【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 體腐蝕：在高溫干燥環(huán)境下進(jìn)行的高溫腐蝕，是金屬材料與環(huán)境氣體在界 面化學(xué)反應(yīng)的直接結(jié)果。高溫氧化、硫化、混合氣體氣氛腐蝕屬于這一類。②高溫液體腐蝕：液態(tài)介質(zhì)對(duì)固體金屬材料的高溫腐蝕，通常是指熱腐蝕，即金屬 材料在高溫含硫的液氣工作條件下與沉積在其表面的鹽發(fā)生反應(yīng)而引起的高溫腐蝕形 態(tài)。③高溫固態(tài)物質(zhì)腐蝕：金屬材料在具有腐蝕性的固態(tài)顆粒的沖刷下發(fā)生的高溫腐 蝕。在這類腐蝕中既存在固體顆粒對(duì)材料的腐蝕，又有這些顆粒對(duì)金屬表面的機(jī)械磨損。 故常被稱為“腐蝕”或“沖蝕”。在循環(huán)流化床鍋爐環(huán)境中，受熱面材料的高溫腐蝕過程中實(shí)際上是上述幾種類型的 綜合，并以高溫?zé)岣g和磨蝕為主。2)高溫腐蝕的研究方法 研究反應(yīng)速度和動(dòng)力學(xué)規(guī)律是研究高溫腐蝕的主要方法之一。常用的測(cè)定反應(yīng)速度的方法包括㈣：①重量法：這時(shí)候最直接也是最方便的測(cè)定高溫腐蝕速度的方法?？梢愿鶕?jù)具體情 況選擇使用增重法和減重法。公式為：v=IGo—GlI／(St) (1．5)式中：v一腐蝕速度(g．m之h1)； Go一試樣的初始重量(g)： Gl—試樣腐蝕后的重量(g)； s一試樣的表面積(m2)；卜一腐蝕時(shí)間(h)。10沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文②容量法：這種方法是在恒定壓力下測(cè)量消耗反應(yīng)氣體的體積。該方法的靈敏度較 高，但易受到環(huán)境溫度變化和雜質(zhì)氣體的影響。③壓力法：是在恒定體積下測(cè)量腐蝕過程中反應(yīng)室壓力下降值的方法，較適用于單 組份氣體的腐蝕試驗(yàn)。除研究腐蝕動(dòng)力學(xué)之外，對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行觀察和分析也是研究高溫腐蝕的一種重要方法。1．4熱噴涂技術(shù)表面工程是經(jīng)表面預(yù)處理后，通過表面涂覆、表面改性或多種表面工程技術(shù)復(fù)合處 理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，以獲得 所需要表面性能的系統(tǒng)工程腳7l。表面工程技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是能夠以多種方法制備出性 能優(yōu)于基體材料性能的表面功能薄膜，其厚度一般為幾微米到幾毫米，僅為結(jié)構(gòu)尺寸的幾百分之一到幾十分之一，卻使零件具有了比基體材料更高的耐磨性，抗腐蝕性和耐高 溫等性能【28】。熱噴涂技術(shù)是表面工程中重要的表面技術(shù)，是表面工程發(fā)展的重要基礎(chǔ)。其熱源可 是火焰、電弧、等離予等等。熱噴涂技術(shù)是使用某種方式的熱源，使噴涂材料加熱至熔 融或半熔融狀態(tài)，用高壓氣流將其霧化，并以一定速度噴射到經(jīng)過預(yù)處理的零件表面， 從而形成涂層的表面加工技術(shù)∞1。隨著新型熱噴涂設(shè)備的不斷研制，熱噴涂方法的不斷 完善以及涂層性能的不斷提高，熱噴涂技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、電子、冶 金、能源、交通、石油、化工、食品、輕紡、廣播電視、兵器工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，并不斷 向高新技術(shù)領(lǐng)域滲透和發(fā)展。