表面工程技术8热喷涂Word下载.docx

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10000°

C以上

二、热喷涂工艺流程

工件表面预处理→工件预热→喷涂→涂层后处理

1、表面预处理表面预处理是热喷涂工艺中非常重要的一环，涂层的附着强度直接与其体表面的清洁度和粗糙度有关。

（1）基体表面清洗

表面预处理的第一步是除去工件要喷涂面的污垢，如氧化层、油脂、油漆和尘埃。

下面是一些较常用的清洗方法：

最廉价的方法是用氢氧化钠、磷酸三钠或碳酸钠等热碱溶液冲洗，再用清水冲净。

用三氯乙烯、全氯乙烯或三氯乙烯蒸气脱脂效果最好。

用汽油浸刷。

用火焰烘烤去油。

一般在315℃的炉中烘烤达4h。

超声波清洗。

酸浸。

将工件浸泡在酸液中，视工件污垢程度决定浸泡时间，酸浸之后用水冲洗，再用碱水浸泡以中和残酸，最后再用热水或蒸气彻底清洗或吹洗。

（2）基体表面粗化

在热喷涂中，光滑的基体表面一般很难得到良好的附着力，因此工件表面清洗之后，还要对表面进行粗化处理。

表面粗化的作用是：

提供表面压应力，改善残余应力的分布；

增大结合面积，增大涂层与基材的机械咬合力；

净化表面。

这些措施都会使附着力加强。

粗化程度：

若采用美国标准，即将测得的表面各点高度（h）取绝对值，然后除以测定的点数n：

，对于大多数涂层来说，A为2.5～13m就足够了。

粗化的方法：

根据所用的喷涂材料、喷涂工艺、工件的工作条件而确定。

喷砂是最常用的粗化工艺方法。

砂粒可采用石英砂、激冷钢砂、氧化铝、金刚砂和矿渣等。

砂粒以锋利、坚硬为好，不要使用球形砂。

砂粒应干燥，不含油、长石或其它杂物。

砂粒的尺寸、空气压力的大小、喷砂角度、距离和时间都要根据具体情况进行确定。

有时要采用比喷砂更宏观的粗化方法，如下切、开槽或车螺纹。

粗化后的新鲜表面极易被氧化或受环境污染，因此要及时进行喷涂。

2、预热

预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度，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。

预热温度取决于工件的大小、形状和材质、以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素，一般情况下预热温度控制在60～120℃之间。

3、喷涂

采用何种喷涂方法进行喷涂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。

4、涂层后处理

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，为了防止腐蚀介质透过涂层的孔隙到达基材引起基材的腐蚀，必须对涂层进行封孔处理。

用作封孔剂的材料很多，有石腊、环氧树脂、硅树脂等有机材料及氧化物等无机材料，如何选择合适的封孔剂，要根据工件的工作介质、环境、温度及成本等多种因素进行考虑。

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。

由于喷涂涂层具有与一般的金属及陶瓷材料不同的特点，如涂层有微孔，不利于散热；

涂层本身的强度较低，不能承受很大的切削力；

涂层中有很多硬的质点，对刀具的磨损很快等，因而喷涂涂层不同于一般材料，具有难于加工的特点，所以必须选用合理的加工方法和相应的工艺参数才能保证喷涂层机械加工的顺利进行和保证达到所要求的尺寸精度。

三、热喷涂方法

1、火焰喷涂

利用气体燃烧放出的热进行的热喷涂称火焰喷涂。

火焰喷涂的历史最为悠久，但目前仍被广泛被采用。

一般来说凡是在2760℃以下的温度区内不升华，能熔化的任何物质都可用火焰喷涂形成涂层，但实际上考虑到热量的传递需要时间，熔点超过2500℃的材料就很难用这类火焰进行喷涂。

