热喷涂、喷焊与堆焊
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堆焊的应用原理方法有哪些
堆焊的应用原理方法有哪些1. 什么是堆焊堆焊（Hardfacing）是一种应用于金属和合金材料上的焊接工艺，通过在表面上添加一层耐磨、耐腐蚀或其他特殊性能的合金材料，以提高材料的使用寿命、抗磨损能力和耐蚀性。
堆焊广泛应用于工业领域，包括矿山设备、冶金设备、石油化工设备以及交通工具等领域。
2. 堆焊的原理堆焊的原理是将特殊合金材料通过焊接工艺添加到金属基体上。
通过熔化并冷却的过程，使合金材料与金属基体形成牢固的结合。
这种结合能够提供增强的耐磨、耐腐蚀和抗冲击性能。
3. 堆焊的应用方法以下是堆焊的常见应用方法：3.1 热喷涂法热喷涂法是将熔融的金属或合金，通过喷涂枪喷射到金属基体上，形成一层涂层的方法。
这种方法适用于涂层要求较薄，且要求涂层与金属基体结合较好的情况。
3.2 电弧堆焊法电弧堆焊法是将特殊合金材料作为焊丝供应，通过电弧加热使其熔化，并与金属基体结合。
这种方法适用于需要较厚的涂层，并且对涂层质量有较高要求的情况。
3.3 前热堆焊法前热堆焊法是在堆焊之前，对金属基体进行加热处理。
这种方法可以改善涂层与金属基体的结合强度，减少应力和变形。
3.4 冷堆焊法冷堆焊法是一种无热堆焊方法，它使用具有粘附性的特殊粘合剂和颗粒填料，通过机械挤压形成堆焊层。
这种方法适用于高温环境下对基体材料的保护。
3.5 自熔堆焊法自熔堆焊法是将堆焊材料填充到坑、凹槽或缺陷处，然后对其进行熔化和冷却的方法。
这种方法适用于修复已经存在的缺陷或损坏。
4. 堆焊的应用领域堆焊可应用于以下领域：•矿山设备：矿山机械设备常受到磨损和冲击，堆焊可增加其寿命和耐久性。
•冶金设备：堆焊可提高冶金设备的耐火性能和耐腐蚀性能。
•石油化工设备：堆焊可增加石油化工设备的耐腐蚀能力和耐高温性能。
•交通工具：堆焊可提高交通工具的耐磨损性能和强度。
5. 堆焊的优点堆焊具有以下优点：•可以在原材料的基础上增加特殊性能，无需改变整体材料结构。
•可以根据不同工况和需求选择不同的堆焊方法和材料。
热喷涂喷焊与堆焊PPT课件
热喷涂喷焊与堆焊
4 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。
热喷涂喷焊与堆焊
在涂层粉末熔化过程中，将材料参数及有关变量，如 热导率、熔化温度等，统一纳入到加热条件及气流动力学 方程中，可得到以下不等式。
• 残余应力： 致密涂层 > 疏松涂层 • 涂层应力大小可通过调整工艺参数而部分控制，
但更有效的方法是采用梯度过渡层缓和涂层应力
热喷涂喷焊与堆焊
减少涂层残余应力措施： （1） 减小涂层厚度； （2） 调整喷涂工艺参数； （3）采用较疏松涂层； （4） 采用梯度过渡层缓和涂层内应力
热喷涂喷焊与堆焊
8 涂层的结合强度
缺点：孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。优点： 但孔隙可以储存润滑剂，提高涂层的隔热性能，减小内应力 并因此增加涂层厚度，提高涂层抗热震性能，提高涂层的可 磨耗性能。
热喷涂喷焊与堆焊
6 热喷涂中的相变
相对基体来说，熔滴尺寸非常小，冷却速 度可达10∧6 K/s,冷却后会形成非晶态或亚稳相， 完全不同于同样材料在轧制态或铸态的组织结 构。
热喷涂喷焊与堆焊
➢ 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％。
