电弧喷涂技术应用研究进展

梁　国，李壮志，颜　飞，张　婧，贾传宝，常德春

(1.中国人民解放军济南军区72502部队，山东 济南 250330；2.山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001；3.中国海洋大学 化学化工学院，山东 青岛 266100)

电弧喷涂技术应用研究进展

梁国1，李壮志1，颜飞1，张婧2，贾传宝2，常德春3

(1.中国人民解放军济南军区72502部队，山东 济南 250330；2.山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001；3.中国海洋大学 化学化工学院，山东 青岛 266100)

摘要：介绍了电弧喷涂技术在国内的发展应用情况，总结了电弧喷涂设备以及电弧喷涂工艺的最新研究进展，并且分析了电弧喷涂材料的研究情况，最后探讨了电弧喷涂技术未来的发展趋势。

关键词：电弧喷涂；喷涂设备；喷涂工艺；喷涂丝材

电弧喷涂是指利用电弧来熔化2根连续送进的金属丝，在高速气流作用下使熔化的金属雾化并快速运动喷向工件形成涂层的技术[1]。电弧喷涂是钢结构防腐蚀、耐磨损涂层和机械零件维修等工程中应用最普遍的一种方法，可以完成其他工艺不能解决的问题。电弧喷涂工艺灵活，受限制小，可对大型设备进行大面积喷涂，也可对产品局部进行喷涂，可喷涂的丝材品种多，并适用于多种基体，喷涂层功能广、效率高、成本低，除了普通的耐磨损、防腐蚀涂层外，还有耐高温抗氧化、电导或电阻涂层等。电弧喷涂涂层具有良好的接合强度和极低的孔隙率，涂层致密均匀，而且喷涂过程中工件不变形，在技术上已比较成熟。本文主要从电弧喷涂设备、工艺以及材料应用等方面介绍了我国电弧喷涂技术最新的研究进展。

1电弧喷涂设备

电弧喷涂设备一般包括电弧喷涂电源、控制系统、电弧喷枪、送丝装置以及压缩空气供给系统[2]。喷涂电源供应的能量使丝材端部产生电弧并维持电弧稳定燃烧，其工作电压和电流是影响涂层质量的重要参数。电弧喷涂电源要求输出电压和电流极为稳定，抗干扰能力强，调节灵敏，可长期在恶劣的条件下运行，这样才能得到均匀的喷涂层，而且可以减少氧化烧损。同焊接系统采用的电源类似，电弧喷涂电源正朝着高效节能、大功率、小型化及智能化的方向发展。逆变技术的出现和发展为喷涂电源的发展提供了有效的途径[3]。选用逆变方波交流电源能在保证能量连续供给以维持电弧稳定燃烧的同时，使得电弧两极发热平衡，从而保证喷涂顺利进行[4]。逆变电源能减小电弧喷涂设备的质量和体积，实现大功率和小型化，同时可以增强电弧喷涂的稳定性，提高喷涂质量，扩大应用范围[5]。

