第八讲-热喷涂的原理和特点
第八部分热喷涂
电源 冷却水
工作气体
控制 设备
送粉 气体
粉末
送粉 设备
喷枪
等离子喷涂设备示意图
等离子弧喷涂枪示意图
粉末
绝缘套 冷却系统
喷嘴 前枪体
火焰喷涂
以气体燃烧热为热源，将金属丝或粉末熔化并雾化而进行的 喷涂。 1. 线材火焰喷涂 2. 粉末火焰喷涂
线材火焰喷涂装置示意图
8 7 3
6
5
火焰喷射枪剖面图
7
6
8
5
9
1
1.燃料气(C2H2),
2.助燃气(O2),
1
3.气体流量计,
4.压缩空气,
2
5.空气过滤器,
6.空气控制器,
7.线材控制装置,
送丝 装置
丝盘
压缩气体
电弧喷涂原理示意图
电源：V = 40V，I = 100-400A 平的伏安特性。
电弧喷涂枪， 送丝装置， 气体压缩机。
电弧喷涂丝材主要有Al, Zn, Cu, Ni, Mo等及其合金，以及碳钢、 不锈钢等。
1.空气接头 2.手柄开关 3.喷枪体 4.导电嘴 5.金属丝 6.挡弧罩
rw- 蒸馏水的密度 rz- 涂层材料的密度 rc- 金属丝的密度 rv- 凡士林的密度
思考题
1、什么是热喷涂？其工艺选用的基本原则。 2、什么是等离子体？ 3、等离子喷涂的基本原理。
d
P
涂层结合强度(sb)
sb = 4P/pd2
涂层 试样之固定部分 试样之活动芯棒 支撑
第八讲-热喷涂的原理和特点
3.涂层的结合方式
（1）涂层的结合
涂层的 涂层内聚
结合
涂层与基体表面
（2）涂层的结合方式
1）机械结合 撞成扁平状的颗粒和凸凹不平的基材表面互相嵌 合(即抛锚效应)而结合在一起。 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。
3）冶金结合
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 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)。
局限性：
热效率低 材料利用率低，浪费大 涂层与基体结合强度较低
四、热喷涂的应用
① 防腐蚀 主要用于大型水闸钢闸门、造纸机烘缸、煤矿井 下钢结构、高压输电铁塔、电视台天线、大型钢桥梁、 化工厂大罐和管道的防腐喷涂。 ② 防磨损 通过喷涂修复已磨损的零件，或在零件易磨损部 位预先喷涂上耐磨材料，如风机主轴、高炉风口、汽 车曲轴、机床主轴、机床导轨、柴油机缸套、油田钻 杆、农用机械刀片等。
二、热喷涂基本原理
1.热喷涂的基本过程
从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般 经历四个阶段： （1）喷涂材料被加热到熔化或半熔化状态 （2）喷涂材料的熔滴被雾化 （3）雾化或软化的微细颗粒喷射飞行 （4）微细颗粒撞击基体表面形成涂层
2.涂层的结构
由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起而 形成的层状组织结构。 组成：变形颗粒、氧化物、气孔和未熔化颗粒
③ 特殊功能层 通过喷涂获得表层某些特殊性能，如耐高温、隔 热、导电、绝缘、防幅射等，在航空航天和原子能等 部门应用较多。
第八讲 热喷涂的原理和特点
பைடு நூலகம் 主要内容
一、热喷涂的定义 二、热喷涂基本原理 三、热喷涂的分类和特点 四、热喷涂的应用
热喷涂技术及应用
热喷涂技术及应用学校：西南大学班级：材料科学与能源学部学号：***************姓名：***热喷涂技术及应用㈠热喷涂的定义热喷涂是利用热源讲喷涂材料加热到熔化或半融化状态，用高速气流将其雾化并喷射到基体表面形成涂层的技术。
热喷涂技术在普通材料的表面上，制造一个特殊的工作表面，使其达到：防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系多种功能，使其达到节约材料，节约能源的目的，我们把特殊的工作表面叫涂层，把制造涂层的工作方法叫热喷涂。
㈡热喷涂基本原理⒈热喷涂的基本过程①喷涂材料被加热到熔化或半融化状态②喷涂材料的熔滴被雾化③雾化或软化的微细颗粒喷射飞行④微小颗粒撞击基体表面并形成涂层⒉涂层的结构热喷涂涂层是由燃烧火焰或等离子热源将某种材料加热至熔化或热塑性状态,形成一簇高速的熔态粒子流(熔滴流),熔滴依次撞击基体或已形成的涂层表面,经过粒子的横向流动扁平化、急速凝固冷却、不断堆积起来而形成的。
由于热喷涂涂层为典型的层状结构，所以涂层的性能具有方向性。
在垂直和平行涂层为向上的性能有显著的差异。
对涂层进行适当地处理和重熔，既可以使层状结构转变为均质结构，还可以消除层状中的氧化物夹杂和气孔。
⒊涂层的结合方式涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内聚的结合。
前者的结合强度称为结合力。
