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表面科学与技术—热喷涂姓名：刘旭华学号：S11040625时间：2012.3.15表面科学与技术中国石油大学（华东）热喷涂概述热喷涂常见的热喷涂方法热喷涂的性能测试与质量检验热喷涂工艺过程热喷涂概述中国石油大学（华东）热喷涂技术是指利用某种热源将喷涂材料迅速加热到熔融或半熔融状态，再经过高速气流或焰流将其雾化加速喷射到经预处理的工件表面上，形成喷涂层的一种表面加工方法。热喷涂的定义热喷涂概述中国石油大学（华东）喷涂材料的熔化熔滴雾化与基体表面的碰撞变形及淬冷凝固热喷涂过程粒子的飞行阶段热喷涂概述中国石油大学（华东）喷涂材料的熔化粉末喷涂材料进入热源高温区域，被加热到熔化态或软化态；线材喷涂材料的端部在热源高温区加热熔化，熔化的材料以熔滴形式存在于线材端部热喷涂概述中国石油大学（华东）熔滴雾化对于线材喷涂时，端部的熔滴在外加压缩气流或热源自身射流的作用下脱离线材端部，并雾化成细小熔滴向前喷射；在粉末喷涂时，不存在粉末的细化和雾化过程，直接在压缩气流或热源射流推动下发生喷射。热喷涂概述中国石油大学（华东）粒子的飞行阶段熔化或软化的微细颗粒首先被气流或射流加速，当飞行一定距离后速度又减小。热喷涂概述中国石油大学（华东）与基体表面的碰撞变形及淬冷凝固具有一定速度和温度的微细粒子到达基材表面，发生强烈的碰撞。粒子在碰撞基体表面或撞击已经形成的涂层的瞬间，把动能转化为热能后传给基体，同时粒子在凹凸不平的表面发生变形，形成扁平状粒子，并且迅速凝固成涂层。喷涂的粒子不断飞向基体表面，产生碰撞-变形-冷凝的过程，变形粒子与基材之间及粒子与粒子之间相互交叠在一起，形成涂层。热喷涂概述中国石油大学（华东）涂层的结合机理涂层的结合包括涂层与基材的结合及涂层之间的结合。前者的结合强度称为结合力，后者的结合强度称为内聚力。涂层与基体间的结合机理机械结合：熔融态的粒子撞击到基材表面后铺展成扁平状的液态薄层，嵌合在起伏不平的表面形成机械结合，又称为抛锚效应。涂层间的结合机理喷涂粒子间的结合是以机械结合为主。热喷涂概述中国石油大学（华东）涂层与基体间的结合机理物理结合：当高速运动的熔融粒子撞击基体表面后，若界面两侧紧密接触的距离达到原子晶格常数范围内时，产生范德华力，提高基体与涂层间的结合强度。扩散结合：当熔融的喷涂粒子高速撞击基体表面形成紧密接触时，由于变形和高温的作用，基体表面的原子得到足够的能量，使涂层与基体之间产生原子扩散，形成扩散结合。扩散的结果使界面两侧微小范围内形成一层固溶体或金属间化合物，增加了涂层与基体之间的结合强度。冶金结合：当基体预热，或喷涂粒子有高的熔化潜热，或喷涂粒子本身发生放热化反应时，熔融态的粒子与局部熔化的基体之间发生“焊合”现象，产生“焊点”，形成微区冶金结合。热喷涂概述中国石油大学（华东）线材火焰喷涂、棒材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、超音速火焰喷涂、粉末火焰喷熔电容放电喷涂、感应加热喷涂激光喷涂、激光喷焊热喷涂方法气体燃烧热源电热热源激光热源燃气重复爆炸喷涂、线材电爆喷涂爆炸热源电弧喷涂、等离子喷涂、等离子喷焊气体放电热源热喷涂概述中国石油大学（华东）（1）热喷涂方法多：热喷涂具体方法有十几种，可以选择合适的方法对零件进行热喷涂。（2）热喷涂材料种类广泛：金属及其合金、陶瓷、塑料、尼龙以及它们的复合材料等都可以作为喷涂材料。（3）机体材料使用范围广：几乎所有的固体材料表面都可以热喷涂，一般也不受零件尺寸及场地限制，既可以大面积喷涂，也可以进行局部喷涂。（4）基体材料受影响小：喷涂时可使集体控制在较低温度，所以基体变形小、组织和性能变化小，保证了基体质量基本不受影响。（5）涂层厚度可以控制：涂层厚度从几十微米到几微米，可以根据要求确定。（6）操作环境差：存在粉尘、烟雾和噪音等问题，因此需要加强防护措施。