有些物质在高温下剧烈氧化，即使形成涂层，实用性也不大。

（1）线材火焰喷涂

线材火焰喷涂的典型装置如下图所示。

喷涂过程

Ø

线材通过由压缩空气驱动的送丝轮进入气体火焰中，尖端被熔化；

熔化的材料被喷嘴周围的压缩空气雾化并加速；

然后沉积于预处理过的工件表面上；

在特殊情况下压缩气流可采用情性气体。

线料输运

依靠喷枪中的空气涡轮或电动机的转动，经涡轮——涡杆减速装置带动滚轮，以一定的送移速度送进。

喷涂线材可以采用丝材、棒材和带材，但必须配以特定的喷枪。

线材直径＜3mm。

枪的结构、火焰的大小和种类、空气的纯净度、流速、压力、线材种类、直径的大小、进线速度等都可影响涂层质量。

热源

在火焰喷涂中通常用乙炔和氧组合燃烧而提供热量，其它燃料气体还可采用甲基乙炔—丙二烯（MPS）、丙烷、氢气或天然气。

在线材火焰喷枪中燃气火焰主要用于线材的熔化。

特点

设备简单，投资少，操作容易，工件温度低，变形小，在机械零部件的修复和防护上获得较广泛的应用。

（2）粉末火焰喷涂

下图是粉末火焰喷涂的典型装置。

过程

喷涂材料不是线材而是粉末，且一般不用压缩空气。

粉末装在料斗内，料斗可以与喷枪构成一体，也可以单设一个送粉器与枪联接。

工作时以少量气体运载粉末进入氧气—燃料混合气体中，火焰使粉末熔化并喷射到基体表面。

为了提高结合强度及涂层密度，有些喷枪引入了压缩空气或采用了加速装置。

工艺流程

工件表面预热：

去掉冷凝物（水份），预膨胀降低内应力，改善扩散条件，提高结合强度。

~100℃，中性火焰，防止局部过热氧化

喷涂结合层：

提高结合强度

涂层：

结合层（打底层、过渡层）＋工作层。

结合层：

放热型自结合粉末（镍铝复合粉），0.1~0.15mm厚。

以镍铝复合粉末为主体，自结合作用主要来源于烧结过程中复合粉末发生的突发的放热反应。

这种放热反应促进了涂层与基材之间的界面结合以及涂层的致密程度。

实践表明镍铝复合粉末得到的涂层与基材的结合强度高过通常材料的一倍以上，而其气孔率则比一般的涂层低得多。

喷涂工作层：

结合层喷涂好以后应立即喷涂工作层粉末，以防止氧化和污染。

灵活掌握火焰性质，能量，出粉量，喷涂距离。

火焰一般为中性焰，喷涂距离一般可取150~200mm，为火焰总长度的五分之四，分层喷，每道涂层约0.1~0.15mm。

粉末材料

粉末材料可以是纯金属粉、合金粉、复合粉、碳化物粉、陶瓷粉、金属陶瓷粉或者是这些粉的组合粉。

粉末喷涂中用得最多的是“自熔”合金粉（共熔合金）。

自熔合金粉含有B和Si，起熔剂的作用，还可减少氧化。

自熔合金系指熔点较低，流动性好，在高温形成涂层时有良好浸润性并于熔融过程中靠合金中的B、Si能自行脱氧造渣使涂层受到保护的一类合金。

基体金属是Ni、Co和Fe等，主要合金元素是Cr，为降低合金的熔点加入较多的B和Si。

这类合金在凝固会形成含有弥散相的母体并嵌有大量第二相硬质点的组织，故有较高的硬度和强度。

将自熔合金涂层加热到熔点，涂层会重熔，重熔的涂层相当致密，与基体可成冶金结合，提高硬度。

重熔温度一般要高于1040℃，可采用多种加热方式进行重熔，诸如火焰、电感应、电炉或激光等。

通常的粉末火焰喷涂，由于喷出的颗粒速度较小，火焰温度较低，因此涂层的附着强度及涂层本身的强度都比较低，且比其它喷涂方法得到的气孔率都高。

（3）火焰喷涂的应用

火焰喷涂工艺与其它喷涂工艺相比，最大的特点是成本低廉，使用方便，在许多场合下所得涂层能够充分满足性能要求。

一般来说在满足工程要求的前提下，尽可能采用火焰喷涂。

火焰喷徐的应用主要有以下几方面：

长效防腐蚀涂层（钢结构件）：

线材火焰喷涂的Zn，A1，N等金属或合金涂层。

铁桥、铁塔、水闸、船体、贮水器、管道、矿山货车、气体容器、船内浴室、水处理设备和钢制框格等。

抗高温氧化涂层（钢铁件）：

Al涂层。

加热器、燃烧室、烟囱等。

耐磨涂层：

粉末火焰喷涂层经过重熔处理可获得高粘结力和高硬度，用于多种承受磨损的零件。

吸风机叶片、阀密封面、冲模及冲头、活塞环、泥浆泵、输煤机中部槽板及印染布辊等。

用于机件修复：

火焰喷涂可用来修复多种因磨损超差或腐蚀失效的机件。

诸如，回转轴、曲轴、往复柱塞、轴颈、液压压头、泵柱塞、衬套、机床导轨等。

火焰喷涂的部分用例

喷涂材料

组织

气孔率

粘结性

用途

铬

中

好

低温、中温条件下的轴承表面；

耐蚀涂层

镍

较好

耐蚀涂层；

陶瓷喷涂的底层

稀土类氧化物

细

最好

耐热阻挡层；

燃烧催化剂

氧化钛

极低

硬质、耐磨、高密度涂层；

粘结性高

氧化锆

（用氧化钙稳定）

低

耐热阻挡层（可用于原子能工业）

钴40％+氧化锆

高温金属陶瓷涂层；

耐磨、并可防止基体氧化

镍40％+氧化铝

耐热冲击性高；

用于耐高温涂层

锡酸铝

耐热、耐冲击涂层；

对于多种金属液体难于粘润；

是极好的电导体

钙钛酸盐

电介体涂层

2、等离子喷涂

（1）过程：

用等离子体焰流作为热源，将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态，并在高速等离子体焰流的拽引下，高速撞击到工件表面上。