热喷涂喷焊与堆焊
涂层内有一定比例的孔隙，产生原因是： (1) 未熔化颗粒的低冲击功能； （1） 喷涂角度不同造成的遮蔽效应； （2） 凝固收缩和应力释放效应
4 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。
热喷涂喷焊与堆焊
在涂层粉末熔化过程中，将材料参数及有关变量，如 热导率、熔化温度等，统一纳入到加热条件及气流动力学 方程中，可得到以下不等式。
• 残余应力： 致密涂层 > 疏松涂层 • 涂层应力大小可通过调整工艺参数而部分控制，
但更有效的方法是采用梯度过渡层缓和涂层应力
热喷涂喷焊与堆焊
减少涂层残余应力措施： （1） 减小涂层厚度； （2） 调整喷涂工艺参数； （3）采用较疏松涂层； （4） 采用梯度过渡层缓和涂层内应力
热喷涂喷焊与堆焊
8 涂层的结合强度
缺点：孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。优点： 但孔隙可以储存润滑剂，提高涂层的隔热性能，减小内应力 并因此增加涂层厚度，提高涂层抗热震性能，提高涂层的可 磨耗性能。
热喷涂喷焊与堆焊
6 热喷涂中的相变
相对基体来说，熔滴尺寸非常小，冷却速 度可达10∧6 K/s,冷却后会形成非晶态或亚稳相， 完全不同于同样材料在轧制态或铸态的组织结 构。
热喷涂喷焊与堆焊
➢ 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％。
热喷涂喷焊与堆焊
涂层内有一定比例的孔隙，产生原因是： (1) 未熔化颗粒的低冲击功能； （1） 喷涂角度不同造成的遮蔽效应； （2） 凝固收缩和应力释放效应
喷焊与堆焊技术-xin
3.3、堆焊技术的应用特性
1 结合强度高，抗冲击性能好；
2
成分和性能调节方便；
通过正确设计堆焊层的合金体系，可以获 得抗磨损、冲击、腐蚀、擦伤和气蚀等多 种性能的堆焊层，
3
堆焊层厚度大，2-30g/h; 双带极埋弧焊：68kg/h；
5 设备简单，与焊接设备通用；
6
热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多； 温度高，导致基材变形大。因此，对于 一些形状复杂、易热变形的零件，无法 使用热喷焊技术。
d)
热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有 一定差别；
•由于基体表面会少量熔化，并与喷焊材 料形成合金，导致成分差异。一般将基 材熔入喷焊层中的重量百分含量称为喷 焊层的稀释率。
3.1、堆焊层的形成和控制
１. 堆焊层的形成 １. 堆焊层的形成
由于堆焊材料与基材成分不同，必定会产生一层性 能和组织与基材和堆焊层都不相同的过渡层。该过 渡层如果是脆性的，将使性能恶化。
２. 相容性 ２. 相容性
取决于互溶性及是否产生脆性金属间化合物；还需 考虑两者之间的熔化温度、膨胀系数、热导率和比 电阻等物理相容性能的差异。(增加焊接应力，降低 结合质量)
1）喷焊材料需能够润湿基材； 2）必须与基材相容，即它们在液相和固 相下必须有一定的溶解度； 3）基材的熔点应高于喷焊材料的熔点， 否则易导致基材塌陷或损坏； 4）喷焊材料在凝固结晶过程中应不会产 生热裂纹，或使基材热影响区产生裂纹。
因此，热喷焊工艺只能适合于一些特定的金属材料（包括 基材和粉末）
C)
加热不均匀，薄壁、细长构件要注意变形。
3.4、堆焊工艺方法
各种焊接方法都可以用来进行堆焊.
