热喷涂技术及其应用

1第二章热喷涂技术及其应用2.1热喷涂的定义与分类2.2热喷涂工艺过程2.3常见热喷涂技术2.4热喷涂涂层功能和应用2.3.1火焰喷涂2.3.2电弧喷涂2.3.3等离子喷涂2.3.4爆炸喷涂2.3.5超音速喷涂2.3.6冷喷涂22.1热喷涂的定义与分类•定义：喷涂材料以粉末或线材方式进入焊炬，经熔融或至少软化，雾化成微细颗粒后，通过高速喷射到工件表面形成涂层的工艺。•热源：电弧、等离子弧、燃烧火焰等•雾化：焰流本身的动力或外加的高速气流3热喷涂原理示意图热喷涂原理4热喷涂分类5热喷涂分类6热喷涂分类7热喷涂技术的特点1.取材范围广几乎所有的金属、合金、陶瓷都可以作为喷涂材料。塑料等有机高分子材料也可以作为喷涂材料。2.可用于各种基体金属、陶瓷器具、玻璃、石膏、木材、布、纸等几乎所有固体材料都可以进行喷涂。3.可使基体保持较低温度一般情况下，温度可控制在30～200℃之间，从而保证基体不变形、不弱化。4.工效高同样厚度的膜层，时间要比电镀短得多。8热喷涂技术的特点5.被喷涂物件的大小一般不受限制既可对大型设备进行大面积喷涂，也可对工件的局部进行喷涂；既可喷涂零件，又可对制成后的结构物进行喷涂。6.涂层厚度较易控制薄者可为几十微米，厚者可为几毫米。7.可赋予普通材料以特殊的表面性能可使材料满足耐磨、耐蚀、密封、隔热、高温强度、抗高温氧化、减磨、耐辐射、导电、绝缘等性能要求，达到节约贵重材料，提高产品质量，满足多种工程和尖端技术的需要。例如．可以把韧性好的金属材料和硬而脆的陶瓷材料相复合，形成表面复合材料。8.成本低，经济效益显著9热喷涂TiC10喷涂材料•powders粉末，rods棒材，wires线材•线材由金属或合金制得，主要用于火焰喷涂和电弧喷涂。11喷涂材料——线材包含有WC芯和金属外包层的喷涂用线材12喷涂材料——粉材金属雾化过程示意图：1——加热器2——感应加热线圈3——熔融态金属4——漏斗5——校准出口6——液态金属7——喷嘴8——雾化气体或液体9——粉体金属13Scanningelectronmicrograph(secondaryelectrons)ofagas-atomizedpowderofaself-fluxingalloyhavingacomposition(inwt%)ofNi+16Cr+45Fe+35B+35Si+1C14Scanningelectronmicrograph(secondaryelectrons)ofacommerciallyavailablefusedandcrushedchromiumoxidepowder（烧结-破碎法）15Scanningelectronmicrograph(secondaryelectrons)ofaWC–CoCrcommercialcermetpowder16粉体喷雾干燥过程示意图：1a——离心雾化器1b——喷嘴雾化器2——进料泵3——气体清洁过滤器4——气体加热器5——气体分配器6——烘干腔7——输送管8——粉末分离器9——排气扇10——出气管17Scanningelectronmicrograph(secondaryelectrons)ofaspray-driedpowderofCr2O3+SiO218Opticalmicrographofametallographiccross-sectionofapowder:Thenumberedparticleshavethefollowinginternalporosities(%):(1)22.8;(2)26.6;(3)26.7;(4)21.519Scanningelectronmicrograph(secondaryelectrons)ofanarc-plasmadensifiedCr2O3+5wt%SiO2powder粉体致密化手段：烧结电弧等离子体射频等离子体20Opticalmicrograph(inbrightfield)ofacross-sectionofthearc-plasma-densifiedCr2O3+5wt%SiO2powder21PowdersobtainedbyNiprecipitationonthecoresofAl22造粉设备实物图23喷涂涂层结构•由变形粒子、气孔和氧化物组成。