热喷涂技术原理及应用

热喷涂技术原理及应用2106.11.16热喷涂技术原理及应用1热喷涂技术原理什么是热喷涂？是一种表面强化和防护技术。利用高温热源（电弧、等离子弧、燃烧）将喷涂材料（粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料）加热成熔融或是液态，然后利用热流本身的动力或是外加高速气流使喷涂材料汽化后喷射至预处理过的材料表面形成涂层，以此改善材料表面的物理化学性能1热喷涂技术原理ParticleorDropletgenerationAcceleratingHeatingSplatformation:Impact,flatteningSolidification1热喷涂技术原理2热喷涂技术分类线材火焰喷涂、棒材火焰喷涂气体燃烧火焰法粉末火焰喷涂、爆炸喷涂超音速火焰喷涂、粉末火焰喷熔电弧喷涂大气等离子喷涂热真空等离子喷涂喷气体放电法等离子喷涂保护气体等离子喷涂涂水稳等离子喷涂超音速等离子喷涂等离子喷熔电热法：高频喷涂、线材电爆喷涂激光热源：激光喷涂、激光喷熔热源种类温度（℃）丙烷-氧气2640天然气-氧气2735氢气-氧气2690乙炔-氧气3100电弧5000-6000等离子电弧≥10000等离子喷涂高速火焰喷涂粉末火焰电弧喷涂丝材火焰喷涂粉末丝材3热喷涂枪3.1等离子体热喷涂枪1234567等离子喷涂枪示意图1-喷涂粉末；2-工作气；3-阴极；4-阳极；5-等离子射流；6-基体；7-喷涂层;特点:a.喷涂材料范围广：制备难熔金属、陶瓷、金属陶瓷复合材料涂层及其它特殊功能涂层；b.等离子弧温度高，能量集中，焰流速度高涂层结合强度高，可达35-70MPa，气孔率可控制到2-5%；c.惰性气体等离子射流有保护气氛，加氢的射流有还原气氛，避免或减少了喷涂粒子的氧化；应用：制备质量要求高的耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温和特殊功能涂层。3.1等离子体热喷涂枪3.2粉末火焰热喷涂枪1234568粉末火焰喷涂原理示意图1-氧、乙炔混合气；2-送粉气；3-喷涂粉末；4-喷嘴；5-火焰；6-涂层；7-基体3.2粉末火焰热喷涂枪特点：a.设备简单、轻便、初投资少，操作工艺简单，现场施工方便；b.适于机械零部件的局部修复和强化，成本低，耗时少，效益高；c.可以喷涂纯金属粉、合金、陶瓷、金属陶瓷和复合粉末等多种材料；d.涂层孔隙率较高，涂层结合强度10-30MPa。应用：粉末火焰喷涂广泛用于机械部件和化工容器、辊筒表面制备耐蚀、耐磨涂层。对喷枪喷咀部分作适当变动后，可用于喷涂塑料粉末。电弧喷涂原理示意图1-直流电源；2-金属丝；3-送丝滚轮；4-导电块；5-导电嘴；6-空气喷嘴；7-电弧；8-喷涂射流；9-涂层；10-基体3.3电弧热喷涂枪1)钢铁构件上制备Zn、Al长效防护涂层；2）在钢铁件上喷涂不锈钢或其它耐磨金属，用于耐磨蚀防护；3)喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料，用于修复零件已磨损或尺寸超差的部位；4)在电容器上喷涂导电涂层，在塑料制品上喷涂屏蔽涂层等。3.3电弧热喷涂枪电弧热喷涂枪的应用爆炸喷涂原理示意图1-氮气；2-粉末；3-火花塞；4-喷涂射流；5-涂层；6-基体；7-氧气；8-乙炔128734563.4爆炸热喷涂枪1)涂层结合强度高：它与基材的结合力比等离子喷涂高，尤其是WC-Co涂层比等离子喷涂高2倍以上；2)涂层硬度高：喷涂WC-Co涂层的断面硬度比等离子喷涂高50%以上；3)气孔率低：喷涂WC-Co涂层气孔率一般只有0.5%；4)目前爆炸喷涂主要用于制备优质耐磨涂层。