常用堆焊的工艺方法可分为氧—乙炔焰堆 焊、手工电弧堆焊、钨极氩弧堆焊、熔化 极气体保护电弧堆焊、埋弧堆焊、等离子 弧堆焊和电渣堆焊等。 堆焊材料通常呈棒状、管状、带状，焊剂可以装在 管芯内或作为焊条药皮包覆在外层使用。
chapter 6 热喷涂、喷焊与堆焊技术
• 喷涂效率高，成本低．喷涂时生产效率为 喷涂效率高，成本低．
每小时数公斤到数十公斤。 每小时数公斤到数十公斤。 • 热热喷涂技术的局限性主要体现在热效率 材料利用率低、 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 结合强度较低三个方面。尽管如此， 涂技术仍然以其独特的优点获得了广泛的 应用。 应用。
• 线材；粉末 • 线材： • 锌及锌合金 • 铝及铝合金 • 铜及铜合金 • 铅及铅合金 • 锡及合金 • 镍及镍合金 • 不锈钢 •钼
耐大气腐蚀 耐工业气氛腐蚀，耐热 导电，装饰，耐海水 耐蚀和屏蔽 耐蚀，巴氏合金 耐盐酸，硫酸等 耐热浓硫酸
• 粉末： 粉末： • A.自溶性合金粉末 A.自溶性合金粉末 • 镍基 NiBSi, NiCrBSi • 钴基 Co,Cr,W, • 铁基 不锈钢型，高铬铸铁型 • B.复合粉末 B.复合粉末 • 铝-镍复合粉末 NiAl,Ni3Al • 一步自黏结复合粉末 • 工作复合粉末
二、热喷涂工艺方法
2．9等离子喷涂 • 等离子喷涂有大气等离子喷涂 可控气氛等离子喷涂和液体稳 定等离子喷涂方法。它用氮气、 定等离子喷涂方法。它用氮气、 氩气、氢气作为离子气、 氩气、氢气作为离子气、经电 离产生等离子高温射流， 离产生等离子高温射流，将输 入的材料熔化或熔融喷射到工 作表面形成涂层的方法。 作表面形成涂层的方法。主要 用于制备金属陶瓷， 用于制备金属陶瓷，金属相陶 瓷涂层。在这种喷涂装置上， 瓷涂层。在这种喷涂装置上， 对喷涂枪和电流进行改进而发 展了超音速等离子喷涂． 展了超音速等离子喷涂．它的 等离于焰流能量密度更高、 等离于焰流能量密度更高、焰 流速度更快、 流速度更快、提高了涂层质量
• 陶瓷粉末： • 氧化物，碳化物，氮化物，硼化物，硅化
探析冶金机械设备维修中的堆焊工艺
探析冶金机械设备维修中的堆焊工艺在冶金机械设备维修过程中，堆焊工艺是一项非常重要的技术。
堆焊是将金属材料通过熔化并冷却形成涂层或填补材料的焊接工艺。
冶金机械设备的维修中，经常会出现各种损伤和磨损，通过堆焊可以修复这些损伤，延长机器的使用寿命。
堆焊工艺的主要过程包括热插入和热喷涂。
热插入是指用高温熔化的填充材料填补已经损坏的金属表面，以强化或者改变金属的使用性能。
热喷涂是指通过喷射热熔的金属粉末或线材将一层涂层覆盖在金属表面上，从而达到防腐、减摩等效果。
这两种堆焊工艺是非常重要的，根据不同的需要，选择不同的堆焊方法，能够为冶金机械设备提供更好的维修保障。
堆焊工艺使用的材料一般包括粉末、线材、电极等。
这些材料的选用应当根据维修需要和机器使用要求进行选择。
在选择材料的过程中，应当考虑到材料的化学成分、热传导、机械性能等因素，同时也要注意到堆焊过程中的安全问题。
需要注意的是，在水冷工艺中，冷却剂必须保持足够的冷却能力，否则会使设备受到过多的热量影响，从而导致设备无法正常运转。
堆焊工艺需要考虑的问题还有熔池的问题。
熔池是焊接过程中最重要的部分，通过控制熔池的形态、大小和位置，可以控制焊接的质量。
在堆焊过程中，我们需要将填充材料加热到熔点，并将熔池形成在金属材料表面。
这需要用到合适的电场和电流密度控制，以及适当的加热时间，从而保证熔池的稳定性和质量。
另外，堆焊工艺中还需要注重参数的优化。
参数的优化能够确保堆焊的效果和质量，进一步提高机器的使用寿命。
优化参数需要考虑材料的种类和机器使用环境等因素，同时注重实验数据和经验分析，从而找出合适的参数组合，为堆焊工艺的优化提供有力保障。