电弧喷涂系统中的电弧喷枪是非常重要的部件[6]，电弧喷枪由壳体、导电嘴、喷嘴、雾化风帽和遮弧罩等组成，一般分为手持式和固定式2种。手持式喷枪的操作灵活方便，适用于喷涂结构不规则的试件，并能在相对狭小的空间应用；固定式喷枪通常用于大面积的试件或者喷涂生产线以及某些对涂层均匀性有较高要求的工作场合等。电弧喷枪的功能是送进丝材，并使送出丝材端相交，从而产生电弧使丝材熔化，再利用气流使熔化的金属雾化喷出[7]。电弧喷枪的结构与性能直接影响到喷涂层的质量和性能[8]。目前，电弧喷枪的研究热点是使用真空电弧喷涂得到纯净、致密的涂层，另外就是利用空气动力学的原理，对电弧喷枪作大量的改进，以细化喷涂粒子，改善雾化效果，提高喷涂质量[9-10]。查志宏等[11]利用空气动力学原理，研制出了类拉伐尔风帽型喷枪，该喷枪使金属微液滴在超音速状态下雾化，从而获得更细的金属粒子。该喷枪能使粒子束更加集中，这样有助于提高沉积效率，节约喷涂材料，从而提高电弧喷涂制模的效率。王锐等[12]设计出二进四出多雾化电弧喷枪，该喷枪可以改变雾化气流场和流速，使雾化气流场合理分布，提高了喷涂粒子的射流速度，改善了雾化效果，使雾化粒子更细小更均匀，降低了涂层孔隙率，获得了更大喷涂幅宽。喷枪中的导电嘴与喷嘴是非常关键的零件，对喷涂层的质量及喷涂过程的稳定有直接影响。导电嘴应有合适的长度和孔径才能使金属丝材稳定导电，孔径偏小会影响送丝，孔径过大则会导致丝材不能对中，使丝材导电不稳定，从而影响喷涂稳定性；另外，导电嘴内壁应保持清洁，粘上油污或其他绝缘的物质会影响丝材的导电性能，增加送丝阻力。导电嘴之间的夹角一般为30°～60°。盘状丝材从送丝机构经送丝管送入导电嘴时会出现固有的弯曲现象，所以不能保证2根金属丝相交时总是处于中心位置，当交点偏离气流中心时，容易造成雾化气流波动；因此，目前的电弧喷枪均采用在喷枪端部气流内雾化丝材的设计方式，以保证稳定的雾化过程[13]。

电弧喷枪因送丝方式的不同可以分为推丝式和拉丝式2种。由于拉丝式喷枪体积大，质量也很大，一般都做成固定式，适合于喷涂生产线使用；但拉丝式喷枪的送丝装置全在枪上，各种零件受质量限制，体积都很小，所以拉丝的力量有限，不能满足所有丝材的送丝要求，一般只能拉动小盘的锌、铝等材质较软的丝材。推丝式喷枪是由专门的送丝机构通过2根特制的送丝软管推送到导电嘴中，所以枪体结构简单，质量小，操作灵活，最适合手持作业[14]。

送丝系统通常由送丝机构、送丝软管和丝盘等组成，送丝机构还包括直流伺服电动机、减速器、送丝主动轮、送丝轮和压丝轮等。送丝系统的作用是将2根相互绝缘的金属丝稳定地自动送入电弧区。丝盘上的金属丝经过安装在减速器输出轴上的送丝主动轮驱动送丝轮，使金属丝进入送丝软管及喷枪内的导电嘴。由于送丝系统的稳定性关系到电弧喷涂工作的生产率和涂层质量，所以要求送丝系统具有优良的驱动性能及较小的送丝阻力。

电弧喷涂系统多采用一体式电控气、电开关，操作方便，可实现长距离作业[15]。电弧喷涂系统精良的性能和稳定的运行状态能为获得性能优良的喷涂层提供最基本的保障[16]。现代化的智能喷涂系统能够自动进行规范程序操作，避免因操作人员的误操作而产生的机器损坏，确保了操作人员和设备的安全[17-18]。

2电弧喷涂工艺

电弧喷涂的施工过程主要有3道工序：喷砂、喷涂以及涂层封闭。各个施工阶段有着严密的检测手段及检测方式[19]。

为了使涂层与基体材料很好地接合，基材表面必须清洁，同时还要进行粗糙处理。喷砂是最常用的粗化处理方法[20]，喷砂时一般先选用16～20号石英砂粗喷，最后用14～16号轴承钢砂进行表面粗糙化处理，使其表面粗糙度达到Ra(60～80) μm，喷砂后管壁表面应干燥，无灰尘油污、无氧化物或其他杂物，保持清洁。基材的表面应呈现出均质的金属外观。喷涂时采用井字型喷涂方式，确保喷涂层的厚度均匀及接合力足够大。喷涂表面应是干净均匀的，不允许有起皮、鼓包、颗粒粗大、裂纹、掉块、漏喷及其他影响涂层使用的缺陷[21]。电弧喷涂空气气源的压力一般为0.6～0.7 MPa。