热喷涂的特点热喷涂概述中国石油大学（华东）热喷涂材料按其使用形式的不同可分为粉末材料和线丝材料两大类，按使用功能和制造方式可分为非复合材料和复合材料；按组成成分可分为金属及合金、自熔性合金、复合材料、陶瓷和有机塑料等几种，目前热喷涂材料已有60种以上的线材和200种以上的粉末。热喷涂材料热喷涂概述中国石油大学（华东）热喷涂线材非复合喷涂线材是指只用含一种金属或合金的材料制成的喷涂线材。这些线材是用普通的拉拔方法制造的，应用最普遍的非复合线材有：铝及铝合金喷涂丝、锌及锌合金喷涂丝、铜及铜合金喷涂丝、锡及锡合金喷涂丝、铅及铅合金喷涂丝、镍及镍合金喷涂丝、铜喷涂丝及铁合金喷涂丝。非复合喷涂线材概念：复合喷涂线材是把两种或两种以上的材料复合而制成的喷涂线材，复合喷涂线材中大部分是增效复合喷涂线材。复合喷涂线材热喷涂概述中国石油大学（华东）热喷涂线材常用的复合方法：丝-丝复合、丝-管复合、粉-管复合、粉-皮压结复合及粉-粘合剂复合。常用的放热型喷涂复合线材：Ni-Al喷涂丝，Al-Cr,Al-Nb,Al-Ta,Al-B,Al-Ni-WC,NiCr-Al,Al-Ni-Al2O3,Al-Ni-SiC等线材。一步法喷涂丝：利用组元的放热反应，再加入其它强化组可制成自结合一步法喷涂丝，这类复合丝有不锈钢-Ni/Al丝，Ni-Al-Mo丝，Cu-Al丝等。复合喷涂线材热喷涂概述中国石油大学（华东）非复合型热喷涂粉末种类：主要是Ni基、Fe基、Co基及Cu基合金粉末，自熔合金粉末在热喷涂中得到了广泛的应用。制造方法：机械破碎法、元素组合法、雾化法等，最常用的是雾化法。陶瓷粉主要是指氧化物、氮化物、硼化物、碳化物和硅化物粉。常用的陶瓷粉有Al2O3，ZrO2，TiO2，WC，Cr3C2。金属及合金粉末陶瓷粉热喷涂概述中国石油大学（华东）非复合型热喷涂粉末把金属、合金、陶瓷喷涂粉以不同的比例相互混合起来，可得到各种混合粉。其中金属或合金与陶瓷组成的混合粉也称为金属陶瓷粉。这些混合粉虽然配制方便，但由于被混合粉末的密度等物理性能的差异，这种混合粉很难均匀，容易造成涂层偏析，使用效果不好。热塑性树脂粉末材料:聚乙烯粉、尼龙粉及EVA树脂；热固性树脂粉末材料:环氧树脂粉末。混合粉高聚物粉热喷涂概述中国石油大学（华东）复合型热喷涂粉末1．包覆型粉末（CladPowder）：由一种或几种成分作为外壳，均匀连续或星点间断地包覆由一种或几种成分组成的核心的粉体。1）制造方式：气相沉积法和液相沉积法；2）类型：Ni/Al，Al/Ni，Ni/石墨，Ni/硅藻土，Ni/MoS2，Ni/Al2O3，Ni/WC，Ni/Cr3C2，Ni/Cu，Ni/Cr，Ni/Cr2O3，Ni/尼龙，Ni/聚四氟乙烯，Co/WC，Cu/石墨，Cu/Cr，NiCu/Cr3C2。2．组合型粉末(CombinationPowder)：把几种金属粉末、合金粉末、陶瓷粉末等按不同比例混合起来，使之成为一种成分均匀、不产生偏析的混合物。1）制造方式：热扩散法、共还原法、烧结破碎法、混合团聚法。其中广泛应用的是混合团聚法；2）类型：Ni-Cr-Al，AlSi-聚苯酯，Ni/Al，Co/WC，NiCr/Cr2O3，NiCr-Al，Al-Mo-不锈钢及Al-Mo-合金钢等粉末。表面科学与技术中国石油大学（华东）热喷涂概述热喷涂常见的热喷涂方法热喷涂的性能测试与质量检验热喷涂工艺过程常见的热喷涂方法中国石油大学（华东）线材火焰喷涂基本原理:如图所示，喷枪通过气阀分别引入乙炔、氧气和压缩空气，乙炔和氧气混合后在喷咀出口处燃烧，不断送进的丝材被氧-乙炔火焰加热熔化，然后，由通过气帽的压缩空气将其雾化成粒子，并被喷射到基体表面形成涂层。1-涂层；2-燃烧火焰；3-空气帽；4-气体喷嘴；5-线材或棒材；6-氧气；7-乙炔；8-压缩空气；9-喷涂射流；10-基体常见的热喷涂方法中国石油大学（华东）线材火焰喷涂的涂层特性1)涂层结构为明显的层状结构;2)涂层中含有明显的气孔和氧化物夹渣;3)涂层结合强度为10~30MPa;4)涂层气孔隙为10~15%。