在冶金机械设备维修中，堆焊工艺的重要性是不可忽视的。
根据实际维修需求，选择合适的堆焊工艺和材料，然后控制好参数和安全问题，应用经验和理论知识，才能达到良好的维修结果。
维修好的设备能够带来巨大的利益，为生产和经济发展提供了强劲支撑。
喷焊与堆焊技术
冷轧辊修 复堆焊
2 耐磨损、腐蚀堆焊
• 磨损和腐蚀是造成金属材料失效的主要因 素，为了提高金属工件表面耐磨性和耐蚀 性，以满足工作条件的要求，延长工件使 用寿命，可以在工件表面堆焊一层或几层 耐磨或耐蚀层。就是将工件的基体与表面 堆焊层选用具有不同性能的材料，制造出 双金属工件。由于只是工件表面层具有合 乎要求的耐磨、耐蚀等方面的特殊性能， 所以充分发挥了材料的作用与工作潜力， 而且节约了大量的贵重金属。
热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多； 温度高，导致基材变形大。因此，对于 一些形状复杂、易热变形的零件，无法 使用热喷焊技术。
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热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有 一定差别；
•由于基体表面会少量熔化，并与喷焊材 料形成合金，导致成分差异。一般将基 材熔入喷焊层中的重量百分含量称为喷 焊层的稀释率。
2.3、等离子喷焊
等离子喷焊技术是采用 等离子弧作为热源加热 基体，使其表面形成熔 池，同时将喷焊粉末材 料送入等离子弧中，粉 末在弧柱中得到预热， 呈熔化或半熔化状态， 被焰流喷射至熔池后， 充分熔化并排出气体和 熔渣，喷枪移开后合金 熔池凝固、形成喷焊层 的工艺过程。
● 喷涂用非转移弧（钨阴极、喷嘴铜阳极）；而喷焊 用的则是非转移弧和转移弧的联合弧（工件作阳极）。 转移弧对工件的加热能力比非转移弧强，是喷焊的主 弧。 ● 等离子喷焊的前、后处理与氧—乙炔火焰喷焊相 同。 ● 等离子喷焊的材料范围比较宽，可喷焊难熔材料。 粉末粒度与火焰喷焊的一样，但比热喷涂的要稍大一 些。
最小堆焊厚度 /mm 0.8 0.8 0.2 3.2 2.4 3.2 3.2 3.2 4.8 4.8 3.0 4.0
熔敷效率 （%） 100 100 85～95 65 98～100 90～95 80～85 95 95 95 95 95
6热喷涂、喷焊与堆焊技术
4. 热喷涂用复合材料(粉末、丝材)
（主要）为适应热喷涂工艺而制备的复合材料
表6-9
通过增强相增强涂层性能的复合材料
四、热喷涂技术的应用
1. 喷涂耐腐蚀涂层
普利茅斯海湾
热喷涂锌
跨海大桥
汽轮机转子
水轮机机座
2. 喷涂耐磨涂层
延长零件使用寿命、修复磨损失效的机械零件(再制造工程)。
水轮机叶片 球阀球体碳化钨喷涂层
3. 等离子喷涂工艺
特点：(高温低压等离子体)
(优点)焰流温度及速度高，喷涂材料适应面广，特别适合喷涂高熔点材料；涂层密 度及 结合强度高。 (缺点)热效率低、沉积效率较低，设备相对复杂、价格较贵，喷涂成本高。
等离子喷涂设备包括电源、电气控制系统、喷枪、气源和气路、 供粉系统、水冷系统等。
三、等离子喷焊
定义：
采用等离子弧作为热源加热基体，使其表面形成熔池，同时将喷 焊粉末材料送入等离子弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半 熔化状态，被焰流喷射至熔池后，充分熔化并排出气体和熔渣，喷 枪移开后合金熔池凝固，形成喷焊层的工艺过程。
(工件带电，联合弧)
(工件不带电，非转移弧)
非转移弧： 工作时首先引燃，再建立转移弧
二、堆焊工艺方法
