喷涂-喷焊-堆焊

第4章喷涂、喷焊与堆焊技术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。第四章喷涂、喷焊与堆焊技术（1）喷涂材料被加热到熔化或者半融化状态。（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热喷涂的基本过程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。典型的热喷涂层的金相组织照片Ni-Cr-B-Si火焰喷涂组织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（2）4涂层的结合方式机械结合：熔融态的粒子撞击到基材表面后铺展成扁平状的液态薄层，嵌合在起伏不平的表面。冶金结合：涂层与基体表面出现互扩散或形成微区的冶金反应。物理结合：当高速运动的熔融粒子撞击基体表面后，若界面两侧紧密接触的距离达到原子晶格常数范围内时，产生范德华力。ssHST接触表面GGBAAB表面G熔融粒子撞击表面的吉布斯自由能降低：提高涂层结合强度的方法：材料A、B表面越干净，表面接触面积越大，ΔG表面越小，结合强度越高；提高接触温度，使ΔG更小，结合强度高；当沉积过程中发生扩散或冶金反应时，ΔHs变小，也会使ΔG更小，结合强度提高。涂层冷凝收缩时，涂层外层的张应力、基体表面的压应力、组织转变产生的微观应力，结果使涂层产生残余张应力。残余应力与喷涂工艺条件、涂层及基材的物理性质有关；适当的预处理如粗化，以使应力分散。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5涂层的残余应力二、热喷涂的种类和特点1．热喷涂种类按涂层加热和结合方式，热喷涂有喷涂和喷熔两种。热喷涂：基体不熔化，涂层与基体形成机械结合；喷熔：是涂层经再加热重熔，涂层与基体互溶并扩散形成冶金结合。它们与堆焊的根本区别都在于母材基体不熔化或极少溶化。按热源分为粉末火焰喷涂线材火焰喷涂超音速火焰喷涂爆炸喷涂/燃爆喷涂电弧喷涂等离子喷涂激光喷涂2．热喷涂特点（l）适用范围广。涂层材料可以是金属和非金属（如聚乙烯、尼龙等塑料，氧化物、氮化硅、氨化硼等陶瓷）以及复合材料。被喷涂工件也可以是金属和非金属（如木材）。用复合粉末喷成的复合涂层可以把金属和塑料或陶瓷结合起来，获得良好的综合性能。其他方法难以达到。（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。喷涂既可在整体表面上进行，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。（3）基体变形小除喷熔外，热喷涂是一种冷工艺.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。（4）喷涂层的厚度可调范围大涂层厚度可从几十微米到几毫米，表面光滑，加工量少。用特细粉末喷涂时，不加研磨即可使用。（5）生产率高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。（6）缺点结合力低，孔隙率较高，均匀性差，热效率低，操作环境较差。形式：粉末、线材、棒材、带材、柔性丝等；成分：金属、有机塑料、陶瓷、碳化物、紫熔合金、复合材料、非晶体等。应用目的：耐磨损材料、耐腐蚀材料、耐高温材料、隔热热障材料等。二、热喷涂材料的分类及特点1热喷涂材料的分类2热喷涂材料的特点热稳定性好使用性能好润湿性好固态流动性好（粉末）热膨胀系数合适（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。