1．4．1熱噴涂技術(shù)的發(fā)展熱噴涂技術(shù)的開發(fā)和使用是從20世紀(jì)初開始的。19lO年，瑞士人M．u．schoop博 士發(fā)明了金屬熔液式噴涂，以后制成了線材火焰噴槍，又提出了電弧噴涂的設(shè)計(jì)㈣。這 一發(fā)明創(chuàng)造了熔融金屬噴涂的最基本形式，具有重要的啟蒙作用。20世紀(jì)30年代美國(guó) 和英國(guó)相繼研制出在鋼鐵防護(hù)的噴鋅、噴鋁技術(shù)中應(yīng)用的新噴槍。上個(gè)世紀(jì)30年代至40年代，火焰和電弧線材噴涂設(shè)備與工藝不斷完善，并出現(xiàn)了金屬粉末噴涂，熱噴涂技 術(shù)有較大改進(jìn)。50年代初期，自熔性合金粉末的研制成功，使熱噴涂技術(shù)有了重大突破，cFB鍋爐水冷壁電弧噴涂工藝及耐磨材料的研究改變了涂層的多孔性結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了涂層與基材的冶金結(jié)合，極大地?cái)U(kuò)展了熱噴涂技術(shù) 的應(yīng)用領(lǐng)域。50年代后期，空間技術(shù)的發(fā)展迎來了陶瓷噴涂的迅速發(fā)展，并成功研制了 爆炸噴涂和等離子噴涂。60年代，火焰噴涂、電弧噴涂和等離子噴涂技術(shù)日趨完善，工 藝上的進(jìn)步和材料的發(fā)展，使熱噴涂技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域及規(guī)模有了奇跡般的變化。60年代末 期，繼氧乙炔火焰粉末爆炸噴涂技術(shù)發(fā)明之后，又研制成功了脈沖放電線爆噴涂㈤，使 內(nèi)表面可噴涂的圓筒直徑小至10lnm。70年代以來，熱噴涂技術(shù)向著高能、高速、高效 發(fā)展，研制成功了高能等離子噴涂設(shè)備、低壓等離子噴涂設(shè)備和液穩(wěn)等離子噴涂設(shè)備等， 等離子噴涂法實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，并形成了一個(gè)新的領(lǐng)域。美國(guó)現(xiàn)在正在開發(fā)活性等離子噴 涂工藝，用于形成復(fù)合材料、陶瓷和金屬間化合物【2”。80年代，超音速火焰噴涂研制 成功，激光噴涂出現(xiàn)，電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用于熱噴涂設(shè)備中，從而使熱噴涂技術(shù)向著更高的 質(zhì)量和精密化、智能化方向發(fā)展。我國(guó)自40年代開始引進(jìn)熱噴涂技術(shù)，50年代開始研究和應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)129l。60年代 研制等離子噴涂設(shè)備和工藝，70年代研制成自熔合金粉末，80年代開始大力推廣應(yīng)用，1981年國(guó)家計(jì)委、國(guó)家科委在北京召開全國(guó)熱噴涂交流推廣大會(huì)，極大的促進(jìn)該技術(shù)在 我國(guó)的發(fā)展推廣應(yīng)用。目前，熱噴涂技術(shù)已經(jīng)越來越受到人們的重視。國(guó)外學(xué)者預(yù)測(cè)，在二十世紀(jì)末全世 界的熱噴涂市場(chǎng)每年將超過30億美元腳】。1．4．2熱噴涂原理及特點(diǎn) 熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱熔化或軟化，靠熱源的動(dòng)力或外加的壓縮氣流，將熔滴霧化并推動(dòng)熔粒成噴射的粒束，以一定的速度噴射到基體表面形成涂層的工 藝方法。