热喷涂技术讲义课件.ppt

第二章第二章热喷涂技术热喷涂技术 定义：热喷涂是将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，用高速气流将其雾化、加速，使其高速喷射到工件表面形成具有特殊性能的涂层热喷涂热喷涂TiCTiC第一节 热喷涂的原理及分类1.1 热喷涂的基本原理一、基本过程1.加热、加速、熔化（颗粒状）2.雾化（10-100 m），再加速-形成高速粒子流3.熔融与半熔融的高速粒子流撞击到基材，变形、凝固，形成涂层涂层的形成涂层的形成二、涂层与基体间的结合强度 1 机械结合：高速粒子撞击粒子微变形咬合 可见，表面粗化有利于结合强度提高2 金属键结合：当颗粒与基体表面达到原子间距时，会产生金属键结合理论上的确存在，实际上作用极小 3 微扩散结合：高速、高温、熔融或半熔融的粒子撞击到基体表面，在界面上会造成微小的扩散，使结合力增加但，此结合力贡献不大，因为基体温度只有200左右机械结合-为主 金属键结合很小 一般而言，热喷涂涂层结合强度较低！微扩散结合很小 只相当于其母体材料的530%4 冶金结合：Ni-Al粉，T=660时自反应放热基体表面T形成冶金结合结合力最好特指中间过渡层！总之，热喷涂涂层结合力，但工艺简单1.2 热喷涂涂层的质量及影响因素一、热喷涂涂层常见的缺陷及预防措施1.涂层剥落 原因：冷却时涂层与基体收缩不一致，涂层中产生拉应力。

结合强度低于涂层拉 应力时，剥落措施：工件表面-清洁、粗糙 喷涂颗粒速度、T 工件预热-涂层应力 涂层保护点在工件边 缘预置小槽，或堆焊一周2.裂纹 原因：同上，涂层中拉应力小于膜基结合强度而又大于涂层的抗 拉强度时，涂层开裂措施：每次喷涂，薄而均匀(0.15mm)太厚，收缩应力 涂层T不要太高，否则收缩应力 (矛盾！因T，结合力，涂层易剥落)工件预热，缓慢冷却，收缩应力3.多孔疏松 原因：孔隙率：2-20%是喷涂难题之一 措施：粉末T，全熔最好但应力又 垂直喷射事实上不可能二、影响热喷涂涂层质量的主要因素1.喷涂工艺的影响 工艺方法：粉体在加热介质中的运行时间t-t，T 粉体在加速介质中的运行时间t-t，v 、都取决于工件与喷嘴间的距离s，总而言之，喷涂工艺问题就是T、v问题火焰等离子电弧爆炸超音速T300016000 7400 5000 2900 v50-200m/s350m/s200m/s720m/s986m/sS近距中距远距T加热不充分，T100mm左右T、v最高远离热源，冷却，Tv加速不充分，v空气阻力，v2.喷涂材料的影响 材料成分-决定材料的热扩散系数Dr Dmax=3.65(Drt)1/2 其中Dmax为粉末在喷涂过程中能达到距表面90%深度处于熔融状态（半熔融）时的最大直径；t为加热时间 显然，若粉末直径相同时，Dmax越大，粉末熔融程度越高。

几种典型材料的Dr及Dmax 显然，TaC最易喷涂-实际上仍是Dr所决定 材料的粒径：D-T、v-结合力，涂层质量 D太小-价格，且易被气流带走MaterialsZrO2TiCTiNTaCDr,cm2/s0.0050.040.070.09Dmax,m 2672961101.3 热喷涂技术的特点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；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30200之间，因此变形小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.涂层厚度可控,范围宽：从几十微米到几毫米的涂层都能制备5.喷涂效率高、成本低：生产效率为每小时数公斤到数十公斤6.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1.4 热喷涂的一般工艺流程一、表面预处理 去油、脱脂、除锈、去尘-结合力二、表面粗化 喷砂-增大接触面积 开槽-增加结合点 结合力三、预热 微扩散，热应力-结合力 除去表面冷凝物、潮气-气孔率四、喷涂 喷底层(Ni包Al，Al包Ni)-粗化，结合力 喷涂层-0.15-0.2mm/次，总厚度2mm五、封孔 工件加热到95，涂上石蜡-防腐蚀 表面预处理表面粗化预热喷涂封孔热喷涂基体表面预处理热喷涂基体表面预处理 基体金属表面的预处理状况，决定着热喷涂涂层与基体的基体金属表面的预处理状况，决定着热喷涂涂层与基体的结合性能，因此对其使用寿命有决定性的影响。

