表面工程-06热喷涂

第一节热喷涂技术一、喷涂技术的原理与特点1热喷涂原理利用热能将喷涂材料熔化，再借助高速气流将其雾化，并在高速气流的带动下粒子撞击基材表面，冷凝后形成具有某种功能的涂层。第六章热喷涂、喷焊与堆焊技术（1）喷涂材料被加热到熔融状态。（2）喷涂材料被雾化成微小熔滴并高速撞击基体表面，撞击基体的颗粒动能越大和冲击变形越大，形成的涂层结合越好。（3）熔融的高速粒子在冲击基材表面后发生变形，冷凝后形成涂层。2涂层形成过程涂层性能具有方向性，垂直和平行涂层方向上的性能不一致。涂层中伴有氧化物等夹杂，存在部分孔隙，孔隙率4％－20％。3涂层结构（1）涂层是由无数变形粒子互相交错堆叠在一起，形成一层堆积而成的层状结构。涂层内有一定比例的孔隙，产生原因是：（1）喷涂角度不同造成的遮蔽效应；（2）涂层材料凝固收缩时形成的空隙。孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。涂层内的氧化夹杂物含量及涂层的致密度取决于加热源、喷涂材料及喷涂工艺。涂层结构（4）涂层冷凝收缩时，涂层外层的拉应力、涂层内层的压应力、组织转变产生的微观应力，结果使涂层产生残余张应力，应力大小与涂层厚度成正比，当张应力超过涂层与基材之间结合强度时，涂层就会发生破坏。4涂层应力（1）残余应力限制了涂层的厚度。减少涂层残余应力措施：（1）调整喷涂工艺参数；（2）致密涂层的残余应力要比疏松涂层大；（3）采用梯度过渡层缓和涂层内应力。涂层应力（2）包括涂层与基材之间、涂层中颗粒与颗粒之间的结合，结合形式有：（1）机械结合：撞成扁平状的颗粒和凸凹不平的基材表面互相嵌合(即抛锚效应)而结合在一起。5涂层的结合强度（1）（2）物理结合：熔融粒子的原子与基材表面原子之间距离达到晶格常数范围时，产生范德华力，形成物理结合。（3）冶金-化学结合：熔融粒子撞击基材表面时释放出的能量使喷涂材料与基材之间发生局部扩散和焊合，形成冶金结合。如喷涂镍包铝复合粉末时的放热反应。热喷涂的涂层与基材的结合主要以机械结合为主，结合强度较差(70MPa)。涂层的结合强度（2）1热喷涂技术的分类按热源分类，各喷涂方法的焰流温度和粒子速度不同。二、热喷涂技术的分类及其特点（1）可在各种基材上制备各种涂层；（2）基材温度低（30～200℃），热影响区浅，变形小；（3）涂层厚度范围宽（0.5～5mm）；（4）操作灵活，可在不同尺寸和形状的工件上喷涂；（5）加热效率低，喷涂材料利用率低，（6）涂层与基体结合强度低。热喷涂技术的特点1喷涂材料的分类和要求热喷涂材料按材料的形态分线材、棒材和粉末三大类。三、热喷涂材料表1－2热喷涂线材和棒材分类类别分类品种有色金属(1)纯金属：Zn、A1、Cu、Ni、Mo(2)合金：Zn-A1，Pb-Sn、Cu合金、巴氏合金、Ni合金普通钢及低合金钢碳钢、低合金钢金属线材高合金钢不锈钢、耐热钢棒材陶瓷棒材A12O3，TiO2，Cr2O3、ZrO2、A12O3+MgO、A12O3+SiO2金属包金属铝包镍、镍包合金金属包陶瓷金属包碳化物、金属包氧化物复合线材塑料包覆塑料包金属、塑料包陶瓷金属类分类品种纯金属Sn、Pb、Zn、A1、Cu、Ni、W、Mo、Ti等合金(1)Ni基合金：Ni-Cr、Ni-Cu；(2)Co基合金：CoCrW(3)MCrAlY合金：NiCrAlY，CoCrAlY、FeCrAlY(4)不锈钢；(5)铁合金；(6)铜合金；(7)铝合金(8)巴氏合金；(9)Triballoy合金自熔性合金(1)Ni基自熔性合金：NiCrBSi、NiBSi(2)Co基自熔性合金：CoCrWB、CoCrWBNi(3)Fe基自熔性合金：FeNiCrBSi(4)Cu基自熔性合金热喷涂材料分类（金属类，表1-3）非金属类分类品种金属氧化物(1)A1系：A12O3、A12O3·SiO2、Al2O3·MgO(2)Ti系：TiO2(3)Zr系：ZrO2、ZrO2·SiO2、CaO-Zr02、MgO-ZrO2(4)Cr系：Cr2O3金属碳化物及硼化物(1)WC、W2C；(2)TiC；(3)Cr3O2、Cr23C6；(4))B4C、SiC包覆粉Ni包Al、Ni包金属及合金、Ni包陶瓷团聚料金属+合金、WC或WC-Co+金属及合金、氧化物+金属及合金、氧化物+氧化物熔炼粉及烧结粉碳化物+自熔性合金、WC+Co塑料(1)热塑性粉末：聚乙烯、尼龙、聚苯硫醚(2)热固性粉末：环氧树脂热喷涂材料分类（非金属类，表1-3）（1）热稳定性好，在高温焰流中不升华，不分解(复合粉末）。