第6章-热喷涂

第6章热喷涂、喷焊与堆焊技术6.1热喷涂技术6.2热喷焊和堆焊思考题：1.什么是热喷涂技术？简述热喷涂的过程及涂层的结构。2.热喷涂涂层有哪些结合方式？3.热喷涂涂层的残余应力会对涂层产生什么影响？4.火焰类喷涂包括哪几种类型？分别简述其原理。5.等离子体是如何产生的？可分为哪几类？热扩渗和等离子喷涂技术分别采用哪种等离子体？6.等离子喷涂工艺的影响因素有哪些？7.热喷涂和热喷焊过程中，哪一种基体变形小？为什么？8.比较热喷涂、热喷焊和堆焊技术的异同点。第6章热喷涂、喷焊与堆焊技术6.1热喷涂技术热喷涂用专用设备把某种固体材料熔化并使其雾化，加速喷射到机件表面，形成一特制薄层，以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的一种工艺方法。6.1热喷涂技术喷涂过程喷涂材料的熔化喷涂材料的雾化喷涂材料的飞行粒子的冲击、凝固6.1热喷涂技术涂层的形成及结构图6-2熔融镍粒子在不锈钢表面沉积的模拟图6.1热喷涂技术涂层的形成及结构图6-3热喷涂涂层形成过程示意图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0.1s中，此扁平状涂层继续受环境和热气流影响；每隔0.1s第二层薄片形成，逐渐形成层状结构的涂层。6.1热喷涂技术图6-4喷涂层结构示意图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。6.1热喷涂技术典型的热喷涂层的金相组织照片图6-5Ni-Cr-B-Si火焰喷涂组织6.1热喷涂技术涂层残余应力残余应力与喷涂工艺条件、涂层及基材的物理性质有关；随涂层厚度的加大而增加；适当的预处理如粗化，以使应力分散。6.1热喷涂技术涂层的结合机理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。冶金结合：涂层与基体表面出现互扩散或形成微区的冶金反应。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。ssHST接触表面GG6.1热喷涂技术BAAB表面G熔融粒子撞击表面的吉布斯自由能降低：提高涂层结合强度的方法：材料A、B表面越干净，表面接触面积越大，ΔG表面越小，结合强度越高；提高接触温度，使ΔG更小，结合强度高；当沉积过程中发生扩散或冶金反应时，ΔHs变小，也会使ΔG更小，结合强度提高。6.1热喷涂技术热喷涂技术的特点取材（热喷涂材料）范围广；可用于各种基体；可使基体保持较低温度，基材变形小；工效高；被喷涂物件的大小一般不受限制；涂层厚度容易控制；成本低，经济效益显著。结合力低，孔隙率较高，均匀性差，热效率低，操作环境较差。6.1热喷涂技术热喷涂的分类图6-7热喷涂的分类6.1热喷涂技术图6-8主要传统喷涂方法的粒子速度及焰流温度6.1热喷涂技术图6-9主要热喷涂方法在不同时期的应用比例6.1热喷涂技术热喷涂材料的分类按照喷涂材料的形状可分为：线材粉末6.1热喷涂技术热喷涂材料的特点热稳定性好使用性能好润湿性好固态流动性好（粉末）热膨胀系数合适6.1热喷涂技术热喷涂线材•非复合线材：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。6.1热喷涂技术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；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。包覆型粉末、组合型粉末6.1热喷涂技术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。图6-10复合型粉末结构示意图6.1热喷涂技术火焰类喷涂火焰喷涂爆炸喷涂超音速火焰喷涂6.1热喷涂技术火焰类喷涂热源——燃气火焰燃气和助燃气体氧在点火燃烧时产生热量和一定速度的气流。表6-1几种常用的燃气与氧组分燃烧的热特性6.1热喷涂技术燃气火焰的分类中性焰：即乙炔在氧中充分燃烧。适宜于喷涂金属材料；图6-11中性焰6.1热喷涂技术还原焰：即乙炔相对氧气的比例偏大。会提高涂层碳含量且喷涂效率低；图6-12还原焰6.1热喷涂技术氧化焰：即氧气相对乙炔的比例偏大。适宜于喷涂陶瓷材料。图6-13氧化焰6.1热喷涂技术火焰喷涂线材火焰喷涂法粉末火焰喷涂6.1热喷涂技术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。图6-14一套完整的线材火焰喷涂装置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喷枪6.1热喷涂技术图6-15线材火焰喷涂的原理示意图线材火焰喷涂法6.1热喷涂技术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。图6-16粉末火焰喷涂的原理示意图6.1热喷涂技术图6-17粉末火焰喷涂的典型装置粉末火焰喷涂法6.1热喷涂技术火焰喷涂的特点：应用非常灵活，可喷涂金属、陶瓷、塑料等；喷涂设备轻便简单，可移动；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，涂层强度较低，气孔率高，容易氧化。6.1热喷涂技术6.1热喷涂技术爆炸喷涂：将氧气和乙炔输送到枪管内，同时加入喷涂粉末，利用氧气和乙炔气点火燃烧，造成气体膨胀而产生爆炸，释放出热能和冲击波，热能使喷涂粉末熔化，冲击波则使熔融粉末以700～800m/s的速度喷射到工件表面上形成涂层。图6-18爆炸喷涂原理图6.1热喷涂技术爆炸涂层的特点涂层和基体的结合强度高；涂层致密，气孔率很低；涂层表面加工后粗糙度低；工件表面温度低。不足：设备价格高，噪音大，容易氧化，效率很低，成本较高。