第六章--热喷涂技术

2020/6/271第六章热喷涂、喷焊与堆焊技术2020/6/2721.热喷涂技术采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物以及它们的复合材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，并喷射到经过预处理的工件表面，形成附着牢固的表面层的加工方法。2020/6/273泵浦静止环–高压WC-Ni用于耐磨损和腐蚀第六章热喷涂技术2020/6/274第六章热喷涂技术钢闸门电弧喷涂Al-Zn防腐涂层2020/6/275德国HUNGER公司等离子喷涂的启闭机油缸活塞杆第六章热喷涂技术2020/6/276启闭机柱塞杆：耐磨损和耐腐蚀陶瓷涂层第六章热喷涂技术2020/6/277球阀WC-Co-Cr用于耐磨损和腐蚀第六章热喷涂技术2020/6/278输送滑轮WC-Co用于耐磨损和防滑第六章热喷涂技术2020/6/279涂层形成机理材料熔化冷却凝固撞击基体加速形成涂层第六章热喷涂技术2020/6/2710第六章热喷涂技术2020/6/2711涂层结构层状结构.方向性.孔隙或空洞.伴有氧化物和夹杂第六章热喷涂技术2020/6/2712涂层材料性能涂层结合强度涂层空隙率涂层内应力涂层质量指标第六章热喷涂技术2020/6/2713结合强度：材料性质、熔化状态（热源温度、粒子飞行距离）、粒子飞行速度、基体表面粗糙度、涂层厚度等空隙率：材料性质、熔化状态、粒子飞行速度内应力：材料性质、涂层厚度、工件冷却条件、喷枪运动速度。涂层质量影响因素第六章热喷涂技术2020/6/2714涂层结合机理涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。结合力：涂层与基体表面的结合强度。内聚力：涂层内部的结合强度。第六章热喷涂技术2020/6/2715（1）机械结合碰撞成扁平状，与凹凸不平的表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合。涂层与基体的结合以机械结合为主。机械结合为主的结合决定了热喷涂的结合强度较低。涂层结合机理第六章热喷涂技术2020/6/2716（2）冶金---化学结合喷涂热量、撞击能量和放热反应，使表面局部产生高温，使涂层和基体表面局部出现扩散和焊合，形成冶金结合。结合面上的金属间化合物或固溶体为冶金结合的产物。重熔或喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结合。第六章热喷涂技术2020/6/2717（3）物理结合颗粒对基体表面的紧密结合，形成范德华力或次价键形成的结合。第六章热喷涂技术2020/6/2718涂层残余应力熔融颗粒/凝固收缩涂层外层为拉应力，基体和涂层的内层为压应力。涂层越厚，内应力越大，直至剥离。热喷涂层厚度一般≤0.5mm。第六章热喷涂技术2020/6/2719涂层残余应力残余应力影响因素：涂层材料与基体材料物理性质的差异（如膨胀系数）。工艺措施（如工件预热、喷涂过程中对工件冷却等）。涂层结构（如梯度涂层）。涂层的致密性等。第六章热喷涂技术2020/6/2720WearResistanceCoatingonLightMetalsSubstrateBondingCoatingWorkingCoatingWorkingCoatingBondingCoatingSubstrate第六章热喷涂技术2020/6/2721按热源分2.主要热喷涂方法和特性2020/6/2722不同的方法，适用于不同的材料；不同的材料，选择不同的方法。主要取决于材料的熔点和氧化特性。电喷涂：适用于金属材料或金属基复合材料。气喷涂：可以喷金属也可以喷陶瓷。火焰喷涂喷金属，HVOF喷金属陶瓷，等离子喷涂喷氧化物陶瓷。2.主要热喷涂方法和特性第六章热喷涂技术2020/6/27232020/6/2724（1）适用范围广涂层可以是金属、非金属以及复合材料。工件也可以是金属和非金属。