盡管熱噴涂技術(shù)方法很多，但是噴涂過程、涂層形成和涂層結(jié)構(gòu)基本相同。一 般認(rèn)為，熱噴涂過程經(jīng)歷四個(gè)階段，即噴涂材料加熱熔化階段、熔化的噴涂材料霧化階 段、霧化顆粒飛行階段和噴涂層形成階段。涂層是經(jīng)過沖擊、碰撞、變形和凝固收縮四 個(gè)階段而形成的f3I．3釘。熱噴涂技術(shù)是表面工程技術(shù)的重要組成部分，是材料表面改性的重要手段，和其他 表面技術(shù)相比有其自己與眾不同的特點(diǎn)，上要包括以下幾個(gè)方面f221：(1)熱噴涂方法多樣沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文熱噴涂具體方法有十幾種，可以選擇合適的方法對(duì)零件進(jìn)行熱噴涂。 (2)熱噴涂涂層材料種類廣泛 金屬及其合金、陶瓷、塑料、尼龍以及它們的復(fù)合材料等都可以作為噴涂材料。 (3)基體材料使用范圍廣 幾乎所有的固體材料表面都可以熱噴涂，如金屬材料、無機(jī)材料(玻璃、陶瓷)、有機(jī)材料(包括木材、布、紙類)等。 (4)基體材料受影響小 噴涂時(shí)可使基體控制在較低溫度，所以基體變形小、組織和性能變化小，保證了基體質(zhì)量基本不受影響。 (5)涂層厚度可以控制 涂層厚度從幾十微米到幾微米，可以根據(jù)要求確定。 (6)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活施工對(duì)象的尺寸和形狀不受限制，也不受場(chǎng)地限制，既可以大面積噴涂，也可以進(jìn) 行局部噴涂。并且操作程序較少，施工時(shí)問短，效率高。因此適用于多種領(lǐng)域。1．4．3熱噴涂的種類作為新型的實(shí)用工程技術(shù)，熱噴涂目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)的分類方法，一般按照熱源的種 類、噴涂材料的形態(tài)及涂層功能來分。按照涂層的功能分為：耐磨、耐腐、隔熱等涂層。 按照加熱和結(jié)合方式分有噴涂和噴熔：前者是機(jī)體不熔化，涂層與基體形成機(jī)械結(jié)合： 后者則是涂層再加熱重熔，涂層與基體互熔并擴(kuò)散形成冶金結(jié)合。平常接觸較多的一種 分類方法是按照加熱噴涂材料的熱源種類來分圈，主要有：①火焰類：包括火焰噴涂、 爆炸噴涂、超音速噴涂；②電弧類：包括電弧噴涂和等離子噴涂；③電熱法：包括電爆 噴涂、感應(yīng)加熱噴涂和電容放電噴涂：④激光類：激光噴涂。幾種典型的熱噴涂技術(shù)介紹：1)電弧噴涂 電弧噴涂是將兩根被噴涂的金屬絲作為自耗性電極，分別接通電源的正負(fù)端，在噴槍噴嘴處，利用兩金屬絲短接瞬間產(chǎn)生的電弧為熱源熔化自身，借助壓縮空氣霧化熔滴cFB鍋爐水冷壁電弧噴涂r藝及耐磨材料的研究并使之加速，噴射到基體材料表面形成涂層。電弧噴涂是高效率、高質(zhì)量、低成本的一 項(xiàng)工藝，是目前熱噴涂技術(shù)中最受重視的技術(shù)之一。2)等離子噴涂(APS) 等離子噴涂技術(shù)是以高溫高速的等離子射流為熱源，以氮?dú)饣蚝庾霰Ｗo(hù)性氣體進(jìn)行噴涂。其射流高溫區(qū)的溫度可達(dá)lO ooOK以上，幾乎能熔化所有的固體物質(zhì)，尤其適 合制備難熔金屬、陶瓷、金屬陶瓷復(fù)合材料涂層以及其它特殊功能涂層。近十幾年來， 等離子噴涂技術(shù)有了飛速發(fā)展，己相繼開發(fā)出高能等離子噴涂、低壓等離子噴涂、水穩(wěn) 等離子噴涂、超音速等離子噴涂；以及一系列新的噴涂用粉末材料和功能涂層。等離子 噴涂的噴涂材料范圍廣，涂層組織細(xì)密，氧化物夾渣含量和氣孔率都較低，氣孔率可控 制到2％～5％，涂層結(jié)合強(qiáng)度較高，可達(dá)60MPa以上．