chapter 6 热喷涂、喷焊与堆焊技术

热喷涂、喷焊与堆焊技术第六章第一节热喷涂技术一、热喷涂技术原理与特点1.热喷涂原理•热喷涂技术是一种复合技术。它利用各种不同的热源。将欲喷涂的各种材料如金属、合金、陶瓷、塑料及其各类复合材料加热至熔化或熔融状态，借助气流高速雾化形成“微粒雾流”沉积在已经预处理的工件表面形成堆积状，与基体紧密结合的涂层，称之为喷涂层。而将某些喷涂层在喷涂的同时或随后进行重熔处理形成的冶金结合特征的涂层称之为喷熔层或重熔层。第一节热喷涂技术热喷涂方法分类热喷涂熔体热喷涂电能热喷涂高能束热喷涂火焰热喷涂金属溶液注入喷涂普通火焰喷涂高速火焰喷涂爆炸喷涂陶瓷棒火焰喷涂粉末火焰喷涂线材火焰喷涂粉末火焰喷熔电弧喷涂等离子喷涂线爆喷涂激光喷涂液体稳定等离子喷涂可控气氛等离子喷涂大气等离子喷涂２.热喷涂技术的特点热喷涂技术的特点主要体现在如下几点：(1)可在各种基体上制备各种材质的涂层，金属、陶瓷、金属陶瓷以及工程塑料等都可用作热喷涂的材料；而金属、陶瓷、金属陶瓷、工程塑料、玻璃、石膏、木材、布、纸等几乎所有固体材料都可以作为热喷涂的基材；(2)基体温度低基材温度一般在30—200°C之间，因此变形小，热影响区浅；(3)操作灵活可喷涂各种规格和形状的物体．特别适合于大面积涂层，并可在野外作业；(4)母材对涂层的稀释率较低;(5)涂层厚度范围宽从几十微米到几毫米的涂层都能制备，且容易控制；•喷涂效率高，成本低．喷涂时生产效率为每小时数公斤到数十公斤。•热热喷涂技术的局限性主要体现在热效率低，材料利用率低、浪费大和涂层与基材结合强度较低三个方面。尽管如此，热喷涂技术仍然以其独特的优点获得了广泛的应用。３.涂层材料•热喷涂材料最好有较宽的液相区；易分解材料；碳化钨；塑料•对喷涂材料的形状与尺寸也有要求；•线材：１３mm,粉末：1100m(1)纯金属及其合金(2)陶瓷材料(3)复合材料(4)有机塑料•线材；粉末•线材：•锌及锌合金耐大气腐蚀•铝及铝合金耐工业气氛腐蚀，耐热•铜及铜合金导电，装饰，耐海水•铅及铅合金耐蚀和屏蔽•锡及合金耐蚀，巴氏合金•镍及镍合金耐盐酸，硫酸等•不锈钢•钼耐热浓硫酸•粉末：•A.自溶性合金粉末•镍基NiBSi,NiCrBSi•钴基Co,Cr,W,•铁基不锈钢型，高铬铸铁型•B.复合粉末•铝-镍复合粉末NiAl,Ni3Al•一步自黏结复合粉末•工作复合粉末•陶瓷粉末：•氧化物，碳化物，氮化物，硼化物，硅化物•塑料•聚乙烯，尼龙，环氧树脂4.涂层形成过程•涂层形成的大致过程是：涂层材料经加热熔化和加速→撞击基体→冷却凝固→形成涂层。其中涂层材料的加热、加速和凝固过程是二个最主要的方面。PDLVTS16)(222式中：Ｓ为粉末在焰流中的运动距离；为平均边界层的热导率；Ｔ为平均边界层的温度梯度；Ｖ为平均焰流速度；Ｌ为粉末材料的熔化潜热；Ｄ为粉末的平均直径；为平均焰流黏度；Ｐ为粉末密度。薄膜；空洞；喷溅；颗粒反弹5.涂层结构•大小不一的扁平颗粒、未熔化的球形颗粒、夹杂和孔隙组成。6.热喷涂中的相变•熔滴尺寸小，冷却速度快，106K/s，非晶态或亚稳相，稳定相转变产生相变应力。7.涂层应力•热喷涂层的最佳厚度一般不超过0．5mm.•过渡层•疏-密8.涂层结合强度主要为机械结合；冶金结合；物理结合•“抛锚作用”；依照次序堆叠镶嵌；机械结合为主的喷涂层为主；瞬时高温、导致涂层材料与基体之间发生局部扩散和焊合，形成冶金结合。•机械结合为主的结合机理决定了热喷涂涂层的结合强度比较差，只相当于其母体材料的5％—30%。最高也只能达到70MPa；9．热喷涂工艺流程和质量控制表面预处理清洗粗化粘结底层•热喷涂热能产生热能与喷涂材料交互作用后处理封孔密实化机加工车削磨削抛光热喷涂工艺流程清除基体表面污垢;正确粗化,可使涂层与基体之间的结合得到强化,提供表面压应力,提供涂层颗粒互锁结构,增大结合面积,净化表面;采用黏结底层;二、热喷涂工艺方法2．1熔体金属注入喷涂•它主要是喷涂低熔点的金属。用电阻加热的方法．使熔化金属漏入雾化罐内，喷射到基体表面形成涂层．由于其他热喷涂方法的出现，此方法很长一段时间内未得到发展。二、热喷涂工艺方法2．