搜索
热喷涂2SulzerMetco3热喷涂SulzerMetco目录1引言41.1表面特性41.2涂层工艺52热喷涂涂层62.1定义62.2基材材料62.3涂层材料72.4热喷涂涂层材料82.4.1传统火焰喷涂工艺82.4.2电弧线材喷涂92.4.3等离子喷涂92.4.4高速火焰喷涂(HVOF)102.4.5工艺对比102.4.6基础设备（系统要求）122.5涂层结构132.6涂层性能142.6.1磨损保护142.6.2防腐蚀142.6.3绝缘涂层（热涂/电涂）142.7后加工处理142.7.1机械加工后处理142.7.2密封处理142.7.3涂层后热处理152.8涂层性能153技术应用163.1生产应用程序173.1.1替代涂硬铬173.1.2医疗移植173.1.3纺织机械173.1.4燃气涡轮机183.1.5印刷工业183.1.6通用工业用途183.1.7消费品193.1.8汽车工业193.1.9钢铁工业193.1.10造纸工业203.1.11航空航天203.2海上救助及修复204小结215附件225.1参考表225.2参考文献23B.Tanner/SulzerMetco热喷涂4SulzerMetco1引言当今所有的工业行业，都打着“更好、更快、更便宜”这一既常见又非常有效的口号，看起来似乎生产的需求不断增长。但是过分苛刻的要求和超负荷的操作条件经常导致过早失去功能。如图1a所示的是一个在约千小时实际运行后，已经完全磨损的一个水轮机喷嘴针阀。如果该使用寿命无法接受的话，那么只能是：或者整个元件用一种更能抗磨损的材料制造，或者必须妥善保护接触面而减少磨损。从成本方面考虑，通常会选择后者。这就产生了表面涂层的应用。至于是将涂层覆盖整个元件、还是将涂层应用于易侵蚀的表面，关键是看哪一种涂层更能满足需要。图1a•13/4涂铬钢水轮机喷嘴针阀运行后图片Figure1a•Chromeplated,13/4steelpeltonturbineNozzleneedleafterservice1.1表面特性一个元件必需的表面要求主要由它的运行环境决定，不时变换。表面要求的范围包括足够的防磨损、防腐蚀、热绝缘、电绝缘，甚至包括涂层应用后，外观上能够符合美学标准。事实上，很少有元件只承受单一的运行条件。通常呈现的是多种条件的组合；例如，磨损与高热应力相结合。防磨损和防腐蚀是表面涂层必须承受的，也是昀经常遇到的工作条件。图1b•喷嘴针阀喷涂氧化铬涂层，防磨损Figure1b•Nozzleneedlewithachromeoxidecoatingtopreventwear5热喷涂SulzerMetco1.2涂层工艺通常涂层应用工艺有多种选择，几乎可以是无限多种的涂层材料可供选择。为相关的涂层应用选择正确组合，通常需要专家的专业知识。表1列出了主要的涂层工艺原理、可达到的标准涂层厚度、常用的涂层材料及应用实例。有些工艺对某一特定的涂层材料不适用；同时，不是所有的方法都能达到所需要的涂层厚度。除此之外，有些工艺必须的设备可能会非常复杂，因而也就非常昂贵。使用成本分析的方法能够确定哪一种涂层是切实可行的解决方案。目前的法规规定对各种涂层工艺是否符合生态标准必须进行分别测定，因为并不是所有的方法对环境的影响都相同的。CoatingTypicalCoatingCoatingMaterialCharacteristicsExamplesProcessThickness涂层工艺标准涂层厚度涂层材料特性实例PVD1-5µm(40-200µin)Ti(C,N)WearresistanceMachinetools钛基硬质合金耐磨损机床CVD1-50µm(40-2000µin)SiCWearresistanceFibercoatings硅绝缘化合物耐磨损纤维涂层BakedPolymers1-10µm(40-400µin)PolymersCorrosionresistance,Automobile培烧聚合物涂层聚合物aesthetics汽车耐腐蚀，符合美学特性Thermal40-3000µm(0.0015-0.12in)CeramicandWearresistance,BearingsSpraymetallicalloyscorrosionresistance轴承热喷涂陶瓷和金属合金耐磨损，耐腐蚀HardChromePlate10-100µm(40-4000µin)ChromeWearresistanceRolls硬铬电镀铬耐磨损辊子WeldOverlay0.5-5mm(0.02-0.2in)Steel,StelliteWearresistanceValves焊镀钢、钨铬合金耐磨损阀门Galvanize1-5µm(40-200µin)ZincCorrosionresistanceSteelsheet镀锌锌耐腐蚀钢板BrazeOverlay10-100µm(40-4000µin)Ni-Cr-B-SialloysVeryhard,denseShafts镀铜镍-铬-铜-硅合金surface轴高硬度，高密度表面表1a•主要的涂层工艺及特性Table1a•Principalcoatingprocessesandcharacteristics热喷涂工艺能够昀广泛地选择涂层材料，涂层厚度和可达到的涂层特性，这将在以后文章中加以深入细致地讨论。表1b•涂层工艺的对照表Table1b•Comparisonofcoatingprocesses底材的温度[°CSubstrateTemperature[°C]CVD（化学气相沉积）化学处理离子注入涂层厚度[µm]CoatingThickness[µm]热喷涂涂层PVD(物理气相沉积)焊接热喷涂6SulzerMetco2热喷涂涂层2.1定义按照德国工业标准DIN657[1]*，对热喷涂涂层的定义是“...这种涂层的应用是通过特殊的设备（或系统）将熔化的或熔融的喷涂材料高速喷射到一个干净的、经预处理过的元件表面上..。”该定义其实并没有完全描述热喷涂的工艺过程。图2展示了热喷涂的基本原理。首先涂层材料在加热源中熔化。然后这一液态或熔融的涂层材料得到工艺气体的推动，并喷涂到一个基底材料上，昀后固化成一个坚硬的固体层。热喷涂涂层的各具体方面如下所示：能源喷涂材料EnergySprayingmaterial热喷涂涂层Thermalsprayedcoating预处理表面Preparedsurface气体或其它工作介质Gasorotheroperatingmedia相对运动Relativemotion热喷涂原理Figure2•Principleofthermalspraying2.2基底材料适用的基底材料要求能够承受用喷砂方法糙化表面，氧化物微粒孔隙率通常基底材料的表面硬度不能超过55HRc。特殊的OxideparticlePorosity工艺技术要求基底材料具有更高的表面硬度。因为涂层粘附于基底上主要通过机械粘合，所以小心谨慎地清洁表面并对表面进行预处理是极其重要的。通过化学或机械的方法去除表面杂质后，通常使用一种喷砂的方法粗糙材料表面。这样就通过增加表面自由能而激活了表面，同时增大了喷涂微粒粘附的表面面积。基底未熔化微粒SubstrateUnmeltedparticle该液态或熔融的涂层微粒高速撞击基底表面。这样就使得微粒发生形变，并且像“薄煎饼”一样分布在基底表面。图3•热喷涂涂层原理示意图Figure3•*译自德文文本。Schematicdiagramofathermalsprayedcoating喷枪Spraygun喷射火熔Sprayplume7热喷涂SulzerMetco高温颗粒的热量传递到温度更低的基材材料。当颗粒冷缩和凝固的时候，它们就粘附在基底材料粗糙的表面。因此涂层的粘附力就是基于机械“钩连接”。这种方法在图2和图3中用图解的方式清晰地展现。由于涂层颗粒和基底材料之间的扩散作用产生的冶金结合强度非常微小，有关粘合原理（特例：钼）的讨论认为可以忽略不计。