被撞扁的细粒嵌塞在经过粗化的洁净工件表面上，经淬冷凝固后与工件相结合，形成涂层。

（2）等离子弧：

等离子弧是压缩电弧，按接电的方法不同有三种形式：

1非转移弧：

正极接在喷嘴上，工件不带电。

2转移弧：

喷嘴不接电源，工件接正极。

3联合弧：

喷嘴、工件均接正极。

（3）等离子喷涂原理：

采用的是非转移型电弧。

在阴极和阳极（喷嘴）之间产生一直流电弧，把导入的工作气体加热电离成高温等离子体、并从喷嘴喷出形成等离子火焰。

粉末由送粉气体送入火焰中被熔化、加速、喷射到基体材料上形成涂层。

工作气体可以用氩气、氮气，或者在这些气体中再掺入氢气，也可采用氩和氯的混合气体。

（4）焰流温度分布：

右图是一种非转移弧等离子焰流温度分布。

其中焰心温度可达30000K，喷嘴出口处的温度可达15000～20000K，轴向温度梯比较大，焰流速度在喷嘴出口处高达1000～2000m/s，但迅速衰减。

喷涂粉末靠焰流加速，可得到高于150m/s的速度。

等离子弧的参数可以在较大范围内改变，其温度不会随之在很大范围内变化。

影响等离子弧的加热性能的参数很多，如电流强度、放电气体成分及流量、喷嘴尺寸及形状和阴阳极之间的距离等。

（5）等离子喷涂设备：

喷枪：

喷枪实际上是一个非转移型等离子弧发生器，是最关键的部件，整个系统的电、气、粉、水都集于其上。

喷枪包括：

阴极、喷嘴（阳极）、进气道与气室、送粉道、水冷密封与绝缘，以及枪体。

送粉器：

送粉器是用来贮存喷涂粉末和按工艺要求向喷枪输送粉末的一种装置。

送粉器质量的好坏对喷涂层质量影响极大。

评价送粉器质量好坏的主要指标是送粉量的可控性和均匀性。

送粉器的种类很多，有自重式送粉器、刮板式送粉器、雾化式送粉器、电磁振动式送粉器、鼓轮式送粉器等。

整流电源：

等离子喷涂均采用直流电源。

供气系统：

供气系统包括工作气和送粉气的供给系统，主要由气瓶、减压阀、储气瓶、流量计以及管道和接头组成。

水冷系统：

水冷系统用于冷却电源整流元件、电缆和喷枪。

控制系统：

控制系统用于对水、电、气、粉的调节和控制，此外还有对喷涂自动化的控制。

（6）等离子喷涂工艺：

等离子喷涂过程中，影响涂层质量的工艺参数很多，有人估计有60多个。

因此，对不同工件、不同基体和不同涂层，工艺的优化是极复杂的，一般要经过反复试验才能得到。

下面介绍几个主要工艺参数：

等离子气体的选择

气体的选择原则主要根据是可用性和经济性。

可用性是指不与工件和喷涂材料发生化学反应，且能满足喷涂的基本要求；

经济性即尽可能价廉。

N2气：

很便宜且等离子焰热焓高、传热快，利于粉末的加热和熔化，但对于易发生氮化反应的粉末或基体则不可采用。

Ar气：

电离能较低，等离子弧稳定且易于引燃，弧焰较短，适于小件和薄件的喷涂。

Ar气还有很好的保护作用，例如选用Ar气喷涂Cr3C2，WC、TiC，ZrC等可防止脱碳。

对于理论研究，也宜于用Ar气。

不过Ar气热焓较低，价格昂贵。

气体流量的大小

工作气体的流量大小直接影响等离子焰流的热焓和流速，从而影响喷涂效率、涂层气孔率和结合力等，是重要的工艺参数。

在—定的功率下，往往有—个最佳气体流量值。

气量过大，离子浓度减少，气体原于吸收了等离子焰流的热量，使温度和热焓下降，使粉末不能充分熔化，从而导致涂层组织疏松，气孔增加，结合力降低；

气量过小，焰流软弱无力，温度下降，速度也将下降，且容易烧坏喷嘴和阴极。

送粉气体的流量要与工作气体流量相适应，一般为工作气体的20%左右。

送粉气体的流量必须以能将粉末送入焰心为准。

输入功率和电参数

