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摘要 : 本文從熱噴涂技術(shù)的角度對NiCr-Cr3C2粉的性能、結(jié)構(gòu)、組成及國外發(fā)展狀況做了簡介; 用HVOF噴涂國產(chǎn)粉,其涂層性能達到或接近國外同類產(chǎn)品的技術(shù)指標；著重介紹了這種粉末在冶金工業(yè)中的特殊應(yīng)用。
一、前言
在眾多的碳化物中。只有碳化鎢(WC)和碳化鉻(Cr3C2)作為熱噴涂材料在工業(yè)上得到實際應(yīng)用。前者通常用于工作溫度低于500度的耐磨涂層，而Cr3C2則用于高溫(直至900度)工作狀態(tài)。在熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域中，航空、發(fā)電及汽車制造是三大重要板塊，而Cr3C2涂層在發(fā)電、冶金和航空等系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。NiCr-Cr3C2熱噴涂材料的研制開發(fā)，正是基于我國這些相關(guān)行業(yè)的急迫需要而實施的。
二、熱噴涂簡述
熱噴涂是一種表面強化技術(shù)。它采用電弧、等離子弧、燃氣一氧氣等形式的熱源，將被噴涂的涂層材料熔化或半熔化，并在氣流的作用下使之霧化成微細熔滴或高溫顆粒，以很高的飛行速度噴射到經(jīng)過處理的基體表面，形成具有某種功能的涂層。依據(jù)所選材料及噴涂方法的差異，所得涂層具有耐磨損、抗氧化、電導(dǎo)與電阻、抗大氣和浸漬腐蝕、耐化學(xué)腐蝕、隔熱耐高溫、恢復(fù)尺寸、機件間隙控制等功能，近年來又擴展到裝飾或生物工程等領(lǐng)域，從而熱噴涂在工程技術(shù)界得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)從最初的簡易維修擴充到航天、航空、交通、鐵路、石化、采礦、冶金、電力、機械等各領(lǐng)域。國家科委和經(jīng)委已連續(xù)將此項技術(shù)列為六五、七五期間全國重點推廣的技術(shù)項目，并已取得上百億元的經(jīng)濟效益。依熱源形式的不同，熱噴涂可分為火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂和超音速火焰噴涂(亦稱高速氧-燃氣噴涂，即HVOF)。等離子噴涂的火焰溫度可達10000°C，幾乎可噴涂一切固態(tài)材料，在熱噴涂技術(shù)占有重要地位，并在航空發(fā)動機等高技術(shù)行業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。其它幾種方法各有特點：火焰噴涂成本最低、適合噴涂一些金屬或合金等低熔點的材料；電弧噴涂的操作成本低，涂層質(zhì)量好于火焰噴涂，但只能噴涂一些能導(dǎo)電的材料，爆炸噴涂的粉末飛行速度很高，涂層致密，結(jié)合強度高，但靈活度較差，用途受到限制。自八十年代初，超音速火焰噴涂開始出現(xiàn)，經(jīng)過多年的發(fā)展，已在熱噴涂技術(shù)中占有一席之地，它的最大特點是火焰焰流速度和粉末速度非常高，可達1000-2000米／秒，涂層質(zhì)量與爆炸噴涂相當，持別適合噴涂在高溫中易氧化或脫碳的粉末材料，如WC或Cr3C2粉，涂層與基體的結(jié)合強度高達90MPa以上。缺點是耗氣量大。熱噴涂技術(shù)的最大特點是沉積速度高，通常一個單元設(shè)備的噴涂速度為5-8公斤／時，最多可達15公斤／時;二是可選擇的噴涂材料廣泛，材料不同，涂層性能亦千差萬別，從而可提供性能各異的涂層表面，滿足各種不同的需求。在世界馳名的SULZER METCO公司，可生產(chǎn)350多種粉末材料和50多種線材。僅含Cr3C2的粉末就有10種之多。