各种焊接方法都可以用来进行堆焊。 常用堆焊工艺方法： 氧－乙炔焰堆焊 手工电弧堆焊 钨极氩弧堆焊 熔化极气体保护电弧堆焊 埋弧堆焊 等离子弧堆焊 电渣堆焊 堆焊材料通常为棒状、管状、带状。
等离子弧堆焊
稀释率、熔敷速度和堆焊层厚度是最重要的指标。
(在允许的稀释率水平下尽可能提高熔敷速度。)
涂层及基体材质广泛 基体温度低 操作灵活
堆焊与喷涂
涂技术及高速电弧喷涂技术多次对舰船甲板进行
防腐治理。经过多年的应用，证明防腐效果显著，
预计使用寿命可达15年以上。
远 望 1 号 航 天 测 量 船
对远望1号航天测量船进行电弧喷涂长效防腐
• 电弧喷涂汕头海湾大桥鞍座
电弧喷涂治理电厂锅 炉管道热腐蚀
手工堆焊要点
• 防止堆焊层开裂 • 防止堆焊层硬度偏低 • 防止基体件变形
其他堆焊方法
• • • • • • 振动电弧堆焊 气体保护堆焊 埋弧自动堆焊 等离子喷焊 氧-乙炔火焰喷涂焊 激光堆焊
2、 自动堆焊
自动堆焊与手工堆焊的主要区别是引燃电弧、焊 丝送进、焊炬和工件的相对移动等全部由机械自动进 行，克服了手工堆焊生产率低、劳动强度大等主要缺 点。
焊接学基础
第九章 堆焊与喷涂
堆焊
1）什么是堆焊： 堆焊是焊接工艺方法的一种特殊应用。它的目的不是 为了联接机件，而是借用焊接的手段改变金属材料厚度和 表面的材质，即在零件上堆敷一层或几层所希望性能的材 料。
概念:为增大或恢复焊件尺寸，或使焊件表面获得具有
特殊性能的熔敷金属而进行的焊接。有振动电弧堆焊、等离 子弧堆焊、气体保护堆焊和电渣堆焊等。
堆焊层有好的润湿性流平性异种金属堆焊理论冶金学不相容性晶格类型点阵常数原子半径电子结构熔合线熔合区结晶过渡层扩散过渡层堆焊材料的选择高温耐磨耐腐蚀零件堆焊手工堆焊要点防止基体件变形其他堆焊方法自动堆焊自动堆焊与手工堆焊的主要区别是引燃电弧焊丝送进焊炬和工件的相对移动等全部由机械自动进行克服了手工堆焊生产率低劳动强度大等主要缺1
热喷涂技术
1.原理：
指以某种热源，将粉末或线状 材料加热到熔化或熔融状态后，用 高压高速气流将其雾化成细小的颗 粒喷射到零件表面上，形成一层覆 盖层的过程。
防腐治理。经过多年的应用，证明防腐效果显著，
预计使用寿命可达15年以上。
远 望 1 号 航 天 测 量 船
对远望1号航天测量船进行电弧喷涂长效防腐
• 电弧喷涂汕头海湾大桥鞍座
电弧喷涂治理电厂锅 炉管道热腐蚀
手工堆焊要点
• 防止堆焊层开裂 • 防止堆焊层硬度偏低 • 防止基体件变形
其他堆焊方法
• • • • • • 振动电弧堆焊 气体保护堆焊 埋弧自动堆焊 等离子喷焊 氧-乙炔火焰喷涂焊 激光堆焊
2、 自动堆焊
自动堆焊与手工堆焊的主要区别是引燃电弧、焊 丝送进、焊炬和工件的相对移动等全部由机械自动进 行，克服了手工堆焊生产率低、劳动强度大等主要缺 点。
焊接学基础
第九章 堆焊与喷涂
堆焊
1）什么是堆焊： 堆焊是焊接工艺方法的一种特殊应用。它的目的不是 为了联接机件，而是借用焊接的手段改变金属材料厚度和 表面的材质，即在零件上堆敷一层或几层所希望性能的材 料。
概念:为增大或恢复焊件尺寸，或使焊件表面获得具有
特殊性能的熔敷金属而进行的焊接。有振动电弧堆焊、等离 子弧堆焊、气体保护堆焊和电渣堆焊等。
堆焊层有好的润湿性流平性异种金属堆焊理论冶金学不相容性晶格类型点阵常数原子半径电子结构熔合线熔合区结晶过渡层扩散过渡层堆焊材料的选择高温耐磨耐腐蚀零件堆焊手工堆焊要点防止基体件变形其他堆焊方法自动堆焊自动堆焊与手工堆焊的主要区别是引燃电弧焊丝送进焊炬和工件的相对移动等全部由机械自动进行克服了手工堆焊生产率低劳动强度大等主要缺1
热喷涂技术
1.原理：
指以某种热源，将粉末或线状 材料加热到熔化或熔融状态后，用 高压高速气流将其雾化成细小的颗 粒喷射到零件表面上，形成一层覆 盖层的过程。