输入功率大小的选择首先要确保粉末熔化良好，一般来说，采用较高的功率值比较好。

功率确定后，应尽可能选用较高电压和较低电流，这对喷枪寿命和减少热损失有利。

弧电压可通过调节阴阳极距离和变换工作气体的成分来调，但在一般操作中，很少调节电压，主要靠改变电流来控制输入功率。

供粉

供粉速率和进入弧中的位置是影响涂层结构和喷涂效率的重要参数。

喷涂粉末必须送至焰心才能使粉末获得最好的加热和最高的速率。

供粉速率必须与输入功率相适应，过高会出现生粉（末熔粉）；

过低则会使喷涂效率降低、粉末氧化严重,并造成基体过热。

喷涂距离和喷涂角度

喷距太小，会使基体温度过高，影响涂层的结合；

喷距太大，粉粒的温度和速率均将下降，结合力、气孔、喷涂效率都会明显降低。

在基体温升允许的情况下，喷距适当小些为好。

金属粉末喷涂时，喷距常取75～130mm，陶瓷粉末取50～100mm。

焰流轴线与被喷涂工件表面之间的角度为喷涂角。

当喷涂角小于45°

时，由于“遮蔽效应”的影响，涂层形成空穴，使涂层疏松、结构恶化。

喷枪与工件的相对运动速度

移枪速度在一定范围内对涂层质量影响不明显，但一般来说移枪速度以较快为好。

基体温度控制

基体温度是很重要的工艺参数。

较理想的工艺参数是在喷涂前把工件预热到喷涂过程中要达到的温度，然后在喷涂过程中对工件采用喷气冷却的措施，使其保持原来的温度。

（7）等离子喷涂的特点：

优点：

①等离子体焰流具有很高的温度，可喷涂的材料极为广泛，几乎包括所有的固态材料；

②工件不带电（非转移等离子弧），可在各种材料表面喷涂，金属和非金属；

③基底温度底，<

250℃,因而基底受热损伤小；

④由于等离子体焰流速度大、温度高，涂层质量、密度比火焰喷涂好；

⑤涂层厚度控制精度高，几十m~1mm；

缺点：

⑥小孔径内喷涂困难，由于受喷枪尺寸和喷涂距离限制；

⑦伴随着高温、高速等离子体焰流产生剧烈的噪声（130dB），很强的光辐射，有害气体，金属蒸汽及粉尘，必须加强防护措施。

（8）等离子喷涂的用途：

1）耐磨、减磨、固体润滑涂履；

2）动密封涂层；

3）耐蚀涂层；

4）抗高温氧化、抗高温气流冲刷涂层；

5）热障涂层；

6）抗表面疲劳涂层；

7）红外线辐射、太阳能吸收和其它光学薄膜涂层；

8）导电、绝缘涂层；

9）磁性涂层；

10）超导涂层；

11）催化用涂层；

12）热吸收涂层；

13）制造金属、陶瓷类高熔点复合材料。

（9）等离子喷涂的进展：

继大气等离子喷涂后，相继出现了减压等离子喷涂、水稳等离子喷涂等工艺方法。

等离子喷涂的进展体现在五个方面：

①喷嘴的改进。

即把原来的喷嘴适当加长，具有冷却区、加速区、送粉区和等离子体粉末闭塞区，可使射流的温度和速度均匀化。

②高能等离子喷涂装置。

通过大流量工作气，使功率达到200kW。

③双阴极等离子。

在喷炬中设置2个阴极，可以大幅度地调整流速和热焓，功率为10～100kW。

④三阴极等离子喷涂。

可以保证送入粉末在边沿处也被充分加热，避免“生粉”混入涂层。

⑤气体隧道型等离子喷涂。

在传统的等离子喷炬基础上，通过涡流形成一气体隧道，使等离子体受到压缩，从而使等离子体射流能量密度提高。

3、爆炸喷涂和超音速喷涂

（1）爆炸喷涂

爆炸喷涂是利用氧气和乙炔气点火燃烧，造成气体膨胀而产生爆炸，释放出热能和冲击波。

热能使喷涂的粉末熔融，冲击波使熔融粉末以约800m/s的速率喷射到零件表面上形成涂层。

每次爆炸的粉末流产生一个直径近25mm和几微米厚的圆形涂层，整个涂层即由这样一些小圆形薄片重叠而成，重叠的过程是严密控制的，尽量减少基体受热和残余应力，以生成光滑的涂层。

