（机械设计及理论专业论文）水轮机主传动轴磨损修复的最佳电弧喷涂工艺参数实验研究.pdf

中南大学硕七学位论文摘要 摘要 生产实际中，水轮机主传动轴由于承受较大的冲击载荷和循环应力， 往往会发生损坏，而损坏的形式经常是表面失效，如磨损或疲劳蚀点等。 由于这些大型轴的造价一般都比较高，这就使得修复具有较高的经济价值 和实用性。 本文对机械零件的表面失效进行了分析，通过对邵阳市水轮发电机厂 的现场调研，对水轮机主传动轴的损坏情况进行了研究分析，提出了以表 面喷涂方式进行磨损零件修复的工艺思路。 通过比较现有的各种不同的修复方式，确定采用电弧喷涂修复工艺。 在分析电弧喷涂工艺对涂层性能质量影响的基础上，对水轮机主传动轴的 电弧喷涂修复工艺进行了研究，并对电弧喷涂工艺参数进行了优化。选定 优化的电弧喷涂工艺参数为：电弧电压为3 6 - 3 8 v ，电弧电流为1 8 旷2 0 0 a ， 压缩空气压力为0 3 。0 4 m p a ，喷涂距离为1 5 0 r a m 。 本文着重对水轮机主传动轴的电弧喷涂工艺与涂层性能关系进行了 实验研究，制备了i c r l 3 、3 c r l 3 、t 8 涂层材料，在优化工艺条件下对涂 层的金相、硬度、涂层结合强度、耐蚀性及耐磨性进行了相应的实验，并 对实验结果进行的分析研究，结果表明：1 ) 喷涂工艺参数对涂层组织影 响的基本规律为：喷涂电压增加，涂层中变形粒子的尺寸变大，氧化物增 多，孔隙率增高，涂层硬度下降，碳烧损量增加。喷涂电流增加，涂层中 粒子也变大，但氧化物减少，孔隙率降低，涂层硬度提高，碳烧损量减小。 2 ) 3 c r l 3 涂层和i c r l 3 涂层均匀致密、氧化物少、孔隙率低，两者与基体 结合面形貌凹凸不平，均无大的孔隙和氧化物，结合良好。3 ) 为了得到 致密的涂层，减少涂层中的氧化物，控制涂层的碳元素烧损，最重要的是 得到硬度高的涂层，建议采用低的喷涂电压、大的喷涂电流、近的喷涂距 离和低喷涂压力。电弧喷涂3 c r l 3 涂层具有非常高的耐磨性和一定的耐蚀 性，非常适用于对大型磨损零件的修复及表面强化，在实际修复工艺中应 优先选用。 关键词电弧喷涂，i c r l 3 ，3 c r l 3 ，性能，关系 中南大学硕士学付论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i np r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，t h ed r i v i n gs p i n d l eo fw a t e rt u r b i n eo f t e no c c u r d a m a g e sb e c a u s eo fb e a r i n gg r e a ti m p a c tl o a do rc i r c u l a t i n gs t r e s s t h en o r m a l b r e a k i n gi ss u r f a c ei n v a l i ds u c ha sa b r a s i o na n df a t i g u ef a i l u r e s i n c et h ec o s t o fl a r g e , - - - s i z es h a f ti sn o r m a l l yh i g h ，t h i sm a k e sr e s t o r eh a v eh i g h e re c o n o m i c v a l u ea n dp r a c t i c a l i t y t h i sp a p e ra n a l y s i st h es u r f a c ei n v a l i do fm a c h i n ep a r t s p a s s i n gt h r o u g h t h ei n v e s t i g a t i o no i 卜m e - s p o to fs h a o y a n gw a t e rt u r b i n ef a c t o r ya n dt h e a n a l y s i so ft h ed a m a g e si nd r i v i n gs p i n d l eo fw a t e rt u r b i n e ，t h et e c h n o l o g i c a l p r o g r a m m e rw h i c hn s es u r f a c es p r a yc o a t i n gt or e s t o r et h ea b r a d e dp a r t si s p o i n t e do u t a f t e rc o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fv a r i o u s r e s t o r i n gp r o g r a m m e r , d e t e r m i n et oa d o p tt h er e s t o r i n gs c h e m ew i t he l e c t r i ca r cs