冷喷涂技术在水电厂机械部件修复中的应用

梁啸

（南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司广东广州511493）

摘要：本文介绍冷喷涂技术的原理及特点，介绍修复球阀机械密封铜环表面划痕的应用情况，为水电厂采用冷喷涂技术修复机械部件提供指导意义。

关键词：冷喷涂；球阀机械密封；铜环；铝青铜；

0引言

冷喷涂全名为冷空气动力喷涂法，相对于热喷涂而言是一种新兴的材料表面处理技术，目前已成为提高设备性能，延长设备寿命的有效手段之一。它是利用一定塑性的高速固态粒子与基体碰撞后，经过强烈的塑性变形而发生沉积形成涂层的方法[1]。

冷喷涂技术与传统热喷涂（超速火焰喷涂，等离子喷涂，爆炸喷涂等传统热喷涂）不同，它不需要将喷涂的金属粒子融化，冷喷涂采用压缩空气加速金属粒子到临界速度，经喷嘴喷出，金属粒子直击撞扁在到基体表面后发生物理形变并牢固附着。因为整个过程金属粒子没有被高温融化，所以喷涂基体表面产生的温度不会超过150℃[2]。

1冷喷涂技术优点

（1）可以用于喷涂多类别的、具有一定塑性的材料，获得导电、导热、防腐、耐磨等涂层等，比如纯金属锌、铝、铜、铁、镍、钛等，不锈钢、青铜等合金。

（2）冷喷涂粒子低温而高速，可以避免粒子在加速与加热过程发生的物理化学反应，适用于对温度敏感（纳米、非晶等）、对氧化敏感（Cu、Ti等）和对相变敏感（金属陶瓷）材料的涂层制备。[3]

（3）对基体的热影响小。被喷涂基体的表面瞬间温度不超过150度，体感温度为70度（具体温度与喷涂粒子的速度、喷枪移动的速度有关），可以避免基体热变形、材料组织发生破坏。

（4）可以在任何金属、玻璃、陶瓷和岩石表面喷涂。

（5）喷涂致密性好，涂层厚度大，可以达到10mm以上。

（6）金属粒子可以回收。由于没有经历明显的热过程，基本不发生组织结构的变化，未沉积的粒子，可以回收利用[1]。

2冷喷涂技术在水电厂的应用

2.1概况

水电厂主球阀是指在水轮机过水系统中装置在水轮机蜗壳前的阀门。它的作用有：1、机组开停机时开启或关闭球阀，开通或关断水流。2、机组检修时隔离机组与上游水道，保证检修安全与其它机组的正常运行。3、当机组发生故障时，截断水流，防止发生飞逸事故。4、用作未投产机组压力钢管的堵头。因此球阀为保证其密封性能在上下游测设有机械密封，由活动环、固定环、退出腔铜环及投入腔铜环等部件组成，见图1。机械密封工作原理是：由嵌入阀体内侧空腔内的活动环与相邻阀芯上的固定环组成密封面，用于止水。当球阀开启/关闭时，活动环在投退腔内压力水驱动下在铜环表面滑动，使活动环在投退腔铜环表面滑动，使其接触或分离固定环，从而起到投、退密封的目的。

图1：球阀机械密封结构图

由于随机组启动/停机，球阀相应的开启/关闭，机械密封投退次数频繁，而以铝青铜为材质的机械密封铜环相比较材质为不锈钢的活动环偏软，长时间往复运动会在接触面上产生较多划痕，划痕最深可达1mm，导致投退腔密封性能下降，严重时会导致活动环驱动力不足，影响机械密封投退功能。因铜环材质为铝青铜，经分析，冷喷涂技术适用于该种材质，下文阐述冷喷涂技术修复铜环的过程、注意事项及修复后效果。

2.2冷喷涂技术修复过程

（1）使用镍基合金通过火花机在铜环接触面上拉毛，通过火花机将部分镍基合金牢牢地粘在铜环的表面上，形成第一次底层过渡。

（2）通过冷喷涂技术喷复合丝镍包铝作为底层二次过渡，铜环接触面通过这二次结合过渡，其结合度比一般等离子喷涂的结合度提高20%以上。（喷复合丝时要特别注意火焰的控制，空压机压力：6～8kg/cm2，氧气压力：5kg/cm2，乙炔：0.8kg/cm2。）

（3）将铝青铜材料通过火焰喷枪燃烧到达熔点后经过燃烧系统加压喷到铜环表面上，由于铜环在不断旋转（铜环装在电动支架上），涂层厚度不断地增加，铜环的温度也相应地上升。通过红外线的监控，铜环温度不超过150℃就停止喷涂工作，待铜环温度下降到80℃时，又继续按以上程序循环喷涂工作，为精车削留有足够裕量，在喷涂过程中不断通过卡尺进行测量，喷涂层厚度约4mm停止喷涂铝青铜。（喷原材料：空压机压力7～9kg/cm2，氧气压力：7kg/cm2，乙炔：1.1kg/cm2，喷枪与铜环的距离：80mm～120mm）

2.3冷喷涂技术修复注意事项：

（1）温度控制：在铜环表面拉花处理后，喷涂镍包铝第一层过渡前要进行加热将温度控制在80-150摄氏度。通过红外测温监控。

（2）空压机压力，氧气，乙炔气压在要求标准范围内。

（3）为精车削留有足够的余量双边要在4mm以上，可以用卡尺测量。

（4）在进行喷涂过渡层和铝青铜过程中，不能够在喷涂层中混掺进去油污等杂质，在实际加工过程中曾出现因工装的旋转电机漏油，油滴到喷涂表面，导致有油污点的粗糙度、颜色、硬度、附着力等与其他无油污地方的不一样。

2.4冷喷涂技术修复后效果

冷喷涂技术修复及精车削后对铜环内径进行测量，与图纸要求一致，铜环圆度符合要求，无明显形变。铜环表面平整光洁无缺陷，粗糙度及硬度均满足要求。经安装试用后，活动环可顺畅的在投退腔铜环表面上滑动，投退正常。投退腔压力经压力试验，三十分钟内可保住工作压力，无明显压降，符合使用要求。综上所述，冷喷涂技术修复铜环后效果良好。

3结语

(1)冷喷涂技术具有良好的综合力学性能，其中包括较好的强度、较高的硬度、良好的抗腐蚀性能和耐磨损性能，是一种性能优良的补损修复工艺技术；

(2)相比于其它探伤修复技术，由于喷涂过程温度较低，对部件损伤较小，综合性能更为优越，可以作为水电厂检修生产过程中修复部件的优先选择；

(3)在以镍包铝、铝青铜为材料的球阀机械密封铜环上通过冷喷涂方式修复的合金涂层均可大幅提升机械部件的综合性能，延长其使用寿命，对水电厂机械部件修复具有一定的参考价值。

参考文献

[1]白松.冷喷涂技术简介.涂料涂装与电镀，2004

[2]蔡宏图;江涛;周勇.热喷涂技术的研究现状与发展趋势.装备制造技术,2014

[3]李文亚;李长久.冷喷涂特性.中国表面工程,2002