2线材火焰喷涂•主要喷涂铝、锌、锌铝合金材料，用于大型钢结构件的长效防腐蚀，也可喷涂各类钢丝，作耐腐涂层用。随着复合丝、塑料包覆柔性丝，管状复合丝的出现，在制备耐磨涂层力面的应用不断扩大。其原理如图所示．通过调节压紧滚轮的旋转速度，调节线材进入氧—乙炔火焰的速度，在环状压缩空气的作用下将熔化的线材雾化成金属熔滴沉积到工件表面上．形成涂层的方法。二、热喷涂工艺方法•2．3粉末火焰喷涂•喷涂粉末从火焰中央喷出后被火焰加热至熔融态喷射到基体表面，通过更换喷嘴及加速、压缩的风环，此喷涂方法可以喷涂各种金属及合金粉末，并可以喷涂熔点低于2600˚C陶瓷粉末和塑料粉末。二、热喷涂工艺方法•2．4爆炸喷涂•这是一种将燃气和助燃气按一定比例进行混合后，送入燃爆室内，点燃爆炸产生的高温、高速气流将粉末喷射到工作表面形成涂层的方法二、热喷涂工艺方法•2．7高速火焰喷涂•这种喷涂方法由于燃烧火焰约束在枪体内部，与传统的火焰喷涂相比较、火焰温度高，对粒子加热时间长，焰流速可达1050m／s。因此涂层甚至比等离子喷涂层更细密，氧化物含量更低，涂层结合强度约为70Mpa。噪音大二、热喷涂工艺方法•2．8电弧喷涂•电弧喷涂原理如图所示。二根送入的通电金属丝相交时产生电弧，由电弧热溶化的金属丝被压缩空气雾化成颗粒，喷射到工件表面形成涂层．这种喷涂方法比线材火焰喷涂具有更高的喷涂效率和好的涂层质量．电弧喷涂效率可达50kg／h。二、热喷涂工艺方法2．9等离子喷涂•等离子喷涂有大气等离子喷涂可控气氛等离子喷涂和液体稳定等离子喷涂方法。它用氮气、氩气、氢气作为离子气、经电离产生等离子高温射流，将输入的材料熔化或熔融喷射到工作表面形成涂层的方法。主要用于制备金属陶瓷，金属相陶瓷涂层。在这种喷涂装置上，对喷涂枪和电流进行改进而发展了超音速等离子喷涂．它的等离于焰流能量密度更高、焰流速度更快、提高了涂层质量二、热喷涂工艺方法•2．10激光喷涂三、热喷涂涂层材料3．1热喷涂工艺对涂层材料的基本要求•(1)涂层材料必须满足设计特性•被喷涂的材料必须满足对热喷涂涂层使用功能特性的基本要求，如耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、可磨耗密封、自润滑、热辐射、导电、绝缘及超导等。三、热喷涂涂层材料•(2)涂层材料在加热过程中，具有良好的化学稳定性和热稳定性，不会产生有害的化学反应及有碍涂层使用的晶型转变。•(3)涂层材料具有良好的物理性能，与基体或结合底层有良好的性能匹配。•(4)涂层材料应满足工艺及设备的要求，如线材应具有一定强度、径值均匀、表面光洁无污染，粉末材料必须有足够的流动性．应干燥清洁、无污染。•(5)涂层材料应是无剧毒性和无产生爆炸的可能性。三、热喷涂涂层材料•3．2热喷涂涂层材料分类三、热喷涂涂层材料•3．2热喷涂涂层材料分类四、热喷涂技术的应用1）喷涂耐腐蚀涂层•锌、铝、不锈钢、镍合金、蒙乃尔合金、青铜以及氧化铝、氧化铬陶瓷涂层和塑料等。桥梁,海洋结构,水利设施食品行业发酵罐等2)喷涂耐磨涂层•喷涂各种铁基或镍基耐磨合金涂层，或氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层和镍基或钴基碳化钨涂层。•气轮机转子;轴颈;活塞环;泵;螺旋送料器;•水轮机叶片;四、热喷涂技术的应用3)喷涂耐高温涂层•Cr2C3-NiCr涂层，在９００˚Ｃ以下是非常好的耐磨涂层，温度在9００˚Ｃ以上，则可以采用大气等离子喷涂氧化锆涂层。喷涂氧化铝—氧化钛等陶瓷涂层。•热障涂层卫星•航空叶片•发动机4)喷涂功能涂层•屏蔽涂层•消除电磁波和无线电波的干扰;•消除静电干扰•应用于计算机终端,电子办公设施等5)喷涂成型恢复尺寸,模具五、热喷涂涂层质量评定1.涂层厚度的测定•游标卡尺或千分尺；磁性法和涡流法测厚仪2.孔隙率测定•金相法3.结合强度测定4．涂层显微结构观察第二节热喷焊工艺与特点一、热喷焊工艺的一般特点采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙、这就是热喷焊技术。