摘　要：　本文叙述了表面技术——电弧热喷涂技术在材料防腐上的应用。电弧喷涂是世界上较早的金属线材喷涂法。电弧热喷铝、锌涂层由于其优异的耐蚀性广泛地应用于钢铁结构上的防腐，特别是在海洋环境中钢结构的防腐。

关键词：　表面技术 电弧热喷涂 热喷铝、锌涂层 防腐

０　引言

材料和设备的维护伴随着机械制造，有制造就要有维护。一台机械产品，即使是最先进的，也不可能是无限寿命的。其中难免有相当数量的零件，经过一定时间的运转，会因腐蚀、摩擦磨损、疲劳、变形等原因而失效。对此，最简单的处理方法是报废并更换新件，这无疑会造成材料和资金的消耗。但如果应用表面覆盖技术（如热喷涂技术），可使零件表面形成一层牢固的涂覆层，而使零件获得耐磨、耐热、耐腐蚀等性能，则可以减少机械设备运转过程中的修理成本，并加强材料表面维护，延长机械设备的使用寿命。

热喷涂技术是利用一种热源（如气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光），将喷涂材料（如金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它们的复合材料）加热至熔融或半熔融状态，并通过气流吹动使其雾化高速喷射到零件表面，以形成喷涂层的表面加工技术。热喷涂技术因基材可以不经高温，可用作涂层的材料类型广泛，涂层性能优良，工件外形尺寸上不受限制，成本较低，而成为普遍使用的表面技术之一。

１　电弧线材热喷涂技术

电弧线材喷涂是世界上较早的金属线材喷涂法。电弧线材喷涂是将喷涂材料金属或合金制成两个熔化电极，由电动机变速驱动，在喷枪口相交产生短路而引发电弧、熔化，借助压缩空气雾化成微熔滴并高速喷向经预处理的工件表面，形成电弧喷涂层。其原理如图１（略）所示。

１．１　待喷涂表面的制备

为了提高涂层与基材之间的结合强度，基材表面的预处理是一个重要的影响因素，甚至关系到喷涂工艺过程的成败，所谓基材待喷涂表面的制备，是指表面净化、预加工、粗化等，以达到干燥、洁净、粗糙的要求。喷涂前，要彻底清除待喷涂表面的油污、油漆、氧化物，露出新鲜的金属表面，并预留一定的喷涂厚度。基材表面的粗化处理是提高涂层与基材表面机械结合强度的一个重要措施。

１．２　电弧热喷涂材料

有色金属线材：锌及锌合金（Zn-Al）；铝及铝合金；铜及铜合金和镍及镍合金（Ni-Cr）黑色金属线材：碳钢及低合金钢（８５钢；T８Ａ）；不锈钢（Cr13型马氏体不锈钢）

１．３　电弧热喷涂设备

以ＣＭＤ—ＡＳ —３０００型电弧热喷涂设备为例。由电源、电弧喷涂枪、控制箱、送丝装置以及压缩空气系统组成，如图 ２（略）。

近年来，国外的电弧喷涂均采用平特性电源。它可以保证送丝速度变化时，喷涂电流迅速变化，以维持稳定的电弧喷涂过程。

１．４电弧热喷涂工艺参数

表１（略） 为φ３ｍｍ 常用丝材电弧热喷涂工艺参数。

２　电弧热喷涂的应用——材料防腐

防腐主要指材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀的能力。腐蚀问题是普遍存在的。据统计，全世界每年生产的钢铁约有１ 亿吨以上遭受腐蚀而损耗。每年腐蚀的经济损失比因水灾、风灾、火灾、地震等自然灾害的损失总和还大。在航天航空、船舶、舰艇及机械结构方面因腐蚀造成的事故屡屡发生。如我国南海地区在高温、高湿、高盐雾的恶劣环境下舰船钢铁结构海洋腐蚀严重，舰船中修换板率达５０％以上，现有的防腐措施难以解决舰船的海洋防腐问题。全军装备维修表面工程研究中心开发研究了优质、高效、低成本、适于现场施工的电弧喷铝（锌）海洋防腐的技术并取得了成功，解决了舰船钢结构海洋防腐的重大难题。

