热喷涂

第四章热喷涂技术利用热能（氧-乙炔火焰、电弧、等离子火焰等热源）将具有特殊性能的涂层材料熔化后涂覆在工件上形成涂层的技术。利用热源将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，用高速气流将其雾化并喷射到基体表面形成涂层的技术，其基本原理图可见下图。如果将喷涂层再加热重熔，产生冶金结合，则为喷焊技术。第一节热喷涂技术的原理和特点一、热喷涂的定义二、热喷涂基本原理热喷涂基本过程（1）喷涂材料被加热到熔化或半熔化状态。（2）喷涂材料被雾化成微小熔滴并高速撞击基体表面，撞击基体的颗粒动能越大和冲击变形越大，形成的涂层结合越好。（3）熔融的高速粒子在冲击基材表面后发生变形，冷凝后形成涂层。涂层的形成粒子在碰撞基体表面，形成扁平状粒子，且迅速凝固成涂层；在凝固冷却的过程中，此扁平状涂层继续受环境和热气流影响；第二层薄片形成，逐渐形成层状结构的涂层。撞击高速有助于熔滴扩展，但也会因为表面张力和凝固而停止，形成薄饼状。喷涂材料在飞行速度最大时撞击基体的颗粒动能与冲击变形最大，形成涂层结合性能较好。所以，要调整好喷嘴与工件的距离。涂层的结构涂层性能具有方向性，垂直和平行涂层方向上的性能不一致。涂层中伴有氧化物等夹杂，存在部分孔隙，孔隙率4％－20％。涂层是由无数变形粒子互相交错堆叠在一起，形成一层堆积而成的层状结构。涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式一层一层堆叠而成的层状结构。大小不一的扁平颗粒、未熔化的球形颗粒、夹杂和孔隙组成。夹杂，熔滴发生氧化而形成的氧化膜。涂层内有一定比例的孔隙（0.025%-50%），产生原因是：（1）喷涂角度不同造成的遮蔽效应；（2）涂层材料凝固收缩时形成的空隙。孔隙将降低涂层的结合性能、硬度、耐磨性和耐蚀性。但是可以储存润滑剂，提高隔热性能，减小内应力，增加涂层厚度，提高抗热震性能。包括涂层与基材之间、涂层中颗粒与颗粒之间的结合，相同，均为物理—化学结合，结合形式有：（1）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，和凸凹不平的基材表面互相嵌合(即抛锚效应)而结合在一起。涂层的结合方式（2）物理结合：熔融粒子的原子与基材表面原子之间距离达到晶格常数范围时，产生范德华力，形成物理结合。（3）冶金-化学结合：熔融粒子撞击基材表面时释放出的能量使喷涂材料与基材之间发生局部扩散和焊合，形成冶金结合。如喷涂镍包铝复合粉末时的放热反应而形成的微冶金结合。热喷涂的涂层与基材的结合主要以机械结合为主，结合强度较差(70MPa)。涂层冷凝收缩时，涂层外层的拉应力、涂层内层的压应力、组织转变产生的微观应力，结果使涂层产生残余张应力，应力大小与涂层厚度成正比，当张应力超过涂层与基材之间结合强度时，涂层就会发生破坏。涂层的残余应力残余应力限制了涂层的厚度，由于涂层应力限制，热喷涂厚度一般不超过0.5mm。（1）调整喷涂工艺参数；（2）致密涂层的残余应力要比疏松涂层大；（3）采用梯度过渡层缓和涂层内应力。减少涂层残余应力措施：三、热喷涂的分类和特点热喷涂的分类按照热源不同，热喷涂技术主要包括（1）可在各种基材上制备各种涂层，取材（喷涂材料）范围广；（2）基材温度低（30～250℃），热影响区浅，变形小；（3）涂层厚度范围宽（0.1～5mm），易控制；（4）工效高；操作灵活，可在不同尺寸和形状的工件上喷涂；（5）加热效率低，浪费大，（6）喷涂材料利用率低，操作环境较差。（7）涂层与基体结合强度低，孔隙率较高，均匀性差。热喷涂特点按性质分：金属与合金、陶瓷、有机塑料和复合材料等。按用途分：防腐、耐磨、减摩、耐高温热障材料及其他功能材料。按材料的形态分：线材、棒材和粉末三大类。第二节热喷涂材料一、热喷涂材料的分类非复合喷涂线材：只含一种金属或合金的材料制成的线材；复合喷涂线材：把两种或两种以上的材料复合而制成的喷涂线材。热喷涂线材喷涂用粉末非复合喷涂粉末：每个粉粒仅由单一的成分组成，如金属及合金粉末、陶瓷粉末、塑料粉末。