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（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。
3、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
S (T ) LD V 16P
2 2
2
式中：Ｓ为粉末在焰流中的运动距离；为平均边界层的热导率； Ｔ为平均边界层的温度梯度；Ｖ为平均焰流速度；Ｌ为粉末材 料的熔化潜热；Ｄ为粉末的平均直径；为平均焰流黏度；Ｐ为 粉末密度。
5.
如右图所示 是等离子喷涂钼 涂层显微结构形 貌图，大小不一 的扁平颗粒、未 熔化的球形颗粒、 夹杂和孔隙组成。
热喷涂材料分类（金属类）
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
7
涂层应力
涂层冷却凝固时，会伴随着收缩过程，颗粒内部会产生 张应力而在基体表面产生压应力。结果使涂层内部产生残余 张应力，应力大小与涂层厚度成正比，当张应力超过涂层与 基材之间结合强度时，涂层就会发生破坏。
涂层应力
由于涂层应力与厚度的关系，热喷涂层的 最佳厚度一般不超过0.5mm 残余应力： 致密涂层 > 疏松涂层 涂层应力大小可通过调整工艺参数而部分 控制，但更有效的方法是采用梯度过渡层 缓和涂层应力
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。
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
缺点：孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。优点： 但孔隙可以储存润滑剂，提高涂层的隔热性能，减小内应力 并因此增加涂层厚度，提高涂层抗热震性能，提高涂层的可 磨耗性能。
6 热喷涂中的相变
相对基体来说，熔滴尺寸非常小， 冷却速度可达10∧6 K/s,冷却后会形成 非晶态或亚稳相，完全不同于同样材料 在轧制态或铸态的组织结构。
9 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
基材表面预处理 （1） 净化处理：清除表面污垢。
（2） 粗化处理：可提高涂层结合强度，原因如下：
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。
热喷涂原理
Particle or Droplet generation
Accelerating Heating
涂层结构
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％。
涂层内有一定比例的孔隙，产生原因是：
(1) 未熔化颗粒的低冲击功能； （1） 喷涂角度不同造成的遮蔽效应； （2） 凝固收缩和应力释放效应
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、涂层中夹杂较少，因此喷涂质量很高。
等离子喷涂设备
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 粉末送入方式：外送式和内送式
等离子气体的作用
氮气：热焓高，价格低廉，是等离子喷涂主要工作气体。 氩气：易于引弧，等离子弧稳定，有很好的气体保护作用。 氢气、氦气：可作为辅助气体，起到改变等离子体能量 结构的作用，其中氢气还有防氧化的作用。
减少涂层残余应力措施：
（1） 减小涂层厚度；
（2） 调整喷涂工艺参数； （3）采用较疏松涂层；
（4） 采用梯度过渡层缓和涂层内应力
8
