表面工程学五.喷涂

二、热喷涂技术的分类及其特点 1 热喷涂技术的分类 按热源分类，各喷涂方法的焰流温度和粒子速度不同。
热喷涂技术的特点 （1） 可在各种基材上制备各种涂层； （2） 基材温度低（30 ～ 200℃），热影响区浅，变形小；
（3） 涂层厚度范围宽（0.5
～
5mm） ；
（4） 操作灵活，可在不同尺寸和形状的工件上喷涂； （5） 加热效率低，喷涂材料利用率低， （6） 涂层与基体结合强度低。
热喷涂材料分类（金属类，表1-3）
金属类 分 类 品 种 纯金属 合 金 Sn、Pb、Zn、A1、Cu、Ni、W、Mo、Ti 等 (1)Ni 基合金：Ni-Cr、Ni-Cu；(2)Co 基合金：CoCrW (3)MCrAlY 合金：NiCrAlY，CoCrAlY、FeCrAlY (4)不锈钢；(5)铁合金；(6)铜合金；(7)铝合金 (8)巴氏合金；(9)Triballoy 合金 自熔性合金 (1)Ni 基自熔性合金：NiCrBSi、NiBSi (2)Co 基自熔性合金：CoCrWB、CoCrWBNi (3)Fe 基自熔性合金：FeNiCrBSi (4)Cu 基自熔性合金
热喷涂材料的要求
（1）热稳定性好，在高温焰流中不升华，不分解(复合粉末）。 （2） 有较宽的液相区，使熔滴在较长时间内保持液相。 （3）与基材有相近的热膨胀系数，以防止因膨胀系数相差过 大产生较大的热应力。 （4） 喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的浸润性，以保 证涂层与基材之间有良好的结合性能。
4） 压缩空气压力和流量：影响喷涂材料的雾化效果和熔粒的飞 行速度，对涂层的质量有很大的影响。 5） 喷涂距离应控制在100～200mm，喷涂角不应小于45°。
（3） 电弧喷涂的用途
1） 在钢铁构件上喷涂锌、铝涂层，对构件进行长效防护。 2） 在钢铁件上喷铝可防止高温氧化。
3） 在钢铁件上喷不锈钢或其它耐磨金属，用于耐磨蚀防护。
四、热喷涂工艺流程和质量控制 质 量 控 制 要 素 （ 4M ） ： 设 备 （ Machine ） 、 材 料 （Materials）、工艺（Methods）和人员（Man）。 热喷涂工艺流程包括基材表面预处理、热喷涂、后处理和 精加工等过程。
热喷涂工艺流程
1 基材表面预处理 （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。 粗化处理可提高涂层结合强度的理由是：
热喷涂材料分类（非金属类，表1-3）
非金属类 分 类 品 种 (1)A1 系：A12O3、A12O3·SiO2、Al2O3·MgO 金属氧化物 (2)Ti 系：TiO2 (3)Zr 系：ZrO2、ZrO2·SiO2、CaO-Zr02、MgO- ZrO2 (4)Cr 系：Cr2O3 金属碳化物 (1)WC、W2C；(2)TiC； 及硼化物 (3)Cr3O2、Cr23C6；(4))B4C、SiC 包覆粉 Ni 包 Al、Ni 包金属及合金、Ni 包陶瓷 团聚料 熔炼粉及 烧结粉 塑 料 金属+合金、WC 或 WC-Co+金属及合金、氧化物+金 属及合金、氧化物+氧化物 碳化物+自熔性合金、WC+Co (1)热塑性粉末：聚乙烯、尼龙、聚苯硫醚 (2)热固性粉末：环氧树脂
2 涂层的后处理（封孔处理） 封孔处理的目的： （1） 防止或阻止涂层界面处的腐蚀； （2） 在某些机械部件中防止液体和压力的密封泄露； （3） 防止污染或研磨碎屑碎片进入涂层； （4） 保持陶瓷涂层的绝缘强度。
封孔处理是在喷涂之后、机加工之前进行。
常用封孔剂
表 6—3 常用封孔剂 类 型 封 孔 非干燥型 空气干燥型 烘烤型 催化型 无机封孔剂
剂
石蜡、油脂、油 油漆、氯化橡胶、空气干燥型酚醛、乙烯树脂、硅树脂、 煤焦油、聚氨酯、亚麻子油、聚酯 烘烤酚醛、酚醛树脂、环氧树脂、聚酯、聚酰胺树脂 环氧树脂、聚酯、聚氨酯 硅酸钠、磷酸盐
五、热喷涂方法 1 火焰喷涂 用氧－乙炔气体作为加热源，用燃气或惰性压缩气体雾化并 加速喷涂材料，在基材表面沉积形成涂层。 火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。
4） 在机械零件上喷涂碳钢、青铜等材料，用于修复零部件。
5）在塑料制品上喷涂屏蔽涂层等。
6） 用电弧喷铝或喷锌生产复合钢板。
3 等离子喷涂 利用非转移等离子弧作为热源对喷涂材料进行加热、加速、 涂敷。 等离子焰流温度高、流速快，因此喷涂效率高、涂层致密、结 合强度高、基材表面热影响区小。
（1）等离子喷涂设备
（1）线材火焰喷涂 （1）线材火焰喷涂 线材火焰喷涂原理图。 线材火焰喷涂设备示意图和喷涂枪。
（2）粉末火焰喷涂 （2）粉末火焰喷涂 粉末火焰喷涂的基本原理和喷涂枪。
火焰喷涂工艺（1） 工艺流程 工件表面预处理→预热→喷涂打底层→喷涂工作层→后处理。 a) 预热目的：