后者的结合强度称为内聚力。
涂层的一般结合方式有三种：①机械结合熔融态的粒子撞击基体表面并快速冷却凝固时，会因收缩而咬住高低不平的基体部分，形成了机械结合。
②物理结合借助于分子（原子）之间的范德华力是喷涂层附着于基体表面的结合方式。
③冶金结合当熔融的微细颗粒高速撞击基体表面是时，涂层和基体界面出现扩散和合金化时的一种结合方式。
⒋涂层的残余应力一般情况下，热喷涂涂层存在着明显的残余应力。
当熔融颗粒高速碰撞碰撞基体表面，在产生形变的同时快速冷却凝固，这时会在颗粒内部产生张应力，而在基体表面产生压应力。
热喷涂
NiCr-Cr3C2
Байду номын сангаас
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4. 热障涂层材料
要求：＞1000℃下使用，低的热导率 材料：ZrO2 1170℃，t相→m相
ZrO2+MgO 低热导、高热膨胀系数、1200 ℃下相稳定、抗腐蚀 双层结构系统： 0.1mm MCrAlY + 0.25mm YPSZ
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涂层的选择和设计
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三、常用热喷涂材料
1. 金属热喷涂材料
• 粉末： 制造方法简单、灵活，材料成分不受限制，特别适合小批量热 喷涂；
线材：
在方便的条件下推荐采用。
表 6－ 6
2015-4-29 24/118
2. 陶瓷热喷涂材料
• 基本都是粉末 • 一般为氧化物陶瓷材料
表 6－ 7
2015-4-29
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Ni基、Co基、Fe基及WC等四种系列。
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陶瓷粉末：
氧化物
碳化物 硼化物
Al2O3、ZrO2、TiO2
WC、SiC、TiC ZrB2、CrB2
硅化物
氮化物
MoSi2
VN、TiN
塑料粉末：
美观、耐蚀 热塑性塑料 热固性塑料 聚乙烯、聚酰胺 环氧树脂
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2. 复合喷涂粉末
材料：铁基、镍基、钴基
WC, TiC, Cr3C2、 Al2O3, Cr2O3
减磨：G、MoS2、
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3. 抗高温涂层材料
要求：抗高温氧化、腐蚀、磨损 材料选择原则：①足够高的熔点，②高温化学稳定性好， ③具有要求的热疲劳性， ④含有氧亲和力大的合金元素， ⑤对显微组织有一定要求。 材料 : Ni, Co, NiCo
现代表面技术-热喷涂
若工件表面硬度在510HV以上又不容许去除硬表面 若工件表面硬度在510HV以上又不容许去除硬表面 层时，喷砂后还需先涂敷结合层以增加喷涂层与基 体的结合强度。结合层材料主要有钼、镍、铝和铝 青铜等，选用时应注意结合层材料的适用范围。如 钼不适用于铜、铜合金和氮化层表面；镍铝合金不 适用于铜及铜合金工件表面。铝青铜不适用于氮化 层表面。喷砂时要有良好的通风吸尘装置。必要时， 需作比较性试验，以选择具有最佳涂层附着力的工 艺参数，喷砂后除极硬的材料表面外，不应出现光 亮表面。喷砂表面粗化完成后，工件表面要保持清 洁，并尽快(一般不超过2h)转入喷涂工序。 洁，并尽快(一般不超过2h)转入喷涂工序。
2．热喷涂特点 (1)适用范围广。涂层材料可以是金属和非金属 (1)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、氮化硼 等陶瓷) 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) 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 (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)喷涂层的厚度可调范围大。涂层厚度可从几 (3)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。 (4)工件受热程度可以控制。除喷熔外，热喷涂 (4)工件受热程度可以控制。除喷熔外，热喷涂 是一种冷工艺，例如氧是一种冷工艺，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℃ 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。 (5)生产率高。大多数工艺方法的生产率可达到 (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／ 50kg／h以上。