２．１ 电弧热喷铝、锌的防腐机理

电弧热喷铝、锌涂层对钢铁构件的防腐作用主要基于以下几个方面。

１）热喷涂层起着物理覆盖作用，可较好地将钢铁基体与水、空气及其它介质隔离开。同时，铝、锌本身的耐蚀性远好于钢铁。

２）由于铝、锌的电极电位比钢铁低，在电解质溶液（海洋盐水）中，当铝、锌涂层局部破损或有孔隙时，铝、锌涂层为阳极，钢铁基体为阴极，铝、锌涂层将作为牺牲阳极，而使钢铁基体得以保护（阴极保护）。

２．２　电弧热喷涂防腐工艺的设备及流程

采用国产ＣＭＤ —ＡＳ 型电弧热喷涂设备。另外配备空气压缩机和油水分离器。 工艺流程为：工件——表面预处理（喷砂处理）——喷涂金属涂层——有机封闭涂料涂层— —常规舰船面层涂料涂层。由于喷涂层存在有一定的孔隙，因此为了提高防腐效果，需进行封孔处理。即在喷涂层上刷上一层涂料——封孔剂，涂料渗入孔隙后固化，可大大提高涂层的寿命。

２．３　防腐喷涂材料及涂层设计

为保证金属涂层的防腐性能和与钢基体的结合强度，降低孔隙率，采用新型的稀土铝合金防腐材料，结合强度由国标规定的１０ＭＰａ 提高到２０ＭＰａ 以上；孔隙率由国标规定的１５％下降到８％以下；测算防腐寿命达１５年以上。涂层设计为最佳协同效应的稀土铝合金加有机材料（铝乙烯树脂涂料）的复合涂层。

２．４　电弧热喷涂工艺参数

电弧热喷涂工艺参数如表 ２（略） 所示。

２．５电弧热喷涂层在海洋环境中的防腐性能

喷涂层在海洋环境中有着较为突出的防腐性能。长期以来国内外学者对热喷涂层在海洋环境中的耐蚀性进行了大量的试验和研究。 喷涂层中由于存在较大的残余应力以及氧化

物和气孔，所以其电极电位一般较喷涂前的材料低，如图３（略） 所示喷涂前后铝的电极电位随时间变化情况。

作为防腐涂层一般喷涂材料的电极电位应较基体材料低。这是因为许多涂层的防腐效果是靠牺牲阳极自身来实现的，故防腐寿命由喷涂层的厚度决定。不过，暴露试验证明，由于表面氧化膜的生成，铝、锌的溶解速度是十分缓慢的。前苏联科学家１９８９年公布的研究结果认为，１２０μｍ厚的热喷铝层在盐水中防腐寿命可达２０～２５Ｙ，１５０μｍ厚的铝锌涂层（５μｍ 厚的锌和１４５μｍ 厚的铝）在潮湿大气中防腐寿命可达４０Ｙ以上。挪威科学家１９９３年公布的其１１个月的曝露试验结果认为喷铝层的腐蚀速度为２～３　μｍ　／Ｙ ，因此２００　μｍ厚的涂层防腐寿命可达６０Ｙ以上。德国科学家１９９３年公布的其在北海南部进行的４Ｙ曝露试验的结果是喷铝层在全浸带和海洋飞溅带至少有１０Ｙ 以上的防腐寿命。１９９５年Ｋ．Ｐ．Ｆｓｉｃｈｅｒ等人的研究结果表明，热喷铝层已成为海岸及海洋环境中钢结构的重要防护方法。采用电弧热喷涂得到的２００μｍ厚

的热喷铝层在海洋飞溅带的防腐寿命可超过３０Ｙ。我国的腐蚀数据网站也进行了热喷涂层在海洋环境中耐蚀性的研究，其研究结果认为喷锌、铝及铝镁涂层均可作为长寿命保护涂层应用于钢铁材料上，特别是喷铝层保护效果更佳。

综上所述，金属热喷涂层在海洋环境中有着优异的耐蚀性，用涂料封闭将大大提高喷涂层的耐蚀性。

３　结语

通过上述讨论，不难发现，热喷涂表面涂覆技术最大的优势是能够制备出优于基体材料性能的表面功能薄层，却使结构有了比基体材料更高的耐腐蚀性，而所需的工程费用，一般只占产品价格的５％～１０％，却可以大幅度地提高产品的性能及附加值，从而获得更高的利润，因而其平均效益高达５～２０倍以上。因此，表面技术的改进、复合和创新会更加迅速，应用更加广泛，必将为人类社会的进步作出更大的贡献。