1） 去除工件表面的水分； 2） 提高工件表面与熔粒的接触温度； 3） 降低涂层冷却速度，减小涂层内应力。 预热温度一般控制在150～300℃为宜。可直接用喷枪预热。
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。
粗化处理的方法（1） 1） 表面喷砂，使其粗糙度为Ra3.2～12.5μm；
表 6－1 达到所要求粗糙度的喷砂条件
磨料粒度 /目 24 60 80 磨料材质 喷砂压力 喷嘴孔径 设备类型 基体材质 粗糙度 /kPa /mm /μ m 414 7.9 12.5 氧化铝 压力式 钢 414 7.9 6.3 氧化铝 虹吸式 不锈钢 碳化硅 414 7.9 6.3 压力式 塑料 氧化铝
第六章 热喷涂、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。
2 涂层形成过程
（1） 喷涂材料被加热到熔融状态。 （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 热喷涂材料的选材原则
（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。
常用的火焰喷涂材料及用途
表 6—5 最常用的火焰喷涂涂层材料及应用
涂层材料 应 用 锌、铝 钢结构的阴极保护防腐涂层 镍—铝 粘结底层 钼 粘结底层；有优异的抗粘着磨损性能 高铬钢 耐磨保护涂层 青铜、巴氏合金 轴承修复 不锈钢、镍、蒙乃儿合金 耐腐蚀涂层 铝、镍—铝 抗热氧化涂层 塑料 防腐蚀涂层
由等离子弧电源、电器控制、喷枪、气源、送粉系统、水冷 系统等组成。
等离子喷涂设备（2） 等离子喷涂喷枪及喷嘴。 粉末送入方式：外送式和内送式。
（2） 等பைடு நூலகம்子喷涂工艺（1）
1） 输入功率和电参数：确保粉末熔化良好，防止出现生粉。 2） 等离子气体的选择： 氮气：热焓高，价格低廉，是等离子喷涂主要工作气体。
粗化处理的方法（2） 2） 开槽；
粗化处理的方法（3） 3） 电火花拉毛；
4） 喷涂粘结底层。
表 6—2 粘结底层材料及最高使用温度 涂层（质量分数） 温度/℃ 钼 315 620 80％Ni—20％Al 1010 95％Ni—5％Al 1260 80％Ni—20％Cr 980 94％Ni—6％A1 1316 Ni(Co)CrY
2 电弧喷涂 电弧喷涂原理示意图、设备和喷枪。
（1）电弧喷涂特点 1）热效率高：电弧喷涂热能利用率高达60％～70％。 2）涂层密度（70～90％）比火焰喷涂涂层致密，结合强度比火 焰喷涂高。
电弧喷涂特点（2）
3） 电弧喷涂可以利用两根成分不同的金属丝 制备假合金涂层。 4） 由于电弧喷涂是两丝同时送进，所以喷涂 效率高。
火焰喷涂工艺（3） c) 喷后处理 对防腐涂层应进行涂层后处理。
表 6—3 常用封孔剂 类 型 封 孔 非干燥型 空气干燥型 烘烤型 催化型 无机封孔剂 剂
石蜡、油脂、油 油漆、氯化橡胶、空气干燥型酚醛、乙烯树脂、硅树脂、 煤焦油、聚氨酯、亚麻子油、聚酯 烘烤酚醛、酚醛树脂、环氧树脂、聚酯、聚酰胺树脂 环氧树脂、聚酯、聚氨酯 硅酸钠、磷酸盐
涂层的结合强度（2） （2） 物理结合：熔融粒子的原子与基材表面原子之间距离达 到晶格常数范围时，产生范德华力，形成物理结合。 （3） 冶金-化学结合：熔融粒子撞击基材表面时释放出的能量 使喷涂材料与基材之间发生局部扩散和焊合，形成冶金结合。 如喷涂镍包铝复合粉末时的放热反应。 热喷涂的涂层与基材的结合主要以机械结合为主，结合强 度较差(<70MPa)。
火焰喷涂工艺（2） b) 喷涂
需打底层时，可在喷涂工作层之前用 钼或放热型的镍包铝、铝包镍粉末先喷 涂一层厚度约0.10～0.15mm的打底层。 严格控制喷涂材料的供给速度、喷涂 距离（100～150mm）、每道涂层的厚度 （0.1～0.15mm）、喷枪与工件的移动速 度（7～18m／min）和层间温度 （<250℃）等。
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。 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％。
涂层结构（4） 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；
三、热喷涂材料
1 喷涂材料的分类和要求 热喷涂材料按材料的形态分线材、棒材和粉末三大类。
表 1－2 热喷涂线材和棒材分类 类别 分 类 品 种 有色金属 (1)纯金属：Zn、A1、Cu、Ni、Mo 金属 (2)合金：Zn-A1，Pb-Sn、Cu 合金、巴氏合金、Ni 合金 线材 普通钢及 碳钢、低合金钢 低合金钢 高合金钢 不锈钢、耐热钢 棒材 陶瓷棒材 A12O3，TiO2，Cr2O3、ZrO2、A12O3+MgO、A12O3+SiO2 金属包金属 铝包镍、镍包合金 复合 金属包陶瓷 金属包碳化物、金属包氧化物 线材 塑料包覆 塑料包金属、塑料包陶瓷