p r a y b a s e do i lt h e a n a l y s i sh o ws p r a yt e c h n o l o g yo fe l e c t r i ca r ca f f e c tt h ec o a t i n gq u a l i t y , t h e s p r a yo fe l e c t r i ca r cf o rt h ed r i v i n gs p i n d l er e s t o r et e c h n o l o g yh a sg o n eo n ，a n d f o rt h e s p r a yt e c h n o l o g y o fe l e c t r i c a r c ，p a r a m e t e r s h a v ec a r r i e do u t o p t i r f f l z a t i o n t h eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e r so fs p r a yt e c h n o l o g ya r ec h o s e n t h e ya r ea r cv o l t a g ew h i c hi s3 6 - 3 8 vt h ec u r r e n to fe l e c t r i cw h i c hi s 1 8 0 2 0 0 a ，t h es t r e s so ft h ea i rw h i c hi s0 3 。0 4 m p aa n dt h es p r a yd i s t a n c e w h i c hi s1 5 0 m m t h i sp a p e re m p h a s i z e st h e t e s t i n gs t u d yo fr e l a t i o nb e t w e e ns p r a y t e c h n o l o g ya n dt h ec o a t i n gc a p a b i l i t y , p r e p a r ef o ri c r l 3 ，3 c r l 3 a n dt 8c o a t i n g m a t e r i a l ，c a r r y i n go u tc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n to nm e t a l l o g r a p h y , h a r d n e s s ，t h e u n i o ni n t e n s i t yo fc o a t i n g ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dw e a r i n gq u a l i t y i th a s a n a l y z e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t c o n c l u s i o n sa r e ：1 ) t h eb a s i cl a ww h i c ht h e s p r a yt e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa f f e c to nc o a t i n gf o r m si s ：r a i s i n gt h ea r cv o l t a g e c a ne n l a r g et h es i z eo ft h ed e f o r m a t i o np a r t i c l e s ，a d do x i d e s ，r a i s ep o r o s i t y , d e p r e s sc o a t i n gh a r d n e s sa n dr e d u c ec a r b o nb u r n i n g r a i s i n gt h ec u r r e n to f e l e c t r i ca r cc a l le n l a r g et h es i z eo ft h ep a r t i c l e , r e d u c eo x i d e s ，c u td o w n p o r o s i t y , d e p r e s sc o a t i n gh a r d n e s sa n dr e d u c ec a r b o nb u r n i n g 2 ) 3 c r l 3a n d 1 c r l 3c o a t i n gh a v ef i n ea n dc l o s ef o r m , f e w e ro x i d e sa n dl o w e rp o r o s i t y j u n c t i o ns u r f a c ew i t hm a t r i xi sd e c e n t ，w e l lj o i n t e da n dh a sn ob i gp o r e s p a c e ；3 ) i no