再制造工程中的热喷涂技术（上）

    摘 要：再制造是废旧产品高科技维修的产业化。再制造既不同于维修，也不同于再循环。热喷涂技术是再制造的关键支撑技术之一。本文从基础及应用基础的角度研究了高速电弧喷涂金属间化合物耐高温冲蚀涂层、铝基氧化铝增摩涂层、Zn-Al-Mg-RE耐海水腐蚀涂层，及高效能超音速等离子喷涂12Co-WC耐砂粒磨损涂层、Al2O3/TiO2纳米结构耐磨涂层。结果表明，热喷涂技术制备的涂层，可以满足再制造对于耐磨、耐蚀等各种要求。
    关键词：再制造工程 高速电弧喷涂 超音速等离子喷涂 磨损 腐蚀

1 再制造工程的内涵

    再制造工程是以产品全寿命周期理论为指导，以废旧产品实现跨越式发展为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。装备再制造工程的研究对象——“产品”是广义的。它既可以是设备、系统、设施，也可以是其零部件；既包括硬件，也包括软件。简言之，再制造工程是废旧产品高技术维修的产业化。
    产品从论证、设计、制造、使用、维修，直至报废所花费的全部费用称为全寿命周期费用。传统观念往往注重对占全寿命周期费用20%-30％的产品前半生(论证、设计、制造阶段)的投入，而却忽视了对占全寿命周期费用70%-80％的产品后半生(使用、维修、报废阶段)的投入。再制造工程就是以产品后半生为研究对象，提升、改造废旧产品的性能，使废旧产品重获生命力。
再制造的重要特征是再制造产品质量和性能达到或超过新品，成本却只是新品的50%，节能60%，节材70%，对环境的不良影响与制造新品相比显著降低。
    再制造既不同于装备维修，又不同于装备再循环（回收利用）。维修是在产品的使用阶段为了使其保持良好状况而采取的技术措施，常具有随机性、原位性、应急性。而再制造是将大量废旧产品拆卸后，按零部件的类型进行检测，以有再制造价值的零部件为毛坯，利用先进表面技术及其它高新技术对其进行批量化修复、性能升级，所获得的再制造产品在技术性能上能达到甚至超过新品。
再循环（回收利用）是通过回炉冶炼等加工方式，得到低品位的原材料，而且回收中要消耗较多的能源，对环境有较大的影响。再制造是以废旧成型零部件为资源，通过高新技术加工获得高品质、高附加值的产品，消耗的能源少，最大限度地找回了废旧零部件中蕴含的附加值，其生产成本要远远低于新品。

2 热喷涂技术在再制造工程中的应用

    再制造工程需要有具体的关键技术作为支撑。先进的表面工程，以及纳米表面工程技术是再制造工程最重要的关键技术之一。热喷涂技术是（纳米）表面工程的重要组成技术。它的实质是将待喷材料加热至熔融或半熔化状态，然后在高速压力气体作用下快速喷射冲向基体，最后经碰撞变形而堆积成形。热喷涂方法有多种，其中高速电弧喷涂和超音速等离子喷涂应用较广。利用超音速等离子喷涂方法可以制备出纳米结构涂层。

2.1高速电弧喷涂金属间化合物涂层耐高温腐蚀、冲蚀研究

    大型电站锅炉水冷壁管道的工作环境非常恶劣，热腐蚀非常严重。锅炉的燃料为煤，煤中含有S、K、Na、V等杂质，在燃烧时形成SO2、SO3、H2S、V2O5等，与空气中的O2、NaCl等反应在管道表面形成沉积熔盐，从而加速材料的腐蚀破坏。
    通过对管道壁喷涂高Ni-Cr合金涂层可有效防止热腐蚀，但该方法成本较高，不易推广。Fe-Al金属间化合物结构涂层以其优良的抗氧化和抗硫化性能、多种介质中的抗腐蚀性能、较高的高温强度、低密度、尤其是低成本等特点，可广泛用于减轻热腐蚀破坏。但是，Fe-Al金属间化合物的室温低塑性和低的断裂抗力恶化了其成形工艺性能，大大限制了其工程应用。为了克服Fe-Al金属间化合物成形困难的工艺缺点，采用高速电弧喷涂与粉芯丝材（铁皮包铁铝混合粉末）相结合的材料制备与成形一体化技术，在实验室中成功制备了Fe-Al金属间化合物及其复合涂层（Fe-Al、Fe-Al/WC、Fe-Al/Cr3C2）。结果表明，Fe-Al金属间化合物及其复合涂层具有优良的耐热腐蚀与冲蚀磨损性能。Fe-Al金属间化合物被称为“穷人的不锈钢”。
    图1(a)、(b)分别为高速电弧喷涂Fe-Al/WC、Fe-Al/Cr3C2复合涂层的截面形貌，可见复合涂层与基体是良好的机械嵌合，同时还存在着一定的冶金结合，因此结合强度较高。图2(a)、(b)分别为对Fe-Al/WC复合涂层中不同区域的TEM分析。由于冷却速度不同，涂层的扁平颗粒内部以亚微晶和微晶为主，在局部区域出现纳米晶结构，同时发现存在少量非晶态相；晶粒内部位错密度较高。

