熱噴涂技術在熱鍍鋅中的應用及展望*

宋勁松

(承德石油高等?？茖W校，河北 承德 067000)

鋼鐵是應用最廣泛的金屬材料，但其腐蝕是最大的問題，熱鍍鋅技術能提高鋼鐵件的抗腐蝕能力。然而在熱鍍鋅過程中，液態鋅對金屬都有強烈的腐蝕性[1-2]，還存在熱量利用效率低、耗鋅量大、能耗大、熱鍍鋅設備使用壽命短等諸多不足[3-5]。熱噴涂技術就是將粉體材料或絲狀材料利用一定的裝置送入火焰流中，利用火焰流的高溫使材料在火焰流中熔化或部分熔化并加速，在慣性和火焰流的作用下，沖擊到基體表面，處于熔融或半熔融狀態下的粉體或絲體在基體表面上鋪展并凝固形成層片，通過層片不斷堆疊形成涂層的一類加工工藝。利用熱噴涂技術在鋼鐵表面制備一層或幾層耐鋅腐蝕材料，使鋼鐵與熔融鋅液隔絕開，這樣把金屬材料的良好塑韌性和涂層所具有良好的耐磨性、耐蝕性、耐高溫氧化等性能結合起來，從而形成一種新型耐鋅蝕復合材料。

1 熱噴涂

1.1 超聲速火焰噴涂

超聲速火焰噴涂工作原理見圖1。超聲速火焰噴涂是利用碳氫燃氣或氫氣與高壓氧氣在燃燒室內，或在特殊的噴嘴中燃燒產生高溫、高速的燃燒火焰流，火焰流速度可達1 500 m/s以上，軸向送進燃燒火焰流的噴涂粒子或絲材可被加熱至熔融或半熔融狀態，并被火焰流加速到300～500 m/s甚至更高速度，處于熔融或半熔融狀態下的粒子沖擊到基體表面鋪展成片，層片的堆積形成結合強度高、致密性好的高質量涂層[6]。由于其突出的防腐蝕效果，近年來，在熱鍍鋅防腐蝕方面得到了應用及發展。

圖1 超聲速火焰噴涂工作原理示意

Kazumi等[7]在低碳鋼表面利用超聲速火焰噴涂技術制備WC/Co涂層,并研究其抗鋅蝕機理，結果表明：WC/Co涂層明顯提高了基體的耐鋅腐蝕性，鋅液中的鋁優先擴散沉積在WC/Co涂層的表面，形成富鋁且致密的薄層阻礙了鋅液的進一步擴散，從而使涂層具有較好的耐鋅蝕性能。王文俊等[8]在316不銹鋼表面制備WC/Co涂層，經研究發現:在鋅液以及熱噴涂形成的殘余熱應力共同作用下，WC/Co涂層受液鋅的腐蝕為沿裂紋腐蝕，同時提出如果適當優化噴涂工藝,提高涂層的致密度,可以進一步延長涂層的使用壽命。B G Seong等[9-10]研究了高速氧燃氣噴涂(HVOF)直接在金屬表面上制備致密的WC/Co涂層,在熔融鋅液中加入少量鋁 (質量分數在0.12%～0.23%),在涂層表面形成Fe2Al5金屬間化合物層，該金屬間化合物層的形成進一步提高了涂層的抗鋅蝕性能。J Berget等[11]利用HVOF制備添加了一定量Cr的WC/Co涂層，結果表明：當Cr的質量分數為5%～8.5%時，WC/Co涂層的耐液鋅腐蝕性最好。辛鋼等[12]在中碳鋼表面采用高速火焰噴涂技術制備Co12-WC，Co17-WC和Fe-Al 涂層,并對三種涂層的耐鋅液腐蝕性能進行了對比，結果表明:Fe-Al涂層的表層與液鋅發生固溶反應形成致密的鐵鋁鋅三元固溶體，致密的固溶體層阻止液鋅繼續擴散腐蝕，使反應層厚度長時間穩定在80～100 μm，且固溶體層厚度隨時間增加變化不明顯，耐鋅腐蝕性能優于鈷基碳化鎢涂層。J M Guilemany等[13]利用HVOF獲得鐵鋁中間化合物涂層,并研究了涂層在900 ℃，1 000 ℃和1 100 ℃的恒溫抗氧化性能,這為Fe-Al涂層在鋅液中的抗腐蝕性能及失效機理的研究提供了一定的借鑒。WANG Y等[14]利用HVOF制備添加了一定量CeO2的Fe-Al金屬間化合物涂層，當CeO2的質量分數為2%時，涂層裂紋最少,氣孔率最低，強度最高,相對于純Fe-Al涂層表現出更加優良的抗侵蝕和抗磨損性能。