r d e rt og e tc o m p a c tc o a t i n g , r e d u c eo x i d e si nc o a t i n g ，c o n t r o lt h e 一 中南大学硕士学伊论文 a b s t r a c t c a r b o nb u r n i n g ，e s p e c i a l l yt oo b t a i nh i g hh a r d n e s sc o a t i n g ，w es u g g e s tt h a t l o w e ra r cv o l t a g e ，h i g h e rc u r r e n to fe l e c t r i ca r c ，s h o r t e rs p r a y i n gd i s t a n c ea n d l o w e rs p r a y i n gs t r e s ss h o u l db ea d o p t e d t h e3 c r l 3c o a t i n gh a se x t r e m e l y h i g hw e a l r e s i s t a n c ea n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e i ti st h em o s ts u i t a b l em a t e r i a lt o r e p a i rt h el a r g e - - - s i z ep a r t sa n dt or e i n f o r c es u r f a c e i np r a c t i c a lr e s t o r e t e c h n o l o g y , i tm u s tb eu s e da tf i r s t k e yw o r d s ：a r cs p r a y i n g ，1 c r l 3 ，3 c r l 3 ，f u n c t i o n ，r e l a t i o n 1 1 i 中南大学硕十学付论文第一章绪伦 第一章绪论 1 1 课题背景与研究问题的提出 轴是用来支撑旋转，并传递动力和运动的部件。轴可以承受各种类型的载荷，如拉 伸，压缩，弯曲或扭转及各种复合载荷，有时还承受震动应力。在这些载荷作用下，轴 失效的最常见的类型是疲劳断裂。疲劳破坏起始于局部应力最高的部位，有些机械由于 设计、制造、装配和使用不合理，也造成轴过早地发生疲劳断裂。 轴的疲劳通常可分为三种基本类型：弯曲疲劳、扭转疲劳和轴向疲劳。弯曲疲劳可 由下面几种类型的弯曲载荷造成：单向的、交变的和旋转的。在单向弯曲时，任一点的 应力部是变动的，变动应力只改变大小而不改变方向。在交变弯曲和旋转弯曲时，任意 一点的应力都是交变的，即应力在方向相反的应力之间疲劳变化。扭转疲劳常因施加变 动或交变的扭转力矩产生。轴向疲劳则由于施加交变或变动的拉伸压缩载荷的结果。 承受了变应力的轴，由于机械的或冶金的因素，或两者综合的结果导致轴的疲劳断 裂。机械影响因素包括了小圆角、尖角、凹槽、键槽刻痕及过盈配合处。冶金影响因素 包括了淬火裂纹、腐蚀凹坑、粗大的金属夹杂物及焊接缺陷等。疲劳破坏占失效轴的5 0 以上。 在低温环境中或足在冲击及快速施加过载时，将会使轴发生脆性断裂。脆性断裂的 特征是裂纹以极高的扩展速度( 大约1 8 0 0 m s 或更大) 发生突然断裂，而在断裂源处只 有小的变形迹象。这种类型的断裂特征是断裂表面上存在着鱼骨状或人字型花样的标志。 人字型的顶点指向断裂源。 轴的韧性断裂( 显微空穴聚合的结果) 。在断裂表面上呈现有塑性变形的迹象，类似 在普通拉伸实验或扭转实验式样中所观察到的情况。对拉伸断裂的轴这种变形，用目视 检验是容易见到的。但是，当轴扭转断裂时，则变形是不明显的。在正常工作条件下轴 很少发生韧性断裂。但是，如果对工作要求条件估计过低，或者所用材料强度达不到预 定数值，或者轴受到单一过负载，也可能发生韧性断裂。在通常情况下，材料的韧性随 下列条件而降低；冷加工和热处理提高金属的强度；缺口敏感材料中存在缺1 2 1 、圆角、 孔洞、刮伤、夹杂物和疏松；增加加载速度；对于许多合金降低温度时。 某些高温下工作的轴，在应力作用下随时间发生变形，即金属的蠕变。如果蠕变一 直延续到断裂，轴则因持久断裂而失效。 轴类零件除以上几种主要失效类型外，还可以发生磨损失效，应力磨蚀开裂，微振 磨蚀等几种失效形式。 水轮机主传动轴是用来支承转轮并传递扭矩的，在运行中可能会受到磨损和疲劳的 综合作用。通过对邵阳市水轮发电机厂的返修水轮机轴的现场调研，发现水轮机的主传 中南大学硕十学位论文第一章绪伦 动轴的损坏主要是由磨损因素引起的。它失效的部位通常发生在主轴与发电机轴连接的 水封部位的表面，因此可采用表面喷涂技术进行修复，许多涂层会降低部件的疲劳强度， 这就要求涂层要具有良好的耐磨性，较高的硬度和结合强度，并能耐冲击载荷和有较高 的抗疲劳性能1 2 1 1 3 1 。 目前的修复方法很多，主要的工艺有：堆焊、镀铬或镀铁、热喷涂、电刷镀、粘涂 等。由于这类零件失效的部位只发生在其表面。现有的工艺用于部件的修复时，都存在 这样或那样的问题，使得部件不能得到较好的性能。