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1第三章热喷涂定义:热喷涂是将熔融状态的喷涂材料通过高速气流雾化并喷射在工件表面上,形成喷涂层的一种表面加工方法。2热喷涂方法及其技术特性3♦热喷涂原理1.热喷涂涂层的形成热喷涂时,涂层材料的粒子被热源加热到熔融态或高塑性状态,在外加气体或焰流本身的推力下,雾化并高速喷射向基体表面,涂层材料的粒子与基体发生猛烈碰撞而变形、展平沉积于基体表面,同时急冷而快速凝固,颗粒这样遂层沉积而堆积成涂层。4热喷涂涂层的结构特点热喷涂涂层形成过程决定了涂层的结构特点,喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构,涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地存在一些孔隙和空洞,并伴有氧化物夹杂,其特点为:*呈层状*含有氧化物夹杂*含有孔隙或气孔5热喷涂涂层的结合机理涂层的结合包括涂层与基体的结合和涂层内部的结合。涂层与基体表面的粘结力称为结合力,涂层内部的粘结力称为内聚力。涂层中颗粒与基体之间的结合以及颗粒之间的结合机理,目前尚无定论,通常认为有以下几种方式。6[1]机械结合碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒和凹凸不平的表面相互嵌合,介以颗粒的机械联锁而形成的结合(抛锚效应),一般来说,涂层与基体的结合以机械结合为主。7[2]冶金-化学结合这是当涂层和基体表面产生冶金反应,如出现扩散和合金化时的一种结合类型。当喷涂后进行重熔即喷焊时,喷焊层与基体的结合主要是冶金结合。基体粗糙度氧化物加杂孔隙或孔洞颗粒间的粘接颗粒基体粗糙度基体涂层对基体的粘接力8[3]物理结合颗粒与基体表面间由范德华力或次价键形成的结合9[4]涂层的残余应力当熔融颗粒碰撞基体表面时,在产生变形的同时受到激冷而凝固,从而产生收缩应力。涂层的外层受拉应力,基体有时也包括涂层的内层则产生压应力。涂层中的这种残余应力是由热喷涂条件及喷涂材料与基体材料的物理性质的差异所造成的。它影响涂层的质量、限制涂层的厚度。工艺上要采取措施以消除和减少涂层的残余应力。10孔隙度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。11热喷涂涂层的性能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。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。12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。13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。14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。15一、热喷涂方法分类按照加热喷涂材料的热源种类来分的,按此可分为:①火焰类,包括火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂;②电弧类,包括电弧喷涂和等离子喷涂;③电热法,包括电爆喷涂、感应加热喷涂和电容放电喷涂;④激光类:激光喷涂。16二、粉末火焰喷涂图3-1粉末火焰喷涂原理1-氧-乙炔混合气2-氧气3-喷枪4-粉末5-火焰6-喷涂层7-工件8-喷涂射流9-喷嘴1718SPH-E射吸式喷枪的外形结构192021三电弧喷涂定义:电弧喷涂时,将两根通电的金属丝分别送入喷枪,利用在丝端产生的电弧将金属丝本身熔化,并由压缩空气将熔化的金属雾化成微粒,喷射到工件表面,形成喷涂层。22电弧喷涂的原理1-工件2-喷涂层3-金属丝导管4-送丝机构5-金属丝6-压缩空气导管23四、等离子喷涂①超高温特性,便于进行高熔点材料的喷涂。