•热喷涂层一般会有一部分孔隙（0.025％~50％），其产生原因主要有3个：一是未熔化颗粒的低冲击动能；二是喷涂角度不同造成的遮蔽效应；三是凝固收缩和应力释放效应。喷涂层结构示意图24喷涂涂层结构•孔隙–不利：涂层中的孔隙特别是穿孔将损害涂层的耐腐蚀性能，增加涂层表面加工后的粗糙度，降低涂层的结合强度、硬度和耐磨性。–有利：孔隙可以储存润滑剂，提高涂层的隔热性能，减小内应力并由此增加涂层厚度，以及提高涂层抗热震性能。25涂层结合机理•涂层的结合包括：涂层与基材表面的结合（结合强度）及涂层内部的结合（内聚力），均属物理-化学结合，包括以下几种类型：机械结合–碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒和凹凸不平的表面相互嵌合，以颗粒的机械联锁而形成的结合（钉锚效应），一般来说，涂层与基体的结合以机械结合为主。冶金-化学结合–当涂层和基体表面产生冶金反应，如出现扩散和合金化时的一种结合类型。物理结合–颗粒与基体表面间由范德华力或次价键形成的结合。26热喷涂层的应力•大部分涂层材料的冷却凝固伴随着收缩过程。当熔滴撞击基体并快速冷却、凝固时，涂层内部会产生拉应力而在基体表面产生压应力。喷涂完成后，在涂层内部存在残余拉应力，大小与涂层厚度成正比。•当涂层厚度达到一定程度后，涂层中的拉应力超过涂层与基体的结合强度或涂层自身的内聚强度时，涂层就会发生破坏。涂层中残余应力272.2热喷涂工艺过程工件表面预处理工件预热喷涂涂层后处理28（1）基体表面预处理•目的：使涂层与基体材料很好地结合•净化和粗化（适合于各种热喷涂）•清洗（除油、除锈）→粗化（喷砂、车削、磨削）•表面粗化的作用：提供表面压应力；改善残余应力的分布；增大结合面积；净化表面。这些措施都会使粘结力得到加强。29净化•净化处理的目的：除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油渍、油漆及其他污物，关键是除去工件表面和渗入其中的油脂。•净化处理的方法：溶剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法等。•净化可以针对新工件或已有涂层的旧工件。前者是清除基体表面防腐的油脂层，可采用有机溶剂（如甲醇或丙酮）或高压热水或水蒸气冲刷（尤适于大型辊）；后者是剥除已与基体结合的涂层，可采用粗砂喷砂、机加工、金刚石或氮化硼砂轮等方法。30粗化•目的：–增加涂层与基材间的接触面，增大涂层与基材的机械咬合力，使净化处理过的表面更加活化，以提高涂层与基材的结合强度。–同时基材表面粗化还改变涂层中的残余应力分布，对提高涂层的结合强度也是有利的。•粗化处理的方法有：喷砂、机械加工法(如车螺纹、滚花)、电拉毛等。其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法。31活化•在喷涂沉积前，基体表面还需要经过活化处理，否则涂层可能无法有效地附着在基体表面。•最常用的活化手段是采用粗砂喷丸处理，比如粗磨。32粗粒喷砂示意图（1）喷嘴；（2）吸腔；（3）压缩空气进口；（4）粗砂进料器；（5）研磨粗砂；（6）软管•表面粗糙度是与喷砂密切相关的参数，同时也强烈影响涂层与基体的结合力。34（2）工件预热•目的：–为了消除工件表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度，以提高涂层与基体的结合强度。–减少因基材与涂层材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂。•预热温度控制：60~120℃之间。–当在金属表面喷涂陶瓷时，由于残余应力，基体温度应保持在373~473K之间。35（3）喷涂•陶瓷涂层：最好选用等离子喷涂；•碳化物金属陶瓷涂层：最好采用高速火焰喷涂；•喷涂塑料：采用火焰喷涂；•户外大面积防腐工程的喷涂：灵活高效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂；•预处理好的工件要在尽可能短的时间内进行喷涂，喷涂参数要根据涂层材料、喷枪性能和工件的具体情况而定，优化的喷涂条件可以提高喷涂效率、并获得致密度高、结合强度高的高质量涂层。