（2）有较宽的液相区，使熔滴在较长时间内保持液相。（3）与基材有相近的热膨胀系数，以防止因膨胀系数相差过大产生较大的热应力。（4）喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的浸润性，以保证涂层与基材之间有良好的结合性能。热喷涂材料的要求（1）要把实用性、工艺性和经济性结合起来考虑，尽量选择合理的喷涂材料。（2）对于重要的部件以获得最优涂层性能为准则；不十分重要的部件则以获得最大的经济效益为准则。（3）根据工件的工作环境选择合适的工作涂层。（4）为满足喷涂工件的使用要求，可采用复合涂层和梯度涂层。2热喷涂材料的选材原则质量控制要素（4M）：设备（Machine）、材料（Materials）、工艺（Methods）和人员（Man）。热喷涂工艺流程包括基材表面预处理、热喷涂、后处理和精加工等过程。四、热喷涂工艺流程和质量控制热喷涂工艺流程（1）净化处理：清除表面污垢。（2）粗化处理：提高涂层与基体之间的结合牢度。1基材表面预处理粗化处理可提高涂层结合强度的理由是：1）提供表面压应力；2）提供与涂层颗粒互锁机会；3）增大结合面积；4）净化表面。1）表面喷砂，使其粗糙度为Ra3.2～12.5μm；粗化处理的方法（1）表6－1达到所要求粗糙度的喷砂条件磨料粒度/目磨料材质喷砂压力/kPa喷嘴孔径/mm设备类型基体材质粗糙度/μm246080氧化铝氧化铝碳化硅氧化铝4144144147.97.97.9压力式虹吸式压力式钢不锈钢塑料12.56.36.32）开槽；粗化处理的方法（2）粗化处理的方法（3）表6—2粘结底层材料及最高使用温度涂层（质量分数）温度/℃钼80％Ni—20％Al95％Ni—5％Al80％Ni—20％Cr94％Ni—6％A1Ni(Co)CrY3156201010126098013164）喷涂粘结底层。3）电火花拉毛；封孔处理的目的：（1）防止或阻止涂层界面处的腐蚀；（2）在某些机械部件中防止液体和压力的密封泄露；（3）防止污染或研磨碎屑碎片进入涂层；（4）保持陶瓷涂层的绝缘强度。封孔处理是在喷涂之后、机加工之前进行。2涂层的后处理（封孔处理）表6—3常用封孔剂类型封孔剂非干燥型石蜡、油脂、油空气干燥型油漆、氯化橡胶、空气干燥型酚醛、乙烯树脂、硅树脂、煤焦油、聚氨酯、亚麻子油、聚酯烘烤型烘烤酚醛、酚醛树脂、环氧树脂、聚酯、聚酰胺树脂催化型环氧树脂、聚酯、聚氨酯无机封孔剂硅酸钠、磷酸盐常用封孔剂1火焰喷涂用氧－乙炔气体作为加热源，用燃气或惰性压缩气体雾化并加速喷涂材料，在基材表面沉积形成涂层。火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。五、热喷涂方法常用的火焰喷涂材料及用途表6—5最常用的火焰喷涂涂层材料及应用涂层材料应用锌、铝钢结构的阴极保护防腐涂层镍—铝粘结底层钼粘结底层；有优异的抗粘着磨损性能高铬钢耐磨保护涂层青铜、巴氏合金轴承修复不锈钢、镍、蒙乃儿合金耐腐蚀涂层铝、镍—铝抗热氧化涂层塑料防腐蚀涂层线材火焰喷涂设备示意图和喷涂枪。（1）线材火焰喷涂（1）线材火焰喷涂线材火焰喷涂原理图。（2）粉末火焰喷涂粉末火焰喷涂的基本原理和喷涂枪。（2）粉末火焰喷涂工艺流程工件表面预处理→预热→喷涂打底层→喷涂工作层→后处理。a)预热目的：1）去除工件表面的水分；2）提高工件表面与熔粒的接触温度；3）降低涂层冷却速度，减小涂层内应力。预热温度一般控制在150～300℃为宜。可直接用喷枪预热。