比较如下： ( 1 ) 堆焊 4 1 由于条件限制低，采用手工电弧堆焊修复很广泛。该工艺修补层厚度 较厚，为0 3 3 m m ，强度也很高，可达3 0 0 4 5 0 m p a 。但该工艺也有很多困难：由于 零件材料中的含碳量较高，所以在焊接过程中易产生淬火脆性组织；在一次结晶组织的情 况下，焊缝区很容易产生热裂缝；应力也大，会降低轴的抗疲劳性能；同时由于材料的 膨胀系数较大，在不均匀的焊接热影响区上，很容易引起弯曲变形，造成轴的各表面相 互位置精度变化大；给后加工带来很大麻烦。 ( 2 ) 镀铬或镀铁修复工掣5 1 1 6 1 该工艺工作不受热、不变形、镀层结合强度好，适 用于摩擦量较小，表面硬度要求较高的场所；适用于轴类的填料函部位及滑动轴承轴颈部 位。但轴较长时需3 米渡槽，用的镀液不宜保存，成本很高，而且轴不镀的部分需要先 遮蔽，然后在去掉遮蔽，工艺比较复杂。 ( 3 ) 热喷涂技术【7 s 】能对因磨损腐蚀或加工超差引起的尺寸减小进行恢复，还可 以对材料表面性能( 如耐磨损性、耐腐蚀性、耐高温隔热性等) 进行强化或再生，起到保 护作用，提高工件寿命。同时，还可以赋予材料表面以特殊性能( 如电学、光学等性能) 。 尤其电弧喷涂工艺，其设备价格低、热利用效率高，涂层制备成本低、生产效率高，对 工件热辐射量少，喷涂材料范围广，可获得假合金涂层，涂层与母材结合强度高，是目 前应用最为广泛的修复工艺。 。( 4 ) 电刷镀1 9 1 1 1 0 l目前电刷镀的优点已被人们越来越多认识和接受，得到了极为广 泛的应用。该修复工艺简单；轴不受热不变形，甚至镀后可不进行机械加工；刷镀层硬 度高、耐磨性好、热膨胀系数小，使用寿命长；费用低、可以为工厂节约大量材料和外 汇等特点。但镀层单边厚度不能超过l m m ，镀层厚度大时易造成组织松散或应力过大。 ( 5 ) 粘涂修复【1 1 】【嘲运用粘涂修复工艺涂超金属耐磨胶，修复部位不受热、不变 形、不产生内应力和裂纹；基体材质金相组织不发生变化；结合强度也可满足工作条件 要求；和以上工艺比不需要昂贵的设备、熟练的技术工人，加快了修理速度、节约能源 且不会污染环境。但是长期与液体接触( 如，油浸) 或高温环境下工作，胶涂层易老化， 承受冲击载荷的性能不好。 电弧喷涂能使普通材料表面具有耐热、耐蚀、耐磨、隔热和绝缘等各种功能。近年 来，它在工艺上由制备一般的装饰性和防护性涂层发展成为制备具有某种特殊功能的涂 中南大学硕士学付论文 第一章绪伦 层，已被广泛地应用于轴和导辊等零件的修复以及钢结构的防护涂层。它有以下优点： 几乎可以用任何金属在任何形状、任何材质、任何尺寸的表面上形成涂层；设备简 单，操作方便；喷涂前工件不需要预热或只预热较低温度，喷涂时工件温度低( 一般低 于2 0 0 1 2 ) ，工件受热小，不会导致工件变形或基体的组织改变；生产率高，成本低； 涂层硬度比喷涂材料提高3 0 8 0 ；涂层厚度范围宽，单边喷涂时，涂层可达 5 m m ；涂层与基体结合强度高，抗拉强度高达加2 0 4 0m p a ：涂层孔隙的存在可以 贮油，改善了润滑条件，使涂层耐磨性能提高5 0 7 0 。 在众多的热喷涂中，等离子喷涂和高速火焰喷涂的涂层的结合强度都高于电弧喷涂 的涂层，但是电弧喷涂本身有着优越于其它喷涂的地方：一是涂层性能优异。应用电弧 喷涂技术，可以在不提高工件温度、不使用贵重底材的情况下获得高结合强度。二是效 率高。单位时间内喷涂金属的质量多，电弧喷涂的生产效率正比于电弧电流。三是节能。 能源利用率明显高于其它喷涂方法。四是经济。除能源利用率高外，由于电能的价格又 远远低于氧气和乙炔的价格，成本通常仅为火焰喷涂的1 i 0 。设备投资一般为等离子 喷涂设备的i 3 。因而用电弧喷涂修复水轮机主传动轴是非常有利的。 1 2 电弧喷涂技术的研究与应用现状 由于一般修复的成本低，质量能够满足使用要求，往往比更换更具有经济性，所以 关于磨损零件修复的研究一直是一个引人注目的方向。 关于磨损部件的修复，目前有很多修复的方法，主要有：堆焊、镀铬或镀铁、热喷 涂、电刷镀和粘涂修复工艺等。在一个时期以来，利用刷镀、氧乙炔喷涂或等离子 喷涂来恢复被磨损的尺寸取得了一定的效果，但是这种涂层很容易脆裂而脱落，特别是 要求厚度超过0 5 m m 以上，要获得良好的涂层是很难的【1 3 1 。对于激光合金化熔覆，虽然 对各种磨损件的修复足既方便又可靠，能取得很好的效果，但是由于其造价较高，也是 很难推广的i ”j 。 电弧喷涂作为一种高效的热喷涂方法，在工农业中具有广泛的应用，尤其是在防腐、 耐磨、装饰及特种功能等领域研究中的应用更为广泛 1 5 1 。 电弧喷涂成功地修复了大量的因磨损而失效的电机转子轴、花键、进口汽车的曲轴， 一般修复成本仅为换新件的2 0 3 0 ，由于采用耐磨材料喷涂，修复后的零件不仅可 以重新使用，而且还提高了使用寿命，具有明显的经济效益【1 6 1 【1 7 l 【埘。在耐磨领域中， 电弧喷涂可用于修复热轧辊的轴承，经喷涂c r l 3 涂层，既耐磨又有较好的耐蚀性能。英 国轧钢厂已应用在生产制造中【1 9 1 。大型水压机柱塞的修复也是电弧喷涂应用的典型事 例，用c r l 3 钢丝电弧喷涂修复的柱塞的使用性能往往优于新柱塞，修复成本大约为新柱 塞的l 4 。