火焰噴涂設(shè)備特點及其在金屬零件修復(fù)上的應(yīng)用

彭怡楚

（安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

隨著人類社會的發(fā)展，人們的出行方式越來越多樣化，海、陸、空配套的交通工具也越來越先進(jìn)，需要使用大量的金屬零件。隨著交通工具使用年限的增加，金屬零件因磨損、腐蝕、劃傷而造成的機械損傷增多，造成零件尺寸超差不能使用，需要重新修復(fù)才能再次使用；部分高強度鋼、鈦合金類金屬零件的表面鍍鉻次數(shù)有限制，鍍鉻次數(shù)增加會帶來更多潛在的氫脆失效風(fēng)險，造成零件失效。目前，再制造工程技術(shù)不斷拓展，涉及修復(fù)失效的金屬零件、對零件表面進(jìn)行強化等，應(yīng)用最多的是噴涂工藝、電刷鍍工藝和電火花強化工藝等，其中熱噴涂應(yīng)用領(lǐng)域廣闊?；鹧鎳娡考夹g(shù)作為一種熱噴涂工藝方法，在大型船舶、民用航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，一些關(guān)鍵金屬零件的制造和修理均已采用火焰噴涂技術(shù)代替電鍍鉻，用于金屬零件尺寸修復(fù)與表面改性，擴(kuò)展零部件用途和延長壽命，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

1 火焰噴涂技術(shù)特性

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對各種金屬零件的表面性能要求越來越高。熱噴涂技術(shù)是一種零件表面涂層處理技術(shù)，能夠制出優(yōu)于本體材料性能的表面功能薄層，賦予零件耐磨損、耐高溫、防腐蝕、防輻射、抗疲勞等性能?；鹧鎳娡考夹g(shù)是熱噴涂技術(shù)的一種，是一種可在材料表面高效率、快速地形成涂層的熱噴涂工藝方法，該工藝?yán)靡环N特殊結(jié)構(gòu)的噴槍將材料加熱并霧化成熔化或半熔化的粒子，經(jīng)加速后高速撞擊零件的基體表面，獲得結(jié)合致密性好、強度高的高質(zhì)量涂層，廣泛用于零件表面改性和尺寸修復(fù)?；诨鹧鎳娡考夹g(shù)研發(fā)的火焰噴涂設(shè)備功能不斷提升，火焰噴涂方式包括火焰粉末噴涂、火焰線材噴涂等離子噴涂、超音速火焰噴涂等，火焰噴涂設(shè)備的控制系統(tǒng)能夠控制不同的噴涂工藝，在進(jìn)行不同種類噴涂時，如果配置了各自工藝控制中心，能實現(xiàn)通過一個控制柜接口，同時控制任何一個或所有噴涂工藝的功能。

2 火焰噴涂設(shè)備特點

2.1 系統(tǒng)總體

火焰噴涂設(shè)備應(yīng)具有完整性及成套性，至少應(yīng)包括核心噴涂系統(tǒng)、噴砂系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、隔音房等（圖1）。需具有成熟的控制系統(tǒng)，易于操作，可對整個工藝過程精準(zhǔn)操作和適時監(jiān)控。噴涂房、噴砂房外的線纜及軟管應(yīng)使用鋼制保護(hù)橋架；所有進(jìn)入噴涂房、噴砂房的供電電纜應(yīng)穿管保護(hù)，符合國家電工安全要求：充分考慮配套煤油、乙塊、氧氣等噴涂燃料的儲存、輸送安全。

圖1 火焰噴涂設(shè)備外形示意圖

2.2 噴涂系統(tǒng)

（1）噴涂系統(tǒng)包括工藝控制柜、氣體控制中心、分配控制器、水冷卻系統(tǒng)等主體設(shè)備，以及除塵器、風(fēng)機、噴涂隔音房、機械手、轉(zhuǎn)臺等噴涂外圍設(shè)備。噴涂系統(tǒng)應(yīng)配置集成控制系統(tǒng)，可對系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行集中操控，具備對系統(tǒng)各分組件實現(xiàn)供電、收集故障信息，安全操作連鎖等功能，系統(tǒng)專門配置相應(yīng)的擴(kuò)展接口箱，聯(lián)結(jié)相應(yīng)設(shè)備，提供系統(tǒng)安全連鎖、系統(tǒng)聯(lián)動運行、機械手協(xié)調(diào)運動。