使表面粗糙化通常是用干燥的金刚砂进行喷砂处理。另外，一些应用工艺需要用到其他介质，诸如冷淬铁、钢砂或硅化合物。除了喷粒的类型，其他重要的因素包括喷砂颗粒的尺寸、形状、喷砂的角度和压力，以及喷砂介质的纯度。2.3涂层材料基本上，当熔融时不会分解的任何材料都能被用作热喷涂涂层材料。涂层材料可以是线状或粉末状，这取决于热喷涂工艺类型。在表2中，列出了一些经常用到的材料分类，并列出典型实例、特性以及应用范例。为某一特定应用程序选择合适的涂层材料需要有关操作环境的专门知识，以及有关材料的知识。除了物理特性（例如：膨胀系数、密度、导热性和熔点）之外，附加因素，诸如颗粒形状、粒子大小分布和粉末材料的制造过程，将会影响涂层性能。正因为大多数喷涂材料就像合金或混合物一样容易获得，这可以几乎是无限的材料组合选择。但只有通过有多年使用经验和广博的专业技术，才能做出正确的选择。材料等级标准合金特性实例应用MaterialClassTypicalAlloyCharacteristicsExampleApplicationPuremetalsZnCorrosionprotectionBridgeconstruction纯金属锌腐蚀防护桥梁建筑Self-fluxingFe-Ni-B-SiHighhardness,fusedShafts,bearingsalloysminimalporosity转轴，轴承自融合金铁-镍-铜-硅高硬度，易熔，昀小孔隙率SteelFe-Cr13Economical,Repair钢铁-铬13wearresistance修复用低成本，耐磨MCrAlYNiCrAlYHightemperatureGasturbineblades金属-铬-铝-钇镍铬铝钇corrosionresistance燃气涡轮叶片耐高温，耐腐蚀Ni-graphiteNi-25CAnti-frettingCompressoralloys镍-25碳耐磨蚀inletducts镍-石墨合金压缩机，进风管OxidesAl2O3Oxidationresistance,Textileindustry氧化物三氧化铝highhardness纺织工业抗氧化，高硬度CarbidesWC-Co12WearresistanceShafts碳化物碳化物-12钴耐磨损转轴表2•热喷涂粉通用分类Table2•Commonclassesofthermalspraypowdermaterials热喷涂8SulzerMetco2.4热喷涂涂层工艺有几种不同工艺能够应用于热喷涂涂层。•等离子喷涂具体如下所示：•高速火焰喷涂(HVOF)•火焰喷涂•电弧线材喷涂工艺细节如下所示。工艺总览请看参考文献[2]2.4.1传统火焰喷涂工艺2.4.1.1火焰线材喷涂燃气线材空气帽FuelgasWireAircap火焰线材喷射工艺，是用氧气和燃气混合涂层燃烧火焰将线材喷涂材料熔化进行喷涂。Coating燃气可以使用乙炔、丙烷或者氢气。线材被送入火焰中心，线材熔化后经压缩空气雾化成细微颗粒，被直接喷向工件表面。氧气空气通道工件OxygenAirpassageWorkpiece喷嘴Nozzle图4a•火焰线材喷射工艺原理示意图Figure4a•Schematicdiagramofthewireflamesprayprocess2.4.1.2火焰粉末喷涂粉末燃气Powder喷嘴FuelgasNozzle火焰粉末喷涂工艺是基于与火焰线材工艺涂层相同的操作原理，不同之处在于前者涂层Coating材料使用的是喷涂粉末。因此火焰粉末喷涂在材质选择方面有更多选择，因为不是所有的材质都能被做成线材。氧气工件OxygenWorkpiece图4b•火焰粉末喷涂工艺原理示意图Figure4b•Schematicdiagramofthepowderflamesprayprocess9热喷涂SulzerMetco2.4.2电弧线材喷涂电压电弧喷涂，是将各自带有正负电荷、通Voltage压缩空气涂层常相