用电弧喷涂修复一个1 2 吨的柱塞，喷涂涂层重达3 0 0 k g 捌。国内应用电弧喷 中南大学硕士学位论文第一章绪伦 涂修复大型曲轴也取得了进展，如长江三峡工程中挖泥船的发动机曲轴，如从日本购买 新轴、加上运费和进口关税等需人民币1 2 0 多万元，从订购到交货需3 个月以上，其停 产损失更为可观，而采用电弧喷涂修理，总费用仅3 5 万元，不足曲轴价格的3 ，其经 济效益是十分明显的1 2 ”。应用电弧喷涂修复大马力曲轴也取得了进展，其修复成本低， 质量能够满足使用要求【2 2 l 。沈阳工业大学在1 9 9 5 年以来曾与吉林石蚬造纸厂合作，成 功地修复了该厂纸桨生产的关键设备、传动功率为2 5 0 0 千瓦的芬兰进口的磺化木浆盘磨 机主轴以及为辽宁省本溪钢铁公司修复了两根转速为2 4 0 0 0 转分的进口制氧机主轴。 电弧喷涂巴氏合金的耐磨性较高，不低于铸造的巴氏合金，在轴瓦的修复和制造中得到 了广泛的应用嘲。 在近4 0 年的发展历程中，尤其足近2 0 年来，电弧喷涂技术得到了迅速的发展，通 过电弧喷涂技术可以制备光滑、致密、结合强度高的高质量涂层，接近于等离子喷涂的 水平汹1 ，在国际上已部分取代火焰喷涂和等离子喷涂。据统计，在所有的热喷涂技 术中，电弧喷涂的应用市场比例已接近第三位。 近年来，随着电弧喷涂技术的发展，电弧喷涂丝材的品种不断增加，例如复合丝、 自粘结复合丝、巴士合金丝、铝青铜丝、超低碳不锈钢丝，功能性涂层进一步完善，如 耐磨、抗氧化、隔热、导电、减摩等等，逐渐成为一个较为完整的体系，使涂层的性能 得到很大提高。金属管状丝材的研制成功，大大拓展了电弧喷涂材料的范围，由于不 受拉拔丝的限制，使许多的优秀材科，甚至是不导电的材料( 如氧化物、碳化物、陶瓷 等) 的电弧喷涂成为可能。它的优点主要表现在以下两个方面： 能有效地改善涂层地性能，如提高涂层与基体的结合强度。选择合适的金属复合 粉( 如镍、铝) ，使它们在喷涂过程中，熔化后发生放热反应对熔滴和基材表面进行辅助 加热，提高涂层与基体简的结合强度和致密性，甚至可使基体表面出现微观范围内的熔 融薄层，形成微观冶金结合，进一步提高涂层与基体间的结合强度。 粉末管状丝材壳方便改变喷涂材料的化学成分，保证涂层制各时能形成不同性能 要求的组织结构。并且粉末管状丝材的制造较合金钢丝容易的多，适于小批量生产。 为进一步拓宽电弧喷涂技术的应用范围，科研工作者在引进国外技术的基础上研制 了适合我国国情的电弧喷涂设备，已开发出高速电弧喷涂( h ，a s ) 、低压( 真空) 电弧喷 涂、保护气体电弧喷涂、燃烧电弧喷涂( c o m a r c ) 、复合超音速电弧喷涂( s o n i r e ) 技术 等；研制出新型电弧喷枪，提高了雾化效果，降低了涂层孔隙率；改进了喷涂电源，大 大地提高了喷涂电源的稳定性；通过对喷涂设备的自动化改造，使计算机控制和机器人 操作等技术在电弧喷涂中的实现成为现实。 在受到挑战的同时，电弧喷涂也迎来了发展的机遇。正是由于电弧喷涂有较多的优 点，使热喷涂中从事电弧喷涂研究的工作者产生了极大兴趣。科学技术的发展，在为其 它技术领域注入活力的同时，也为电弧喷涂克服自身的缺点提供了新的技术途径。从提 中南大学硕十学位论文 第一章绪伦 高压缩空气气流的速度出发，来提高喷涂粒子的速度，使粒子的速度达到或超过音速， 进而提高电弧喷涂涂层与基体的结合强度，并同时降低孔隙率，这种发展机遇是一定会 被人们抓住的。 虽然电弧喷涂技术在修复丈型轴时效益可嘉，但是除了见到一些关于报道修复曲轴 的文章外，还未见关于大型轴件修复工艺的详细报道和深入研究的文章。目前，对电弧 喷涂技术的理论研究主要集中在：反应机理、温度场、速度场，粒子状态及影响因素， 界面扩散及冶金反应、涂层性能及涂层质量的评定和计算及其模拟等方面。 调研结果表明，电弧喷涂上述的优点，应用于轻型载货汽车和普通轿车的曲轴修复 是成功的，但是在修复高速、重载大型轴时存在不少问题，如在使用过程中涂层大面积 脱落，有的虽然未出现大块脱离现象，但在重载衙下有部分颗粒从涂层脱落。在工作表 面上形成磨粒磨损，导致轴颈和轴瓦迅速损坏。部分喷涂的轴颈未发生以上两种损坏， 但使用寿命很短。其原因主要是涂层的结合强度不够，涂层的致密度不高，以及涂层间 存在内应力及喷涂工艺不当等造成的。 1 3 本论文的研究内容和方法 由于热喷涂涂层与工件基体之间主要依靠机械方式结合。涂层与基体问的结合强度 远小于钢铁材料自身强度。在热喷涂修复工作中，影响操作成功的一个很大障碍是涂层 冷却过程中产生的收缩应力。许多失败的例子都是由于涂层应力太大，超过涂层自身的 结合强度或是超过涂层与工件基体的结合强度而造成涂层开裂，剥脱。所以说有效地控 制热喷涂涂层的内应力是关系到喷涂工作能否成功的关键。控制涂层的内应力可以从两 个方面入手：一是选择合适的喷涂材料，二是制定合理的工艺规范。这就需要研究电弧 喷涂的工艺方案的选择，深入研究涂层的组织性能，才能提高零件的修复质量，取得良 好的效果。 本文针对上述问题，拟采用1 _ c r l 3 、3 c r l 3 、t 8 三种丝材为电弧喷涂材料，在不同的 工艺参数下制备多组涂层，通过试验分析，对比不同材料、不同工艺参数下的涂层组织 和性能，研究工艺参数对涂层组织和性能的影响规律，进而得出最佳工艺参数，对提高 结合强度、耐磨性等提高水轮机主传动轴修复质量的措施进行研究，进而进行电弧喷涂 工艺参数与涂层性能的关系研究。 