②喷射粒子的速度高,涂层致密,粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气体,所以喷涂材料不易氧化。24等离子喷涂原理1-工件2-喷涂层3-前枪体4-冷却水出口5-等离子气进口6-绝缘套7-冷却水进口8-钨电极9-后枪体10-送粉口25等离子喷涂设备工位布置示意图1-喷枪2-送粉器3-控制柜4-等离子气和送粉气瓶5-直流电源6-冷却水进口7-冷却水出口26影响涂层质量的工艺参数①等离子气体②电弧的功率③供粉④喷涂距离和喷涂角⑤喷枪与工件的相对运动速度⑥基体温度控制27真空等离子喷涂(又叫低压等离子喷涂)真空等离子喷涂是在气氛可控的,4~40Kpa的密封室内进行喷涂的技术。喷流速度是超音速的,而且非常适合于对氧化高度敏感的材料。28水稳等离子喷涂工作原理:喷枪内通入高压水流,并在枪筒内壁形成涡流,这时,在枪体后部的阴极和枪体前部的旋转阳极间产生直流电弧,使枪筒内壁表面的一部分蒸发、分解,变成等离子态,产生连续的等离子弧。喷涂高熔点材料,特别是氧化物陶瓷,喷涂效率非常高。29五、超音速喷涂(HVOF)燃料气体(氢气,丙烷,丙烯或乙炔-甲烷-丙烷混合气体等)与助燃剂(O2)以一定的比例导入燃烧室内混合,爆炸式燃烧,因燃烧产生的高温气体以高速通过膨胀管获得超音速。同时通入送粉气(Ar或N2),定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃气中,一同射出喷涂于工件上形成涂层。30五、超音速喷涂(HVOF)31323334Laval管Laval管35ds/s=(M²-1)dV/V声其中:S―管器截面积;M=V/V声(马赫数);V-流体速度由式中我们看出:当Vv声,即M1时,则dv与ds符号相同,即随管道截面积变大(ds为正)时,流体速度也增大。当Vv声,即M1时,则dv与ds符号相反,即随管器截面积变小(ds为负)时,流体速度亦增大。所以,只要管子设计合理,则流体在速度低时,只要经过足够压缩,即可在管器某一截面(如AB)达到声速,过了这一截面后,将获得超音速36超音速喷涂法具有如下的特点①粉粒温度较低,氧化比较轻(这主要是由于粉末颗粒在高温中停留时间短,在空气中暴露时间短的缘故,所以涂层中含氧化物量较低,化学成分和相的组成具有较强的稳定性),但只适于喷涂金属粉末、Co-Wc粉末以及低熔点TiO2陶瓷粉末;②粉粒运动速度高。37③粉粒尺寸小(10~53μm)、分布范围窄,否则不能熔化。④涂层结合强度、致密度高,无分层现象。⑤涂层表面粗糙度低。⑥喷涂距离可在较大范围内变动,而不影响喷涂质量。⑦可得到比爆炸喷涂更厚的涂层,残余应力也得到改善。⑧喷涂效率高,操作方便。⑨噪音大(大于120dB),需有隔音和防护装置。38第二节热喷涂材料热喷涂材料成分划分金属及合金、自熔性合金、复合材料、陶瓷塑料39选择喷涂材料参考的原则:1)根据被喷涂工件的工作环境,使用要求和各种啧涂材料的已知性能,选择最适合用途要求的材料。2)尽量使喷涂材料的热膨胀系数与工件材料相接近。3)喷涂材料的成本和来源。40一、耐磨喷涂材料使用最多:自熔性合金材料(镍基、钴基和铁基合金)和陶瓷材料,或者是这两类材料的混合物。不要求耐高温而只要求耐磨:碳化物(如碳化钨等)与镍基自熔合金的混合物。碳化钨喷涂层的工作温度应在480℃以下,超过此温度时,最好选择碳化钛、碳化铬或陶瓷材料。此外,在滑动磨损的条件下,选择高碳钢、马氏体不诱钢、钼、镍铬合金等喷涂材料,都可获得很好的耐磨性能。411金属涂层的研究现状热喷涂金属涂层是研究和应用较早的耐磨涂层,常用的有金属(Mo、Ni)、碳钢和低合金钢、不锈钢和Ni-Cr合金系列涂层。一般采用火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、HVOF及爆炸喷涂工艺,涂层具有与基体的结合强度较高,耐磨、抗腐蚀性能较好等优点,用于修复磨损件及机械加工超差件。