36（4）涂层后处理•用于防腐蚀的涂层：封孔处理用作封孔剂的材料很多，有石腊、环氧树脂、硅树脂等有机材料及氧化物等无机材料。•对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件：重熔处理譬如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等静压等，使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致密涂层。•有尺寸精度要求的：机械加工37基体的造型热喷涂中几种可接受和不可接受基体形貌示例38基体的造型热喷涂中几种可接受和不可接受基体形貌示例392.3常见热喷涂技术火焰喷涂电弧喷涂等离子喷涂爆炸喷涂超音速喷涂冷喷涂热喷涂技术402.3.1火焰喷涂(FlameSpraying)•分线材、粉末两种，以氧-乙炔燃烧为热源，利用压缩空气将喷涂材料雾化喷到工件表面上的方法。•枪的结构、火焰的大小和种类、空气的纯净度、流速、压力、线材种类、直径的大小、进料速度等都可影响涂层质量。•具有设备简单、工艺成熟、操作灵活、投资少、见效快的特点。可制备各种金属、合金、陶瓷及塑料涂层。412.3.1火焰喷涂(FlameSpraying)线材422.3.1火焰喷涂(FlameSpraying)线材432.3.1火焰喷涂(FlameSpraying)粉末442.3.1火焰喷涂(FlameSpraying)粉末452.3.1火焰喷涂(FlameSpraying)粉末喷涂与线材喷涂的比较：•与线材法相比，粉末法得到涂层的粘结强度及本身的综合强度都比较低（粉末部分未熔），气孔率高，沉积效率低。因为线材送料稳定，加热时间短，微粒飞行速度高，覆层氧化物夹杂少。462.3.1火焰喷涂(FlameSpraying)火焰喷涂的优缺点：•优点：成本低廉，使用方便，可用于防蚀耐磨及易损件的修复，设备简单，操作灵活。•缺点：涂层孔隙度较大，与基体材料的结合强度也较低。472.3.1火焰喷涂(FlameSpraying)织物上火焰喷涂金属482.3.2电弧喷涂(ArcSpraying)•在两根丝状的金属材料之间产生电弧，电弧产生的热使金属丝熔化，熔化部分由压缩空气气流雾化并喷向基体表面而形成涂层。•喷涂材料必须是导电的金属及合金丝。•高效率使得它在喷涂Al、Zn及不锈钢等大面积防腐应用方面成为首选工艺。492.3.2电弧喷涂(ArcSpraying)电弧喷涂示意图（1）雾化气流；（2）喷枪外罩；（3）熔融粒子流；（4）电弧；（5）自耗电弧电极502.3.2电弧喷涂(ArcSpraying)•两条自耗电弧电极线（自耗丝）从线轴拉出，在电弧加热下形成液滴。通入雾化气体，吹动液滴，并将熔融态液滴雾化，并推动细小粒子沉积到基体上。•如果两条电极线由不同的金属组成，则可制得伪合金涂层（pseudo-alloycoating）。512.3.2电弧喷涂(ArcSpraying)电弧喷涂喷枪实物图522.3.2电弧喷涂(ArcSpraying)•电功率：通常在5-10kW之间•电弧温度：在280A的电弧电流下，可达6100K•电弧电压：通常在20-40V之间（电压增加会导致喷涂液滴尺寸增大）工艺参数：532.3.2电弧喷涂(ArcSpraying)•材料：所有的导电材料均可用•直径：通常在1.6-5.0mm之间•粒子速度：自耗丝形成的熔融粒子速度可达150m/s自耗丝：542.3.2电弧喷涂(ArcSpraying)与线材火焰喷涂相比具有以下特点：•热效率高——火焰喷涂热能利用率只有5~15％，电弧喷涂热利用率可高达60~70％。•生产率高——电弧喷涂时两根丝同时给进，喷涂效率高，喷涂同样的金属丝，电弧喷涂的喷涂速度可达到火焰喷涂的3倍以上。•喷涂成本低——火焰喷涂所消耗燃气的价格是电弧喷涂电价的几十倍，电弧喷涂的施工成本比火焰喷涂要降低50％以上。552.3.2电弧喷涂(ArcSpraying)与线材火焰喷涂相比具有以下特点：•涂层结合强度高——