第七章_热喷涂

第七章热喷涂1.概述1.1什么是热喷涂1.2热喷涂技术分类1.3热喷涂技术的特点2.热喷涂的基础理论3.热喷涂工艺热喷涂的基本原理是将涂层材料加热熔化，以高速气流将其雾化成极细的颗粒，并以很高的速度喷射到事先已准备好的工件表面上，形成覆层。什么是热喷涂?对被处理工件的形状、尺寸、材料等原则上没有限制(尺寸过小及小孔内壁的热喷涂工艺还有困难)。无论是金属、合金，还是陶瓷、玻璃、水泥、石膏、塑料、木材，甚至纸张，都是适用的基体材料。涂层材料也是多样的，金属、合金、陶瓷、复合材料都可选用。根据需要选择不同的覆层材料，可以获得耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、耐热等方面的一种或数种性能，也可以获得其它特殊性能的涂层。这些涂层能够满足各种尖端技术的特殊需要，也能使普通材料制成的零件获得特殊的表面性能，从而成倍地提高零件的使用寿命，或使报废零件得到再生。热喷涂技术的特点和优点热喷涂方法的种类线材火焰喷涂棒材火焰喷涂粉末火焰喷涂超音速火焰喷涂粉末火焰喷焊大气等离子喷涂真空等离子喷涂保护气氛等离子喷涂水稳等离子喷涂超音速等离子喷涂气体燃烧热源气体放电热源电热热源爆炸热源激光热源电弧喷涂等离子喷涂等离子喷焊电容放电喷焊感应加热喷涂燃气重复爆炸喷涂线材电爆喷涂激光喷涂激光喷焊利用各种可燃性气体燃烧放出的热进行的热喷涂称为火焰喷涂。火焰喷涂的历史最悠久，设备最简单，投资最少，目前仍被广泛使用。一般情况下，高温下不剧烈氧化，在2760C以下不升华，能在2500以下熔化的材料都可以使用火焰喷涂形成涂层。根据火焰特征和喷涂材料的形态又可分为：线材火焰喷涂，棒材火焰喷涂，粉末火焰喷涂，超音速火焰喷涂，粉末火焰喷焊。气体燃烧热源热喷涂方法的种类线材火焰喷涂棒材火焰喷涂粉末火焰喷涂超音速火焰喷涂粉末火焰喷焊大气等离子喷涂真空等离子喷涂保护气氛等离子喷涂水稳等离子喷涂超音速等离子喷涂气体燃烧热源气体放电热源电热热源爆炸热源激光热源电弧喷涂等离子喷涂等离子喷焊电容放电喷焊感应加热喷涂燃气重复爆炸喷涂线材电爆喷涂激光喷涂激光喷焊利用各种可燃性气体燃烧放出的热进行的热喷涂称为火焰喷涂。火焰喷涂的历史最悠久，设备最简单，投资最少，目前仍被广泛使用。一般情况下，高温下不剧烈氧化，在2760C以下不升华，能在2500以下熔化的材料都可以使用火焰喷涂形成涂层。根据火焰特征和喷涂材料的形态又可分为：线材火焰喷涂，棒材火焰喷涂，粉末火焰喷涂，超音速火焰喷涂，粉末火焰喷焊。气体燃烧热源利用气体导电(或放电)所产生的电弧，把电能转变为热能进行喷涂。优点是电流密度高、能量集中、温度高，是比火焰更理想的喷涂热源。电弧被高度压缩则称为等离子弧，其电流密度、能量集中程度、温度及稳定性都优于一般的自由电弧，所以等离子喷涂质量高于电弧喷涂，气体放电热源热喷涂方法的种类线材火焰喷涂棒材火焰喷涂粉末火焰喷涂超音速火焰喷涂粉末火焰喷焊大气等离子喷涂真空等离子喷涂保护气氛等离子喷涂水稳等离子喷涂超音速等离子喷涂气体燃烧热源气体放电热源电热热源爆炸热源激光热源电弧喷涂等离子喷涂等离子喷焊电容放电喷焊感应加热喷涂燃气重复爆炸喷涂线材电爆喷涂激光喷涂激光喷焊电热热源高频感应加热喷涂在高频磁场作用下，金属丝端部内产生涡流，温度升高而熔化。利用压缩空气(或惰性气体)使熔化的金属雾化成微粒，形成喷涂束流，喷射到基体上形成涂层。这种方法效率不高，只能喷导磁的金属材料。电容放电：将要喷涂的金属丝置于欲喷涂的容器内，连接电源向电容器充电。喷涂时将电容器与金属丝接通，电容器储存的能量通过金属丝突然放电，瞬时电流高达数万安培，使金属丝爆炸，形成细微的熔粒，喷射到容器内壁形成涂层。热喷涂方法的种类线材火焰喷涂棒材火焰喷涂粉末火焰喷涂超音速火焰喷涂粉末火焰喷焊大气等离子喷涂真空等离子喷涂保护气氛等离子喷涂水稳等离子喷涂超音速等离子喷涂气体燃烧热源气体放电热源电热热源爆炸热源激光热源电弧喷涂等离子喷涂等离子喷焊电容放电喷焊感应加热喷涂燃气重复爆炸喷涂线材电爆喷涂激光喷涂激光喷焊以突然爆发的热能加热熔化喷涂材料并使熔粒加速。