具体内容有： ( 1 ) 通过研究电弧喷涂工艺对涂层质量的影响，设计出水轮机主传动轴的电弧喷涂 修复工艺；并通过对电弧喷涂涂层组织的金相分析、电弧喷涂涂层硬度的实验分析、电 弧喷涂工艺参数与涂层结合强度的实验研究、电弧喷涂工艺参数与涂层耐蚀性的实验研 究、电弧喷涂工艺参数与涂层耐磨性的实验研究，进而研究电弧喷涂工艺参数对涂层组 中南大学硕士学付论文第一章绪伦 织和性能的影响规律，并确定修复水轮机主传动轴的喷涂材料。 ( 2 ) 采用正交设计方法研究电弧喷涂工艺参数对3 c r l 3 涂层结合强度和耐磨性的影 响，从而得出电弧喷涂工艺参数与涂层性能关系的变化规律，确定水轮机主传轴磨损修 复的最佳电弧喷涂工艺参数。 具体研究思路和方法如下： ( 1 ) 现场调研 通过对邵阳市水轮发电机厂的现场调研，对水轮机主传动轴存在的损坏问题进行分 析研究，总结出水轮机主传动轴失效的原因和机理，确定轴的修复涂层的性能要求。 ( 2 ) 机理分析 在现场凋研的基础上，针对水轮机主传动轴失效的实际情况，根据理论分析，制定 出水轮机主传动轴的修复方案，确定电弧喷涂为最佳方案；并通过实验研究确定电弧喷 涂的最佳工艺参数；进一步研究电弧喷涂涂层的各项性能。 ( 3 ) 实验模拟 实验研究可分为现场实验和实验室实验两种。前者真实性和可信性最强，一般情况 下，由于它的实验周期长，消耗人力、财力大，使用参数不易控制，因此，这种实验方 法受到一定的限制。实验室实验是指在实验室条件下模拟实际使用条件的一种实验，它 的实验周期短，影响因素容易控制，消耗人力物力较小。所以一般情况是采用室内实验 的研究方法。 具体的试验方法如下：利用金相显微镜和电子扫描显微镜来观察涂层的组织形貌： 用金相检查法来测定孔隙率；用标准洛氏硬度试验机和数字式显微硬度计测试涂层硬度； 通过电子扫描显微镜和能谱分析仪来测定涂层化学成分，并应用型碳硫微机数显自动分 析仪来测定整个喷涂涂层中碳元素的含量；用拉伸试验机测定涂层结合强度；用盘销式 磨损实验机测试涂层的耐磨性；用n a s 0 4 和k 。s o , 的饱和水溶液作腐蚀液研究涂层的腐 蚀性。 中南大学硕士学位论文第二章电弧喷涂原理与技术简介 第二章电弧喷涂原理与技术简介 电弧喷涂技术是热喷涂技术的一种，也是表面工程的重要组成部分。在近4 0 年的发 展历程中，随着喷涂设备，喷涂材料和喷涂工艺的不断发展与更新，电弧喷涂技术得到 了飞跃性的发展和推广应用汹1 嘲，成为热喷涂领域中最引人注目的技术之一，已被广泛 地应用在轴和导辊等零件的修复以及钢结构的涂层防护中 2 1 电弧喷涂的原理及特点 2 1 1 电弧喷涂的原理 电弧喷涂是利用两根连续送进的金属丝作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源， 利用压缩空气将熔化了的丝材雾化，并以高的速度喷向工件表面形成涂层的一种热喷涂 方法。其工作原理如图l 所示。 喷涂时，两根丝状金属喷涂材料通过送丝装置均匀连续的分别送进电弧喷涂枪中的 导电嘴内，导电嘴分别接电源的正负极并保证两根丝材在未接触前的可靠绝缘。当两根 金属丝材端部由于送进而相互接触时，发生短路而产生电弧，使丝材端部瞬间熔化，压 缩空气将熔融金属熔化成微熔滴，以很高的速度喷射到工件表面，形成电弧喷涂层。喷 涂及形成过程如图l 所示【2 8 1 【2 9 1 。 图1 电弧喷涂原理图 l 一直流电源： 2 - 丝盘： 3 金属丝；4 - 送丝滚论：5 导电快；6 - 导电嘴； 空气喷嘴：8 - 压缩空气； 9 一电弧；l o - 喷涂粒子；i i 一涂层；1 2 - i 件。 2 1 2 电弧喷涂的特点酬 电弧喷涂作为一种新型的热喷涂方法，有许多显著的优点： ( 1 ) 涂层结合强度较高、硬度高、气孔率低 电弧喷涂时，熔滴温度可达f 5 0 0 0 c 以上，微熔滴加热温度，喷射速度都比火焰喷 中南大学硕士学位论文第二章电弧喷涂原理与技术简介 涂时高，因此粒子的动能和热能都比较高，从而获得较高的结合强度和涂层强度。试验 证明，电弧喷涂的结合强度约足火焰喷涂层的2 5 倍。电弧喷涂形成的涂层硬度要比喷 涂材料高3 0 一8 0 。电弧喷涂涂层的孔隙率小于8 ，低于火焰喷涂所得的涂层的孔 隙率。 ( 2 ) 生产率高、安全可靠 电弧喷涂的生产率正比于喷涂电流，它的高效率表现在单位时间内喷涂金属的用量 大。试验证明：喷涂电流为3 0 0 a 时，喷乙效率可达3 0 k g h ，喷a l 可达1 0 k g h 。电弧 喷涂技术仅使用电源和压缩空气，不用氧气、乙炔等易燃气体安全性高。 ( 3 ) 能源利用率高，喷涂成本低 电弧喷涂的节能效果十分突出，能源利用率显著高于其他喷涂方法，而能源费用降 低5 0 以上。除它的能源利用率很高外，加之电能的价格又远低于氧气和乙炔，其费用 通常仅为火焰喷涂的l 5 1 l o ，等离子喷涂成本的l 5 l 2 0 ，而其喷涂效率却提高 了近一倍。 ( 4 ) 设备造价低、使用维修方便、便于现场施工 电弧喷涂设备成本只有等离子喷涂设备的1 4 1 6 。而且电弧喷涂设备体积小、重 量轻、移动方便、易损件少，维修方便，易于现场施工。 