结合性能，因此对其使用寿命有决定性的影响表面预处理包括表面净化，除去金属表面的油脂、其他污表面预处理包括表面净化，除去金属表面的油脂、其他污物、锈、氧化皮、旧涂层、焊接熔粒，以及对表面的粗化物、锈、氧化皮、旧涂层、焊接熔粒，以及对表面的粗化处理喷砂、车螺纹、滚花和电拉毛喷砂、车螺纹、滚花和电拉毛涂层后处理和后加工涂层后处理和后加工 涂层后处理包括后热处理（重熔处理和扩散处理）及封涂层后处理包括后热处理（重熔处理和扩散处理）及封孔处理涂层后加工包括切削和磨削，切削热喷涂涂层较好的刀涂层后加工包括切削和磨削，切削热喷涂涂层较好的刀具有以下具有以下3类：（类：（1）添加碳化钽、碳化铌的超细晶粒硬）添加碳化钽、碳化铌的超细晶粒硬质合金；（质合金；（2）陶瓷刀具材料；（）陶瓷刀具材料；（3）立方氮化硼）立方氮化硼（CBN）热喷涂涂层的精加工通常采用磨削方法，因为它可以获热喷涂涂层的精加工通常采用磨削方法，因为它可以获得更高的精度与更好的表面粗糙度得更高的精度与更好的表面粗糙度第二节 典型热喷涂简介常用热喷涂的工艺分类 2.1火焰喷涂火焰喷涂 火火焰焰喷喷涂涂的的基基本本原原理理是是通通过过乙乙炔炔、氧氧气气喷喷嘴嘴出出口口处处产产生生的的火火焰焰，将将线线材材（棒棒材材）或或粉粉末末材材料料加加热热熔熔化化，借借助助压压缩缩空空气气使使其其雾雾化化成成微微细细颗颗粒粒，喷喷向向经经预预先先处处理理的的粗粗糙糙工工件件表表面面使使之之形形成成涂涂层层。

燃燃烧烧气气体体还还可可以以用用丙丙烷、氢气或天然气等烷、氢气或天然气等粉末火焰喷涂的原理示意图火焰喷涂特点火焰喷涂特点1.1.中心火焰最高可达中心火焰最高可达300030002.2.雾化颗粒速度可达雾化颗粒速度可达10-20m/s10-20m/s3.3.适用于熔点低于适用于熔点低于25002500材料材料4.4.设备简单设备简单,投资低投资低常用的火焰喷涂涂层及作用常用的火焰喷涂涂层及作用涂层涂层应用应用锌、铝锌、铝钢结构的防腐涂层钢结构的防腐涂层镍镍/铝铝粘结底层粘结底层钼钼粘结底层，优异的抗粘着磨损性能粘结底层，优异的抗粘着磨损性能高铬钢高铬钢耐磨保护涂层耐磨保护涂层青铜，巴氏合金青铜，巴氏合金轴承修复轴承修复不锈钢、镍、塑料不锈钢、镍、塑料耐腐蚀涂层耐腐蚀涂层铝、镍铝、镍/铝铝抗热氧化涂层抗热氧化涂层2.2 2.2 等离子喷涂等离子喷涂 等等离离子子喷喷涂涂法法是是利利用用等等离离子子焰焰的的热热能能将将引引入入的的喷喷涂涂粉粉末末加加热热到到熔熔融融或或半半熔熔融融状状态态，并并在在高高速速等等离离子子焰焰的的作作用用下下，高高速速撞撞击击工工件件表表面面，并并沉沉积积在在经经过过粗粗糙糙处处理理的的工工件件表表面面形形成很薄的涂层。

涂层与母材的结合主要是机械结合成很薄的涂层涂层与母材的结合主要是机械结合.2.2 等离子喷涂原理：原理：等离子喷枪的作用是产生等离子火焰并喷射出高速气流等等离子喷枪的作用是产生等离子火焰并喷射出高速气流等离子喷枪由铜阳极嘴和钨阴极头组成气体从阴极流向阳极，经离子喷枪由铜阳极嘴和钨阴极头组成气体从阴极流向阳极，经压缩、离化后从阳极喷射出去压缩后的等离子电弧，通过阳极压缩、离化后从阳极喷射出去压缩后的等离子电弧，通过阳极孔道喷出后，离子气发生急剧膨胀，将压缩气流加速到亚音速甚孔道喷出后，离子气发生急剧膨胀，将压缩气流加速到亚音速甚至超音速水平，粉末被迅速加热、加速，并喷涂到基体表面至超音速水平，粉末被迅速加热、加速，并喷涂到基体表面优点：优点：等离子喷涂的最大优势是焰流温度高，喷涂材料适应面广，等离子喷涂的最大优势是焰流温度高，喷涂材料适应面广，特别适合喷涂高熔点材料等离子喷特别适合喷涂高熔点材料等离子喷 涂层的密度可达理论密度的涂层的密度可达理论密度的 8598%，真空喷涂可达，真空喷涂可达9599.5%，结合强度也很高，结合强度也很高(3570 Mpa)，而且涂层中夹杂较少，喷涂质量远优于火焰喷涂层而且涂层中夹杂较少，喷涂质量远优于火焰喷涂层。