图1 Fe-Al涂层和Fe-Al/WC涂层扁平颗粒内部的超细组织

normal align=center>图2 Fe-Al涂层和Fe-Al/WC涂层扁平颗粒内部的超细组织

    图3为在实验室中模拟实际工况对高速电弧喷涂Fe-Al/WC、Fe-Al/Cr3C2复合涂层进行的摩擦学性能试验。图3(a)为复合涂层在不同温度下的磨损率曲线。可以看出，Fe-Al/WC复合涂层的磨损率无论在室温还是高温下，磨损率均最低，表明该涂层具有优异的高、低温耐磨性能。图3(b)为Fe-Al/Cr3C2复合涂层在650℃下的热腐蚀实验结果，可见其耐热腐蚀性能明显优于基体，尤其在高温条件下。高速电弧喷涂Fe-Al金属间化合物及其复合涂层（Fe-Al/WC、Fe-Al/Cr3C2），在高温条件下也会被氧化，但氧化过程中，Al原子向涂层表面扩散形成Al元素富集区，并与O反应生成保护性的Al2O3膜，阻止了涂层的进一步氧化，这样保护了基体免受热腐蚀破坏。

normal align=center>图3 Fe-Al/WC、Fe-Al/Cr3C2复合涂层的耐磨性与耐热腐蚀性曲线

    高速电弧喷涂制备的Fe-Al金属间化合物及其复合涂层已逐渐应用于海军舰艇锅炉管道的受热面和坦克、装甲车辆发动机排气管外壁等受到热腐蚀与冲蚀磨损的零部件。

normal style=”MARGIN-LEFT: 0cm; MARGIN-RIGHT: 0cm”>2.2高速电弧喷涂铝基氧化铝增摩涂层研究

舰船主甲板的防滑处理一直是困扰我们的难题之一。舰船上的许多钢结构及部件，如顶层甲板、设备器材的搬运区、人员活动走廊、直升机甲板系桩等部位，对防滑表面有很高需要，摩擦系数要求在0.6以上。舰载直升机和人员的安全主要取决于直升机轮胎与停机坪及人员鞋底与甲板之间足够的摩擦力。现采用的防滑表面涂层为传统的聚合物涂层体系，即聚合物和大粒度金刚砂组成的有机复合涂层。金刚砂粒度为0.45～0.9mm，涂层厚度1.5mm。但这种有机涂层易老化，寿命短，金刚砂与聚合物涂料的结合强度低，使用过程中易脱落，耐磨性差，因而摩擦系数的保持能力差。此外聚合物涂层会造成环境污染。

装备维修表面工程研究中心采用高速电弧喷涂铝基粉芯丝材的方法有效地解决了这一难题。首先制备了Al基Al_{2O3粉芯丝材，制备示意图见图4。外皮为Al，粉芯为Al2O3陶瓷颗粒。为了解决Al2O3陶瓷颗粒沉积率低、与铝基体结合强度差的问题，在Al2O3颗粒表面包覆了一薄层超细铝粉，这样喷涂时超细铝粉由于熔点低而首先熔化，不仅改善了Al2O3颗粒的加热效果，而且形成的断续铝膜可以大幅度提高与铝基体的结合强度。}

图4  粉芯丝材生产工艺示意简图

这种新型防滑涂层在猎潜艇主甲板上进行了实际应用。作业时，首先在基体上喷涂一层耐腐蚀纯铝涂层，用于防止海水腐蚀钢板，然后继续喷涂一层Al基Al_{2O3防滑涂层，最后采用稀释甲板漆进行封孔处理，见图5。实际应用表明，该复合涂层依靠Al2O3颗粒的作用而具有良好的防滑效果，同时又具备优良的防腐性能。目前已成为舰船防滑处理的有效手段。}

图5  复合防滑涂层体系