船机轴类部件磨损修复的冷喷涂技术，又涨知识了！

2016-12-06 16:39:25 作者：本网整理来源：网络分享至：

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    由于现代经济和科学工业技术的突飞猛进，机械化程度持续上升，机械部件所处的工作环境更加复杂苛刻，其中部件磨损是致使大量机械设备失效的重要原因，并产生了巨大的经济损失。据不完全统计，每年全世界由于材料的磨损所产生的钢材消耗占到了全部消耗的50%左右，同时在工业发达国家由于磨损所造成的能源消耗量也占到了30%左右。美国每年因为腐蚀和磨损而产生的经济损失达到了国民总经济的40%左右。美国评议局的调查显示，船舶磨损损失约64亿美元，切削机床的维修费用更是高达750亿美元。而我国每年在该项的的经济损失总计也高达400亿人民币，且通常每年都会制备高达100万吨的后备钢材来补足由于磨损而损耗的钢材。在以绿色再制造工程为重点发展方向的21世纪，提倡更少的资源和能源消耗、更低的环境污染、更有效的把新技术用于对废旧品的改造。所以，为使因磨损失效的机械部件恢复功能，而对其进行修复，符合绿色再制造工程的发展方向。

    1、船机轴类部件的工作状况与磨损情况

    轴类部件，指在起到支承旋转作用的同时，可传递扭矩和动力的部件。在船舶工程中，轴类部件是各类船舶机械设备中最重要的组成部件之一，通常在轴上安装做回转运动的部件，轴类部件的运转直接影响着船舶设备的运行情况。船机轴类部件的损坏十分常见，不仅使设备的性能降低，同时会产生安全隐患。船机零件的修复大部分属于轴类零件的修复。因此，针对船机轴类零部件的修复显得特别重要。

    各种工程领域中，轴类部件的损坏形式通常有磨损、弯曲以及断裂，这些损坏类型中，最常发生的是磨损。在工程机械设备中，因过度磨损而发生失效的零部件占全部失效零部件的50%左右。轴类部件通常会在表层产生磨损，可通过表面工程技术来对其进行修复，要求修复后表面能达到一定的耐磨性要求，能够具有较高的抗疲劳和耐冲击载荷的性能，并且满足其结合强度和硬度的要求。部件表面形成的摩擦性能良好的涂层，能够增加部件的耐磨性能，延长使用时间，减少贵重和稀有金属的消耗量，从而节约资源、保护环境，并为材料的韧性和高耐磨性之间的矛盾提供了解决途径。表面涂层工艺使材料在高温、强酸碱和腐蚀等恶劣环境中有良好的耐磨性，进而拓展了材料的应用范围。

    应用表面工程技术手段修复报废、损坏的各种零部件已取得了一定的成效，且还在不断的深入发展。目前有多种表面修复方法，根据基体和修补层的结合特性，主要有喷涂、堆焊和镀覆等技术。其中热喷涂由于工艺方法多样、设备简单、操作方便迅速、成本低、喷涂材料选择范围广等特点，在轴类部件的修复中取得了重要的应用，在达到修复原有尺寸的同时，通过适当的处理工艺甚至可以获得比原部件或者新换件更为优异的表面涂层，获得再制造的功效。但是在一些情况下，热喷涂因为比较高的温度导致相变和有些元素挥发分解及氧化，故对于易发生相变和氧化的敏感材料不适用；且由于喷涂系统的辅助设备比较复杂，不利于轴类部件的修复。为了克服已有技术的不足，提出采用冷喷涂方法对轴类部件的磨损进行修复。

    2、冷喷涂技术的概念

    冷喷涂亦称之为冷气体动力喷涂，它是以压缩气体（空气、氦气、氮气和混合气体等）为加速介质，承载固态的金属粒子以高速撞击基板，粒子因产生剧烈的塑性形变而沉积成涂层的一种新型的喷涂工艺。