3热喷涂材料的选材原则4热喷涂线材非复合线材：只含一种金属或合金的材料制成的线材(1)碳钢及低合金钢丝最常用的是85优质碳素结构钢丝和碳素工具钢丝。一般采用电弧喷涂，用于喷涂曲轴、柱塞、机床导轨等常温工作的机械零件滑动表面耐磨涂层及磨损部位的修复。(2)不锈钢丝1Cr13、2Cr13、3Cr13等马氏体不锈钢丝主要用于强度和硬度较高、耐蚀性要求不太高的场合，其涂层不易开裂。1Cr17在氧化性酸类、多数有机酸、有机酸盐水溶液中有良好的耐蚀性。1Cr18Ni9Ti等奥氏体不锈钢丝有良好的工艺性能，在多数氧化性介质和某些还原性介质中都有较好的耐蚀性，用于喷涂水泵轴等。由于不锈钢涂层收缩率大，易开裂，适于喷涂薄层。（3）铝丝铝和氧有很强的亲和力，铝在室温下大气中就能形成致密而坚固的Al2O3氧化膜，能防止铝进一步氧化。纯铝喷涂除大量用于钢铁保护涂层外，还可作为钢的抗高温氧化涂层、导电涂层和改善电接触的涂层。一般铝丝纯度（质量分数）应大于99.7％。铝丝直径2～3mm，喷涂时，表面不得有油污和氧化膜。（4）锌丝在钢铁件上，只要喷涂0.2mm的锌层，就可在大气、淡水、海水中保持几年至几十年不锈蚀。锌的纯度要求（质量分数）在99.85％以上的纯锌丝。在锌中加铝可提高涂层的耐蚀性能，若铝的质量分数为30％，则耐蚀性最佳。锌喷涂广泛用于大型桥梁、铁路配件、钢窗、电视台天线、水闸门和容器等。（5）钼丝钼与氢不产生反应，可用于氢气保护或真空条件下的高温涂层。钼是一种自粘结材料，可与碳钢、不锈钢、铸铁、蒙乃尔合金、镍及镍合金、镁及镁合金、铝及铝合金等形成牢固的结合。钼可在光滑的工件表面上形成1um的冶金结合层，常用作打底层材料。2020/9/2131如机床导轨喷涂钢时，用钼作为打底层可增加钢喷涂层与基体的结合强度。钼的摩擦系数小，适用于喷涂活塞环和摩擦片。但钼不能作为铜及铜合金、镀铬表面和硅铁表面的涂层。（6）锡及锡合金丝锡涂层具有很高的耐腐蚀性能，常用作食品器具的保护涂层，但锡中砷的质量分数不得大于0.015％。含锑和钼的锡合金丝具有摩擦系数低、韧性好、耐蚀性和导热性良好等特性。在机械工业中，广泛应用于轴承、轴瓦和其他滑动摩擦部件的耐磨涂层。此外，锡可在熟石膏等材料上喷涂制成低熔点模具。（7）铅及铅合金丝铅具有很好的防X射线辐射的性能，在原子能工业中广泛用于防辐射涂层。含锑和铜的铅合金丝材料的涂层具有耐磨和耐蚀等特性，用于轴承、轴瓦和其他滑动摩擦部件的耐磨涂层。但涂层较疏松，用于耐腐蚀时需经封闭处理。由于铅蒸气对人体危害较大，喷涂时应加强防护措施。（8）铜及铜合金丝铜主要用于电器开关的导电涂层、塑料和水泥等建筑表面的装饰涂层；黄铜涂层则用于修复磨损及超差的工件，如修补有铸造砂眼、气孔的黄铜铸件，也可作装饰涂层。黄铜中加入质量分数为1％左右的锡，可改善耐海水腐蚀性能。铝青铜的强度比一般黄铜高，耐海水、硫酸和盐酸腐蚀，有良好的耐磨性和抗腐蚀疲劳性能，采用电弧喷涂时与基体结合强度高，可作为打底涂层，常用于水泵叶片、气闸活门、活塞及轴瓦等的喷涂。磷青铜涂层比其他青铜涂层更为致密，有良好的耐磨性，可用来修复轴类和轴承等的磨损部位，也可用于美术工艺品的装饰涂层。（9）镍及镍合金丝蒙乃尔合金对氨水、海水、照相用药剂、酚醛、甲酚、汽油、矿物油、酒精、碳酸盐水溶液及熔盐、脂肪酸以及其他有机酸的耐蚀性优良，对硫酸、醋酸、磷酸和干燥氯气等介质的耐蚀性较好；但对盐酸、硝酸、铬酸等介质不耐蚀。常用于水泵轴、活塞轴、耐蚀容器的喷涂。80Ni20Cr在高温下几乎不氧化，是最好的耐热耐蚀材料，常用于高温耐腐蚀涂层。