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，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，擴展零部件用途和延長壽命，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟和社會效益。

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，該工藝利用一種特殊結(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)使用鋼制保護橋架；所有進入噴涂房、噴砂房的供電電纜應(yīng)穿管保護，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格分離：2套噴砂單元所配噴砂槍都應(yīng)配置進口調(diào)砂、進口氣動排氣、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)標準。

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；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)標準；噴涂房工作門應(yīng)設(shè)置警示燈并有電器聯(lián)鎖設(shè)計，當系統(tǒng)進行噴涂時，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，因此涂層厚度遠遠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2mm，可進行大尺寸修復(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，密封性能遠優(yōu)于硬鉻。美國曾在上個世紀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)，包括詳細的操作、檢測、日常維護及標準的噴涂工藝等。設(shè)備在使用維護時無特殊要求，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)?；a(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，進一步提高再制造零件的性能，進而實現(xiàn)節(jié)能減排目標具有重要的現(xiàn)實意義。