陈奕彤
6101211997****1561 陕西省西安市 710100
摘要：海工钢结构处在非常复杂的海洋环境之中，很容易在这种恶劣环境中受到腐蚀。海工钢结构需要有效的防腐蚀技术来保证建筑安全。金属热喷涂其优秀的耐腐蚀性和良好的耐磨性有着特别突出的优势，这些优良的特点，让其在现今海洋工程钢铁行业中得到广泛的应用。本文将介绍了几种热喷涂技术的作用原理，并分析该技术应用于海工钢结构的可行性，以及最终得出这几种热喷涂技术较好的适应海洋环境，有效保护海工钢结构的结论。
关键词：金属热喷涂；海工钢结构；防腐蚀；海工建筑
1 背景及意义
作为一种极为苛刻的腐蚀环境，海水和海洋大气对海工建筑和海岸设施腐蚀毁坏性很大。由于海水与海洋大气含盐较高，这导致了海洋环境中含有较高浓度的CI-、Mg2+和S042-等，而且海洋生物、日照、海风等因素更加剧腐蚀环境损毁性，这些因素都是造成海洋海岸设施腐蚀破坏的主要原因。为了减少海工钢结构因腐蚀造成巨大危害和经济损失,人们一直都在寻找相关的应对措施。涂料、涂装、镀金属层、热浸镀锌或铝涂层、电化学保护法等都是比较常用的钢结构防腐蚀方法。然而，要想满足海工钢结构在服役期间不维护或少维护的要求,达到长效抗腐蚀的目的。金属热喷涂防腐蚀技术的发现较好解决此难题。
金属热喷涂由于拥有极好的长效防腐优良特征。目前已得到了广泛的认可和推广，极好的长效防腐蚀效果更加增加了其市场竞争力。金属热喷涂技术具有实际可操作性、机动性强、不易被尺寸限制,易于现场施工和维护等特点;其次是热影响小、低廉的施工成本、极小环境污染以及工厂化和施工机械化很大的提高了效率和经济价值。当下常用Zn涂层、Al涂层、Zn-Al涂层的金属热喷涂技术已是一项成熟的技术,并在大量海工建筑中使用，收到良好效果。
2 国内外研究现状
2.1 海工建筑防腐蚀现状
科技的不断进步，也不断提高人类对海洋资源的认知水平，进而使人们不断地加大对海洋产业的开发。人们对海洋资源的探索已经从浅海领域走向深海超深海领域。上世纪30年代起,金属热喷涂技术就被用来解决钢结构腐蚀问题。在航空、机械、水利、交通、电力、石化等领域使用的金属热喷涂技术也是从那个时候开始发展起来的。而在上个世纪60年代，迅速成长的海洋工程技术，使所有的重型海工建筑在设计使用年限上都有了较高的要求。由于长期矗立在海洋中，海工建筑钢结构很容易在复杂的海洋环境受到严重腐蚀，这会严重影响到海工建筑的安全使用。且海工建筑表面涂层的修补十分困难，常规防腐蚀方法已无法保证海工钢结构使用寿命的有效性。金属热喷涂技术优点已经开始显现其在海洋工程应用中的优势地位。
在我国沿海地区主要港口泊位水工建筑物大部分都是钢筋混凝土和钢结构。调查研究表明：尤其是在华东、华南海港码头的钢筋混凝土梁、板底部，海工钢结构腐蚀破坏非常普遍且严重。
2.2 金属热喷涂技术防腐蚀应用现状
作为一项成熟的防腐蚀技术，热喷涂技术已经在国内外海洋工程钢结构应用中拥有很多成功的案例。以机械镶嵌和微冶金方式与基体金属相结合的金属热喷锌/铝及其合金涂层，在热喷涂施工后形成的涂层会在钢构件的表面形成可以达到10MPa以上的涂层结合力。为了有效的持续有效的保护钢结构，锌铝涂层会在金属热喷涂层受到损坏时继续保护在钢体表面，形成金属电化学保护。相关的研究和实验证明，200μm厚的热喷铝涂层可以拥有30年的防腐蚀年限。热喷铝涂层200～250μm＋环氧封闭漆可以防腐蚀30~50年。
当前，我国在海洋涂料的腐蚀机理研究方面和海洋涂料开发应用方面，还处于初级阶段，所以海洋长效防腐涂料的市场拥有广阔的前景。如国内已有的较大的热喷涂技术的应用工程有武昌船舶重工有限责任公司负责建造的30年免维护深海水下浮体。浮体内部钢表面都进行了热喷铝处理，施工总面积可达100000m2，涂层厚度有225～400μm。浮体内部均为压载舱，有较大的施工面积大、封闭的作业空间，复杂的结构面以及在封闭空间进行热喷涂施工时，产生大量的热都会对施工人员的健康产生不利影响，同时会影响施工连续性。并且施工时容易使产生粉尘堆积钢板表面，影响到涂层附着力。另外涂料喷枪体积较大这一问题会影响操作，容易在狭窄区域产生施工死角和涂层膜厚度不均匀的问题，都给热喷涂施工带来了巨大的挑战。所以要提高热喷涂施工的效率、保障施工中安全、施工的广泛通用性以及较小的经济成本是主要的改进方向
