一、電弧噴涂

電弧噴涂是利用兩根連續(xù)送進(jìn)的金屬絲之間產(chǎn)生的電弧作熱源來熔化金屬，用壓縮空氣把熔化的金屬霧化，并對(duì)霧化的金屬細(xì)滴加速使之噴向工件形成涂層的技術(shù)。

1．噴涂原理

端部呈一定角度（30°-50°）的兩根連續(xù)送進(jìn)的金屬絲，分別接直流電源（18V-40V）的正負(fù)極，在金屬絲端部短接的瞬間，產(chǎn)生電弧，電弧使金屬絲熔化，在電弧點(diǎn)的后方由噴嘴噴射出的高速空氣流使熔化的金屬霧化成顆粒，并在高速氣流的加速下噴射到工件的表面。

在電弧和霧化氣流的作用下，兩金屬絲的端部頻繁地進(jìn)行著金屬熔化-熔化金屬脫離-熔滴霧化成微粒的過程。在每一過程中，極間距離頻繁地發(fā)生變化，在電源電壓保持恒定時(shí)，由于電流的自調(diào)節(jié)特性，電弧電流跟隨發(fā)生頻繁地波動(dòng)，自動(dòng)維持金屬絲的熔化速度，電弧電流隨送絲速度的增加而增加。

2.電弧噴涂設(shè)備

電弧噴涂設(shè)備主要由噴槍、噴涂電源、控制箱、送絲機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。目前大多數(shù)設(shè)備都將控制箱與噴涂電源合并在一起。

1）．噴涂電源

（1）電源特性要求。目前電弧噴涂大多采用外特性和動(dòng)特性適于電弧噴涂特點(diǎn)的專用電源，即電源外特性是平特性或略帶上升的外特性，而動(dòng)特性有足夠大的電流上升速率，平直或略帶上升的外特性比陡降外特性有大得多的電流自調(diào)節(jié)性能。當(dāng)弧長(zhǎng)變小時(shí)，電流能迅速增大加速金屬絲的熔化而恢復(fù)弧長(zhǎng)；當(dāng)弧長(zhǎng)變大時(shí)，電流又能迅速減小，減少金屬絲的熔化速度而恢復(fù)弧長(zhǎng)。

由于不同金屬材料要求的噴涂電壓不同，要求噴涂電源的輸出能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。一般，噴涂電源的空載電壓調(diào)節(jié)范圍是24-38V。

（2）電源構(gòu)成。噴涂電源的主要構(gòu)成為：電源變壓器、整流器、接觸器以及電流、電壓的調(diào)節(jié)和顯示儀表等。噴涂電源的輸出電壓調(diào)節(jié)一般是通過改變變壓器一次繞組的匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

2）．送絲機(jī)構(gòu)

電弧噴涂時(shí)兩根金屬絲需要以均勻、連續(xù)的速度送至噴涂槍，金屬絲的送進(jìn)依靠送絲機(jī)構(gòu)來完成。送絲機(jī)構(gòu)由送絲電機(jī)、減速器、送絲輪等組成。

送絲電機(jī)通常選用直流伺服電動(dòng)機(jī)。直流伺服電動(dòng)機(jī)反應(yīng)迅速、可隨時(shí)開、停操作。減速器多為蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)緊湊、速比大，蝸輪箱應(yīng)保持良好潤(rùn)滑，否則蝸輪容易磨損。

3）．電弧噴槍

噴槍是電弧噴涂設(shè)備的重要組成部分，其中由導(dǎo)電嘴、絕緣體、霧化噴嘴和弧光罩等組成的霧化槍頭是噴槍的關(guān)鍵部分，早期噴槍的霧化頭由導(dǎo)電嘴、絕緣體、霧化噴嘴構(gòu)成，稱為敞開式噴嘴，其霧化效果不好，顆粒比較粗大。目前使用的噴槍基本都采用通過加裝空氣帽，將電弧區(qū)封閉，對(duì)電弧適當(dāng)壓縮，稱為封閉式噴嘴，這種噴嘴增加了弧區(qū)的壓力，加強(qiáng)了對(duì)熔化金屬的霧化效果。

3.電弧噴涂技術(shù)特點(diǎn)

1）．生產(chǎn)效率高

電弧噴涂的生產(chǎn)效率與電弧電流成正比，當(dāng)噴涂電流為300A時(shí)，噴涂不銹鋼絲可達(dá)14kg/h，噴涂鋁絲為8kg/h。這大約相當(dāng)于火焰噴絲槍生產(chǎn)效率的4倍。