常见的热喷涂方法中国石油大学（华东）线材火焰喷涂设备的组成线材火焰喷涂典型装置示意图1-燃料气；2-氧气；3-气体流量计；4-压缩空气；5-空气过滤器；6-空气控制器；7-线材控制装置；8-线材喷枪常见的热喷涂方法中国石油大学（华东）线材火焰喷涂设备的组成氧气及乙炔供给系统：由气源、压力及流量调节装置，回火防止管及输氧管道等组成；压缩空气供给系统：由空气压缩机和空气净化装置（冷凝器和油水分离器组成）构成；线材盘架；气喷枪：它主要由机动部分、混合头部分及手柄部分组成，国产SQP-1型气喷枪分高速、中速两种规格，前者用喷涂镁、铝等低熔点金属，后者用于喷涂钼、钢等高熔点金属。常见的热喷涂方法中国石油大学（华东）线材火焰喷涂的特点及应用（1）喷涂方法简便，设备简单；（2）火焰温度低，气流速度不高，因而颗粒打击力小，涂层致密度较差；（3）涂层中含有一定量的氧化物。（1）目前国内大多用于制备锌、铝长效防护涂层；（2）不锈钢、镍铬及有色金属防腐涂层；（3）碳钢、铬钢恢复尺寸涂层以及耐磨涂层等。特点应用常见的热喷涂方法中国石油大学（华东）粉末火焰喷涂1-氧、乙炔混合气；2-送粉气；3-喷涂粉末；4-喷嘴；5-火焰；6-涂层；7-基体基本原理:如图所示，喷枪通过气阀分别引入燃料气（主要采用乙炔）和氧气，经混合后从喷咀喷出，产生燃烧火焰。合金粉末在高速氧气流的带动下由喷嘴射出，穿过燃烧火焰时被加热到熔化或半熔化状态，并高速撞击在已预处理的基体表面上，沉积为喷涂层。1234568常见的热喷涂方法中国石油大学（华东）粉末火焰喷涂涂层的特征1）涂层中含有一定量的氧化物及气孔，并有少量变形不充分的颗粒；2）涂层结合强度10-30MPa；3）涂层80-95%常见的热喷涂方法中国石油大学（华东）粉末火焰喷涂设备的组成1）粉末火焰喷涂的典型设备主要由氧气及乙炔供给系统和喷枪组成，粉末可以装在与喷枪构成一体的粉斗内，也可由送粉器通过管道送入。2）目前国内常用的火焰喷涂枪有：SPH-E型两用枪、SPH-E2000型喷涂枪、Cp-1000型亚音速喷涂枪、Cp-3000型亚音速喷涂枪。常见的热喷涂方法中国石油大学（华东）粉末火焰喷涂的特点及应用（1）设备简单、轻便、初投资少，操作工艺简单，现场施工方便；（2）适于机械零部件的局部修复和强化，成本低，耗时少，效益高；（3）可以喷涂纯金属粉、合金、陶瓷、金属陶瓷和复合粉末等多种材料；（4）涂层孔隙率较高。粉末火焰喷涂广泛用于机械部件和化工容器、辊筒表面制备耐蚀、耐磨涂层。对喷枪喷咀部分作适当变动后，可用于喷涂塑料粉末。特点应用常见的热喷涂方法中国石油大学（华东）等离子弧喷涂基本原理:等离子喷涂原理如图所示，在阴极和阳极（喷咀）之间产生一直流电弧。该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体并从喷咀喷出形成等离子焰。粉末由送粉气体送入等离子射流后被熔化、加速、喷射到以预处理的基体材料表面形成涂层。12345671-喷涂粉末；2-工作气；3-阴极；4-阳极；5-等离子射流；6-基体；7-喷涂层;常见的热喷涂方法中国石油大学（华东）等离子弧喷涂涂层的特性1）组织结构为细晶的层状结构，含一些球状组织，存在细小弥散物；2）等离子弧温度高，能量集中，焰流速度高；3）喷涂层组织细密，氧化物夹渣和气孔率都低，气孔率可控制到2-5%；4）涂层与基体的结合及粒子之间的结合除以机械结合为主外，可以产生微区冶金结合和物理结合；结合强度可达35-70MPa。常见的热喷涂方法中国石油大学（华东）等离子弧喷涂设备的组成主电源直流电源冷却水源水冷器预热器压力计流量计载粉气送粉器等离子枪控制台工作气ArHNHe22常见的热喷涂方法中国石油大学（华东）等离子弧喷涂设备的组成1）喷枪：喷枪实际上是一个非转移型等离子弧发生器，是最关键的部件，它集整个系统的电气、粉、水于一体，主要由阴极、喷咀（阳极）、进气道与气室、送粉道、水冷密封与绝缘以及枪体所组成。2）送粉器：送粉器是用来贮存喷涂粉末和按工艺要求向喷枪输送粉末的一种装置，主要有自重式送粉器、刮板式送粉器、雾化式送粉器、电磁振动式送粉器、鼓轮式送粉器