3 金属热喷涂技术的种类
（1）爆炸喷涂
爆炸喷涂技术是通过氧和可燃性气体的燃烧造成的气体膨胀而产生爆炸,释放出许多热能和冲击波的技术。我们可以利用脉冲式气体爆炸的能量和冲击波把被喷涂的粉末材料进行加热喷涂。形成硬质合金涂层的硬度大于HV1100，比一般的火焰喷涂和电弧喷涂的涂层的硬度最高只能达到 HV800大的多。气体燃烧和爆炸可以产生超声速高能的气流，爆炸波最终的传播速度高达3000 m/s, 它的中心温度可最终达到 4000℃,粉末粒子的飞行速度可达到1200 m/s。
爆炸喷涂涂层结合强度特别高,可以到达到 70MPa以上,涂层致密 (孔隙率小于2%); 工件表面温度比较低,最高不大于 200℃ ；厚度比较容易控制，涂层厚度一般为 0.025mm- 0.3mm。涂层的厚度特别容易控制，并且加工余量小，维修操作方便。而金属陶瓷涂层的结合强度可达175MPa。据有关资料报道，涂层与工件的结合强度曾高达240MPa。爆炸喷涂涂层的粗糙度低，可低于Ra= 1.60 um，经磨削加工后粗糙度可达Ra=0.025um。
爆炸喷涂的缺点：施工效率较低。爆炸频率不超过10次 /s，而每次喷涂的涂层厚度仅为 4 - 6um；爆炸喷涂时不仅产生强烈的噪音比如超过 150分贝，并且还有伴随有特别细的尘粒向四处飞散， 爆炸喷涂的喷涂粉料只能以直线束方式射向基体表面，所以对形状复杂的工件和细小的内壁难以处理。并由设在隔音防尘室外面的计算机控制操作，这使爆炸喷涂的应用受到限制；
（2）电热爆炸喷涂
电热爆炸喷涂(Electro- thermal explosion spray)是继火焰喷涂技术还有电弧喷涂技术、等离子喷涂技术之后发展起来的一种新型的喷涂技术。电热爆炸喷涂是利用金属导体（丝、箔)施加瞬间直流高电压。 然后在金属的里面产生的电流里面爆炸,产生的冲击波使得金属粒子，然后在基体表面急速冷却,从而形成涂层。电热爆炸喷涂可以实现涂层与基体的冶金结合,提高涂层结合强度。在金属内部产生106- 107A/cm2的电流最后爆炸。产生的冲击波最终会让金属粒子快速的喷去基体的表面，然后在基体表面急剧冷却，从而形成涂层。
（3）超音速火焰喷涂
超音速火焰喷涂(High Velocity Oxy Fucl,简称HVOF)是依据流体力学的原理设计的 Laval 喷嘴来达到目标地。其喷涂原理是：燃料气体和助燃剂是通过特殊的比例导入高温室内搅拌，生成爆炸式的燃烧，高温燃气经过高温室上部的燃烧头内的4根倾斜喷管进入喷嘴,粉末由送粉气(Ar、N2)依据一定比例顺着燃烧头内的碳化钨中心套管送入温度高的燃气中,由高温度、高速度的燃气带出喷嘴,喷在构件上形成涂层。超音速火焰喷涂技术具有粉末颗粒的温度不高 运动速度很快，涂层紧密、结合力度大以及喷涂高效等优点。
（4）超音速电弧喷涂
该项超音速喷涂驱动技术主要是在一般电弧喷涂的基础上，进一步发展起来的一种新技术,其构成由电源、超音速电弧喷枪、气体驱动送料装置、支配箱和超音速压缩气体驱动系统等。它首先把喷涂用的金属材料分别装在同一电源的电弧喷枪正负电路中，形成两个正负电极,并让喷涂送料机的两个电动机继续送料喷涂。正负两极的金属喷涂料像高速公路交汇处一样相交而发生短路并雾化，同时通过高速压缩的气体参与把短路雾化金属涂料微粒,高速的吹涂在材料表面,从而快速形成各种有关化学涂层。超音速喷枪的结构主要采用拉瓦尔喷嘴，当特殊的喷嘴在运动时遇上高速压缩的气体,气流的速度可以比肉眼看的出来明显有所加快,雾化的粒子也会随之快速运动。从而达到超声速压缩电弧喷涂的优势和目的。超音速电弧喷涂的优势和特点主要可靠工作周期长、可以有效地节约金属材料成本和实用高效等。