（2）所配噴槍應(yīng)能滿足各類涂層材料的噴涂要求，可獲得高致密性，高硬度涂層；同時能滿足大、中型鋼制零件噴涂的效率性要求，同時兼顧小型鈦合金零件單件噴涂時的熱量控制、經(jīng)濟(jì)性等要求。配備的送粉器應(yīng)具有高精度閉環(huán)控制功能，同時具有顯示送粉率的功能。配備熱噴涂工藝專用冷卻系統(tǒng)，制冷能力能滿足火焰噴槍滿負(fù)荷下冷卻需要；應(yīng)配置工件冷卻裝置，具有不少于兩組壓縮空氣冷卻裝置，每路噴嘴壓縮空氣的啟停采用集成控制系統(tǒng)控制；配置調(diào)壓，冷卻效果滿足工件噴涂時的冷卻需求。噴涂系統(tǒng)應(yīng)配置六軸機器人噴槍夾持模塊，采用六軸機械手，同時配備夾持噴槍的機械手槍架，輔助配備立臥兩用旋轉(zhuǎn)工作臺，具有安全連鎖，能與機器人實現(xiàn)聯(lián)動；旋轉(zhuǎn)工作臺運動精度能滿足噴涂工藝要求，能夠適應(yīng)噴涂過程中零件受熱帶來的長度增加，可以杜絕非柔性工裝可能導(dǎo)致的零件受熱變形現(xiàn)象，具有非轉(zhuǎn)動定位功能，電機軸承具有防塵功能。配置濾筒式除塵器，除塵能力滿足噴涂房除塵需求。

2.3 噴砂系統(tǒng)

（1）噴砂系統(tǒng)工作原理：室外空氣經(jīng)噴砂室頂部安裝的分散送風(fēng)消音板送入室內(nèi)，在噴砂室橫斷面形成空氣靜流層，將室內(nèi)砂粒、清理物灰塵等經(jīng)吸砂地板帶入分選器，由分選器將有用砂子和其他廢物分開，有用的砂子流回噴砂罐循環(huán)使用，其他廢物被空氣帶入除塵器，經(jīng)過二次除塵后，灰塵流入垃圾桶，潔凈空氣經(jīng)鼓風(fēng)機排入大氣，噴砂系統(tǒng)原理示意圖如圖2。噴砂系統(tǒng)用于金屬類零件為主（材料以鈦合金或高強鋼為主，也有部分其他材質(zhì)，如滲碳鋼等）表面噴砂處理，自動回收砂料封閉噴砂，可滿足對工件涂層的剝離，也可達(dá)到清除銹層、氧化皮、毛刺、電鍍與涂裝前期預(yù)處理等要求。

圖2 噴砂系統(tǒng)原理示意圖

（2）噴砂系統(tǒng)應(yīng)配置至少2套獨立的噴砂單元，用以滿足鋼制零件與鈦合金零件噴砂工序的嚴(yán)格分離：2套噴砂單元所配噴砂槍都應(yīng)配置進(jìn)口調(diào)砂、進(jìn)口氣動排氣、調(diào)砂以及噴砂管。所配砂粒分離系統(tǒng)應(yīng)配置兩級分離系統(tǒng)，第一級應(yīng)為不銹鋼制旋風(fēng)分離系統(tǒng)，第二級應(yīng)為振動篩分系統(tǒng)，配置不銹鋼篩網(wǎng)，可按照實際需要選用不同目數(shù)進(jìn)行篩分。鋼制零件噴砂單元應(yīng)配置噴槍夾持機構(gòu)，具備至少一個自由度，能滿足中小型鋼制零件的噴砂需求，同時兼顧零件快速裝夾，夾持機構(gòu)移動軸應(yīng)有良好的防砂處理。應(yīng)配置集成控制系統(tǒng)，集成過程中采用知名品牌可編程控制器為控制核心單元，具備對系統(tǒng)各分組件實現(xiàn)供電、收集故障信息，安全操作連鎖等功能，電路設(shè)計上充分考慮安全、可靠，風(fēng)機的控制具有過熱、超載、缺相、反向等保護(hù)功能。噴砂系統(tǒng)應(yīng)配置脈沖干式濾筒除塵器，采用脈沖反吹清灰方式，過濾精度高、過濾阻力小、粉塵排放量小，濾芯數(shù)量滿足噴砂房除塵及回砂等功能需求。所配噴砂房應(yīng)有良好的隔音功能，系統(tǒng)回砂和除塵采用2臺風(fēng)機，用于砂料和粉塵的回收，風(fēng)機配有隔音罩，系統(tǒng)運行時噪音水平符合國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 除塵系統(tǒng)