超聲速火焰流速度高，能將熔融或部分熔融的粉體或絲體加速到很高的速度沖擊到基體表面，但火焰流溫度相對較低，不能對熔點較高的材料進行噴涂，因此該技術的應用范圍受到限制。

1.2 爆炸噴涂

爆炸噴涂是利用脈沖式氣體燃燒爆炸后產生的能量,將噴涂粉體加熱融化并加速沖擊到基體表面，形成具有一定厚度的涂層。爆炸噴涂工作原理見圖2。噴涂過程中，中心溫度最高可達 3 450 ℃，可噴涂金屬粉末、合金粉末、復合材料粉末、陶瓷材料粉末等大部分材料。在高速氣流(3 000 m/s)的帶動下熔融粒子的最高速度可達1 200 m/s，可形成較為致密的涂層，因此，爆炸噴涂在熱鍍鋅等諸多領域應用十分廣泛[15-17]。

張立志等[18]以Fe-Al及Fe2Al5為噴涂粉體，利用爆炸噴涂技術在基體表面制備Fe-Al及Fe2Al5涂層，并對比研究了兩種涂層的耐鋅液腐蝕性能，研究表明：由于Fe-Al涂層不與鋅發生發應,因此表現出優異的耐鋅蝕性能，而Fe2Al5涂層與鋅發生發應生成Fe2Al5Zn0.4,耐鋅蝕性能稍差，但相較于基體的耐鋅蝕性能則有了大幅度的提高。

圖2 爆炸噴涂工作原理示意

爆炸噴涂火焰流可達到很高的溫度及速度，能夠噴涂大部分材料，但其爆炸過程不可控，且高溫、高速能量流的可持續時間較短，因此，爆炸噴涂技術的應用范圍十分有限。

1.3 等離子噴涂

等離子噴涂工作原理見圖3。等離子噴涂具有火焰流溫度超高并可控、粒子噴射速度快和噴涂材料極少被氧化等優點，幾乎所有的材料都可以進行噴涂，在包括熱鍍鋅等諸多行業均有著十分廣泛的應用[19-21]。

圖3 等離子噴涂工作原理示意

DONG Y C等[22]采用大氣等離子噴涂技術在碳鋼表面制備了ZrO2/Ni-Al涂層并研究其抗液鋅腐蝕性能，結果表明：涂層的使用壽命為傳統ZrO2涂層的4倍，大大提高了涂層的耐熔融鋅液腐蝕的能力。YAN D R等[23-25]在低碳鋼表面利用等離子噴涂技術制備了厚度為0.6 mm的Fe-Al涂層，并將制備好的涂層在加熱爐內進行擴散退火，研究了處理后涂層在鋅液中的腐蝕行為，結果表明：Fe-Al涂層有效降低了基體與鋅液的反應速率，提高了基體的耐鋅蝕性能。徐勇[26]對等離子噴涂制備的Mo,W，Mo-30W， WC-Co涂層耐鋅蝕性進行對比研究，發現Mo涂層具有致密性好、缺陷少、與鋅不潤濕不反應等優點而表現出優良的耐熔鋅腐蝕性能。

此外，MoB/CoCr涂層[27-29]、WC/Co涂層[30]、Fe-Al合金與Al2O3-TiO2/Cr2O3涂層[31]也都表現出了良好的耐鋅蝕性，在實際生產中均有應用。

1.4 激光熔覆

激光熔覆是利用能量極高的激光束(104～106W/cm)輻照待處理基體表面，使基體表面薄層與涂覆在表面的熔覆材料同時熔化并相互反應、相互作用，經過快速熔化、凝固形成具有硬度高、抗腐蝕性好等綜合性能優異的涂覆層工藝[32-33]。激光熔覆工作原理見圖4。

