊性和金屬涂層本身存在一定空隙的缺陷，為了滿足金屬涂層在干濕交替的海洋環(huán)境中的環(huán)境適應(yīng)性要求，在金屬涂層噴涂完成之后，需要采用緩蝕劑封閉技術(shù)對金屬涂層進行防腐再處理。只有這樣，才能通過封閉再處理技術(shù)有效降低金屬涂層的孔隙率，進一步提高金屬涂層在各種工況下的環(huán)境適應(yīng)性。由此，開發(fā)、研制金屬涂層緩蝕劑封閉技術(shù)，對金屬涂層在艦船上的推廣應(yīng)用也起著至關(guān)重要的作用。

4 結(jié) 語

隨著金屬涂層材料的研發(fā)、應(yīng)用，熱噴涂裝備技術(shù)的發(fā)展，金屬涂層防腐耐磨技術(shù)將越來越廣泛地得到應(yīng)用。金屬涂層的性能不但取決于涂層材料，而且還決定于熱噴涂裝備技術(shù)及其噴涂工藝控制參數(shù)。除此之外，金屬涂層的再處理技術(shù)——封閉技術(shù)，對于提高金屬涂層的環(huán)境適應(yīng)性也起著決定性的作用?？梢韵嘈?，在將來，隨著超音速火焰大平面噴涂裝置的成功研制與金屬涂層緩蝕劑封閉技術(shù)的成功應(yīng)用，超音速火焰噴涂金屬涂層將在艦船上得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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［責任編輯：胡文莉］

Thermally sprayed metallic coatings and the corresponding potential applications for ships

ZHANG Misi1，GAO Xinhua2，NING Hui1，WANG Kuisheng1

1 College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China

2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Due to the peculiar serving condition of the ships,the onboard equipment is often out of order, resulting in reduced life cycle;meanwhile,the maintenance cost rises correspondingly.In this paper,the advantages and disadvantages of arc spraying,super-sonic flame spraying,and plasma spraying for metal?lic thermally sprayed coatings are summarized.It is found that supersonic flame spraying best fits for large area metallic coatings for new ships.Certain factors that affect the corrosion resistance,adhesion,and poros?ity of the coatings are discussed,with the applications of metallic coatings on the ship being introduced.Fi?nally,in accordance with the requirements of metallic coatings,it is suggested that the integrated technolo?gy of supersonic flame spraying for large area spraying on the new ship should be studied,and the specific working procedure is described.Also,in order to meet the demands of the applications of large area metal?lic coatings for new ships,it is important to use post-treatment technologies with sealing agent to reduce the porosity of metallic coating,thus increasing the adaptation of metallic coatings to corrosive environ?ments.

thermal spray technology；metallic coatings；review；ship

U671.6

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.018

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1026.034.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

張米斯，高新華，寧暉，等.熱噴涂金屬涂層與艦船應(yīng)用前景［J］.中國艦船研究，2015，10（6）：120-125. ZHANG Misi，GAO Xinhua，NING Hui，et al.Thermally sprayed metallic coatings and the corresponding potential applications for ships［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：120-125.

2015-05-12 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2015-11-10 10:26

張米斯，女，1990年生，碩士生。研究方向：噴涂裝置集成方案研究。E-mail：15001229729@163.com王奎升（通信作者），男，1955年生，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：石油與化工機械