整套設(shè)備所有除塵器均應(yīng)采用濾筒式除塵，濾筒采用知名品牌（如：唐納森品牌或同等級品牌），噴涂系統(tǒng)濾芯數(shù)、鋼制零件噴砂單元濾芯數(shù)、鈦合金零件噴砂單元濾芯數(shù)等均應(yīng)有明確要求。除塵器應(yīng)采用PLC控制，并有壓差顯示：除塵器所配風(fēng)機排風(fēng)量應(yīng)不低于35000m/h，風(fēng)機軸承采用進(jìn)口品牌，風(fēng)機應(yīng)配置出口消音器，噴涂系統(tǒng)風(fēng)機排風(fēng)口高度應(yīng)符合環(huán)保相關(guān)要求，風(fēng)機排風(fēng)管出口應(yīng)配置防雨眉。除塵風(fēng)機應(yīng)配置變頻控制器，噴涂系統(tǒng)運行為全頻運行，噴涂系統(tǒng)停機時可選擇節(jié)能模式運行。除塵器濾芯脈沖反吹系統(tǒng)電機為防爆電機，同時應(yīng)具有壓縮空氣干燥設(shè)施，確保壓縮空氣含水量不超標(biāo)；除塵風(fēng)機配隔音房、檢査平臺，除塵器抽風(fēng)及排風(fēng)管應(yīng)進(jìn)行防腐處理。

2.5 隔音房

所配噴涂房以及噴砂系統(tǒng)中鋼制零件噴砂單元房應(yīng)有良好的隔音功能，隔音板噴涂房進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口均應(yīng)配置消音器，系統(tǒng)運行時噪音水平符合國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；噴涂房工作門應(yīng)設(shè)置警示燈并有電器聯(lián)鎖設(shè)計，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行噴涂時，警示燈應(yīng)閃爍，單開工作門應(yīng)能在房間內(nèi)開門；噴涂房應(yīng)配置觀察窗不少于2組，觀察視窗應(yīng)配置3層隔音玻璃。應(yīng)配置防塵照明燈，光照度大于300勒克斯。

3 火焰噴涂技術(shù)應(yīng)用

火焰噴涂工藝技術(shù)現(xiàn)階段已經(jīng)較為成熟，是目前應(yīng)用比較廣泛的噴涂方法之一，是再制造工程中的關(guān)鍵技術(shù)，也是噴涂工藝今后發(fā)展的主要趨勢，該技術(shù)在金屬零件修復(fù)上應(yīng)用廣泛，可以制備出減摩耐磨、抗高溫氧化、耐腐蝕、防輻射、導(dǎo)電絕緣等功能涂層。