涂层和基体的结合强度高、涂层致密、涂层表面经加工后粗糙度低、工件表面温升低。

（2）超音速喷涂

超音速喷涂是通过一个喷嘴实现的，这个喷嘴是按流体动力学的原理设计的。

将气流的速度从亚音速提高到超音速，加强了气流对粒子的加速效果，从而提高粒子的飞行速度。

喷嘴的流道是由细的喉管和逐渐加粗到某一尺寸的锥形管组成，这种结构被称为Laval喷嘴。

在实际的喷涂系统中，这种Laval喷嘴系统有两种结构方式：

一种是内燃烧式，即火焰通过Laval喷嘴喷出；

第二种是外燃烧式或喉部燃烧方式，燃气从喷嘴喷出后燃烧，枪上没有安装Laval喷嘴，而是沿着气隙的内壁提供的压缩空气把火焰包在内，宛如—个Laval喷嘴的作用。

在超音速喷涂喷嘴出口处燃气流速可达音速的4倍，约为1520m/s，具体与燃料气体种类、混合比例、流量、载气流量、粉末质量及粉末流量有关。

粉粒撞击到工件表面的速度估计为550～760m/s，与爆炸喷涂相当。

四、热喷涂技术的特点

1、优点：

（1）喷涂材料取材范围广，几乎所有的金属、合金、陶瓷都可以作为喷涂材料，塑料等有机高分子材料也可以作为喷涂材料。

可以把各种喷涂材料混合进行喷涂，制备复合涂层，因而能赋予基体以各种功能（如耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、隔热、密封；

耐辐射、导电、绝缘、生物相容、红外吸收等）的表面。

达到节约贵重材料，提高产品质量，满足多种工程和尖端技术的需要。

例如，可以把韧性好的金属材料和硬而脆的陶瓷材料相复合，形成表面复合材料。

（2）喷涂过程中基体表面受热的程度较小（30～200℃之间），而且可以控制，因此可用于各种基体，包括金属、陶瓷器具、玻璃、石膏、木材、布、纸、塑料等几乎所有固体材料都可以进行喷涂。

不影响基材组织，性能，工件变形也小。

（3）设备简单、工艺灵活，工件尺寸不受限制，小到几mm内孔，大到桥梁、铁塔等构件；

既可对大型设备进行大面积喷涂，也可以在局部进行喷涂；

既可喷涂零件，又可对制成后的结构物进行喷涂；

可在真空下、也可在大气压下进行喷涂；

可现场进行喷涂。

（4）喷涂操作的程序较少，施工时间较短，效率高，成本低，经济效益显著；

涂层形成速度快，涂层厚度较易控制，薄者可为几十微米、厚者可为几毫米。

2、缺点：

主要问题是：

结合力较低，孔隙率较高，均匀性较差等。

有许多表面问题还不能用该技术去解决。

3、各种热喷涂方法的比较

比较项目

气体熔线式

气体熔粉式

电弧

等离子

电爆

爆炸

超音速

热源

O2+C2H4

电能

电能及N2，Ar，H2，He

O2+C3H6

O2+H2

金属、合金

金属、合金、高分子、部分陶瓷

几乎全部金属合金及陶瓷

部分陶瓷

最高焰温度

／℃

2760～3260

7400

～16000

5000

2550～2924

粒子速度

／m·

s-1

150～200

～50

300～350

400～600

720

986

喷涂材料形态

线

粉

基体材料

几乎全部固体材料

主要固体金属

主要固体金届

基体温度／℃

<

200

结合强度

／MPa

>

10

7

20

50

80

气孔率／％

6

8

5

1

涂层厚度

／mm

0.3～1.0

0.2～1.0

0.1～3.0

0.05～0.．5

0.05～0.1

0.1～1

成本

高

较高

特点

设备简单

可用于高分子

设备简单、层厚

适于高熔点材料

仅用于内孔

小面积

可得高质量膜层

7.3热喷涂的原理

（以粉末喷涂为例）