爆炸喷涂特点及应用3.4爆炸热喷涂枪Jet-Kote超音速粉末火焰枪原理图1-粉末及送粉气；2-冷却水；3-冷却水；4-氧气；5-燃料气；452133.5超音速热喷涂枪1)火焰及喷涂粒子速度极高：燃气流速可达1500-2000m/s，粉粒撞击到工件表面的速度为550~800m/s；2)粉粒在火焰中加热时间长：喷涂粉末以中心轴式方法供给，这种供粉方式使粉末在火焰中停留时间长，能均匀地受热熔融，产生集中的喷射束流；3)熔粒与周围大气接触时间短：这可避免碳化物材料分解和脱碳；4)喷涂粉末细微，涂层光滑：粉末粒度为5-45μm，可获得表面光滑的涂层；5)涂层致密，结合强度高：涂层的孔隙率可小于0.1%，结合力可大于100N/mm2；6)气体耗量大、喷涂噪声大：目前喷枪所消耗的气体远大于一般火焰喷涂；7)被广泛使用来制备碳化物（WC-Co、NiCr-Cr3C2）涂层和耐蚀涂层。超音速热喷涂特点及应用4热喷涂材料热喷涂的目的是什么？1抗氧化，抗腐蚀2抗磨3抗高温4修复装饰5改变电磁光性能金属及其合金Fe、Al、Zn、Ni、Cu、Mo等各种金属及其合金Ni3Al、TiNi等金属间化合物；Ti、Zr和Hf（系元素）碳化物；Cr、Mo和W（系元素）硼化物；V、Nb和Ta（系元素）氮化物金属基复合材料Ni/Co/Fe基合金+Al2O3、ZrO2等Ni/Co/Fe基合金+WC,TiC，Cr3C2等Al/Ni基材料+磨料陶瓷Al2O3、ZrO2、TiO2、Cr2O3氧化物；B4C、SiC、Si3N4、BN等有机材料聚醚、聚丙烯类共聚物、Al-Si+聚醚等常见的热喷涂材料5热喷涂涂层性能材料在基底上的沉积示结构意图粉末的球化程度越高和粉末的颗粒大小越均匀，喷涂后涂层的组织均匀，致密性好，涂层与基体的结合强度高．单个粒子表面形貌530oC740oC5热喷涂涂层性能涂层断面形貌（层状结构）5热喷涂涂层性能5热喷涂涂层性能1.化学成分由于涂层材料在熔化和喷射过程中，在高温下会与周围介质发生作用生成氧化物、氮化物，以及在高温下会发生分解，因而涂层的成分与涂层材料的成分是有一定的差异的，并在一定程度上影响涂层的性能。如MCrAlY氧化后会影响其耐蚀性，而WC－Co经氧化和高温分解后其耐磨性会降低。通过喷涂方法的选择可以避免和减轻这一现象的发生。如采用低压等离子喷涂可大大减少涂层材料的氧化，而高速火焰喷涂则可以防止碳化物的高温分解。2.孔隙度热喷涂涂层中不可避免地存在着孔隙，孔隙度的大小与颗粒的温度和速度以及喷涂距离和喷涂角度等喷涂参数有关。一般来说，温度及速度都低的火焰喷涂和电弧喷涂涂层的孔隙度都比较高，一般达到百分之几，甚至可达百分之十几。而高温的等离子喷涂涂层及高速的超音速火焰喷涂涂层则孔隙度较低。最低可达0.5％以下。3.硬度由于热喷涂涂层在形成时的激冷和高速撞击，涂层晶粒细化以及晶格产生畸变使涂层得到强化，因而热喷涂涂层的硬度比一般材料的硬度要高一些，其大小也会因喷涂方法的不同而有所差异。4.结合强度热喷涂涂层与基体的结合主要依靠与基体粗糙表面的机械咬合（抛描效应）。基材表面的清洁程度、涂层材料的颗粒温度和颗粒撞击基体的速度以及涂层中残余应力的大小均会影响涂层与基体的结合强度，因而涂层的结合强度也与所采用的喷涂方法有关。5.冷热疲劳性能对于一些在冷热循环状态下使用的工件，其涂层的抗冷热疲劳（或称热震）性能至关重要，如若该涂层的抗热震性能不好，则工件在使用过程中便会很快开裂甚至剥落。涂层抗热震性能的好坏主要取决于涂层材料与基体材料的热膨胀系数差异的大小和涂层与基体材料结合的强弱。5热喷涂涂层性能6热喷涂工艺流程表面预处理涂层后处理喷涂热喷涂的三个步骤步净化处理粗化处理预热除去工件表面的所有污垢。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.消除工件表面的水分,提高界面温度,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.