但是，电弧喷涂过程是一个十分复杂的高温、非均态的流体力学过程【期，影响涂层 性能的因素较多。 2 2 电弧喷涂设备及材料 2 2 1 电弧喷涂设备 电弧喷涂设备由电弧喷涂枪、控制箱、电源、送丝装置及压缩空气系统等组成。 ( 1 ) 电弧喷涂电源 国外近年来电弧喷涂电源均采用平的伏安特性。过去采用直流电焊机作为电弧喷涂 电源，由于电焊机具有陡降的外特性，电弧工作电压在4 0 v 以上，使喷涂过程中碳烧损 大，降低涂层硬度。平的伏安特性电弧喷涂电源可以在较低的电压下喷涂，使涂层中碳 的烧损大为减少( 约减少5 0 ) ，可以保持良好的弧长自调节作用，能有效的控制电弧电 压。平特性的电源在送丝速度变化时，喷涂电流迅速变化，维持稳定的电弧喷涂过程。 根据喷涂丝材选择一定的空载电压，改变送丝速度可以自动凋节电弧喷涂电流，从而控 制电弧喷涂的生产率。 ( 2 ) 电弧喷枪 电弧喷枪是电弧喷涂设备的关键装置。其作用是将连续送进的丝材在喷枪前部一定 的角度相交，由于丝材各自接于直流电源的两极而产生电弧，从喷嘴喷射出的压缩空气 中南大学硕士学付论文第二章电弧喷涂原理与技术简介 流对着熔融金属吹散形成稳定的雾化金属粒子流。 2 2 2 电弧喷涂材料 电弧喷涂材料主要包括有色金属丝材( 铝、锌、铜、镍等金属及其合金) 、黑色金属 丝材( 碳钢，不锈钢) 。目前，国内外试用2 - 3 m m 的粉芯丝材，在其中填充所需的合金粉 末，以获得合金喷涂层。 ( 1 ) 锌及锌合金 锌为银白色金属，在大气或水中具有良好的耐腐蚀性，对钢铁基材还具有电化学保 护作用。而在酸、碱、盐中不耐腐蚀，当水中含有二氧化硫时，它的耐腐蚀性能很差。 在锌中加入铝可以提高喷涂后的耐腐蚀性能，因此目前大量使用z n a i 合金喷涂材料。 锌喷涂层已广泛应用于室外露天的钢铁构件，如水门闸、桥梁、铁塔和容器等。 ( 2 ) 铝及铝合金 铝用作防腐喷涂层时，作用与锌相似。它与锌相比，比重轻，价格低廉，在含有二 氧化硫的气氛中耐腐蚀效果比较好。在铝及铝合金中加入稀土元素不仅可以提高涂层的 结合强度而且可以降低孔隙率。铝还可以用作耐热喷涂层。铝在高温作用下，能在铁基 体上扩散，与铁发生作用生成抗高温氧化的f e 3 a 1 ，从而提高了钢材的耐热性。铝涂层 己广泛应用于贮水容器、硫磺气体包围中的钢铁构件、食品贮存器、燃烧室、船体和闸 门等。 ( 3 ) 铜及铜合金 纯铜主要用作电器开关和电子元件的导电喷涂层及人像、工艺品、水泥等建筑表面 的装饰喷涂层。黄铜喷涂层广泛用于修复磨损及加工超差的零件，修补有铸造砂眼、气 孔的黄铜件，也可作为装饰喷涂层使用。铝青铜涂层的结合强度高，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、轴瓦表 面。 ( 4 ) 镍及镍铬合金 镍合金中用作喷涂材料的主要为镍铬合金，这类合金具有很好的抗高温氧化性能， 可在8 0 0 c 高温下使用，是日前应用很广的热阻材料。镍铬涂层可以耐水蒸气、二氧化 碳、一氧化碳、氨、醋酸及碱等介质的腐蚀，因此，镍铬合金被大量用作耐腐蚀及耐高 温喷涂层。例如，美国采用4 5 c t ( 4 5 c r 、4 t i ，其余为n i ) 丝材电弧喷涂锅炉管道取 得了良好效果。 ( 5 ) 碳钢和低合金钢 碳钢和低合金钢是广泛应用的电弧喷涂材料。它具有强度较高、耐磨性好、价格低 廉等特点。电弧喷涂过程中碳和合金元素易烧损，易于造成涂层多孔和氧化物夹渣，使 涂层性能下降，因此采用碳元素较高的碳钢，以弥补碳元素的烧损。 中南大学硕士学位论文第二章电弧喷涂原理与技术简介 ( 6 ) 粉芯丝材 国内外已采用粉芯丝材作为电弧喷涂材料，我国已应用3 c f l 3 、4 c d 3 、7 c f l 3 等丝材 作为耐磨喷涂材料，同时具有良好的抗高温稳定性。 2 3 电弧喷涂工艺过程 电弧喷涂工艺过程包括工件喷涂前的表面预处理、喷涂、涂层后处理等几个大的步 骤。基本工艺流程图如图2 所示。 表面制备 喷 喷 表血净化 涂 涂 底 表血预加工 层作 层 表面租化 喷后处理 机械加工 封孔处理 图2 电弧喷涂【艺流程图 在选择工艺之前，弄清楚以下几个反面的问题至关重要“”： ( 1 ) 零件的服役情况 主要包括零件在何种介质中工作；零件的工作温度；零件的受力情况以及负荷大小； 零件的失效原因。 ( 2 ) 零件的理化状态 主要包括零件的材质、成分、尺寸和外形；是否用过其他表面处理方法；热膨胀系 数；以及需要修复的部位和面积。 ( 3 ) 对涂层的技术要求 主要包括涂层的厚度，硬度、结合强度和耐蚀性等；尺寸和变形极限及精度等级； 机械加工性能。 ( 4 ) 经济上的合理性 采用电弧喷涂技术对失效零件的修复，除了技术上可行性外，还应考虑经济上的合 理性。般情况下，喷涂费用只占零件价格的2 0 左右，但是经过喷涂的零件，其使用 寿命比未经喷涂的零件提高几倍甚至几十倍。对于大型、生产周期长、制造成本高的零 件用电弧喷涂技术修复，其经济效益很高。 2 3 1 表面预处理 涂层要与基体结合良好，基材表面必须是清洁的，并有一定的粗糙度。因此，在喷 涂之前，基材要喷涂的表面必须经过机械、物理或化学等方法加工处理，改变基材表面 中南大学硕士学付论文 第二章电弧喷涂原理与技术简介 状态，使表面清洁、粗糙及修整成适当的形状，为后续表面加工提供良好的基础表面。