热喷涂技术

热喷涂热喷涂技术目录技术原理与特点2热喷涂工艺方法3常用热喷涂材料4热喷涂技术应用5前言13一前言热喷涂是一项修复和预保护技术。随着现代科技的发展，对工业生产装备以及机械零部件的使用性能要求也越来越高。整体铸造或锻造比较昂贵的金属，如钛、镍、钴、钨、等的造价很高，而且在铸、锻造以及焊接方面都有一定困难。于是在普通材料的工作表面，喷涂一层特殊的涂层，使其达到防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等的一系列功能，并且起到节约材料，节约能源的目的。热喷涂技术1简介2019/12/242、热喷涂的发展历史热喷涂技术最早于1910年由瑞士肖普博士发明,当时命名：“金属喷镀”1943年美METCO首次出版《金属喷镀》手册1959年美METCO第七次出版改名《火焰喷涂》手册1973年9月10—14日在伦敦召开第七届有关国际热喷涂会议，改名“金属喷涂”1979年9月27—10月1日在美Florida州一著名休养地Miami城召开第八届国际热喷涂会议,就采用“热喷涂”这一名词,这就是“热喷涂”名词的由来。热喷涂技术2019/12/253、热喷涂在我国的发展我国热喷涂技术是从五十年代开始的，当时由吴剑春和张关宝在上海组建了国内第一个专业化喷涂厂，研制氧乙炔焰丝喷及电喷装置，并对外开展金属喷涂业务。我国热喷涂技术起步较早，50年代就发展了丝材电弧喷涂；60年代某些军工部门开始研究等离子喷涂；70年代出现了品种和型号较为齐全的喷涂设备和材料，但总的来说进展缓慢，只是到了近些年才获得了较快的发展。热喷涂技术back热喷涂技术热源将喷涂材料熔化或半熔化,然后用高速气体使涂层分散细化并高速撞击到基材,冷却凝固后形成涂层1)原理撞击基材冷却凝固形成涂层加热熔化和加速1.技术原理与特点2)特点①基本可在各种基材上制备各类涂层③操作灵活:可喷涂各种规格和形状的基材,特别是大面积涂层②基体受热温度低于200℃,变形小,热影响区浅基材:金属/陶瓷/工程塑料/玻璃/石膏/木材/布/纸涂层:金属/陶瓷/金属陶瓷/工程塑料④涂层厚度范围宽:几十微米～数毫米;容易控制,成本低☆局限性:热效率低/材料利用率低/涂层与基体结合强度较低1.技术原理与特点☆若液滴过热,则其粘度过低,熔滴扩展后不会立即凝固,形成的薄膜边缘变厚,趋于破裂并收缩,凝固成小球状,不能与基材结合1.技术原理与特点3)涂层材料☆熔化后的液滴在较长时间保持液相并且不发生分解主要取决于加热熔化/喷涂速度/凝固三方面①熔化:要求如下:☆形状和尺寸:线材：φ1~3mm,粉末：φ1~100um4)涂层形成过程固体粉末在热气流中熔化成为液滴☆液滴在飞行过程中必须保持熔化状态,其存在的时间主要取决于焰流速度/火焰温度和喷涂距离☆固体粉末变为液滴存在一临界尺寸,与粉末熔点有关②喷涂速度对高熔点氧化物:5～45um；低熔点金属粉末45～160um颗粒在飞行速度最大时动能最大,这时冲击基材形成的涂层结合力强③凝固:避免颗粒未熔和过热;基材温度要与液滴温度相适应一般要求将喷嘴与工件的距离调整到最佳位置☆若部分未熔,则可能从基材反弹回来或包在涂层内,形成空洞或夹杂即要求材料具有较宽的液相区间☆二者温度相差过大,凝固时会发生收缩/应力集中/孔隙过多等情况液滴从接触基材到凝固的时间一般1s降低涂层结合强度;但有些涂层允许存在部分氧化物夹杂◇但另一方面,孔隙可以储存润滑剂,提高涂层的隔热性能,减小内应力以及提高抗热震性能1.技术原理与特点5)涂层结构由大量扁平颗粒＋部分未熔球形颗粒＋夹杂(黑色细长物)＋孔隙(黑色)组成☆孔隙产生的原因图:等离子喷涂钼涂层微观结构6)热喷涂中的相变由于液滴氧化形成氧化膜或未熔颗粒产生①未熔颗粒冲击动能低②喷涂角度不同部分部位重叠③凝固收缩和应力释放•孔隙的影响:损害涂层耐蚀性,使表面粗糙,降低结合强度/硬度/耐磨性;由于熔滴尺寸很小,冷却速度可达106K/s,冷却后会形成非晶态/亚稳相夹杂未熔颗粒扁平颗粒孔隙•夹杂的影响如含钼涂层中的氧化钼具有减摩作用;含钛涂层中的氧化钛具有耐磨作用☆在高温时这些非晶态/亚稳相会向稳定相转变或分解如α-Al2O3材料硬度高,耐磨性好;但等离子喷涂获得的是性能不同的γ-Al2O31.