电弧喷涂工艺的合理选择对涂层性能的优劣具有决定作用[22]， 陈彬等[23]通过不同喷涂工艺形成涂层的组织结构、涂层与基体的界面接合形貌、孔隙率与氧化物分布等涂层微观结构的金相试验结果，建立了喷涂工艺的评价指标集；将二元对比分析法和模糊综合评判相结合，可以对喷涂涂层的定性指标进行有效的综合权衡分析，为喷涂工艺的选择提供合理依据。王银军等[24]研究发现，采用合适的表面预处理、喷涂打底层，严格控制基体的热量输入是提高涂层接合强度的有效途径。董立先等[25]研究表明，除了电弧电流之外，喷涂距离也能影响涂层性能稳定性。喷涂工艺方面则向机械化和自动化方向发展，如计算机控制和机械手操作等。在电流电压方面，通常在喷锌或喷铝时的空载电压调节到30～32 V，电流调节到180～200 A即可；而喷涂不锈钢、铜或其他硬质合金时，电压应为35～38 V，电流应为200～250 A。

3电弧喷涂材料及应用

随着电弧喷涂设备的不断完善，电弧喷涂所用的丝材品种逐年增加，性能也随之提高，应用面也越来越广，主要在防腐、耐磨涂层和零件修复等领域被应用。

电弧喷涂材料一般有粉芯丝材和实芯丝材2种。实芯丝材主要包括有色金属丝材(铝、锌、铜和镍等金属及其合金)和黑色金属丝材(碳钢和不锈钢)等；粉芯丝材则是由金属外皮包裹着一定粒度的不同类型的金属、合金粉末、复合陶瓷粉末材料等构成，粉芯丝材拓宽了电弧喷涂材料的应用范围，克服了高合金丝材不宜成形的缺点，还使一些不能导电的颗粒材料在电弧喷涂上得以应用，并可制造特殊的合金涂层和金属陶瓷复合材料涂层，是一种非常有发展前景的电弧喷涂材料，在国内外已得到成功应用[26]。

锌丝和铝丝及其合金是最常用的纯金属喷涂丝材，主要用于对桥梁、石油平台、舰船、水利设施和运输管道等大型钢铁结构件进行长效防腐。它们对钢铁材料的保护机理主要有2个：1)隔离腐蚀介质；2)作为牺牲阳极对基体进行阴极保护[27]。研究发现，锌铝合金有着更好的防腐效果，合金涂层中Zn腐蚀电位较低，不但能保护基体不被腐蚀，还能减缓Al的腐蚀速率，而Al具有较高的硬度，强化了整个涂层体系，提高了涂层耐磨性和耐冲蚀性，从而延长了涂层的使用寿命。另外，Al的表面生成致密的氧化铝膜，抗腐蚀能力很强，而Zn的腐蚀产物能封闭涂层中的空隙，进一步强化了金属涂层的保护作用，起到长效防腐的效果。研究人员通过添加其他合金元素，能降低孔隙率，进一步提高涂层防腐效果及使用寿命[28]。向ZnAl合金里面添加Mg和一些稀土元素成为国内相关材料研制单位的研究热点[29-30]。

除了可以作为耐腐蚀涂层外，很多材料因硬度较高，也可以作为耐磨涂层使用。铝青铜喷涂丝、镍基合金喷涂丝以及316L不锈钢喷涂丝等也是常用的防腐耐磨喷涂丝材[31]。铝青铜涂层的接合强度高，抗海水腐蚀能力强，并具有很好的耐腐蚀疲劳和耐磨性，主要用于喷涂水泵叶片、气闸阀门、活塞和轴瓦表面。张忠礼等[32]采用铝青铜作为高温防护涂层体系，薛冰等[33]采用超音速电弧喷涂技术制备铁铬铝/铝青铜金属复合涂层发现，该涂层具有较好的抗高温氧化性能。镍基合金喷涂丝具有很好的抗高温氧化性能，可在800 ℃高温下使用，是目前应用很广的热阻材料。镍铬涂层可以耐水蒸汽和酸碱等介质的腐蚀，因此，镍铬合金被大量用作耐腐蚀及耐高温喷涂层。赵晓舟等[34]针对垃圾焚烧炉过热器热腐蚀及磨损问题，设计开发了新型镍基粉芯丝材，试验发现镍基涂层在高温时能够有效阻止腐蚀介质向涂层内部的渗透。碳钢和不锈钢类丝材具有强度较高、耐磨性好和价格低廉等特点，也是使用较多的喷涂材料。