（5）超音速等离子弧喷涂
将普通的等离子弧喷涂的喷枪进行特殊改进，使喷枪能够满足超音速使用，就发展出了超音速等离子弧喷涂技术。高温和高速的技术特点，让其最后所得的氧化物和碳化物陶瓷、金属陶瓷涂层具有空隙率低，涂层致密和结合强度高等许多特点。
4 可行性论证
金属热喷涂技术应用于海洋钢结构工程的可执行之处有三方面：(1)用于长效抗腐蚀、抗高温氧化和耐磨损等防护性涂层；(2)用于调整、修复零件的规格，例如因为大范围磨蚀或机械加工错误而造成构件规格的失误；(3)相关的制造设备或零部件，可运用表面喷涂金属的非金属材料来替代。
4.1 超音速火焰喷涂可行性论证
在海洋钢结构工程中使用超音速火焰喷涂技术的优势(1)普通的金属、非金属构建体都可喷涂，对构件体的形状和规格通常也不做要求(2)涂层材料广泛，铜、铝、大部份合金、陶瓷、复合材料都成为涂层材料，使被涂装表面具有耐腐性、耐热性、耐磨性、隔热性等各种性能(3)涂层多孔组织拥有储油的特征，具有润滑和减摩的性能，拥有硬质像的喷涂层宏观的理论硬度可达450 HB，而喷焊层理论上可达65 HRC；(4)火焰喷涂对构建体影响小，构建体表面的受热温度是200 ～250℃，整体的温度为70℃ ～80℃，故构建体变形比较小，它的材料组织不容易发生变化。
超音速火焰喷涂技术的缺点：(1)孔较小的位置目前不能喷涂，因为此处的喷涂层与构建体结合强度低，不能承受冲击载荷和交变载荷；(2)构建体表面制备要求高；(3)使用火焰喷涂工艺受到很多条件的影响，并且涂层的质量尚无有效、可靠的检测方法鉴定。 火焰喷
涂法如图 1 所示。 图1 火焰喷涂技术
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等离子喷涂原理及设计示意图如下图（1）所示。
图中1表示喷涂粉末，2表示工作时进入的气体，3表示阴极，4表示阳极，5表示等离子射流，6表示构建体，7表示喷涂层。
等离子喷涂技术在施工时，因拥有很高温度的焰流，且能量束更加集中，能够熔化所有高熔点、高硬度的粉末涂材。因此喷涂材料选用范围广泛，可用多种多样涂层施工，满足海洋工程多种防腐设计要求；施工时喷涂粒子的飞行速度最高可以达到 200- 500 m/s，可得到涂层厚度高、致密高、平整光滑涂层，保证工程质量。
喷涂过程中，由于构建体不带电且构建体与喷枪相对移动速度快，被涂装构件体不被熔化和不因受热而对构建体组织、形状和性能造成影响，有利于保证质量；同时还因为工作气体为惰性气体， 这样更保护了构建体和喷涂粉末不会受到氧化，保证涂层质量和降低涂材损耗，提高经济性；工艺简单，设备维护成本低，适用广泛，更利于降低成本和提高经济效益。
4.3 电弧喷涂可行性论证
电弧喷涂技术在海洋钢结构工程中，(1)可以超常延长钢结构的防腐年限，这是其它防腐方法无法相比的，一次防腐，一劳永逸。(2)海工钢结构构件在制作、吊装、运输、安装过程中，构件的涂层容易划伤、碰伤受损；受损涂层修复容易且经济。(3)电弧喷涂技术的涂层材料选择范围广，喷涂技术工艺适用范围广满足多种防腐设计要求。(4)电弧喷涂技术的质量好，生产效率高，成本低廉，工艺稳定，施工方便，被广泛采用。 电弧喷涂原理如下图所示。 图3 电弧喷涂原理示意图
在图3中，1 表示直流电源，2 表示金属丝， 3 表示送丝滚轮， 4 表示导电块， 5 表示导电嘴， 6 表示空气喷嘴， 7 表示电弧， 8 表示喷涂射流， 9 表示涂层，10 表示构建体。
电弧喷涂技术的缺点：施工时有些设置参数不容易精准获取，只能靠理论模型来进行数值的模拟计算和根据结果分析获取。如由于目前受技术和设备的限制，我们难以用实测的方法，动态、准确获得对电弧喷涂质量主要影响的熔滴温度 、冷却的速度、热传输参数等。通常做法只能用理论模型来进行数值的模拟计算，来确定了雾化气流的速度和熔滴的速度。进行施工过程的质量预控调整。
4.4 爆炸喷涂可行性论证