复合喷涂粉末：由两种或更多种金属和非金属固体粉末混和而成，如包覆型粉末、组合型粉末。包覆型粉末：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。组合型粉：由不同相混杂而成的颗粒，没有核壳之分。复合型粉末结构示意图金属类分类品种纯金属Sn、Pb、Zn、A1、Cu、Ni、W、Mo、Ti等合金(1)Ni基合金：Ni-Cr、Ni-Cu；(2)Co基合金：CoCrW(3)MCrAlY合金：NiCrAlY，CoCrAlY、FeCrAlY(4)不锈钢；(5)铁合金；(6)铜合金；(7)铝合金(8)巴氏合金；(9)Triballoy合金自熔性合金(1)Ni基自熔性合金：NiCrBSi、NiBSi(2)Co基自熔性合金：CoCrWB、CoCrWBNi(3)Fe基自熔性合金：FeNiCrBSi(4)Cu基自熔性合金热喷涂材料非金属类分类品种金属氧化物(1)A1系：A12O3、A12O3·SiO2、Al2O3·MgO(2)Ti系：TiO2(3)Zr系：ZrO2、ZrO2·SiO2、CaO-Zr02、MgO-ZrO2(4)Cr系：Cr2O3金属碳化物及硼化物(1)WC、W2C；(2)TiC；(3)Cr3O2、Cr23C6；(4))B4C、SiC包覆粉Ni包Al、Ni包金属及合金、Ni包陶瓷团聚料金属+合金、WC或WC-Co+金属及合金、氧化物+金属及合金、氧化物+氧化物熔炼粉及烧结粉碳化物+自熔性合金、WC+Co塑料(1)热塑性粉末：聚乙烯、尼龙、聚苯硫醚(2)热固性粉末：环氧树脂（1）有较宽的液相区，使熔滴在较长时间内保持液相。（2）热稳定性好，在高温焰流中不挥发，不升华，不分解(复合粉末），不发生晶格转变等。（3）与基材有相近的热膨胀系数，以防止因膨胀系数相差过大产生较大的热应力。（4）喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的浸润性，以保证涂层与基材之间有良好的结合性能。二、热喷涂材料的特点热喷涂工艺流程包括基材表面预处理、预热、喷涂、后处理和精加工等过程。第三节热喷涂工艺（1）净化处理：清除表面污垢。（2）粗化处理：提高涂层与基体、涂层颗粒之间的结合牢度。粗化处理可提高涂层结合强度的理由是：•提供表面压应力；•提供与涂层颗粒互锁机会；•增大结合面积；•净化表面。基材表面预处理预热的作用：降低因涂层与基体表面的温差而产生的内应力，防止涂层的开裂和剥落；去除工件表面的水分；提高工件表面与熔粒的接触温度，加速熔粒的变形和咬合，提高沉积速度。预热经过表面预处理之后的工件要立即进行喷涂，以免表面再次氧化或污染，导致涂层结合强度下降。首先喷涂打底层（过渡层），从而提高涂层与基体的结合强度；喷涂工作层，要依据所需要获得的性能选择合适的喷涂材料。具体的喷涂方法和工艺参数是影响工作层质量和性能的主要因素。喷涂（1）防止或阻止涂层界面处的腐蚀；（2）提高抗氧化性；（3）延长涂层的寿命。后处理（封孔+加工）热喷涂涂层表面一般比较粗糙，经过手工或者机械加工的方法加工涂层的表面，可以获得所需要的表面粗糙度和精度2.磨光和精加工1.封孔处理的目的：表6—3常用封孔剂类型封孔剂非干燥型石蜡、油脂、油空气干燥型油漆、氯化橡胶、空气干燥型酚醛、乙烯树脂、硅树脂、煤焦油、聚氨酯、亚麻子油、聚酯烘烤型烘烤酚醛、酚醛树脂、环氧树脂、聚酯、聚酰胺树脂催化型环氧树脂、聚酯、聚氨酯无机封孔剂硅酸钠、磷酸盐常用封孔剂热喷涂工艺流程图：按照加热喷涂材料的热源种类来分类，主要的热喷涂工艺方法可分为：①火焰类，包括火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂；②电弧类，包括电弧喷涂和等离子喷涂；③电热法，包括电爆喷涂、感应加热喷涂和电容放电喷涂；④激光类，激光喷涂。第四节热喷涂工艺方法用氧－乙炔气体(丙烷、氢气、天然气等)作为加热源，用燃气或惰性压缩气体雾化并加速喷涂材料，在基材表面沉积形成涂层。火焰喷涂包括线材火焰喷涂、粉末火焰喷涂和棒材喷涂。一.火焰喷涂线材火焰喷涂法：把金属线以一定的速度送进喷枪里，使端部在高温火焰中熔化，随即用压缩空气把其雾化并吹走，沉积在预处理过的工件表面上。