水冷壁防磨之超音速火焰喷涂技术方案

一、喷涂材料及主要技术指标 

1、涂层主要技术指标

主要成份： NiCr 25%左右，Cr3C2 75%左右

厚 度： 0.15-0.20mm 

左右焰流速度： 2100m/s

粒子速度： 500-600m/s 

结合强度： ≥ 70MPa 

硬 度： HRC69

孔 隙 率： ≤ 1%

喷涂温度： ≤ 15℃0

工件变形性：不变形，不改变母材表面金相组织和理化性能

2、NiCr-Cr 3C2 粉末材料说明 :

NiCr-Cr 3C2 是由金属合金粘结相 NiCr 与陶瓷硬质相 Cr3C2 组成的复合材料，因此具有陶瓷的硬度高、耐磨性好、抗高温氧化性能优越的特点，同时还具有金属基韧性高等特点，是最重要的高温耐磨涂层材料，而超音速火焰喷涂工艺是制备高性能 NiCr-Cr 3C2 涂层的最重要方法之一。

二、施工工艺

1、施工条件

为了作好施工准备工作，其施工需要具备以下条件：

① 电源： 380V 20KW 三相交流电

② 冷却方式：水冷 ( 到工作面时工作压力大于 0.2MPa)

③空气压力及流量： 0.75MPa 440L/min

④丙烷、氧气、氮气、氢气等

⑤喷涂工件的位置离主机放置位置的距离不超过 15m

⑥提供施工部位所需的脚手架

2、施工工艺流程：

表面预处理→喷砂作业→喷涂作业→预测厚度→自查、清场

2.1 表面预处理、喷砂作业：

采用 14 目-16 目金刚砂对工件表面进行喷砂，喷砂结束后，经厂方水压实验，如有漏水现象必须重复以上步骤进行修复处理，直至喷砂后无缺陷，达到表面干燥、无灰尘，表面清洁度达到  GB8923 中规定的“ Sa3.0”级，露出金属光泽，表面粗糙度达到 GB11373中规定的“ Rz50-90μm”。

2.2 喷涂作业：

① 将设备系统安装到位，打开气源，将控制柜的电源接上交流   220V 电源。同时，启动冷却循环水系统。

② 确定氢气已同系统连接并打开，压力设定为 0.35MPa。按下“净化”按钮2～ 3 秒，清洗喷枪内膛。并检查有无漏水的情况发生。如有，必须先拆下喷枪，查找原因并将其排除。再次将喷枪装上，重复按下“净化”按钮，直至无漏 水情况发生。

③ 按下“点火”按钮 1～ 2 秒，检查点火发生器有无放电现象。如无，查找故障原因，并排除。重复按下“点火”，直至见到放电现象。

④ 将两位旋钮旋至“预热”一侧。

⑤ 按下“启动”按钮，直至点火成功。如点火失败，重复启动。

⑥ 待超音速火焰在设定参数下稳定后，将两位旋钮旋至“喷涂”一侧，同时调节送粉器至适当参数。

⑦ 开始对喷砂后的工作面进行喷涂作业，涂层表面要求平整、光洁、致密、均匀，且和基体结合完好，无起皮、开裂、麻面、脱落等缺陷，过渡区与母材光滑过度，无台阶存在，基材不变形，孔隙率低于 1%。

2.3 预测厚度：

用测厚仪对金属热喷涂涂层进行测量，保证涂层厚度均匀，并达到规定要求。

2.4 自查：

施工结束后进行自查，对不合格处进行修整

三、超音速火焰喷涂设备与技术说明

1、设备简介 :

DF-3000 超音速火焰喷涂系统是通过高压燃料气体与氧气燃烧产生超音速火焰而实现喷涂的，该系统 1999 年由美国尤尼克公司开发生产，经过  8 年多的使用考核，实践证明该系统制备的涂层其性能达到或超过用一般   HVOF系统制备的同类涂层的性能。系统工作可靠稳定，适用于喷涂金属陶瓷、金属及合金涂层，涂层致密、结合性能优异。用该系统制备的镍基自熔合金涂层在喷态下涂层显微硬度超过了喷焊涂层的硬度。该系统制备的硬质合金涂层和镍基自熔合金复合涂层经在多种恶劣工矿条件 （如电力、石油、冶金等领域） 下使用考核证明，涂层的使用可以显著提高产品的附加价值，延长使用寿命，可获得显著的经济效益和社会效益。

该系统由 DF-3000 型喷枪、 DF-3000型控制柜和送粉器及冷却系统构成。本系统通过氧气和燃气燃烧产生超音速火焰。可使用的燃气包括丙烷和丙烯，氧  气助燃气体，空气和水为冷却介质，送粉气体可以使用氮气或氩气。在整个点  火过程中，加入氢气，使点火更易实现。

2、系统特点 :