实芯丝材现阶段已发展较为成熟并被成功应用，而粉芯丝材的出现丰富了喷涂材料的种类，使得多种材料在电弧喷涂中有效应用。美国Metalspray公司于90年代成功研发出用超音速电弧喷涂75Cr3C2/25NiCr粉芯丝材，大副度简化了实际操作过程并减少了成本，展现了电弧喷涂耐高温冲蚀磨损涂层在实际应用中的优势[35]。王昊等[36]制备Fe基合金陶瓷涂层发现，经有机硅封闭处理后涂层的开路电位及腐蚀电位提高，腐蚀电流降低，等效电阻增大，耐腐蚀性能大幅提高。赵秋颖等[37]在FeCrBC合金系粉芯丝材中添加一定的氟化钙，研究氟化钙对电弧喷涂铁基涂层组织及磨损性能的影响发现，当粉芯丝材中氟化钙质量分数由0%增加到10%时，涂层摩擦因数及磨损量减小，添加氟化钙的涂层磨损后表面形貌光滑平整。近年来，非晶纳米晶复合涂层引起了人们的密切关注，以铁[38-39]、铝[40]和镍[41]为基体的非晶纳米晶复合涂层[42]被广泛研究和应用，在纳米复合材料方面，开展纳米陶瓷增强复合材料和非晶合金材料[43]等新型优质丝材的研究。

另外，电弧喷涂作为有效的手段在零件修复领域被广泛应用[44-45]，例如再制造曲轴[46-47]、柱塞修复[48]、风机叶片修复[49]和烘缸修复[50]等。陈永雄等[51]针对废旧汽车铝合金发动机缸盖的再制造需求，对发动机缸盖进行了失效分析，并研究了高速电弧喷涂Al-RE涂层的再制造工艺，实现了铝合金缸盖的再制造。

4结语

电弧喷涂技术已被人们接受和认可，在国内外的应用研究也正推向深入。总体来看，下述几个方面将是电弧喷涂技术的研究重点。

1)关注电弧喷涂工艺过程的机理研究[52]。研究电弧喷涂的过程及机理，对开发新的喷涂工艺及提高涂层的质量和性能有重要意义。

2)开发新设备，研究自动化喷涂技术。在现有设备的基础上开发喷涂效率高、效果好的便携式设备，并在实际工作中推广应用。现有的喷涂技术以人工为主，机器多为辅助，离大规模的应用还有差距；因此，借鉴国外行业经验，加快自动化电弧喷涂技术的研究，对拓展电弧喷涂的应用领域和降低人工成本有重要意义。

3)研究新型喷涂材料。开发性能优良、便于生产施工的新型丝材并在工业生产中推广应用，提高丝材的使用率，降低材料成本。

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责任编辑郑练

Research and Application of Progress of Arc Spraying

LIANG Guo1,LI Zhuangzhi1,YAN Fei1,ZHANG Jing2,JIA Chuanbao2, CHANG Dechun3

(1.Unit 72502, Chinese PLA Jinan Military Area, Jinan 250300，China;2. Institute of Oceanographic Instrumentation,Shandong Academy of Sciences, Qingdao 266100, China;3. College of Chemistry and Chemical Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266001, China)

Abstract:The paper introduced the development and application of arc spraying. Recent research developments of arc spraying equipment and technology were reviewed. The study of wires material for the arc spraying was also analyzed. At last, the development trend of arc spraying was discussed.

Key words:arc spraying, equipment, technology, wires material

收稿日期：2014-06-25

作者简介：梁国(1978-)，男，讲师，主要从事车辆维修技术等方面的研究。

中图分类号：TG 174.4

文献标志码：B