（1）火焰噴涂工藝相比傳統(tǒng)的等離子噴涂，涂層孔隙率更低，一般不大于1%，而等離子涂層一般不大于6%；基體結(jié)合強度更高，不小于70Mpa，而等離子涂層一般不超過50Mpa。相比傳統(tǒng)鍍硬絡(luò)工藝，涂層孔率低（硬鉻層易產(chǎn)生網(wǎng)紋，導(dǎo)致漏油漏氣）、硬度和耐磨性高（碳化鎢／鉆涂層耐磨性是硬鉻層的4倍以上），無氫脆。另外，等離子噴涂和鍍鉻層均為拉應(yīng)力，火焰噴涂則可產(chǎn)生壓應(yīng)力，因此涂層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于等離子涂層和鍍鉻層（等離子涂層厚度極限0.8mm，鍍鉻層厚度極限0.2mm，火焰噴涂涂層厚度極限2mm)，抗疲勞性能更優(yōu)，更能滿足零件修理質(zhì)量要求，已大量應(yīng)用民航客機金屬零件的制造和維修中，火焰噴涂新型設(shè)備，自動化程度、生產(chǎn)效率、涂層質(zhì)量更高。

（2）火焰噴涂技術(shù)主要用于功能性涂層制備，可用于解決零件機械損傷中因磨損、腐蝕、劃傷造成的尺寸超差以及高強鋼、鈦合金類零件的代輅修復(fù)，綜合性能優(yōu)異。其主要特點為：

涂層比鉻層硬度高，摩擦系數(shù)低，耐磨性更好；涂層表面為壓應(yīng)力，可提供更高的涂層厚度，最高可達(dá)2mm，可進(jìn)行大尺寸修復(fù)，比鍍鉻結(jié)合力好、強度高，不產(chǎn)生氫脆，可代替鉻。

高速區(qū)范圍大，可操作噴涂距離范圍大，工藝性好；火焰及噴涂粒子速度高，可連續(xù)噴涂，工作效率高。適用范圍廣，適用于所有的金屬和金屬合金材料。

對零件基體影響小，噴涂過程中零件表面溫度可控制在200℃以下，可有效避免對零件基材的影響。環(huán)境污染主要為廢氣和噪聲，廢氣處理率99%以上，噪聲通過廠房隔音控制在85dB以下，環(huán)境污染小。

（3）火焰噴涂技術(shù)適用于所有的金屬和金屬合金材料，可用于機械零部件腐蝕、裂紋、磨損、劃傷等損傷缺陷排除后的尺寸恢復(fù)，亦可用于高強度鋼、鈦合金零件的代鉻修復(fù)，適用范圍廣泛。該技術(shù)可用于噴涂碳化鎢、碳化鉻、鈷基合金、鎳鉻合金、不銹鋼等材料，基本涵蓋了各類功能性涂層，可滿足零件修理的各類需求。

（4）火焰噴涂技術(shù)成熟可靠，對基體材料疲勞性能影響很小，耐磨性能是電鍍硬鉻的4倍以上，密封性能遠(yuǎn)優(yōu)于硬鉻。美國曾在上個世紀(jì)九十年代中期開展火焰噴涂工藝代替電鍍硬鉻的研究，選用飛機起落架為試驗對象，飛機起落架在對其噴涂涂層后，后期經(jīng)過1700多次的飛行起降未發(fā)現(xiàn)任何問題，性能良好。

（5）火焰噴涂新型設(shè)備，有較好的易用性、維護(hù)性。經(jīng)調(diào)研國外品牌在國內(nèi)設(shè)有設(shè)備代理商，均可提供全面的培訓(xùn)服務(wù)，包括詳細(xì)的操作、檢測、日常維護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)的噴涂工藝等。設(shè)備在使用維護(hù)時無特殊要求，主要易損件為噴槍槍管，設(shè)備供應(yīng)商提供的相關(guān)備件包可保障設(shè)備正常運行1500h易損件的更換需求。

4 結(jié)語

隨著火焰噴涂技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，火焰噴涂技術(shù)將成為航空設(shè)備、大型船舶再制造領(lǐng)域不可或缺的中堅力量，它將不斷提高和發(fā)展，以適應(yīng)再制造領(lǐng)域的快速發(fā)展。提高火焰噴涂技術(shù)在金屬零件修復(fù)中的應(yīng)用范圍實現(xiàn)高效規(guī)模化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率的同時獲得可靠、穩(wěn)定的高質(zhì)量涂層，進(jìn)一步提高再制造零件的性能，進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實意義。