等离子喷涂特点等离子喷涂特点1.1.等离子体温度可达等离子体温度可达1000010000以上以上2.2.雾化颗粒速度可达雾化颗粒速度可达600m/s600m/s以上以上3.3.适用于各种材料适用于各种材料4.4.设备投资高设备投资高火焰喷涂(左)和大气等离子喷涂(右)Ni80Cr20涂层的金相组织 2.3电弧喷涂电弧喷涂(ArcSpray)原理：电弧喷涂的基本原理是将两根被喷涂的金属丝作自耗性电极，电弧喷涂的基本原理是将两根被喷涂的金属丝作自耗性电极，连续送进的两根金属丝分别与直流的正负极相连接在金属丝端连续送进的两根金属丝分别与直流的正负极相连接在金属丝端部短接的瞬间，由于高电流密度，使两根金属丝间产生电弧，将部短接的瞬间，由于高电流密度，使两根金属丝间产生电弧，将两根金属丝端部同时熔化，在电源作用下，维持电弧稳定燃烧；两根金属丝端部同时熔化，在电源作用下，维持电弧稳定燃烧；在电弧发射点的背后由喷嘴喷射出的高速压缩空气使熔化的金属在电弧发射点的背后由喷嘴喷射出的高速压缩空气使熔化的金属脱离金属丝并雾化成微粒，在高速气流作用下喷射到基材表面而脱离金属丝并雾化成微粒，在高速气流作用下喷射到基材表面而形成涂层形成涂层。

特点：电弧喷涂只能用于具有导电性能的金属线材电弧喷 涂的涂层密度可达7090%，比火焰喷涂涂层要致密、结合强度(1040 MPa)高且运行费用较低，沉积效率高电弧温度可达5000，雾化颗粒速度可达180335m/s应用：是喷涂大面积涂层尤其是长效防腐锌、铝涂层的最佳选择2.4爆炸喷涂爆炸喷涂原理：原理：氧气、燃料(如乙炔)和粉末输送到枪管内，点燃混合气体产生爆炸，使粉末加热、加速，以超音速喷出，沉积在基体表面每次喷射后通入氮气流清洗枪管目前，爆炸喷涂的频率达60Hz特点：特点：喷射速度快、结合强度高(85Mpa)；涂层密度可达99.9%焰流温度不太高，不适合喷涂陶瓷等高熔点材料，但可解决碳化物高温分解 难题一般专用于喷涂碳化物或金属陶瓷涂层缺点：缺点：喷涂效率非常低，运行成本相对较高2.5超音速喷涂超音速喷涂(HighVelocityOxygenFuel，简称简称HVOF)原理：原理：采用高压水冷的反应腔和细长的喷射管，燃料(煤油、乙炔、丙烯和氢气)和氧气送入反应腔，燃烧产生高压火焰燃烧火焰被喷射管压缩并加速喷射出去喷涂粉末可以用高压轴向送入或从喷射管侧面送入特点：速度高而温度相对较低。

密度可达99.9%，结合强度达70 Mpa以上残余应力小，甚至可以得到残余压应力，故可喷涂更厚的涂层（最大厚度为12.7mm）同样适合喷涂含碳化物涂层缺点：燃料消耗大，喷涂效率比爆炸喷涂高，但成本仍然比较高现代热喷涂枪从上至下：超音速火焰喷枪，等离子喷枪，火焰喷枪，电弧喷枪常用热喷涂技术的工艺特性常用热喷涂技术的工艺特性 比较项目比较项目火焰喷涂火焰喷涂电弧喷涂电弧喷涂等离子喷涂等离子喷涂爆炸喷涂爆炸喷涂超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂热热源源O2+C2H4电弧加热电弧加热电弧产生高温电弧产生高温低压等离子体低压等离子体O2+C2H2煤油、乙烯、丙煤油、乙烯、丙烯、氢气烯、氢气焰流温度焰流温度(oC)850200020,00020,000未知未知14002500焰流速度焰流速度(m/s)5010030500200120080012003001200颗粒速度颗。