6.1热喷涂技术超音速火焰喷涂：燃料气体与助燃剂以一定的比例导入燃烧室内混合，爆炸式燃烧，因燃烧产生的高温气体以高速通过膨胀管获得超音速。同时通入送粉气，定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃气中，一同射出喷涂于工件上形成涂层。图6-19超音速火焰喷涂枪6.1热喷涂技术超音速喷涂法的特点火焰温度低，粒子飞行速度快，所以粉末被氧化程度低；粉粒尺寸小，分布范围窄；涂层结合强度、致密度高，无分层现象；涂层表面粗糙度低；喷涂距离可在较大范围内变动，而不影响喷涂质量；残余应力也得到改善，可得到比爆炸喷涂更厚的涂层；喷涂效率高，操作方便；噪音大（大于120dB），需有隔音和防护装置，成本高。6.1热喷涂技术图6-20在钢表面上的WC-17Co涂层金相照片a——采用大气等离子喷涂法制作；b_用超音速火焰喷涂制作6.1热喷涂技术电弧类喷涂电弧喷涂等离子喷涂6.1热喷涂技术电弧：两电极间串接上一个电阻，通上一定的电压，在先短路接触然后拉开适当的距离就会在两极间产生持久放电的现象，这就是电弧。图6-21电弧各区的电压分布UA——阳极电压降；UK——阴极电压降；UC——弧柱电压降；US——电弧电压6.1热喷涂技术图6-22电弧电压特性a——弧长一定；b——电流一定；L1——弧长1；L2——弧长26.1热喷涂技术等离子弧：当电弧（等离子体）被压缩成为具有更高温度的压缩电弧时，称之为等离子弧。图6-23等离子弧的形式a——非转移弧；b——转移弧；c——联合型弧6.1热喷涂技术等离子体的形成图6-24等离子体发生过程示意图N2＋Ud——N＋N，其中Ud为离解能N＋Ui——N＋＋e，其中Ui为电离能6.1热喷涂技术图6-25等离子焰流温度分布6.1热喷涂技术等离子弧的特点温度高可控性好稳定性好6.1热喷涂技术电弧喷涂：在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧，因电弧产生的热使金属焊丝逐渐熔化，熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成涂层。图6-26电弧喷涂原理示意图6.1热喷涂技术图6-27涂层结合强度比较6.1热喷涂技术电弧喷涂的优点：比较轻便，易于现场操作；在不提高工件温度又不使用打底层的情况下可以获得较高的结合强度；生产效率较高，能源利用率达60%~70%；成本低，安全。不足：喷涂材料必须是导电的焊丝。6.1热喷涂技术等离子喷涂：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。图6-28等离子喷涂原理6.1热喷涂技术图6-29等离子喷涂原理图a——内送粉式；b——外送粉式6.1热喷涂技术等离子喷涂的特点：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，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。6.1热喷涂技术等离子喷涂设备喷枪电源送粉器热交换器供气系统控制框6.1热喷涂技术6.1热喷涂技术等离子喷涂工艺影响因素等离子气体电弧的功率供粉喷涂距离和喷涂角喷枪与工件的相对运动速度基体温度6.1热喷涂技术电热法：用电流通过电阻时产生的热源来加热喷涂材料。电爆喷涂：在线材两端通以瞬间大电流，使线材熔化并发生爆炸。感应加热喷涂：采用高频涡流把线材加热，然后用高压气体雾化并加速的喷涂方法。电容放电加热：利用电容放电把线材加热，然后用高压气体雾化并加速的喷涂方法。6.1热喷涂技术激光法：图6-30激光喷涂把高密度能量的激光束朝着接近于基体表面的方向直射，同时将粉末以倾斜的角度被吹送到激光束中熔化粘结到基体表面，形成了一层薄的表面涂层，与基体之间形成良好的结合。6.1热喷涂技术图6-31激光喷涂用喷嘴结构示意图6.1热喷涂技术喷涂涂层的制备图6-32热喷涂工艺流程图6.1热喷涂技术表面预处理表面净化处理：去除待喷涂表面的油污、氧化物、油漆及其他污物。粗化处理：在净化后的基体表面形成均匀凹凸不平的粗糙表面，并使涂层产生压应力。6.1热喷涂技术喷涂工艺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。6.1热喷涂技术热源参数：直接影响喷涂材料的熔化状况。1.火焰能率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。6.1热喷涂技术表6-2电弧喷涂的喷涂速率(kg/h)6.1热喷涂技术表6-3氧化铝用等离子喷涂在不同热源参数下的喷涂速率和沉积效率6.1热喷涂技术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。6.1热喷涂技术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。6.1热喷涂技术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。6.1热喷涂技术工件温度的控制1.预热：在70~150℃区间；2.冷却：防止过热。6.1热喷涂技术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。6.1热喷涂技术涂层的后处理封孔处理：提高抗蚀性；表6-4封孔剂类别及材料6.1热喷涂技术涂层精加工特点：1.切削过程中注意冷却；2.不能承受过大的切削力；3.要精心操作。6.1热喷涂技术热喷涂技术的工业应用在航空工业中的应用图6-33航空发动机中应用热喷涂涂层的部分部件6.1热喷涂技术在现代钢铁工业中的应用图6-34正在喷涂处理的沉没辊6.1热喷涂技术在能源工业中的应用图6-35电厂锅炉管的现场喷涂6.1热喷涂技术在纺织工业中的应用图6-36采用热喷涂涂层的部分纺织机械零部件6.1热喷涂技