①DF-3000 型超音速火焰喷涂系统采用先进的 PLC控制，可靠性高；

② 本系统使用的气体 （包括氧气、燃气、送粉气） 压力与流量，可以实现分别单独控制；

③ 利用单独设置的点火系统直接采用丙烷等燃气点火，可靠方便；

④ 通过气体参数的预制，用单个按钮可以实现在操作柜板面上对喷涂火焰开关的控制，也可以采用线控盒实现远隔控制，操作简单可靠；

⑤ 对冷却水与送粉气的压力实行实时监控，设置有报警系统，保证系统运行的可靠性；

⑥ 喷枪重 2.7Kg，可以手持进行喷涂，也可以配备合适的机夹装置进行机械化喷涂；

⑦ 火焰速度高。

⑧ 可炉内现场施工。

3、技术简介 :

DF-3000 超音速火焰喷涂技术的特点是：焰流速度极快，可达到 2100m/s， 这要比其他热喷涂工艺的焰流速度快 5～ 7 倍；由于速度快，粉末粒子携带强大的动能打击在基体上，使涂层致密度极高； 高速度带来另一个的好处是：在粒 子打击基体的瞬间，动能几乎全部转化为热能，使粒子再一次获得加热的机会，部分地补偿了焰流温度的不足，粒子的高速飞行使涂层的结合机理更偏重于机械锚固结合，也使亚冶金结合的比例增大。

超音速火焰喷涂之所以有高速度的焰流，是因为该系统在设计上突破了普  通火焰喷涂低压燃烧 （0.4MPa）的常规 , 采用了高压供气 ( 燃料), 使氧气、燃料1.2 ～ 1.5MPa 的压力输入燃烧室 , 形成高压燃烧 , 再由特别几何形状的拉伐尔喷咀喷出, 形成高速焰流。超音速火焰喷涂涂层的高硬度、高致密度、高结合强度使得涂层的耐磨损、耐腐蚀、耐冲刷等特性都远远超过了其他热喷涂工艺，从  北京工业大学材料学院的检测结果可以看出：超音速火焰喷涂涂层耐磨性能是  相对于 20G的 29 倍，它正在受到越来越多技术领域的重视。

4、在电力系统中的应用 

在我国，由于受能源结构的制约，在相当长一段时间内，火力发电狂电力 中占有相当大的比例。风机、叶轮、锅炉和汽轮发电机组等是火力发电中的重  要设备，由于工作环境不同，且工况较恶劣，所以部分设备寿命较短，严重地  影响牛产的安全性和经济效益。 在电力巾，煤粉依靠送粉机进行输送，送粉机叶片受到高速煤粉的强烈磨损和冲刷，损坏特别严重，叶片的强化措施有喷焊、堆焊、镶嵌陶瓷片、超音速火焰喷涂等几种方法。喷焊、堆焊因热输入量大，容易造成叶片变形，破坏叶轮原有的平衡状态，也易造成喷焊、堆焊层材料的相变、脱碳，甚至产生裂纹等失效，但它的优点是强化层与基体的结合力强。镶嵌陶瓷片因粘合剂的结合力低和老化原因容易造成脱落，使用效果受影响。采用 HVO/AF 超音速火焰喷涂碳化物陶瓷涂层，涂层制备时工件温度低于200℃，热输入量小，工作不变形，涂层宏观硬度存 65HRC 以上，耐冲蚀性能大大提高。 电厂锅炉水冷壁管受高温腐蚀和冲蚀磨损，失效严重，对电力生产影  响很大。在国外，最成功的防护措施是超音速火焰喷涂碳化物陶瓷涂层；在国内，通常的表而防护措施是采用电弧喷涂镍铬合金和铁铬铝合金耐磨涂层。二者相比，超音速火焰喷涂的涂层性能和防护寿命比电弧喷涂大大提高。 超音速火焰喷涂 NiCr-Cr 2C3 涂层在水冷壁管的应用表明，涂层硬度高，耐高温性能好，防护寿命长。

四、质量要求

1） 涂层表面要求： 喷涂后外观表面均匀、 光滑、致密、无开裂、无脱落等现象。

2） 结合状况： 涂层与基体结合良好， 不发生因涂层和工件膨胀特性不一致而造成脱落。

3） 作业要求：喷涂作业面工件不变形、不超温、不损伤。

4） 涂层基本性能要求：喷涂层具有良好的耐温性、导热性、抗氧化性、抗腐蚀性。

五、监督与验收 

1 在表面预处理和喷涂处理过程中， 施工方严格按照技术要求和工艺流程要求进行施工，建设单位专业工程师全程监督并参与质量管理工作。

2 施工完毕，由建设单位组织，双方相关人员共同到现场按验收规定进行项目验收，测量实际喷涂面积，出具验收报告并签字确认。

注：本文仅限于借鉴并技术交流，项目实际技术方案，请咨询我司研发中心。