一般情况下预热温度控制在60-120℃之间.5.1表面预处理6热喷涂工艺流程6热喷涂工艺流程喷涂方法的选择：主要取决于选用的喷涂材料、工件的工况及对涂层质量的要求。例如，如果是陶瓷涂层，则最好选用等离子喷涂；如果是碳化物金属陶瓷涂层则最好采用高速火焰喷涂；若是喷涂塑料则只能采用火焰喷涂；而若要在户外进行大面积防腐工程的喷涂的话，那就非灵活高效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂莫属了。总之，喷涂方法的选择一般来说是多样的，但对某种应用来说总有一种方法是最好的。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.5.2喷涂5.3涂层后处理6热喷涂工艺流程喷涂所得涂层有时不能直接使用,必须进行一系列的后处理.用于防腐蚀的涂层,必须对涂层进行封孔处理.对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件，为了提高涂层的结合强度，要对喷涂层进行重熔处理(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，要对涂层进行机械加工。7热喷涂的实际应用航天航空、机械、、石油化工、食品、轻纺，电子、冶金、能源、交通等并在高新技术领域也得到了应用。7热喷涂的实际应用-航天当中的应用航空领域应用较为成熟的热喷涂技术：热障涂层（ThermalBarrierCoatings简称TBC），采用双层涂层结构：MCrAlY结合底层+YPSZ（Y2O3/ZrO2）工作面层（金属作底层,由陶瓷作表层）其基本原理是基于陶瓷材料具有化学稳定好、高的熔点和低的导热系数，陶瓷涂层含有一定数量的孔隙率。因而使热障涂层成为很好的高温隔热材料。它能把高温部件与高温燃气隔离开来，仅0.20~0.40mm厚的热障陶瓷涂层，就能使金属零件表面的温度降低200~300℃，并使热端部件免受燃气腐蚀和冲蚀。7热喷涂的实际应用-航天当中的应用火箭发动机喷管延伸段内壁在工作时承受1500℃以上高温焰流的冲蚀，时间长达几十秒至上百秒，一般采用等离子喷涂热障涂层进行防护火箭级间段材质一般为铝合金，内壁装有许多测试仪器，为减轻重量内壁采用化铣工艺铣成网格形状，最薄处仅有1.2mm，发射过程中级间段短时承受几千度的高温，内壁需做防热处理否则瞬间烧毁。火箭发射车发射台架发射时承受高温焰流的冲蚀也可以通过喷涂热障涂层进行防护7热喷涂的实际应用-航天当中的应用飞船逃逸系统的关键部件栅格翼大面积使用了热障涂层技术，用等离子喷涂Al2O3涂层7热喷涂的实际应用-机械当中的应用磨损，冲击，高压，冷热环境等会造成机械零件表面损伤或损耗，适当的喷涂修复可以延长零件的使用寿命，降低生产设备的成本，因此热喷涂在机械修复中具有相当重要的作用热喷涂是恢复零部件尺寸的一种经济而有效的方法.修复各种轴类和柱塞件是典型的应用,包括迥转轴、汽车轴、往复柱塞、轴颈和轧辊等。7热喷涂的实际应用-机械当中的应用对于一些不便拆卸安装的大型轴类零件可以在现场修复，如发电机转子和汽轮机转子的轴颈有划伤，可制造专用工装在现场进行修复。7热喷涂的实际应用-机械当中的应用汽轮机、压缩机汽缸在长期的使用中其中分面由于微振、热汽流腐蚀及热变形等而发生变形状、面积不等及深浅各异的表面破坏，引起泄漏。采用热喷涂对各破坏处进行喷涂填补、打磨，恢复平面的尺寸精度。7热喷涂的实际应用-发电系统当中的应用发电系统：锅炉四管（水冷壁管、过热器管、再热器管和省煤器管）、风机叶轮、风机轴承、风机轮毂等。工作在高温腐蚀、高速磨粒磨损、海水侵蚀等环境下，采用热喷涂可以提高耐蚀耐磨寿命3-8倍。7热喷涂的实际应用-钢结构防腐当中的应用东方明珠电视塔钢结构天线喷铝东海大桥桥墩支架喷铝三峡永久闸门喷锌桥梁防腐及维护热喷涂是一项促进科技进步、提高产品质量，保护环境、节约资源及能源，降低生产成本的有效工程技术。结语