热喷涂的特点之一第六章热喷涂技术2020/6/2725热喷涂的特点之二（2）工艺灵活施工对象小到10mm内孔，大到铁塔、桥梁等大型结构。既可在整体表面，也可在指定区域内涂敷。既可在真空或控制气氛中喷涂活性材料，也可在野外现场作业。第六章热喷涂技术2020/6/2726热喷涂的特点之三（3）工件受热少例如氧--乙炔焰喷涂、等离子喷涂或爆炸喷涂，工件受热程度均不超过250℃，工件不会发生畸变，不改变工件的金相组织。第六章热喷涂技术2020/6/2727热喷涂的特点之四（4）生产效率高大多数工艺方法的生产率可达到每小时喷涂数千克喷涂材料，有些工艺方法可高达50kg／h以上。第六章热喷涂技术2020/6/2728热喷涂的特点之五（5）缺点热效率等，能耗高。材料利用率低，浪费大。涂层结合强度低。第六章热喷涂技术2020/6/27293.表面预处理为了提高涂层与基体的结合强度，在喷涂前，对基体表面进行脱脂、清洗和粗糙化等预处理。表面预处理是喷涂工艺中的一个重要工序。第六章热喷涂技术2020/6/2730基体表面脱脂、清洗方法碱洗法：将工件放到氢氧化钠或碳酸钠等碱性溶液中，待基体表面的油脂溶解后，再用水冲洗干净。溶液洗涤法：采用挥发性溶液，如雨酮、汽油、三氯乙烯和过氯乙烷乙烯等，它们的主要作用是把基体表面的矿物油溶解掉，再加以清除。第六章热喷涂技术2020/6/2731基体表面脱脂、清洗方法蒸气清洗法：采用三氯乙烯蒸气清洗，这种方法的清洗效果很好，但对人体有一定的危害。对疏松表面（如铸铁件）的清洗：先脱脂、清洗后，将工件表面加热到250℃左右，尽量将油脂渗透到表面，然后再加以清洗。第六章热喷涂技术2020/6/2732基体表面氧化膜的处理机械方法去氧化膜，如切削加工方法和人工除锈法。直接喷砂去除氧化膜。也可以采用硫酸或盐酸进行酸洗。第六章热喷涂技术2020/6/2733表面粗化处理提高结合强度的一个重要措施。喷涂前4h～8h内必须对工件表面进行粗糙化处理。常用的方法有：（1）喷砂法：是最常用的粗糙化方法。砂粒有冷硬铁砂、氧化铝砂、碳化硅砂等多种，根据工件表面的硬度选择。第六章热喷涂技术2020/6/2734（2）机械加工法对轴、套类零件表面粗化，可采用挑扣、开槽、滚花等简便切削加工方法，限制涂层的收缩应力，增加涂层与基的接触面。对强度要求不高的工件，在喷涂区域内车螺纹和滚压，形成粗糙表面，一般每厘米10条纹左右。第六章热喷涂技术2020/6/2735（3）化学腐蚀法基体表面进行化学腐蚀，由于晶粒上各个晶面的腐蚀速度不同，可形成粗糙的表面。（4）电弧法（又称电火花拉毛法）将细镍（或铝）丝作为电极，在电弧作用下，电极与基体表面局部熔合，产生粗糙的表面。这种方法适用于硬度比较高的基体表面，但不适用于比较薄的零件。第六章热喷涂技术2020/6/2736基体表面预热涂层与基体表面的温度差使涂层产生拉应力，从而引起涂层开裂和剥落。基体表面的预热可降低涂层残余应力。但预热温度不宜过高，以免基体表面氧化，降低基体表面活性，从而降低涂层与基体的结合强度。预热温度一般在200℃－300℃之间第六章热喷涂技术2020/6/2737非喷涂表面的保护在喷砂和喷涂前，必须对非喷涂表面保护。保护方法可根据非喷涂表面的形状，设计一些简易的保护罩。保护罩可采用薄铜皮或铁皮、炭素物或石棉等。第六章热喷涂技术2020/6/27384.喷涂后处理封闭气孔一般采用有机涂料进行涂覆处理，涂层需封孔时,根据使用状态选择封孔剂.石蜡，树脂。自熔性合金镀层的熔化处理将B,Si等元素加入到喷涂材料中，这些元素在喷涂过程中高温时发生氧化或与金属作用形成熔渣，涂覆在最表面；另一方面，发生的反应是放热反应，使基体表面一薄层熔化，涂层与基体达到冶金结合。熔化处理采用的加热热源一般为火焰加热和高频感应加热等。精加工经过喷涂的表面一般厚度不均匀，表面粗糙度高，需要进行精加工，如车削或磨削等。2020/6/27395.热喷涂方法早期：粉末熔化法、金属溶液式喷涂粉末熔化法金属溶液式喷涂2020/6/27405.热喷涂方法2020/6/27415.