火焰喷涂工艺（1）b)喷涂需打底层时，可在喷涂工作层之前用钼或放热型的镍包铝、铝包镍粉末先喷涂一层厚度约0.10～0.15mm的打底层。严格控制喷涂材料的供给速度、喷涂距离（100～150mm）、每道涂层的厚度（0.1～0.15mm）、喷枪与工件的移动速度（7～18m／min）和层间温度（250℃）等。火焰喷涂工艺（2）c)喷后处理对防腐涂层应进行涂层后处理。火焰喷涂工艺（3）表6—3常用封孔剂类型封孔剂非干燥型石蜡、油脂、油空气干燥型油漆、氯化橡胶、空气干燥型酚醛、乙烯树脂、硅树脂、煤焦油、聚氨酯、亚麻子油、聚酯烘烤型烘烤酚醛、酚醛树脂、环氧树脂、聚酯、聚酰胺树脂催化型环氧树脂、聚酯、聚氨酯无机封孔剂硅酸钠、磷酸盐电弧喷涂原理示意图、设备和喷枪。2电弧喷涂1）热效率高：电弧喷涂热能利用率高达60％～70％。2）涂层密度（70～90％）比火焰喷涂涂层致密，结合强度比火焰喷涂高。（1）电弧喷涂特点3）电弧喷涂可以利用两根成分不同的金属丝制备假合金涂层。4）由于电弧喷涂是两丝同时送进，所以喷涂效率高。5）火焰喷涂消耗的燃料费是电弧喷涂电费的几十倍。电弧喷涂特点（2）电弧喷涂主要工艺参数有：1）电弧电压：取决于喷涂材料的熔点，一般不低于15～25V。2）电弧电流：电弧电流有自调节作用，调节电流可维持电弧的长度和稳定性。3）送丝速度：取决于电参数和线材的性质，决定了电弧喷涂速度。4）压缩空气压力和流量：影响喷涂材料的雾化效果和熔粒的飞行速度，对涂层的质量有很大的影响。5）喷涂距离应控制在100～200mm，喷涂角不应小于45°。（2）电弧喷涂工艺（1）1）在钢铁构件上喷涂锌、铝涂层，对构件进行长效防护。2）在钢铁件上喷铝可防止高温氧化。3）在钢铁件上喷不锈钢或其它耐磨金属，用于耐磨蚀防护。4）在机械零件上喷涂碳钢、青铜等材料，用于修复零部件。5）在塑料制品上喷涂屏蔽涂层等。6）用电弧喷铝或喷锌生产复合钢板。（3）电弧喷涂的用途利用非转移等离子弧作为热源对喷涂材料进行加热、加速、涂敷。3等离子喷涂等离子焰流温度高、流速快，因此喷涂效率高、涂层致密、结合强度高、基材表面热影响区小。由等离子弧电源、电器控制、喷枪、气源、送粉系统、水冷系统等组成。（1）等离子喷涂设备等离子喷涂喷枪及喷嘴。粉末送入方式：外送式和内送式。等离子喷涂设备（2）1）输入功率和电参数：确保粉末熔化良好，防止出现生粉。2）等离子气体的选择：氮气：热焓高，价格低廉，是等离子喷涂主要工作气体。氩气：易于引弧，等离子弧稳定，有很好的气体保护作用。氢气：可作为辅助气体起到提高热焓和防氧化的作用。（2）等离子喷涂工艺（1）3）供粉速率：速率过大使熔化不良的粉粒增多，涂层组织疏松、气孔率增大；速率过低则降低喷涂效率。4）喷涂距离和喷涂角：喷涂金属粉末时喷距为75～130mm；喷涂陶瓷粉末时喷距为50～100mm。喷涂角度以90°为最佳。5）喷枪与工件的相对移动速度：移动速度快些为好，可防止一次喷涂过厚导致涂层内应力过大，还可避免局部过热。等离子喷涂工艺（2）1）耐磨、减磨涂层；2）耐蚀涂层；3）抗高温氧化、抗高温气流冲刷、热障涂层；4）制造金属、陶瓷类高熔点复合材料。（3）等离子喷涂的应用等离子弧焰流温度高，适合喷涂高熔点材料。涂层密度可达85~98％，结合强度高达35～70Mpa，喷涂质量远优于火焰喷涂层。主要用于：（1）工作原理将粉末注入喷枪，同时引入氧-乙炔混合气，点燃引爆气体产生3300℃高温，粉末被加热并以2倍音速以上速度喷射到工件表面，形成~20mm直径，~8μm厚的高结合强度和高致密度的涂层。整个涂层由小圆形薄片重叠而成。4．爆炸喷涂（2）爆炸喷涂工艺参数表5－7爆炸喷涂工艺参数气体压力／MPa喷涂参数O2C2H2N2(送粉)喷距(mm)频率(次/s)送粉量(kg/h)沉积速率(μm/次)粒子速度(m/s)0.3~0.40.05~0.10.02~0.06100~20041~44~6500~7001）涂层和基材的结合强度非常高（85MPa）。2）涂层致密（最高密度可达99.9％）。3）工件表面温度低。4）效率