涂Hale Waihona Puke 的结合强度包括涂层与基材之间、涂层中颗粒与颗粒之间的结合，结 合形式有： （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。
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
2
电弧喷涂
电弧喷涂原理示意图 两根彼此绝缘并加有18~40V直流电压的线形电极，由送 丝机构向前输送，当两极靠近时，在两线顶端产生电弧并使顶 端熔化，同时吹入的压缩空气使熔融的液滴雾化并形成喷涂束 流，沉积在工件表面。
电弧喷涂设备和喷枪
电弧喷涂特点
1）热效率高达90% 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
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。 5） 运行费用较低，火焰喷涂消耗的燃料费是电弧喷涂 电费的几十倍。 6） 只能用于具有导电性能的金属线材
（1）线材火焰喷涂
线材火焰喷涂原理图。 喷涂用线材送入喷枪后，由喷枪内的驱动轮连续输 送到喷嘴，在喷嘴前端被同轴燃烧气的火焰加热并熔化， 然后被压缩空气雾化并加速，喷涂在基体表面。
线材火焰喷涂设备示意图和喷涂枪
（2）粉末火焰喷涂
线材火焰喷涂原理图 用少量气体将喷涂粉末输送到喷枪的喷嘴前端，通过燃气 加热、熔化并加速喷涂到基体表面。在喷嘴前端加上空气帽， 可以压缩燃烧焰流并提高喷涂速度。
热喷涂材料分类（非金属类）
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
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。 （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。
（5）一定的形状与尺寸（线材φ1—3mm,
① 提供表面压应力；
② 提供涂层颗粒互锁的结构；
③ 增大结合面积；
④ 净化表面。
粗化处理的方法 粗化处理能够使表面粗糙度达到Ra3.2～12.5μm就够 了，一般采用喷砂加粘结底层的方法： （1） 表面喷砂
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
封孔处理是在喷涂之后、机加工之前进行。
封孔处理的作用：
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。
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
粗化处理的方法 （2） 粘结底层 某些材料能够在很宽的条件下喷涂并粘结在清洁、光滑 的表面上，而且这类涂层表面粗糙度适中，对随后喷涂的其 它涂层有良好的粘结作用，因此称为粘结底层。
当基体太薄或太硬而不适合采用喷砂处理时，采用粘结 底层的方法比较好。
涂层的后处理
涂层的后处理包括两个方面，一个是封孔处理， 一个是致密化处理。 多孔隙是喷涂层的固有缺陷，孔隙度可以从小 于1%变到大于15%，或者更高。空隙可以互相连接， 甚至可从表面延伸到基体。封孔处理的目的就是填充 孔隙。
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
（6） 涂层与基体结合强度低。
3、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
S (T ) LD V 16P
2 2
2
式中：Ｓ为粉末在焰流中的运动距离；为平均边界层的热导率； Ｔ为平均边界层的温度梯度；Ｖ为平均焰流速度；Ｌ为粉末材 料的熔化潜热；Ｄ为粉末的平均直径；为平均焰流黏度；Ｐ为 粉末密度。
5.