镍铬耐热合金丝涂层致密，与母材金属的结合性好，常用于A12O3、ZrO2等陶瓷涂层的打底层，但不能用于硫化氢、亚硫酸气体以及硝酸和盐酸介质中。复合喷涂丝用机械方法将两种或更多种材料复合压制成喷涂线材称复合喷涂丝。不锈钢、镍、铝等组成的复合喷涂丝，利用镍、铝的放热反应使涂层与多种基体（母材）金属结合牢固，而且因复合了多种强化元素，改善了涂层的综合性能，涂层致密，喷涂参数易于控制，便于火焰喷涂。因此，它是目前正在扩大使用的喷涂材料，主要用于油泵转子、轴承、汽缸衬里和机械导轨表面的喷涂，也可用于碳钢和耐蚀钢磨损件的修补。5热喷涂粉末粉末材料可分为:金属及合金粉末、陶瓷材料粉末、复合材料粉末和塑料粉末。金属及合金粉末（1）喷涂合金粉末。又称冷喷合金粉末，这种粉末不需或不能进行重熔处理。按其用途分为打底层粉末和工作层粉末。打底层粉末用来增加涂层与基体的结合强度；工作层粉末保证涂层具有所要求的使用性能。放热型自粘结复合粉末是最常用的打底层粉末。工作层粉末熔点要低，具有较高的伸长率，以避免涂层开裂。氧一乙炔焰喷涂工作层粉末，最常用的是镍包铝复合粉末与自熔性合金的混合粉末。（2）喷熔合金粉末又称自熔性合金粉末因合金中加入了强烈的脱氧元素如Si、B等，在重熔过程中它们优先与合金粉末中氧和工件表面的氧化物作用，生成低熔点的硼硅酸盐覆盖在表面，防止液态金属氧化，改善对基体的润湿能力，起到良好的自熔剂作用，所以称之为自熔性合金粉末。喷熔用的自熔性合金粉末有镍基、钴基、铁基及碳化钨等四种系列。2．陶瓷材料粉末陶瓷属高温无机材料，是金属氧化物、碳化物、硼化物、硅化物等的总称，其硬度高，熔点高，但脆性大。常用的陶瓷粉末有：(1)氧化物它是使用最广泛的高温材料。氧化物陶瓷粉末涂层与其他耐热材料涂层相比，绝缘性能好，热导率低，高温强度高，特别适合作热屏蔽和电绝缘涂层。陶瓷材料粉末(2)碳化物它包括碳化钨、碳化铬、碳化硅等，很少单独使用，往往采用钴包碳化钨或镍包碳化钨，以防止喷涂时产生严重失碳现象。为保证涂层质量，须严格控制喷涂工艺参数，或在含碳的保护气氛中喷涂。碳化钨是一种超硬耐磨材料，由于温度和均匀度等因数，其组织及性能很难达到烧结碳化钨硬质合金的性能。碳化铬、碳化硅也可用作耐磨或耐热涂层。(3)生物陶瓷复合材料粉末复合材料粉末是由两种或更多种金属和非金属（陶瓷、塑料、非金属矿物）固体粉末混合而成。其特点是：（1）复合粉的粉粒是非均相体，在热喷涂作用下形成广泛的材料组合，从而使涂层具有多功能性。（2）复合材料之间在喷涂时可发生某些希望的有利反应，改善喷涂工艺，提高涂层质量（例如，可制成放热型复合粉，使涂层与基体除机械结合外，还有冶金结合，提高涂层结合强度）。（3）包覆型复合粉的外壳，在喷涂时可对核心物质提供保护，使其免于氧化和受热分解。分类（1）按照复合粉末的结构，一般分为包覆型、非包覆型和烧结型。包覆型复合粉末的芯校被包覆材料完整地包覆着；非包覆型粉末的芯核被包覆材料包覆程度是不均匀和不完整的。（2）按照复合粉末形成涂层的机理可分为自粘结（增效或自放热）复合粉末和工作层粉末。工作层复合粉末品种较多。自粘结复合粉末多用作基体与工作层间的过渡层，即打底层粉末。它在喷涂时产生放热反应，有助于涂层与基体的结合，形成致密而又粗糙的过渡层，有效地改善涂敷性能。塑料粉末（1）热塑性树脂（2）热固性树脂（3）改性塑料（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。三、热喷涂工艺1）表面喷砂，使其粗糙度为Ra3.2～12.5μm；粗化处理的方法（1）达到所要求粗糙度的喷砂条件表磨料粒度/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