技术原理与特点7)涂层应力涂层冷却→收缩图:涂层中的残余应力8)涂层结合强度涂层受拉应力涂层基体受压应力基材冷却结束涂层应力过大裂开喷涂完毕涂层内有残余拉应力,与厚度成正比•措施残余拉应力涂层与基体结合强度→涂层破坏①限制涂层厚度0.5mm②限用收缩性高的材料,如不锈钢③采用梯度过渡层缓和涂层应力•涂层与基材的结合:机械结合＋微冶金结合基材机械咬合最先形成的薄片状颗粒与基材表面凹凸不平处产生机械咬合,随后飞来的敷在先到的颗粒表面,依次堆放局部焊合由于颗粒在撞击过程中释放出大量能量,引起局部扩散和焊合,产生微冶金结合(扩散厚度0.5um)•结合强度≤70MPa☆封孔:采用封孔剂填充涂层内的孔隙;密封性/其它污染/一些陶瓷涂层的绝缘性1.技术原理与特点9)涂层工艺流程与质量控制•工艺流程预处理热喷涂后处理机加工清洗/粗化/粘结底层封孔/密实化☆清洗:清除所有表面污垢,如氧化皮/油渍/油脂/油漆粗化:在表面作沟槽/粗车削加工/喷砂等以提高涂层与基材结合强度粘结底层:在清洁,光滑表面上的喷涂层,用于增强工作涂层与基材结合力粘结底层过渡层面层基材粘结底层为镍包铝(Ni-Al)复合粉末合金涂层,面层为金属陶瓷,过渡层为以上二者混合料①预处理与设备/喷涂材料/焰流状况/基材等多项因素有关②热喷涂封孔剂有:石蜡/油类/油漆/树脂类/硅酸钠等③后处理④机加工:车削/磨削/抛光达到最终尺寸要求☆小结back热喷涂工艺燃烧法电加热法火焰喷涂爆炸喷涂线材粉末超音速电弧喷涂等离子喷涂空气高能真空水稳•三热喷涂工艺方法•分类3.1火焰喷涂①粉末火焰喷涂☆用少量气体将粉末输送到喷嘴前端,通过燃气加热/熔化并加速喷涂到基材,形成涂层图:粉末火焰喷涂工作原理图基材粉末粉末输送气体涂层火焰喷嘴氧－乙炔气体空气帽☆压缩空气不仅起雾化作用,并且起送料作用•可提供的粉末有:锌/铝/铜合金,不锈钢/高合金钢/钴基合金及陶瓷等•在喷嘴前端加上空气帽,可以压缩燃烧焰流并提高喷涂速度②线材火焰喷涂图:工作原理图基材•线材火焰喷涂工作原理与粉末法类似☆熔点低于2700℃的材料均能喷涂线材喷嘴压缩空气氧－乙炔气体空气帽喷涂焰流送入火焰区的线端熔化后,由导入的压缩空气雾化并喷向工件☆压缩空气压力0.5~0.6MPa,喷枪与基材距离10~25cm☆涂层厚度可达6mm.涂层③超音速喷涂•火焰喷枪包括:长的高压水冷燃烧室＋细长的喷射管图:超音速喷涂原理示意图☆氧和乙炔(或煤油/氢气)在燃烧室燃烧后粉末熔化,喷向工件☆粉末从火焰中央通过,保护好,温度高;所获涂层杂质少,可得到厚的涂层氧气可燃气粉末+氮气冷却水HighVelocityOxygenFuelHVOF燃烧室喷射管☆火焰温度约为2760℃,喷涂速度1400m/s☆涂层致密度达理论值99.9%;结合强度达70MPa据报道,Tafa公司的JP-5000设备,得到厚12.7mm的不锈钢涂层基材基材喷涂材料喷射焰流火花塞冷却水3.2爆炸喷涂•长的水冷爆炸枪,设有进气门和送粉口图:爆炸喷涂原理示意图☆先将一定比例的氧和乙炔送入枪内,后将氮气与粉末混合输入•由火花塞点火,使混合气体燃烧爆炸,粉末被加热和加速,由枪口喷出每爆炸一次,就通入氮气流清洗枪管,再进行下一次爆炸,频率为4次/s粉末氮气氧气可燃气每次喷涂的厚度为4~6μm;涂层结合强度70MPa☆粉末进入燃烧室时约为2980℃,喷射焰流的速度高达1370m/s☆涂层致密度高,孔隙率2%;沉积速度45kg/h不足:耗气量大,成本高特别适合喷涂陶瓷3.3电弧喷涂☆两根彼此绝缘并加有直流电压18~30V的线材当作电极被送进喷涂枪的两个导电嘴内;导电嘴分别接电源的两极图:电弧喷涂工作原理图•该法只适合导电线材.