3)火焰噴涂 火焰噴涂是最早得到應(yīng)用的一種噴涂方法。它以氧氣—燃?xì)饣鹧孀鳛闊嵩?，噴涂材料以一定的傳送方式送入火焰，并加熱到熔融或軟化狀態(tài)，然后依靠氣體或火焰加速噴 射到基體上?；鹧鎳娡扛鶕?jù)噴涂材料的不同，又分為絲材火焰噴涂、粉末火焰噴涂和棒 材火焰噴涂幾種。火焰噴涂具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，工藝成熟，投資少等優(yōu)點(diǎn)。但涂 層中含較多的氧化物和氣孔，而且混有變形不充分的顆粒，使得涂層結(jié)合不夠致密。并 且火焰溫度一般為3 ooO℃，只適用于低熔點(diǎn)的金屬，應(yīng)用范圍較窄。4)熱噴焊技術(shù)熱噴焊技術(shù)是將自熔性合金粉末先噴涂到基材上，然后對(duì)涂層進(jìn)行加熱重熔，獲得 與基材呈冶金結(jié)合的噴焊層。這種方法消除了噴涂層中的氣孔和氧化物夾渣，并與金屬 基材形成冶金結(jié)合面，從而大幅度提高了涂層的致密度和結(jié)合強(qiáng)度：與噴涂層相比，噴 焊層厚度可在較大范圍內(nèi)控制，但噴焊材料受到限制，一般只能噴焊自熔性合金粉末。 噴焊要對(duì)工件進(jìn)行加熱，存在較大的變形問題。熱噴焊技術(shù)一般包括火焰噴焊技術(shù)和等 離子噴焊技術(shù)，其中等離子噴焊層中幾乎沒有孔隙，較火焰噴焊層更致密，結(jié)合強(qiáng)度更 高，但等離子噴焊有一定的熔深和沖淡率，會(huì)改變基材的組織性能。5)高速火焰噴涂(HVoF)14沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文高速火焰噴涂目前主要指超音速火焰噴涂，有時(shí)人們也將爆炸噴涂認(rèn)為是高速火焰 噴涂的一種。高速火焰噴涂技術(shù)，將燃?xì)?丙烷、丙稀或氫氣)和氧氣輸入并引燃于燃 燒室，借助于氣體燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫和高壓形成的高速氣流，加熱熔化噴涂粉末并形成 一束高速噴涂射流，在工件上形成噴涂層。高速火焰噴涂的特點(diǎn)：氣體燃燒膨脹形成的 熱氣流使噴涂粒子達(dá)到極高的飛行速度。火焰噴射速度為音速的2倍以上，而噴涂熔粒 的速度可達(dá)300～l ooOms一；噴涂粉粒在火焰中加熱時(shí)間長(zhǎng)，受熱均勻，能形成良好的 微小熔滴：噴涂粉粒主要在噴涂槍中加熱，離開噴槍后飛行距離短，因而和周圍大氣接 觸時(shí)間短，在噴涂過程中幾乎不和大氣發(fā)生反應(yīng)，噴涂材料不受損害，微觀組織變化小， 這對(duì)噴涂碳化物材料特別有利，可避免分解和脫炭。高速火焰噴涂獲得的涂層光滑，致 密性好，結(jié)合強(qiáng)度高。涂層空隙率可小于0．5％，結(jié)合力可達(dá)100MPa以上。被廣泛用于 制各高致密性、高結(jié)合強(qiáng)度、低孔隙率要求的涂層。但是，由于高速火焰噴涂設(shè)備及噴 涂材料等成本太高，不適合我國(guó)國(guó)情，限制了其在我國(guó)的應(yīng)用。6)爆炸噴涂(D．GUN)爆炸噴涂是利用氧氣和可燃性氣體的混合氣，經(jīng)點(diǎn)火后在噴槍中爆炸，利用脈沖式 氣體爆炸的能量，將被噴涂的粉末材料加熱、加速轟擊到工件表面而形成涂層。爆炸噴 涂?jī)?yōu)點(diǎn)涂層致密，與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，缺點(diǎn)是噪音大且效率低。7)激光噴涂 激光噴涂是將從激光器發(fā)出的激光束聚焦在噴槍噴嘴近旁，噴涂粉末由壓縮氣體從噴嘴噴出，由激光束加熱熔化，壓縮氣體將熔粒霧化、加速，噴射到基材表面形成涂層。1．4．