如右图所示 是等离子喷涂钼 涂层显微结构形 貌图，大小不一 的扁平颗粒、未 熔化的球形颗粒、 夹杂和孔隙组成。
热喷涂材料分类（金属类）
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
7
涂层应力
涂层冷却凝固时，会伴随着收缩过程，颗粒内部会产生 张应力而在基体表面产生压应力。结果使涂层内部产生残余 张应力，应力大小与涂层厚度成正比，当张应力超过涂层与 基材之间结合强度时，涂层就会发生破坏。
涂层应力
由于涂层应力与厚度的关系，热喷涂层的 最佳厚度一般不超过0.5mm 残余应力： 致密涂层 > 疏松涂层 涂层应力大小可通过调整工艺参数而部分 控制，但更有效的方法是采用梯度过渡层 缓和涂层应力
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。
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
缺点：孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。优点： 但孔隙可以储存润滑剂，提高涂层的隔热性能，减小内应力 并因此增加涂层厚度，提高涂层抗热震性能，提高涂层的可 磨耗性能。
6 热喷涂中的相变
相对基体来说，熔滴尺寸非常小， 冷却速度可达10∧6 K/s,冷却后会形成 非晶态或亚稳相，完全不同于同样材料 在轧制态或铸态的组织结构。
9 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
基材表面预处理 （1） 净化处理：清除表面污垢。
（2） 粗化处理：可提高涂层结合强度，原因如下：
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。
热喷涂原理
Particle or Droplet generation
Accelerating Heating
涂层结构
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％。
涂层内有一定比例的孔隙，产生原因是：
(1) 未熔化颗粒的低冲击功能； （1） 喷涂角度不同造成的遮蔽效应； （2） 凝固收缩和应力释放效应
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、涂层中夹杂较少，因此喷涂质量很高。
等离子喷涂设备
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 粉末送入方式：外送式和内送式
等离子气体的作用
氮气：热焓高，价格低廉，是等离子喷涂主要工作气体。 氩气：易于引弧，等离子弧稳定，有很好的气体保护作用。 氢气、氦气：可作为辅助气体，起到改变等离子体能量 结构的作用，其中氢气还有防氧化的作用。
减少涂层残余应力措施：
（1） 减小涂层厚度；
（2） 调整喷涂工艺参数； （3）采用较疏松涂层；
（4） 采用梯度过渡层缓和涂层内应力
8
涂Hale Waihona Puke 的结合强度包括涂层与基材之间、涂层中颗粒与颗粒之间的结合，结 合形式有： （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。
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
2
电弧喷涂
电弧喷涂原理示意图 两根彼此绝缘并加有18~40V直流电压的线形电极，由送 丝机构向前输送，当两极靠近时，在两线顶端产生电弧并使顶 端熔化，同时吹入的压缩空气使熔融的液滴雾化并形成喷涂束 流，沉积在工件表面。
电弧喷涂设备和喷枪
电弧喷涂特点
1）热效率高达90% 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
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。 5） 运行费用较低，火焰喷涂消耗的燃料费是电弧喷涂 电费的几十倍。 6） 只能用于具有导电性能的金属线材
（1）线材火焰喷涂
线材火焰喷涂原理图。 喷涂用线材送入喷枪后，由喷枪内的驱动轮连续输 送到喷嘴，在喷嘴前端被同轴燃烧气的火焰加热并熔化， 然后被压缩空气雾化并加速，喷涂在基体表面。
线材火焰喷涂设备示意图和喷涂枪
（2）粉末火焰喷涂
线材火焰喷涂原理图 用少量气体将喷涂粉末输送到喷枪的喷嘴前端，通过燃气 加热、熔化并加速喷涂到基体表面。在喷嘴前端加上空气帽， 可以压缩燃烧焰流并提高喷涂速度。
热喷涂材料分类（非金属类）
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
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。 （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。
（5）一定的形状与尺寸（线材φ1—3mm,
① 提供表面压应力；
② 提供涂层颗粒互锁的结构；
③ 增大结合面积；
④ 净化表面。
粗化处理的方法 粗化处理能够使表面粗糙度达到Ra3.2～12.5μm就够 了，一般采用喷砂加粘结底层的方法： （1） 表面喷砂
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
封孔处理是在喷涂之后、机加工之前进行。
封孔处理的作用：
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。
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
粗化处理的方法 （2） 粘结底层 某些材料能够在很宽的条件下喷涂并粘结在清洁、光滑 的表面上，而且这类涂层表面粗糙度适中，对随后喷涂的其 它涂层有良好的粘结作用，因此称为粘结底层。
当基体太薄或太硬而不适合采用喷砂处理时，采用粘结 底层的方法比较好。
涂层的后处理
涂层的后处理包括两个方面，一个是封孔处理， 一个是致密化处理。 多孔隙是喷涂层的固有缺陷，孔隙度可以从小 于1%变到大于15%，或者更高。空隙可以互相连接， 甚至可从表面延伸到基体。封孔处理的目的就是填充 孔隙。
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