电流为300A时,喷锌速度30kg/h;喷铝－10kg/h基材涂层☆与火焰喷涂相比的优点压缩空气电源空压机丝盒送丝轮送丝动力①涂层结合强度高2倍以上②生产效率高2~6倍③节能/经济,费用少1/10④使用安全,不用易燃气体是大面积喷涂长效锌/铝涂层的最佳选择电弧导电嘴线材•两极靠近时,线材端部短路而熔化,并由吹入的压缩空气把熔融液滴雾化,高速喷向工件,形成喷涂层由(电源/导电嘴+送丝+送气)部分组成18~30V300A涂层厚度0.05~0.5mm◇电子与气体分子或原子作用，使气体离解或电离，受热膨胀加速喷出形成等离子射流水水电接头3.4等离子喷涂有电源＋喷枪＋供气＋供粉＋供水等部分图:等离子喷涂原理示意送粉•高频电源接通使电子枪的钨阴极端部与铜嘴阳极之间产生火花放电,引燃电弧水进气铜嘴阳极钨阴极绝缘套高频发生器电源焰流基材涂层◇通入气体为氮气或氩气.可再通入5~10%的氢气以提高等离子体能量☆焰流心部的温度可达20000K,送入的粉末被迅速加热到熔融状态,并高速射向基材,粘附在其表面,形成涂层☆系统由高压水冷却焰流速度200~1200m/s;涂层厚度0.05~0.5mm孔隙率小(2%),涂层密度可达70~90%,结合强度40~80MPa等离子喷涂☆特点①零件无变形②涂层种类多,可喷高熔点材料,获得耐磨/隔热/抗高温氧化/绝缘涂层③工艺稳定,涂层质量高不足:设备运转复杂,电能消耗大,成本高以及噪音和强紫外线基体温度不超过200℃等离子焰◇热效率35~55%,沉积效率50~80%陶瓷粉末复合粉末常用涂层材料back三常用热喷涂材料1)金属类铁基合金镍基合金钴基合金铜基合金锌/铝合金其它合金材料名称工艺用途低/中/高碳钢/不锈钢电弧/火焰修复火焰镍铬/镍铜合金电弧/火焰耐热/耐蚀镍铬铝钇等离子耐高温氧化/腐蚀锌/铝耐环境腐蚀/锌铝合金电磁屏障/减摩锡基/铅基巴氏合金滑动轴承钼/钨耐磨/抗烧蚀钴铬钨司太立合金等离子/超音速耐高温磨损/冲蚀钴铬铝钇耐高温氧化/腐蚀只有粉末只有粉末司太立合金1~3%C,40~60%Co,15~35%Cr,10~15%W常用热喷涂材料2)陶瓷类氧化铝基氧化铬氧化锆莫来石尖晶石材料名称工艺用途氧化铝＋氧化钛等离子/火焰耐磨/绝缘/耐熔融等离子除氧化铝类外均为粉末料莫来石耐熔融/玻璃/炉渣浸蚀尖晶石氧化铬耐磨氧化锆－氧化钙热障氧化锆－氧化镁氧化锆－氧化钇锆英石耐高温磨损锆英石3)塑料类聚酰胺(尼龙)/聚氨酯/用于耐蚀/绝缘/减摩/装饰聚乙烯类用于耐磨/耐蚀/装饰聚苯硫醚(PPS)/PEEK用于高温耐蚀均为粉末料,火焰喷涂PEEK－新型半晶态芳香族工程塑料,许多领域可替代陶瓷•可磨耗密封与间隙控制涂层目的是使配合件自动形成所必须的间隙,提供最佳的密封状态.常用热喷涂材料4)复合材料通过在一种核心粉末材料的颗粒温度上均匀完整地包覆另一种或多种化合物制成a)包覆型如镍包铝/镍包碳化钨等•镍包铝粉末被加热到660℃时,铝与镍之间发生化学反应,生成高熔点的化合物NiAl,Ni3Al并放出大量的热,使合金涂层熔化→形成熔融的薄层,使涂层和基体的结合力增强NiAl镍包铝涂层表面粗糙且镍铝化合物的膨胀系数和一般金属材料相近,故常用来作粘结底层•镍包碳化钨/钴包碳化钨涂层具有很高的耐磨粒磨损/耐冲蚀性能;要采用等离子/超音速喷涂•减摩自润滑涂层方面的材料:镍包石墨/二硫化钼/聚四氟乙烯b)组合型如在航空发动机中减小转子与机壳的间隙此外,它具有很好的抗高温氧化性/耐熔体浸蚀性返回目录五热喷涂技术应用1)耐蚀涂层•目前最成功的是喷涂Zn/Al涂层☆大型水闸钢闸门等水力结构/大型桥梁/海洋钻井平台.喷涂Zn/Al进行阴极保护,寿命可达20年,比刷油漆提高寿命5倍☆造纸烘缸的直径达数米,使用中会出现划伤及点状腐蚀.采用电弧喷铝青铜修复烘缸,取得了成功☆60万kW气轮发电机大轴过水表面受到80℃热水以7m/s速度的冲刷腐蚀,需要喷防水冲蚀的涂层,以确保在两年以上的运行过程中轴不锈蚀,涂层不脱落.哈尔滨电机