热喷涂技术的原理与应用
热喷涂技术的原理与应用作为一种新兴的高温涂装技术，热喷涂技术已经广泛应用于各行各业。
热喷涂技术的原理是将金属或非金属材料加热后，在高速气流的作用下喷射到待涂装的物体表面上，形成一层均匀的涂层。
首先，我们来看一下热喷涂技术的原理。
热喷涂技术是一种非常灵活的涂装技术，可以使用各种不同类型的涂料和喷嘴来完成涂装作业。
热喷涂技术通常使用的是高速喷射材料和气体流，在加热和喷射的过程中，将材料熔化或升华，同时与气体流混合，并在物体表面形成涂层。
这种涂覆方式不仅能够对特殊表面进行涂料覆盖，还能够保持与物体表面的接触力，并提高耐磨性和化学稳定性。
接下来，我们来看一下热喷涂技术的应用。
热喷涂技术被广泛应用于航空航天、机床、汽车、石化、化工、建筑和船舶等领域。
在航空航天领域，热喷涂涂层已经被广泛的应用于航空发动机喷嘴、涡轮叶片和燃烧器内部零件等。
在机床制造业中，热喷涂技术用于提高工作表面的耐磨性、减少摩擦和降低噪音。
在汽车制造业中，热喷涂技术被用于制造高性能发动机的零部件、防锈和隔热材料。
在建筑和船舶领域，热喷涂涂层可用于加强钢结构的耐腐蚀性和耐候性。
总的来说，热喷涂技术在各行各业都有广泛的应用。
热喷涂技术的优点是它可以喷涂到各种形状和大小的物体表面，而且比传统的加热方法更加快速、便捷和高效。
此外，热喷涂技术可以使用各种不同类型的喷射材料，包括金属、陶瓷和聚合物等，从而满足各种不同应用需求。
热喷涂技术的局限性包括材料的成本、喷涂速度的限制和涂层质量的均一性等。
在未来，热喷涂技术将会得到进一步的发展和改进。
随着技术的不断精进，热喷涂涂层的品质将得到进一步的提高，甚至可以应用于更加苛刻的环境和条件下。
此外，热喷涂技术也将不断推陈出新，不断针对不同领域和应用需求进行创新。
相信，未来热喷涂技术一定会成为更加完善和强大的新型涂层技术，为各行各业的生产和工作提供更加完美的解决方案。
热喷涂
2、热喷涂粉末
（1）非复合喷涂粉末：简单粉末，每个粉粒仅由 单一的成分组成。 ①金属及合金粉末 喷涂合金粉末（也称冷喷合金粉末）：这种粉末 不需要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；工作层粉末熔点低，具有较高伸长率，保 证涂层具有所要求的性能。 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），在重熔过程 中它们优先与合金粉末中的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。如镍基、钴基、铁基及碳化钨基等四种系列。
热喷涂
热喷涂技术是采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、 激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、 塑料以及它们的复合材料等喷涂材料加热到熔融或半熔融状
态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理
的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。如果 将喷涂层在加热重熔，则产生冶金结合。这种方法称为热喷 涂方法。
②陶瓷材料粉末：热喷涂陶瓷粉末主要包括金 属氧化物（如Al2O3、TiO2等） 碳化物（如WC、SiC等） 硼化物（如ZrB2、CrB2等） 硅化物（如MoSi2 等） 氮化物（如VN、TiN等）。 ③塑料粉末：塑料涂层具有美观、耐蚀的性能， 有热塑性（受热熔化或冷却时凝固，如聚乙烯， 尼龙粉等）和热固性（受热产生化学变化，固 化成型，环氧树脂，酚醛树脂等就是把两种或两种以上的材料复合而 制成的喷涂线材。 复合喷涂线材中大部分是增效复合喷涂线材，即在 喷涂过程中不同组元相互发生放热反应生成化合物，反 应热与火焰热相叠加，提高了熔滴温度，达到基体后会 使基体局部熔化产生短时高温扩散，形成显微冶金结合， 从而提高结合强度。 目前发现143组“组元对”有放热反应。 常用的有：Ni-Al复合丝、Al-Cr、 Al-B、 Al-Ni-WC、 Al-Ni-Cr、Al-Ni-Al2O3等线材。 利用组元对放热反应，再加入其它强化组元可制成 自结合一步喷涂丝。这种丝的特点是兼有打底层及工作 层的性能，利用放热方法可使涂层结合牢固，又因其它 组元的强化作用而得到高的综合性能。如不锈钢－Ni/Al 丝、Ni－Al－Mo丝等。
熔射(热喷涂工艺)
2.热喷涂的形成过程 2.3 涂层成分与结构