这 一步骤称为表面预处理或表面制备，是涂层制备工艺过程中非常重要的一步，其处理质 量直接影响到涂层与基体的结合性能，对涂层的使用寿命有决定性的影响1 4 2 4 3 。它主要 可分为表面净化处理、表面粗化处理和表面活化处理。 ( 1 ) 表面净化指去除表面锈蚀、油脂、污垢、杂质等污染物，使表面达到必要的 洁净度。表面净化主要包括表面除油处理和表面除锈处理。 常用表面除油技术有：有机溶剂除油、化学碱液除油、电化学除油、加热除油、水基清 洗剂除油、高压射流清洗除油、超声波除油等。 常用表面除锈技术有：化学除锈、电化学除锈、火焰除锈、手工及机动工具除锈、滚光 除锈、喷砂除锈等。 ( 2 ) 表面粗化处理指使基材表面形成均匀凹凸不平的粗糙表面，并控制到所要求 的租糙度。作为涂层制备预处理方法，基体表面的粗化处理是提高涂层与基体之间机械 结合强度的一个重要措施 4 4 1 。租化处理在涂层制备工艺中，能增加涂层与基材的“锚勾 效应”，减少涂层的收缩应力，增大涂层与基体的结合面积，从而提高涂层与基体的结合 强度。 常用表面粗化技术有：喷砂处理、电拉毛粗化【4 习、机械j m t _ 粗化、化学腐蚀粗化等。 ( 3 ) 表面活化处理指使基体表面能增加、表面活性增加、以利于涂层与基体的良 好结合。表面活化处理对涂层制备工艺得到的涂层质量有较大的影响。 金属基体经良好的表面净化、表面粗化处理后，表面油脂、污物、锈蚀被除去，工 件表面露出新鲜金属，这也达到了表面活化的目的。喷砂处理、机械切削都是较理想的 活化方法。经过喷砂处理后，基体表面呈微观凹凸不平，在很大程度上增加了基体和涂 层相互结合的表面积，并且使涂层在基体上冷却时，有利于形成连锁的叠层，从而大大 增加了涂层与基体之间的结合强度【拍1 。 经过预处理的表面，在喷涂前不允许再被污染( 包括不能用手摸) ，否则预处理的质 量要受到损害。 2 3 2 喷涂过程 喷涂过程是在确定的工艺参数下进行喷涂，获得涂层的过程。该过程中，具有以下 特点： ( 1 ) 喷涂工艺参数的复杂性。影响涂层质量的工艺参数涉及到热源、材料、雾化、 操作等方面，主要的工艺参数多达十几个，甚至几十个，而且这些参数之间都彼此影响。 ( 2 ) 喷涂工艺的方向性。要制各出致密的涂层，必须考虑到喷射束流的方向，否则 就会出现喷不到的部位，或在沉积过程中产生“屏蔽效应”，影响涂层质量。 ( 3 ) 喷涂微粒的非均匀性。喷射的微粒束流，在径向上颗粒分布的密集度，颗粒的 中南大学硕十学位论文第二章电弧喷涂原理与技术简介 温度和速度都是不均匀的，因此，在不同的程度上总有一部分颗粒因温度、速度不够或 方向偏离，造成飞散或反弹消失，影响涂层质量和降低沉积效率。 在确定喷涂工艺参数时，必须考虑上述工艺特点。一些主要的工艺参数的选择是否 正确、合理，直接影响到工艺稳定性、涂层质量、喷涂效率和沉积效率，因此应采用优 化的工艺参数，以实现它们最佳的配合十分的重要。 2 3 3 赜涂后处理 在喷涂完毕后，为了填补或消除涂层固有的缺陷，改善涂层性能，以及为了得到尺 寸精确的涂层，对喷涂涂层再进行后续加工处理，即为涂层后处理。常见的涂层后处理 主要有：封孔处理、重熔处理、强化处理和扩散处理1 4 7 4 9 1 。 喷涂后的涂层尺寸并不准确，表面也是粗糙的，在要求涂层几何尺寸精度和表面光 洁的情况下，只有通过精加工得到。精加工通常采用机械切削或磨削方法。加工时，由 于涂层具有高硬度、高耐磨性的特点，要特别注意选择合适的加工方法，适宜的刀具材 料和刀具几何参数，确定正确的加工工序和工艺，使用适当的切削液等。 喷涂涂层都是有孔隙的，电弧喷涂涂层的孔隙率约为5 1 0 。孔隙有连贯的和不 连贯的，有的涂层孔隙互相连接并从表面延伸到基体。封孔作为一种后处理方法，以填 充这种孔隙。涂层经封孔处理后，可防止潮气、灰尘及研磨屑碎片进入涂层，如果用石 蜡封孔，不但能有效的密封孔隙，防止污染涂层，而且还可作切削润滑剂。涂层封孔的 另一个目的，是可提高涂层的抗腐蚀性能。 2 4 本章小结 本章在对文献进行综述的基础上，总结了电弧喷涂工艺的原理和特点，介绍了电弧 喷涂设备、材料及工艺过程。电弧喷涂工艺作为一种新型的热喷涂方法，有许多显著的 优点：几乎可以用任何金属在任何形状、任何材质、任何尺寸的表面上形成涂层； 设备简单，操作方便；喷涂前工件不需要预热或只预热较低温度，喷涂时工件温度低( 一 般低于2 0 0 ) ，工件受热小，不会导致工件变形或基体的组织改变；生产率高，成 本低；涂层硬度比喷涂材料提高3 0 8 0 ；涂层厚度范围宽，单边喷涂时，涂 层可达5 m m ；涂层与基体结合强度高，抗拉强度高达加2 0 4 0m p a ；涂层孔隙的存 在可以贮油，改善了润滑条件，使涂层耐磨性能提高5 0 7 0 。 同时指出电弧喷涂过程是一个十分复杂的离温、非均态的流体力学过程p ”，影响涂 层性能的因素较多。涉及到热源、材料、雾化、操作等方面，主要的工艺参数多达十几 个，甚至几十个，而且这些参数之间都彼此影响。一些主要的工艺参数的选择是否正确、 合理，直接影响到工艺稳定性、涂层质量、喷涂效率和沉积效率，因此应对工艺参数进 行优化，以实现它们的最佳配合。 中南大学硕士学付论文第三章水轮机主传动轴磨损修复的电弧喷涂1 = 艺试验研究 第三章水轮