燃气重复爆炸喷涂：将一定比例的乙炔和氧气的混合气以及喷涂粉末同时送入爆炸喷枪，利用混合气点火爆炸，产生的热能将粉末加热熔化，并喷射到基体表面形成涂层。爆炸喷涂线爆喷涂：使金属丝突然通过强大的电流，因电热的能量使金属丝爆炸成微粒，粘附在基体表面形成涂层。热喷涂方法的种类线材火焰喷涂棒材火焰喷涂粉末火焰喷涂超音速火焰喷涂粉末火焰喷焊大气等离子喷涂真空等离子喷涂保护气氛等离子喷涂水稳等离子喷涂超音速等离子喷涂气体燃烧热源气体放电热源电热热源爆炸热源激光热源电弧喷涂等离子喷涂等离子喷焊电容放电喷焊感应加热喷涂燃气重复爆炸喷涂线材电爆喷涂激光喷涂激光喷焊激光热源从激光发生器发出的激光光束，经透镜聚焦，焦点落在喷枪出口的喷嘴近旁。要喷涂的粉末或线材向焦点位置输送。进入焦点的粉末或线材的端部被激光光束熔融。压缩空气从环状喷嘴喷出，将熔化的材料雾化成细微的颗粒，喷射到基体表面形成涂层。热喷涂技术的优点(1)喷涂材料种类很多，金属、合金、陶瓷；塑料、尼龙。(2)可以用于各种基体金属、陶瓷、玻璃、石膏、木材、布、纸等几乎所有固体材料都可以进行喷涂处理。(3)喷涂方法多因此，选择合适的方法几乎能在任何固体表面上喷涂各种材料，赋予普通材料以特殊的表面性能，使其具有耐磨、耐腐蚀、耐氧化、耐高温、隔热导电、绝缘、密封、减摩、耐辐射、发射电子等不同性能，达到节约贵重材料、提高产品质量和降低生产成本，满足多种工程和尖端技术的需要。(4)可使基体保持较低温度，并可控制基体的受热程度，从而保证基体不变形、不变性。(5)基体尺寸不受限制，既可进行大型构件的大面积喷涂，也可进行工件的局部喷涂。(6)涂层厚度可以控制，从几十微米到几微米，可以根据要求选择。(7)工作效率高，制取同样厚度的涂层所需时间比电镀低得多。热喷涂技术的优点热喷涂技术的不足涂层的结合强度较低，涂层的孔隙率较高。对于喷涂面积小的工件，喷涂沉积效率低，成本较高。喷涂层的均匀性较差，影响涂层质量的因素较多。难以对涂层质量进行非破坏检查。热喷焊技术与热喷涂技术有一定的差别。热喷涂是利用热源将喷涂材料加热熔化或软化，依靠热源本身动力或外加的压缩空气流，将熔化的喷涂材料雾化成细粒或推动熔化的粉末粒子，以形成快速运动的粒子流，粒子喷射到基体表面形成表面涂层。热喷焊是在喷涂过程的同时或喷涂层形成后，对金属基体和涂层进行加热，使涂层在基体表面熔融。熔融的涂层和基体之间产生一定的相互扩散过程，形成类似焊接连接的冶金结合。热喷焊第七章热喷涂1.概述2.热喷涂的基础理论2.1喷涂层的形成机理2.2飞行中的粒子流2.3涂层的成分和结构2.4涂层的结合机理3.热喷涂工艺喷涂层的形成机理喷涂过程喷涂材料热源喷涂粒子束喷涂层基体加热熔化喷涂材料的加热熔化阶段在粉末喷涂时，喷涂粉末在热源所产生的高温区被加热到熔化状态或软化状态；在线材喷涂时，线材的端部进入热源所产生的温度场的高温区时很快被加热熔化，熔化的液体金属以熔滴状存在于线材端部。喷涂层的形成机理喷涂过程喷涂材料热源喷涂粒子束喷涂层基体加热熔化雾化喷涂材料的加热熔化阶段在粉末喷涂时，喷涂粉末在热源所产生的高温区被加热到熔化状态或软化状态；在线材喷涂时，线材的端部进入热源所产生的温度场的高温区时很快被加热熔化，熔化的液体金属以熔滴状存在于线材端部。溶滴的雾化阶段在粉末喷涂时，被熔化或软化的粉末在外加压缩气流或者热源本身的射流的推动下向前喷射，不发生粉末的破碎细化和雾化过程；在线材喷涂时，线材端部的熔滴在外加压缩气流或者热源自身射流的作用下，克服表面张力脱离线材端部，并被雾化成细小的熔粒随射流向前喷射。喷涂层的形成机理喷涂过程喷涂材料热源喷涂粒子束喷涂层基体加热熔化雾化飞行粒子的飞行阶段离开热源高温区的熔化态或软化态的细小粒子在气流或射流的推动作用下向前喷射，在达到基体表面之前的阶段均属粒子的飞行阶段。