    3、冷喷涂技术的特点

    冷喷涂技术与热喷涂技术对粒子的加热方式和程度不同，使粒子撞击基体表面之前的状态不同，进而引起沉积行为和涂层形成机制的不同，最终导致冷喷涂涂层独特的组织和特性。在冷喷涂的过程中，为了使气流达到可以对承载的粒子产生加速的速度，有时也会预热加速气体，因预热温度十分低，粉末粒子仍为固态；而热喷涂过程中，粒子却被加热到了熔融状态。相对于热喷涂而言，冷喷涂技术有以下特点：

    （1）加热温度较低：粉末粒子在喷涂过程中，在非氧化性的热气流中加速，由于加热温度低，涂层几乎不会被氧化，适用于制备温度敏感的涂层。冷喷涂涂层与原始粉末的氧含量相差无几，不会发生熔化和蒸发现象，能有效避免塑料涂层的挥发。

    （2）可制备复合涂层：一些混合粉末由于物理化学性质的差异在常温下不相容，冷喷涂工艺可制得常规工艺无法制得的特殊复合材料涂层。例如，AlPb合金涂层。

    （3）对基体的热影响小：对基体材料的组织结构影响很小，使得基体材料有很大的选择范围，不仅是金属和合金，也可以是塑料，能够使不同类别的材料结合优良。

    （4）涂层孔隙率低：冷喷涂涂层是速度很大的粒子以固态碰撞基板发生塑性形变而沉积成的，涂层未经过熔融状态冷却，没有发生体积变化，后续粒子对已有涂层进行冲击，夯实作用使得涂层具有很低的孔隙率。

    （5）喷涂粉末因未经过明显的热过程，可以回收再利用。

    4、冷喷涂技术的国内外发展概况

    冷喷涂作为最新出现的一种热喷涂工艺，已成功研制出多种金属、合金、复合涂层以及其他一些特殊功能涂层（如纳米结构涂层、非晶涂层、TiO2光催化涂层等）。科研人员在对冷喷涂技术进行理论研究的同时也在积极开发应用。国外开展冷喷涂的研究相对国内较早，但这也是初步的研究，并没有大面积应用到工业中。对冷喷涂工艺研究起步较早的国家，例如德国、美国、俄罗斯等，正积极致力于此技术的工业化。美国使用冷喷涂技术修复直升机用镁合金曲轴箱外壳，福特公司在汽车底盘的防腐中应用了冷喷涂铝涂层。俄罗斯将冷喷涂涂层用于钢管内表面的防腐，已在西伯利亚钢厂建成了自动化的生产线，并在汽车、机械制造和汽车领域积极推广。德国把冷喷涂工艺用于解决热喷涂工艺引发的汽车尾气排气管的疲劳断裂问题，使服役时间延长；加拿大Centerline Windsor公司采用冷喷涂Al涂层对飞机发动机辅助动力装置的铝合金零件进行了修复；日本在电子工业领域制备出了高品质的冷喷涂导电涂层。

    我国的冷喷涂技术虽然晚起步于国外，但是研究内容和规模已经逐步形成，吴杰采用冷喷涂工艺制得的Al电极可以避免PTC陶瓷和金属界面产生吸附氧层，减小接触电阻。陈利修采用冷喷涂工艺制备超细Cu-Zn-Al2O3复合涂层，用于修复斯太尔发动机的水道腐蚀部分，结果显示，冷喷涂Cu-Zn-Al2O3复合涂层和发动机缸体能够很好的结合，大幅度提高了耐磨性，且延长了设备服役期。孙裕昌把渗铝管换成冷喷涂镍包铝F501，用于高温环境下电站水冷壁管的抗腐蚀。侯根良以KY-HVO（A）F多功能超音速火焰喷涂为前提条件，发展了冷喷涂工艺。王平将冷喷涂耐磨涂层应用到省煤器上，使其耐磨性提高。

    综上所述，冷喷涂技术目前已发展较成熟，为冷喷涂技术用于船机轴类部件磨损修复创造了有利条件。