（1）线材火焰喷涂典型线材火焰喷涂装置：压缩空气供给系统，氧-乙炔供给系统，送丝机构，气喷枪等粉末火焰喷涂法：用少量气体将喷涂粉末输送到喷枪的喷嘴前端，通过燃气加热、熔化并加速喷涂到基体表面。（2）粉末火焰喷涂粉末火焰喷涂的典型装置工艺流程：工件表面预处理→预热→喷涂打底层→喷涂工作层→喷后处理。（3）火焰喷涂工艺特点：①工应用非常灵活，可喷涂金属、陶瓷、塑料等；②喷涂设备轻便简单，可移动；③设备价格低，经济性好。不足：喷出颗粒速度较小，火焰温度较低，涂层的粘结强度及涂层本身的综合强度都比较低，涂层氧含量高，气孔率大。电弧喷涂：将两根被喷涂的金属丝作为自耗型电极，输送直流或者交流电，利用其端部产生的电弧作为热源来熔化金属丝材，再用压缩空气流进行雾化，并将其喷向基体表面形成涂层。二.电弧喷涂生产效率高、能源利用率高。电弧喷涂比火焰喷涂粉末粒子含热量更大一些，粒子飞行速度也较快，因此，涂层密度（70～90％）比火焰喷涂涂层致密，结合强度比火焰喷涂高。电弧喷涂还可方便地制造合金涂层，通过使用两根不同成分的丝材和使用不同进给速度，即可得到不同的合金成分。由于电弧喷涂是两丝同时送进，所以喷涂效率高。运行费用低，火焰喷涂消耗的燃料费是电弧喷涂电费的几十倍。电弧喷涂的特点不足：喷涂材料必须是导电的焊丝。因此只能使用金属，而不能使用陶瓷，限制了电弧喷涂的应用范围。定义：将惰性气体通过喷枪体正负两极间的直流电弧，被加热激活后产生电离而形成温度非常高的等离子焰流，将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态，被高速喷射到预先处理好的工件表面形成涂层。三.等离子喷涂由等离子弧电源、电器控制、喷枪、气源、送粉系统、水冷系统等组成。等离子喷涂设备超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂；喷射粒子的速度高，喷涂效率高、涂层致密，粘结强度高；由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。等离子喷涂的特点：优化目的：保证被喷涂的材料粒子都能进入焰流中并被加热到熔融或半熔融状态，以高速射向基体并均匀沉积在基体上形成致密的与基体有良好结合的涂层。第四节热喷涂工艺参数优化热源参数：直接影响喷涂材料的熔化状况。1.火焰喷涂取决于燃气和氧气的流量；2.电弧喷涂的热功率由电弧电压和电流决定；3.等离子弧取决于喷枪的输入功率、等离子气的种类、流量和压力。喷涂材料的送进量1.太大：沉积率降低，涂层质量下降；2.太小：喷涂速率下降，成本增加。雾化参数1.压力和流量过大，会干扰热源，影响热源的温度和稳定性；2.压力和流量过小，雾化颗粒过大，影响涂层质量。操作参数：1.喷涂距离：过长则离子到达基体时的温度及速率均会过低，颗粒沉积不上去，且粒子被氧化程度提高；过短则粒子在焰流中停留时间过短，未能充分加热和加速。2.喷涂角度：一般为60°~90°。3.喷枪和工件的相对移动速度：一般为7~18m/min。工件温度的控制：1.预热：在70~150℃区间；2.冷却：防止过热。喷涂气氛的控制：1.为避免氧化而在保护性气氛或真空中进行；2.对一些要求组织结构致密，孔隙度小的涂层要注意除尘。1对涂层结合力要求不高，喷涂材料熔点2500℃——火焰喷涂。2对涂层性能要求较高，喷涂高熔点材料——等离子喷涂。3工程量大的金属喷涂施工——电弧喷涂。4要求高结合力、低孔隙度的金属、合金及以某些金属陶瓷涂层——爆炸喷涂或超音速火焰喷涂。第五节喷涂工艺的选择原则表６－４常用热喷涂技术的工艺特性比较项目火焰喷涂电弧喷涂等离子喷涂爆炸喷涂超音速火焰喷涂焰流温度/℃2500400018000未知2500～3000焰流/(m·s－1)50～10030～500200～1200800～1200300～1200颗粒速度/(m·s－1)20～8020～30030～800～800100～1000热效率(％)60～809035～55未知50～70沉积效率(％)50～80