2）．涂層結(jié)合強(qiáng)度高

電弧噴涂時(shí)，電弧溫度高達(dá)5000K，使得熔融粒子溫度高，變形量大，可獲得較高的結(jié)合強(qiáng)度及涂層自身強(qiáng)度。

3）．元素?zé)龘p較為嚴(yán)重

由于電弧噴涂溫度高，由電能轉(zhuǎn)化的熱能除了熔化送進(jìn)的絲材外，仍有大量過剩，過剩的熱能導(dǎo)致絲材在噴涂過程中過熱，發(fā)生氧化和蒸發(fā)，形成煙塵而損失掉。

4）．能源利用率高

電弧噴涂時(shí)，電弧直接作用于金屬絲的端部用來熔化金屬，能源利用率可達(dá)90%，是各種噴涂方法中能源利用率的。

5）．操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便

電弧噴涂設(shè)備相對(duì)較簡(jiǎn)單，噴涂過程中只需關(guān)注四個(gè)主要參數(shù)，即噴涂電壓、噴涂電流、霧化空氣壓力和噴涂距離，其中前三個(gè)參數(shù)經(jīng)預(yù)先設(shè)置后，噴涂過程中一般不會(huì)改變，電弧噴涂工藝對(duì)噴涂距離并不敏感，一般可在180-240mm之間變動(dòng)。電弧設(shè)備易損件只有導(dǎo)絲嘴和送絲輪，其維護(hù)和更換方便。

4 電弧噴涂的主要工藝參數(shù)

電弧噴涂的主要工藝參數(shù)有：噴涂電壓、噴涂電流、霧化空氣壓力和噴涂距離

1）．噴涂電壓

噴涂電壓是指兩金屬絲之間的電弧電壓，它反映了絲材間隙的大小，有效地控制電弧電壓可以保持霧化區(qū)幾何形狀的穩(wěn)定。每種材料都對(duì)應(yīng)有自己的維持電弧穩(wěn)定燃燒的電弧電壓值。

噴涂電壓越低，熔化了的粒子尺寸就越小。但是，如果電弧電壓低于材料的臨界電弧電壓，電弧就不能穩(wěn)定地燃燒。

當(dāng)噴涂電壓高于臨界電弧電壓時(shí)，隨著電壓的提高，絲材的間距、噴涂射流角度和噴涂粒子的顆粒尺寸范圍都隨之增大，同時(shí)被噴涂材料的元素?zé)龘p程度也增大，尤其是那些容易與氧化合的元素，其燒損更為嚴(yán)重。隨著噴涂電壓的提高，沉積效率逐步降低。

可見，電弧電壓對(duì)噴涂質(zhì)量影響很大，在保證電弧穩(wěn)定燃燒的前提下，應(yīng)選擇盡可能低的噴涂電壓值。表列出常用材料的噴涂工作電壓。

常用材料的噴涂工作電壓

2）．工作電流

用于電弧噴涂的電源應(yīng)具有平特性或略帶上升的外特性，噴涂過程中，電弧電壓保持不變，工作電流隨送絲速度的增大而增大。

一般來講，增大噴涂時(shí)的工作電流，一方面可以提高生產(chǎn)效率，另一方面也可提高涂層質(zhì)量。但工作電流的增大也帶來副作用，就是材料燒損程度增大，沉積率下降。

3）．霧化空氣壓力和流量

霧化空氣壓力和流量在很大程度上決定了噴涂粒子的霧化程度和飛行速度，即霧化空氣壓力和流量越大，粒子霧化越充分，所得到的涂層也越致密。但過分追求更細(xì)的霧化，將導(dǎo)致兩種不良后果。其一是涂層結(jié)合強(qiáng)度的降低，因稍粗大一些的噴涂粒子可攜帶較多的能量，更有利于與基體的結(jié)合。其二是噴涂粒子氧化程度的增大，因隨著霧化空氣壓力和流量的增大，一方面氣流中氧含量增多，另一方面噴涂粒子的相對(duì)表面積急劇增加，二者綜合作用，導(dǎo)致涂層氧化加劇。

4）．噴涂距離

電弧噴槍噴嘴出口處，霧化氣體的流速，而熔滴的速度，隨著噴涂距離的增加，噴涂粒子被逐漸加速，霧化氣流速逐漸降低。一般噴涂粒子在60-200mm的噴涂距離內(nèi)有較高的飛行速度和溫度，容易得到高質(zhì)量的涂層。

二、高速電弧噴涂

傳統(tǒng)電弧噴涂技術(shù)由于噴涂粒子速度低，涂層受到較嚴(yán)重的氧化，使電弧噴涂涂層質(zhì)量和應(yīng)用受到一定局限。研究表明，影響電弧噴涂涂層質(zhì)量的主要工藝參數(shù)除電弧電壓、電流、送絲速度外，同時(shí)和壓縮空氣的流速、質(zhì)量有著十分密切的關(guān)系，是影響涂層質(zhì)量的重要關(guān)鍵因素之一。高速電弧噴涂技術(shù)就是采用高壓氣流或燃料燃燒所產(chǎn)生的高速射流霧化噴涂材料熔滴，提高電弧穩(wěn)定性，使噴涂粒子顯著加速，減少粒子與空氣的接觸時(shí)間，達(dá)到減少涂層氧化、顯著提高涂層質(zhì)量的目的。