三、主要性能及典型應(yīng)用
NiCr-Cr3C2粉由兩種不同性能的組份構(gòu)成。其中NiCr合金具有良好的耐熱耐蝕性，常用的成份是80％Ni-20％Cr。Cr-C系有Cr3C2，Cr7C3和Cr23C6三種化合物，熔化溫度分別為1810°C，1726°C和1575°C。其中Cr3C2是最常見與最重要的一種。這些碳化鉻所具有的特點是，在金屬碳化物中抗氧化能力最強，在空氣中只有在1100-1400度才開始顯著氧化。在高溫條件下依然保持相當高的硬度。Cr3C2還具有很強的耐蝕性和耐磨性，在稀硫酸溶液中是1Crl8Ni9Ti不銹鋼耐蝕性的30倍，而在蒸汽中則是Co-WC合金的50倍。用NiCr-Cr3C2噴涂電廠鍋爐爐管，管壁磨損量由1.5-2.0mm／年減少到0.03mm／年，使其工作壽命延長至七年以上。通常用NiCr作為耐熱合金粘結(jié)相與Cr3C2硬質(zhì)相近熱噴涂形成涂層，就構(gòu)成了優(yōu)良的抗高溫耐磨材料。采用HVOF或等離子噴涂工藝，使NiCr合金與Cr3C2陶瓷能有充分的條件形成均質(zhì)的金屬陶瓷涂層，這種涂層在高溫條件下具有耐磨損、耐沖蝕、氣蝕和微振等功能，同時也抗高溫氣體(即使是含S氣體)腐蝕及高溫氧化等特性。典型的應(yīng)用是：燃煤鍋爐爐管(電廠、造紙廠)、冶金退火爐輥、熱成型模、液壓機閥門、燃桿芯軸，透平機氣封環(huán)、風檔、內(nèi)噴咀支撐，泵套、 熱碎輥、活塞導(dǎo)軌、撥叉、壓氣機氣密封、伸縮接頭、水輪機噴咀、假造工具、透平排氣支撐等。
四、結(jié)構(gòu)與組成
作為熱噴涂材料，NiCr-Cr3C2有不同的結(jié)構(gòu)與組成。在結(jié)構(gòu)上，分為混合型及包覆型，前者是NiCr與Cr3C2各作為一個組份按一定粒度及重量的要求混合而成。這種型式的NiCr-Cr3C2粉已應(yīng)用多年，至今仍占據(jù)重要地位。包覆粉出現(xiàn)于八十年代初，它是利用化學(xué)及冶金方法將NiCr和Cr3C2兩種組份包覆在一起，成為一種復(fù)合粉。這種粉末在噴涂時減少了失C的可能性，并使涂層均質(zhì)化程度高，質(zhì)地均勻。NiCr-Cr3C2粉的組成，主要是指兩組份之間的比例。NiCr合金本身，通常選用80Ni％20％Cr，而NiCr合金的含量，可由0增至50％，隨著NiCr的增高，涂層的韌性加大，但硬度降低，耐磨****差，只有二者比例恰到好處，涂層的抗高溫性、耐磨性和耐蝕性才達到綜合最佳值，一般以NiCr占20-25％為宜。
五、國外發(fā)展狀況
早在六十年代末，美國METCO公司就開發(fā)了NiCr-Cr3C2粉。這種粉末為混合型，NiCr含量有7％，15％，20％和25％等幾個級別，粒度范圍從140目到5μm，中間設(shè)立幾個區(qū)間。用等離子噴槍噴涂．主要用于航空發(fā)動機另件的強化。這種狀況一直保持到七十年代末。至八十年代初，國外開始研制包覆粉，主要采用高壓氫還原、熱擴散、等離子霧化、團聚和燒結(jié)破碎等方法。但直到九十年代初才有這種產(chǎn)品推向市場。在這些產(chǎn)品中，等離子噴涂仍以混合型粉為主，只有用超音速火焰噴涂，即粒度在-300目的粉末才采用包覆型粉。表1列出了世界著明的SULZER METCO公司生產(chǎn)的NiCr-Cr3C2粉系列.