一般情况下，涂层成分中的合金元素含量 与原喷涂材料是有所差异的，其原因在于：
① 粒子在高温下蒸发 ② 粒子在高温下烧损 ③ 粒子在高温下表面发生反应
2.4 热喷涂层的结合机理
热喷涂的结合方式可分为：机械结合和冶金化学结合 1.机械结合 熔化或接近熔化的粒子在喷涂时撞击到基体 表面产生变形、镶嵌、咬合和填塞，最后冷凝收缩，形成 机械的结合，这是涂层结合的主要形态。 2.冶金-化学结合 涂层结合的次要形态，当涂层与基体表 面出现扩散和合金化时的一种结合类型，但其结合力比机 械结合大的多，由三部分组成：
粒子的尺寸、粒子的飞行距离等因素有关。
黄铜、钼及锌的线材气体火焰喷涂时，在粒子的飞行 距离为100mm处，三种粒子的平均飞行速度分别为120， 65，140m/s。
爆炸喷涂时粒子的飞行速度更大，可高达1000m/s。
飞行速度的大小影响粒子与基体表面碰撞时转换能量 的大小、粒子的变形程度以及结合强度。
主要内容
1 热喷涂的定义与特点 2 热喷涂的基本原理 3 热喷涂工艺 4 热喷涂材料的工艺性能及分类 5 热喷涂层的后处理
1.热喷涂的定义与特点
★ 定义 采用一定的热源，将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，
通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到工件表面，形成 喷涂沉积层的一种表面覆盖方法。
1.热喷涂的定义与特点
4.热喷涂材料的工艺性能及分类
4.2 热喷涂材料分类 热喷涂材料按形态可分为：
粉末：等离子喷涂、爆炸喷涂和气体火焰喷涂。 线材及棒材：主要用于气体火焰喷涂，电弧喷涂和线爆喷 涂。
热喷涂材料按材质可分为： 金属及其合金陶瓷、金属间化合物、塑料、玻璃和陶瓷等。
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三、热喷涂的分类和特点
1.热喷涂的分类
热喷涂
喷涂
喷焊
2.热喷涂的特点
① 工艺灵活，适用范围广。 热喷涂施工对象可大可小，小的可到10mm内孔 (线爆喷涂)，大的可到桥梁、铁塔(火焰线材喷涂或电 孤喷涂)，可在室内喷涂，也可在野外现场作业；可整 体喷涂，也可以局部喷涂。 ② 喷涂层的厚度可调。
③ 工件应力变形小。 基体可保持较低的温度，工件产生的应力变形很 小。 ④ 生产效率高。 每小时喷涂材料重量从几千克到几十千克，沉积 效率很高。
③ 特殊功能层 通过喷涂获得表层某些特殊性能，如耐高温、隔 热、导电、绝缘、防幅射等，在航空航天和原子能等 部门应用较多。
第八讲 热喷涂的原理和特点
主要内容
一、热喷涂的定义 二、热喷涂基本原理 三、热喷涂的分类和特点 四、热喷涂的应用
一、热喷涂的定义
热喷涂是利用热源将喷涂材料加热到熔化 或半熔化状态，用高速气流将其雾化并喷射到 基体表面形成涂层的技术。
说明：
① 喷涂热源可用燃气火焰、电弧、等离子弧或激光束等。 ② 喷涂材料可为金属、合金、金属氧化物和碳化物、陶 瓷和塑料等，材料形态可为线材、棒料或粉末。 ③ 喷涂的基体可为金属、陶瓷、玻璃、塑料、石膏、木 材、布、纸等固体材料。 ④ 喷涂的涂层厚度为几十微米至数毫米。
二、热喷涂基本原理
1.热喷涂的基本过程
从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般 经历四个阶段： （1）喷涂材料被加热到熔化或半熔化状态 （2）喷涂材料的熔滴被雾化 （3）雾化或软化的微细颗粒喷射飞行 （4）微细颗粒撞击基体表面形成涂层
2.涂层的结构
由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起而 形成的层状组织结构。 组成：变形颗粒、氧化物、气孔和未熔化颗粒
3.涂层的结合方式
（1）涂层的结合
涂层的 涂层内聚
结合
涂层与）机械结合 撞成扁平状的颗粒和凸凹不平的基材表面互相嵌 合(即抛锚效应)而结合在一起。 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。
3）冶金结合
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 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)。
局限性：
热效率低 材料利用率低，浪费大 涂层与基体结合强度较低
四、热喷涂的应用
① 防腐蚀 主要用于大型水闸钢闸门、造纸机烘缸、煤矿井 下钢结构、高压输电铁塔、电视台天线、大型钢桥梁、 化工厂大罐和管道的防腐喷涂。 ② 防磨损 通过喷涂修复已磨损的零件，或在零件易磨损部 位预先喷涂上耐磨材料，如风机主轴、高炉风口、汽 车曲轴、机床主轴、机床导轨、柴油机缸套、油田钻 杆、农用机械刀片等。