42采用铝系合金等离子喷涂技术对活塞环、同步环及气缸等零件进行喷涂时,涂层具有良好的耐磨性、高结合强度及优异的耐粘着磨损性,在有润滑油的条件下具有良好的抗咬死性和抗拉伤性能。高碳钢丝、不锈钢(Crl3型、18-8型等)合金丝是常用的耐磨耐蚀喷涂材料。具有强度较高、耐磨性好、来源广泛、价格低廉等特点。NiCr涂层具有较好的耐热、抗腐蚀及抗冲蚀磨损的性能,可作为电站锅炉的过热器管和再热器管的防护涂层,采用火焰和等离子喷涂方法可制备具有不同组织结构的NiCr金属耐磨涂层,涂层中孔隙率和氧化物含量较高。432陶瓷涂层的研究现状热喷涂陶瓷粉末包括氧化物、碳化物、硼化物、氮化物及硅化物等,是金属元素和非金属元素组成的晶体或非晶体化合物。陶瓷涂层具有高熔点、高硬度和良好的耐磨性、耐腐蚀性以及高温稳定性等特点。但喷涂陶瓷涂层工艺复杂,成本较高,而且涂层表面容易出现裂纹,抗热疲劳性能不如金属涂层;而且涂层的韧性较差,不能用于承受较大的冲击载荷。目前常用的陶瓷涂层有A12O3、TiO2、Cr2O3、ZrO2、WC、TiC、Cr3C2、TiB2等,一般采用等离子喷涂、火焰喷涂、HVOF和爆炸喷涂技术制备。443金属陶瓷涂层的研究现状金属与陶瓷材料各有其独特的优异性能和明显的性能弱点,如何把金属与陶瓷材料各自的优势性能结合起来,一直是材料科学与工程界研究的方向。金属陶瓷复合涂层技术,即在塑性的基体上均匀地分布着颗粒形状、尺寸大小适当的陶瓷相,成功地实现金属和陶瓷的优势结合,制备既有金属强度和韧性,又有陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优点的复合材料,大大拓宽了金属材料和陶瓷材料各自的应用范围,在航空、航天、化工、机械、电力等工业领域得到成功应用。在工业上应用最广的金属陶瓷涂层主要有:Cr3C2-NiCr、WC-Co。大多采用HVOF、等离子及爆炸喷涂工艺。454非晶态涂层的研究现状非晶态是一种长程无序,短程有序的材料。非晶态材料的物理、化学性能常比相应的晶态材料更优异,具有高强度、高韧性、高硬度、高抗蚀性能、软磁特性等,是一类很有发展前途的新型金属材料。热喷涂非晶态合金涂层是近年来材料科学中广泛研究的一个新领域,热喷涂技术作为大面积非晶涂层制备方法之一已开始引起广泛关注,常用的方法有等离子喷涂、HVOF和爆炸喷涂。46按耐磨涂层功能分类①耐粘着磨损涂层②耐磨粒磨损涂层③耐冲蚀涂层47①耐粘着磨损涂层(1)功能:这些涂层有的容许磨粒嵌入和变形(软支承表面);有的则是硬的支承材料(硬支承表面)。(2)对耐粘着磨损涂层的要求。这些涂层应满足:1)依软或硬支承的不同,选用不耐磨的软质材料及耐磨的硬质材料;2)对硬支承来说,涂层要适应大载荷和高速度的要求48(3)喷涂材料有铝青铜、磷青铜、巴氏合金、锡(以上是软支承);自熔合金与钼或铜的混合物、高碳钢、不锈钢、Co-WC合金、氧化物陶瓷等(以上是硬支承)。(4)喷涂方法有燃烧火焰喷涂(线材或粉材)、等离子喷涂。49(5)应用实例包括巴氏合金轴瓦、水压机轴套、止推轴瓦、活塞导承、压气机十字滑块、铜合金衬套、防伤轴承、主齿轮轴颈。50②耐磨粒磨损涂层磨粒磨损是磨损中的重要形式,当考虑到该过程处于不同温度(538℃为低温,538~843℃为高温)时,则该类涂层具有很广的应用面。(1)功能。耐磨粒磨损涂层能经受外来磨粒的作用,或是发生于某一硬表面或软表面之间滑动。51(2)对耐磨粒磨损涂层的要求。这些涂层的硬度要超过所存磨粒的硬度;对工作温度要适应,在高温中要有良好的抗氧化性(3)喷涂材料包括陶瓷、金属陶瓷、合金和金属,根据工况从中选定(4)推荐的喷涂方法有等离子喷涂、燃烧火焰喷涂、高速火焰喷涂、爆炸喷
本文标题:第三章热喷涂
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