1．高速電弧噴涂原理

高速電弧噴涂原理與傳統(tǒng)電弧噴涂完全相同，其主要區(qū)別在于提高霧化氣壓力和流速。通常采用拉瓦爾噴管來實(shí)現(xiàn)霧化空氣的加速，或利用液體燃料燃燒產(chǎn)生的高速火焰焰流作為熔滴霧化氣流，從而實(shí)現(xiàn)噴涂粒子的加速，又資料表明，高速電弧噴涂在距噴槍噴嘴端面軸向距離80mm范圍內(nèi)，其流速度可達(dá)到600m/s，金屬熔滴的霧化效果顯著提高，涂層粒徑僅為傳統(tǒng)電弧噴涂粒徑的1/3-1/8，噴涂Al涂層和3Cr13涂層結(jié)合強(qiáng)度分別達(dá)到35.2MPa和42.8MPa，是傳統(tǒng)電弧噴涂涂層的2.2倍和1.5倍。

2．高速電弧噴涂涂層質(zhì)量

影響高速電弧噴涂涂層質(zhì)量的主要因素有表面預(yù)處理質(zhì)量、噴涂工藝規(guī)范、壓縮空氣壓力、霧化氣體流速、流量和噴槍結(jié)構(gòu)等。

（1）壓縮空氣壓力、流量與質(zhì)量。對(duì)高速電弧噴涂而言，壓縮空氣壓力只要大于0.2MPa，就能實(shí)現(xiàn)高速電弧噴涂。實(shí)際上，壓縮空氣壓力越高，高速射流區(qū)間越大，通常用壓縮空氣壓力一般不低于0.5MPa；霧化氣流量的增加，霧化效果明顯加強(qiáng)，霧化顆粒越細(xì)，但確定霧化氣流的大小，必須與噴槍噴嘴直徑、空氣壓縮機(jī)流量相匹配；壓縮空氣質(zhì)量越好，所含油分、水分、雜質(zhì)越小，對(duì)涂層質(zhì)量越有利。隨著壓縮空氣壓力、流量的增加，涂層越致密，結(jié)合強(qiáng)度越高，表面粗糙度越低，越光滑。

（2）噴涂工藝規(guī)范。電弧噴涂工藝規(guī)范參數(shù)對(duì)霧化粒子的溫度和霧化效果有較大的影響。主要有電弧電壓、噴涂電流、送絲速度、噴涂距離。

1）電弧電壓、噴涂電流。當(dāng)噴涂電壓一定時(shí)，噴涂電流越大，熔化金屬顆粒溫度越高，霧化粒子越細(xì)，金屬線材熔化越快，顆粒表面氧化越嚴(yán)重，涂層含氧量增加，結(jié)合強(qiáng)度降低。噴涂電流一般不超過200A為宜；噴涂電流一定時(shí)，隨著電壓的增加，電弧功率增加，具有和增加電流同樣的影響效果。為保證電弧穩(wěn)定燃燒，噴涂電壓通常選用中間值，不宜太高，一般不超過36V，較高的噴涂電壓對(duì)結(jié)合強(qiáng)度有不良影響，較低的電壓有利于提高沉積效率，改善霧化效果，提高涂層的硬度和耐磨性。

2）送絲速度。送絲速度的平穩(wěn)性是維持電弧燃燒穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，與噴涂效率和電弧電壓直接相關(guān)。在相應(yīng)的電弧電壓條件下，送絲速度須保持兩金屬絲電極端面的距離為恒定值，維持噴涂電壓的穩(wěn)定性。

3）噴涂距離。噴涂距離直接影響涂層的結(jié)合強(qiáng)度和沉積效率，高速電弧噴涂噴距通常在150-300mm之間選取，熔融顆粒具有較高的動(dòng)能，有利于提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

常用材料的高速電弧噴涂工藝規(guī)范

（3）高速電弧噴涂特點(diǎn)。高速電弧工藝過程中，由于高速霧化氣流的引入，在相同的噴涂工藝參數(shù)和相同的噴涂材料條件下，具有明顯的特點(diǎn)。

1）沉積效率高。噴涂Al線材時(shí)，沉積效率高達(dá)74.8%，比傳統(tǒng)電弧噴涂提高15%；

2）涂層組織致密。涂層孔隙率和孔隙尺寸明顯減少，適應(yīng)制備高致密性防護(hù)涂層；

3）電弧穩(wěn)定性高。高速射流強(qiáng)烈的霧化效果和對(duì)電弧的壓縮效應(yīng)，有效地減少了兩金屬電極之間的短路和熄弧現(xiàn)象；

4）生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)性好。