圖4 激光熔覆工作原理示意

ZHANG K等[34]利用激光熔覆技術在316不銹鋼表面制備碳化物涂層，研究其在熔融鋅液中的磨損行為，結果表明：在相同條件下，經過激光熔覆處理的試樣磨損量明顯少。ZHANG H等[35]在碳鋼表面利用激光熔覆技術制備了添加一定量Cr的TiC-VC涂層研究其耐鋅腐蝕性能，結果表明：熔覆粉體中加入適量的Cr能夠提高涂層的耐鋅蝕性能，當添加質量分數為3%時，效果最佳，耐鋅腐蝕性提高了3.26倍。張松等[36]采用半導體激光器在不銹鋼表面制備了兩種不同成分的鈷基合金熔覆層，研究發現：與原Co基合金熔覆層相比，添加了W元素的Co基合金熔覆層晶粒得到細化，彌散分布的Co6W6C 相使熔覆層耐鋅蝕性能大幅度提高。徐鵬等[37]采用5 kW橫流CO2激光器在碳鋼表面制備激光熔覆層，熔覆層在模擬環境下的腐蝕速率遠遠小于基體的腐蝕速率，除此之外，熔覆層還具有優異的耐磨性能和較高的機械強度。

1.5 等離子噴涂-激光熔覆

等離子噴涂-激光熔覆技術就是將激光熔覆技術以及等離子噴涂技術二者相結合的一種表面處理技術。該技術所制備的涂層具有致密度高、結合強度高和組織細小等優點，具有廣闊的應用前景[38-39]。

QIAN J等[40]利用等離子噴涂-激光熔覆方法在AZ91D(鎂合金)基體表面制備了Ni-Al/Al2O3涂層，結果顯示：涂層與基體結合強度高且表面光滑，氣孔率較低，涂層的耐腐蝕性能顯著提高，在熔融液鋅中的壽命達到900 h。胡新林等[41]采用預置式兩步激光熔覆法在AZ91合金表面進行了等離子噴涂+激光熔覆改性處理，結果表明：激光熔覆層主要由α-Al和(α-Al+β-Si)共晶組織組成，激光熔覆層的耐鋅腐蝕性能最優，等離子噴涂層次之，AZ91合金相較于前兩者耐鋅蝕性能較差。

2 存在的問題

由于液鋅對金屬有強烈的腐蝕性，因此研制出了石英玻璃、碳化硅、石墨和金屬合金等多種耐鋅蝕材料。這些材料均不耐液鋅的長時間腐蝕，不但熱功率密度低，而且強度較低，易在碰撞或擠壓過程中遭到破壞，使用壽命短，制作成本昂貴等問題，而金屬合金雖然提高了耐鋅腐蝕性能，但熔融液鋅對其腐蝕程度仍然比較嚴重。

利用熱噴涂技術在基體表面制備的氧化物涂層、金屬間化合物涂層和硬質合金等涂層反而表現出較好的耐液鋅腐蝕性能，但是制備的涂層往往很難達到涂層材料本身的耐鋅腐蝕性能。這主要是由于在制備涂層的過程中存在某些缺陷(如制備工藝不恰當，欠缺前后期處理或處理不得當)而導致涂層表層或內部存在孔洞、微裂紋等缺陷，孔洞及微裂紋的存在,為液鋅擴散提供了腐蝕通道，從而使涂層耐鋅蝕能力下降，進一步降低使用壽命。

3 發展與展望

在抗鋅液腐蝕方面，國內由于起步較晚與國外仍存在著一定的差距，主要表現在鋅液溫度的精度控制、加熱裝置溫度的精度控制、耐鋅蝕材料,耐鋅蝕能力不足和加熱方式能耗大等方面。因此應進一步加深對液態鋅腐蝕機理的研究，還應加強耐鋅蝕涂層的應用及新型熱噴涂技術的開發。

現有的熱噴涂技術在制備涂層過程中,均存在氣孔、微裂紋、與基體結合不牢固等不同程度的缺陷，使復合材料的使用壽命大大降低。通過熱力學計算、參數控制、工藝控制、計算機模擬、理論研究等方法可以在一定程度上解決這個問題，但不能徹底解決。因此，開發一種能夠制備與基體結合強度高、致密性好、缺陷少的熱噴涂涂層，滿足實際生產需要是今后技術發展的重點。