根据采用的热源不同，热喷焊技术有氧—乙炔火焰喷焊和等离子喷焊两种。第二节热喷焊工艺与特点基本特点：a)热喷焊组织致密，冶金缺陷很少，与基材结合强度高;b)热喷焊材料必须与基材相匹配，喷焊材料和基材比热喷涂窄得多；•润湿；相容；熔点；热裂纹C)热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多；•温度高d)热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有一定差别；•稀释率第二节热喷焊工艺与特点二、氧—乙炔火焰喷焊第二节热喷焊工艺与特点三、等离子喷焊等离子喷焊技术是采用等离子弧作为热源加热基体，使其表面形成熔他，同时将喷焊粉末材料送入等离子弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半熔化状态，被焰流喷射至熔池后，充分熔化并排出气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池凝固、形成喷焊层的工艺过程。第二节热喷焊工艺与特点•等离子喷焊技术的主要特点：•(1)生产效率高因为等离子喷焊温度高、传热率大，因此喷焊速度高。生产率也较高，并能顺利地进行难熔材料的喷焊；•(2)稀释率低为保持喷焊层的性能，要求基体材料熔入喷焊层的比例少；即稀释率低；5％•(3)工艺稳定性好．易实现自动化•(4)喷焊层成分、组织均匀喷焊层平整光滑，尺寸可以得到较精确地控制，可获得0．25—8mm之间任意厚度的喷焊层。第二节热喷焊工艺与特点四、常用热喷焊材料第三节堆焊工艺及特点一、堆焊层的形成和控制１.堆焊层的形成过渡层２.相容性•互溶性；脆性金属间化合物；熔化温度、膨胀系数、热导率和比电阻3.熔合区的成分、组织与性能•元素迁移；堆焊隔离层•连生结晶，在低碳钢上堆焊合金钢焊层；不锈钢第三节堆焊工艺及特点第三节堆焊工艺及特点第三节堆焊工艺及特点•稀释率•稀释率主要通过控制堆焊工艺参数，如堆焊功率、堆焊速度、焊道间距等。另外，在堆焊过程中向熔池中补加填充金属，也可以降低稀释率。第三节堆焊工艺及特点5.热循环的影响•反复加热，预热，保温，后热使得组织不均匀6.内应力•开裂，•应力可能是难以克服的，这些应力是否引起变形或开裂，在很大程度上取决于堆焊金属和基材的强度和塑性。对工件进行焊前预热和焊后缓冷以及采用堆焊底层方法，可以减少堆焊层内应力。第三节堆焊工艺及特点二、堆焊技术的应用特性1.结合强度高，抗冲击性能好；2.通过正确设计堆焊层的合金体系，可以获得抗磨损、冲击、腐蚀、擦伤和气蚀等多种性能的堆焊层，成分和性能调节方便；3.堆焊层厚度大，2-30mm；4.熔敷效率高；手弧焊：3kg/h;双带极埋弧焊：68kg/h；5.设备简单，与焊接设备通用；6.加热不均匀，薄壁，细长构件要注意变形。第三节堆焊工艺及特点三、堆焊工艺方法各种焊接方法都可以用来进行堆焊.常用堆焊的工艺方法可分为氧—乙炔焰堆焊、手工电弧堆焊、钨极氩弧堆焊、熔化极气体保护电弧堆焊、埋弧堆焊、等离子弧堆焊和电渣堆焊等。堆焊材料通常呈棒状、管状、带状，焊剂可以装在管芯内或作为焊条药皮包覆在外层使用。第三节堆焊工艺及特点第三节堆焊工艺及特点四、堆焊材料1．合金类型•铁基、镍基、钴基、铜基和碳化钨复合堆焊材料等。•铁基合金：含C量的变化---珠光体，M，耐磨，•耐磨奥氏体；高Cr，CrMn，加工硬化；•耐磨双相中Mn合金，介稳A+M•耐腐蚀合金•高合金铸铁•钴基合金：Co-Cr-W-C系；M7C3，抗磨粒磨损•Co-Mo-Cr-Si系；•镍基合金：Ni-Cr-B-Si;Ni-Cr-Mo-W;Ni-Cr-Mo-C;Ni-Mo-F•铜基合金：TIG,MIG•碳化物：Ti,Mo,V,Ta,Cr的C化物；第三节堆焊工艺及特点•2．选择堆焊合金的原则•满足使用要求、经济性和工艺可行性。•步骤：1.分析工作条件，确定失效类型及其堆焊层的要求；2.选择几种可供采用的堆焊合金和堆焊方法；3.分析这些堆焊合金与基材的相容性，同时考虑热应力和开裂性；4.堆焊零件进行试验分析；5.根据使用寿命和成本进行评价，选出堆焊材料和