爆炸喷涂技术原理是：用突然爆炸的热能融化喷涂的材料，用爆炸冲击波的高压把喷涂材料迅速喷射到工件、构建体的表面从而形成涂层。它的优点是(1)喷涂材料的选用范围较广。如从低熔点的铜、铜合金到高熔点的陶瓷都可选用。(2)工件的热损伤小。因粉末涂材细度为10 ~ 120μm；且爆炸喷涂使用的动能是脉冲式的，所以每次受热气流和颗粒冲击的时间短，又因为氮气对工件起着冷却的功能，工件的温度低于200 ℃，故对构建体的热损伤小，也不易产生变形和组织相变；(3)涂层的厚度变得更加容易控制。由于涂层控制厚度更加容易，综合经济效益显著提高。(4)保证涂层质量。涂装后构件涂层表面十分光滑，粗糙度甚至低于1.60μ，喷涂过程中，碳化物和碳化物基的粉末材料不会产生脱碳和碳分解现象，涂层组织成分与涂材成分一致。
图4 爆炸喷涂原理示意图
在图4中，其中1表示氮气，2表示粉末，3表示火花塞，4表示喷涂射流，5表示涂层，6表示构建体，7表示氧气，8表示乙炔。
4.5 讨论
（1）超音速火焰喷涂技术应用非常广泛。在海水中的各类钢结构面积较大的表皮保护层，均可以用火焰喷涂法。尤其是在修补静电喷涂及流动槽喷涂涂层的缺陷，现场涂塑钢管、法兰盘表面施工等方面，火焰喷涂法更适合。但对于细长管的内外涂塑，即便量产的细长管的外涂塑火焰喷涂法也不适合。
（2）等离子喷涂技术更适用于耐磨、抗腐蚀、抗氧化、耐高温等重要领域。在海洋环境中使用热喷涂技术涂层过表面的工件，就是最典型的利用喷涂碳化物和金属氧化物（Al2O3,Cr2O3,TiO2,ZrO2）等，获得了很好的耐磨、耐腐涂层和热障涂层。如Mo和MoS2作为广泛热喷涂涂层材料，在海洋中有着广泛的应用船桨叶表面的涂层，也可在不便使用液体润滑的前提下，Mo和MoS2可直接作为固体润滑材料和防腐材料，用于制作轮船船浆轴密封和轴瓦（套）等。
（3）在海洋工程中，电弧喷涂技术重点用来防侵蚀、美观等，我们就充分利用电弧喷涂技术工效高，防腐质量好的特点。常用于海边风力发电机的外壳、风叶、塔筒的表面涂层。轮船船体、船桨叶表面的涂层以及常年置于海水里的海工钢构设施表面涂层。电弧喷射技术主要以Al-Zn, Al-Mg, Al-Zn-Si等铝合金形式应用较多。铝合金可以用于化工大气、海洋钢结构的防腐，其防腐效果非常显著。
（4）爆炸喷涂技术主要应用于金属涂层。由于爆炸喷涂技术工艺特性，它主要适用于重要部件的修复。在海洋环境的防腐方面，我们主要利用爆炸喷涂技术工艺特性，获得涂层结合强度高以及良好的耐磨、耐腐性能。如用于海边风力发电机的风叶外涂层。轮船船浆轴密封和轴瓦（套）和船桨叶表面的涂层以及常年置于海水里的海潮发电叶轮轴密封和轴瓦（套）和叶轮表面的涂层。
5 总结与展望
随着科学技术的发展，热喷涂技术也在不断进步。优良的耐海水腐蚀的热喷涂铝、锌、铜、陶瓷等工艺，是一种发展前景较好、发展潜力巨大的防腐措施。热喷涂涂层因其自身的优良特性和长效防腐的特点，今后必会得到广泛应用；其一定会是热喷涂发展的重要方向。但目前热喷涂技术的实际应用普及率还很低。主要原因是经济成本过高。
等离子喷涂技术作为金属热喷涂的一种，在解决材料特殊性能要求方面更有其独特的作用，它能让材料表面拥有特殊性能。但因其成本较高，在我国主要用于国防，航天等领域。所以期待有关研究部门和设备加工制造厂能充分挖掘其发展潜力，降低施工和设备成本，更多服务于海工防腐。
热喷涂技术要发展的更好、更快、更突显其良好价值，建议需有国家和有关部门的正确政策引导，使其防腐方向科技研发人员更好的正确导向科学创新，在防腐领域研发出更科学更有价值的新防腐工艺、规范标准和设备。其次是要建立防腐方向工艺研发和设备研发的共享平台，提高工艺研发、设备研发效率和科技成果转化率，推动金属热喷涂技术在海工建筑领域的进一步发展。
西南科技大学 陈奕彤 学号：ZS20190095班级：工程造价1702
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