4熱噴涂工藝過程 為了獲得所需的涂層，熱噴涂工藝一般包括以下幾個(gè)過程： (1)表面預(yù)處理由于考慮到涂層與基體能很好的結(jié)合，基體表面必須清潔和粗糙。因此噴涂前對(duì)基 體表面進(jìn)行凈化和粗化是十分必要的，其處理的質(zhì)量直接影響到涂層的質(zhì)量，也往往關(guān) 系到整個(gè)工藝的成敗。凈化處理的目的是除去工件表面所有的污垢，如氧化皮、油漬、 油漆及其它污物，關(guān)鍵是除去工件表面和滲入其中的油脂。常用的除油方法有：溶劑清 洗、堿液清洗和加熱脫脂。粗化處理的目的是增加涂層和基體表面之間的接觸面及相互15一cFB鍋爐水冷壁電弧噴涂j：藝及耐磨材料的研究嵌合，使凈化的表面更加活化，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)基體表面粗化還可以改變涂 層中殘余應(yīng)力的分布。常用的租化處理方法有：噴砂、機(jī)械加工法，電拉毛、噴涂自粘 結(jié)材料作中間過渡層等。(2)預(yù)熱預(yù)熱是為了消除工件表面的水分和濕氣：提高噴涂粒子與工件接觸時(shí)的界面溫度； 減少因工件熱膨脹造成的涂層應(yīng)力，避免涂層開裂，提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。預(yù)熱 的溫度取決于工件的大小、形狀和材質(zhì)以及噴涂材辯的熱膨脹系數(shù)。一般控制在60～120℃之間。預(yù)熱方法可以用氧乙炔加熱和電爐、高頻加熱等。 (3)噴涂 制備好的工件表面要在盡量短的時(shí)問內(nèi)進(jìn)行噴涂。噴涂工藝參數(shù)要根據(jù)涂層種類、噴槍性能和工件的具體情況決定。 (4)涂層的后處理 噴涂后得到的涂層有時(shí)不能直接使用。根據(jù)不同的需要迸行不同的后處理。對(duì)于防腐涂層，為了防止腐蝕介質(zhì)進(jìn)入涂層到達(dá)基體需要進(jìn)行封孔處理：對(duì)于承受高應(yīng)力載荷 或沖擊磨損的工件，要對(duì)涂層進(jìn)行重熔處理；有尺寸精度要求的工件要進(jìn)行機(jī)械加工。1．5電弧噴涂技術(shù)1．5．1電弧噴涂的優(yōu)點(diǎn)和存在的問題 電弧噴涂技術(shù)具有效率高、成本低、涂層質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在熱噴涂中占有重要地位，己在能源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在一些領(lǐng)域已取代等離子噴涂和超音速火焰噴涂，在二十一世紀(jì)將會(huì)得到更大的發(fā)展網(wǎng)。(1)電弧噴涂技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)如下【39l：1)電弧噴涂生產(chǎn)效率高在單位時(shí)間內(nèi)噴涂金屬的質(zhì)量大。電弧噴涂的生產(chǎn)效率一般正比于電弧電流。一般比火焰噴涂生產(chǎn)效率提高2～6倍。2)電弧噴涂成本低 電弧噴涂是熱噴涂方法中能源利用率最充分的方法?；鹧娼z材噴涂的熱能利用率為13％，等離子噴涂為12％，而電弧噴涂卻高達(dá)57％。同時(shí)電能的價(jià)格又遠(yuǎn)低于氧氣和乙沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文炔，其費(fèi)用通常僅為火焰噴涂的l／lO【鐘1。并且設(shè)備投資費(fèi)用一般僅為等離子噴涂的l／3以下。3)電弧噴涂易于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè) 電弧噴涂設(shè)備比較簡(jiǎn)單、靈活。電弧噴槍體積小、重量輕