热喷涂方法(1)火焰喷涂（Flamespray）火焰喷涂包括丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂，一般不包括超音速火焰喷涂（HVOF）。火焰喷涂的热源是氧-乙炔气体，也可以是丙烷、氢气或天然气。喷涂材料熔化雾化并加速沉积到工件，形成涂层。1.火焰喷涂2020/6/2742火焰喷涂设备简单，一枝喷枪。喷枪主要由两部分组成：产生火焰的氧、乙炔供给系统和供料（粉末或丝材）系统。1.火焰喷涂2020/6/2743喷枪初期的火焰丝材喷枪美国METCO的5P-Ⅱ粉末喷枪1.火焰喷涂2020/6/2744线、棒材喷涂都是将材料从喷枪中心孔送出，由氧的火焰将其熔化，通过压缩空气将熔化的材料雾化成微粒，并将其喷射到基体表面沉积成为涂层。特点：操作简单，设备运转费用低，可手持操作。材料：线材主要有Zn,Al,Cu,Mo,Ti等及其化合物，铝包镍，镍包铝，金属包碳化物等复合线材;棒材主要为Al2O3、Al2O3+TiO2及TiO2陶瓷材料。BQP-1型金属线材火焰喷涂枪2020/6/2745粉末火焰喷涂是将粉末加热到熔融或半熔融状态，同时将被加热粉粒以一定的速度喷射到工件上形成涂层。特点：涂层致密度和结合强度不如线材火焰喷涂，但是该设备最简单、轻便，投资少，成本低。并可喷涂后进行重熔以得到更致密的涂层。材料：可制备塑料涂层火焰粉末喷涂过程中2020/6/2746爆炸喷涂技术产生于上世纪50年代中期，将燃气爆炸技术引入热喷涂领域。其主要特点是涂层与基体的结合强度高，涂层孔隙率小（小于0.5％），工件受热小，涂层在制作过程中受空气污染小。PT100型爆炸喷涂设备2020/6/2747高速火焰喷涂是20世纪80年代初期由美国开发的，由喷管出口处燃烧的高温射流迅速膨胀，产生了超音速火焰，焰流速度高，颗粒熔化充分。该方法制备的涂层与基体结合强度高，涂层致密，孔隙率小于1％，并且涂层的残余应力小。但是成本较高，限于应用于一些关键部位制作上。特点：所得涂层性能可与爆炸喷涂相媲美，但其工作效率，工作条件的可变范围更优越；成本较高。材料：最适宜喷涂碳化物基的粉末。MET-JETIII喷枪典型的超音速火焰2020/6/2748超音速火焰喷涂涂层质量与颗粒飞行速度的关系4.超音速火焰喷涂2020/6/2749HVOF是上世纪80年代初,由美国ＳＫＳ公司Ｂｒｏｗｎｉｎｇ.Ｊ.Ａ研制成功。HVOF系统使用气体燃料和氧气，产生3200℃的高温高压火焰焰流速度高达1500m/s粒子撞击速度(1005～1200ｍ/ｓ)。4.超音速火焰喷涂2020/6/2750HVOF系统运行成本高,如JP-5000,需氧气流量为0.9438ｍ3/min,则每瓶氧气可维持5～6min。研制空气超音速火焰喷涂系统(HAVF)成为近年来各国竟相研究的热点。目前,美国、英国、日本等发达国家已成功研制了HAVF系统。4.超音速火焰喷涂2020/6/2751HVOF特别适用于喷涂WC-Co涂层。（1）VOF的火焰温度低（2）颗粒的飞行速度快,颗粒在空气暴露时间非常短。因为WC颗粒在高温下很容易发生脱碳反应:2WC+Q=W2C+C2WC+1/2O2+Q=W2C+COW2C+12O2+Q=2W+CO特点4.超音速火焰喷涂2020/6/2752WC-Co涂层硬度与热喷涂工艺的关系4.超音速火焰喷涂2020/6/2753不锈钢涂层结合强度与喷涂方法的关系4.超音速火焰喷涂2020/6/2754美国在航空发动机压缩机叶片、轴承套等。气轮机第一级静叶片上使用，取代昂贵的低压等离子喷涂层和电子束物理气相沉积。修复退火炉辊,从80年代中期的30%上升到90年代后期的80%,带钢因结瘤等引起的次品率则由85%下降到零。在冶金挤压辊轮、热浸镀锌槽中的沉没辊。应用4.超音速火焰喷涂2020/6/2755HVOF涂层结合强度高,可以喷2mm涂层.Fusion公司现已关闭电镀Cr生产线而转向超音速火焰喷涂,因为这种涂层具有高结合强度和韧性,完全可以适应部件服役时的弯曲工况。HVOF的火焰温度较低，适合于喷金属陶瓷，但不适合喷涂氧化物陶瓷。应用4.超音速火焰喷涂2020/6/2756优点：设备简单，操作方便