在飞行过程中，粒子的飞行速度随着粒子离喷嘴距离的增大而发生如下的变化：粒子首先被气流或射流加速，飞行速度从小到大，到达一定距离后飞行速度逐渐变小。这些具有一定温度和飞行速度的粒子到达基体表面时即进入喷涂阶段。喷涂层的形成机理喷涂过程喷涂材料热源喷涂粒子束喷涂层基体加热熔化雾化飞行喷涂粒子的喷涂阶段到达基体表面的粒子具有一定的温度和速度，粒子的尺寸范围为几十微米到几百微米，速度高达每秒几十到几百米。未碰撞前粒子温度为粒子成分所决定的熔点温度。在产生碰撞的瞬间，粒子将其动能转化为热能传给基体。粒子在碰撞过程中发生变形，成为扁平状粒子，并在基体表面迅速凝固而形成涂层。粒子的飞行阶段离开热源高温区的熔化态或软化态的细小粒子在气流或射流的推动作用下向前喷射，在达到基体表面之前的阶段均属粒子的飞行阶段。在飞行过程中，粒子的飞行速度随着粒子离喷嘴距离的增大而发生如下的变化：粒子首先被气流或射流加速，飞行速度从小到大，到达一定距离后飞行速度逐渐变小。这些具有一定温度和飞行速度的粒子到达基体表面时即进入喷涂阶段。涂层的形成过程在基体或已形成的涂层表面不断地发生着粒子的碰撞—变形—冷凝收缩的过程，变形的颗粒与基体或涂层之间互相交错而结合在一起。研究发现，粒子在与基体撞击直到冷凝的过程中，冷却速度极高。金属喷涂时为106108C/sec，陶瓷喷涂时为104106C/sec，该过程在10-710-6sec内完成。冲击碰撞变形凝固--收缩飞行中的粒子流喷涂过程中粒子的飞行速度与喷涂方法、喷涂材料的密度和形状、粒子的尺寸、粒子的飞行距离等因素有关。黄铜、钼及锌的线材气体火焰喷涂时，在粒子的飞行距离为100mm处，三种粒子的平均飞行速度分别为120，65，140m/sec。棒材喷涂时粒子的飞行速度远高于粉末喷涂时粒子的飞行速度，并以更高的速度碰撞基体表面。喷涂时雾化所得的粒子尺寸越小，高速气流越易加速，飞行速度越大。位于气流中心的粒子飞行速度高于气流外缘的粒子。爆炸喷涂时粒子的飞行速度更大，可高达1000m/sec。粒子的飞行速度飞行速度的大小影响粒子与基体表面碰撞时转换能量的大小、粒子的变形程度以及结合强度。01002003004005006001801501209060300氧化铝棒材氧化铝粉末离喷涂末端距离(mm)飞行速度(m/sec)01002003002201801401006020铝线材钢线材离喷涂末端距离(mm)粒子飞行速度随距离的变化飞行中的粒子流粒子的温度线状喷涂材料被加热到熔化或熔融状态，若不考虑粒子与基体碰撞时动能转换为热能所引起的粒子自身温度的升高，那么粒子到达基体时的温度为其熔点。粉末喷涂材料粉末被热源加热到熔融状态，这个加热依靠粉末表面向内部的热传导来进行，所以粉末的热物理性能和粉末粒度所决定的粉末尺寸影响着加热和飞行中粒子内部的温度高低。为了获得高结合强度和高质量的涂层，粉末内部离表面90%的深度处应处于熔融状态。在球状粉末等离子喷涂时，假定粉末粒子离开喷嘴进入等离子弧的瞬间，其表面温度已达到了熔点，并在温度远高于粒子熔点的等离子弧加热，粒子内部温度的高低由粒子尺寸决定。根据下面的公式可以估算，粉末粒子内部离表面90%的深度处，达到熔融状态所允许的粉末颗粒的最大直径：21max]3.0[2tDDT式中：Dmax为粉末颗粒的最大直径(cm)，DT为粉末材料的热扩散系数(cm2/sec)，t为加热时间(sec)由温度要求确定粉末的最大直径所以，粉末的热特性影响着喷涂时粉末允许的最大直径喷涂材料ZrO2UO2TiCTaCZrC热扩散系数(cm2/sec)0.0050.0250.040.090.05Dmax(m)26587211082喷涂难易*54313TiNB4C4340钢304钢W0.070.060.080.050.6396901048228022131*1为易于喷涂,5为难于喷涂等离子喷涂时几种材料粉末的加热特性(粉末颗粒在等离子弧中飞行时间为0.1ms)Dma