热喷涂概念及工艺流程
热喷涂(2)
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Ni及Ni合金 纯Ni及Ni-Cr、Ni-30%Cu(蒙乃尔合金)，
耐蚀、耐磨、耐高温氧化
Sn及Sn合金 轴承轴瓦等滑动部件的耐磨涂层
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涂层残余应力
✓ 涂层的外层受拉应力—后冷、收缩受阻 ✓ 基体、涂层的内层则产生压应力 ✓ 由喷涂热条件及物理性质的差异造成，影响涂
层质量，限制涂层的厚度 ✓ 预热或粗化表面能消除和减少
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热喷涂预处理
喷涂工艺中一个重要工序： 清洗、脱脂：
碱洗法、溶剂洗涤法、蒸气清洗法、加热 去除氧化膜、表面粗糙化：
7
⑤工效高、操作程序少、速度快 每小时几公斤~几十公斤
⑥涂层厚度可调范围大 几十微米~几毫米
⑦可得到特殊的表面性能 耐磨、抗氧化、耐热、导电、绝缘
⑧成本低、经济效益显著
缺点： ①结合强度低；②材料利用率低；③热效率低； ④均匀性差；⑤孔隙率高。
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4、涂层材料的要求
（1）较宽的液相区； （2）形状、尺寸有要求，线材、粉末。
1. 涂层的成分
喷涂材料的成分 氧化烧涂损层的成分
与粒子和喷涂气氛之间的化学反应有关
例：
电弧喷涂，因温度高、气氛为空气而氧化烧损严重
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2．涂层的结构
➢ 涂层是变形粒子的层状组织结构 ➢ 涂层的性能具有方向性 ➢ 组成：扁平颗粒、氧化物夹杂、不完全熔融粒子、孔洞 ➢ 涂层经适当处理后，结构会发生变化。
线材
熔化或熔融→熔点
粉末 熔融 表→内热传导 90%熔融
复合材料粉末，可能大于熔点
例：Ni包Al放热反应
3. 粒子的尺寸
有一最佳临界尺寸
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4. 粒子的表面反应
熔射(热喷涂工艺)
封孔处理
由于热喷涂涂层是多孔隙的，孔隙率可从小于1％到大于
15％，可以储存油，在使用上具有一定的使用价值。但是对要求具 有防腐蚀性能的涂层表面来说，孔隙是极为有害的，特别是那些互 相连接并且从表面延伸到基体的孔隙，会使腐蚀介质透过这些孔隙 腐蚀基体材料。
封孔的作用
A、防止或阻止腐蚀介质浸入到基材表面； B、延长锌、铝及合金涂层的防护寿命； C、用于密封的涂层防止液体和压力泄漏；
应用实例: 复印机的墨粉滚筒在长期反复 实用下被磨薄，导致复印效果变黑或出现 黑线。通常的维修方法是换整个滚筒，原 部件则被遗弃。采用热喷涂工艺在原滚筒 上喷一层合金，不但恢复了原滚筒的直径， 还使修复后的滚筒更耐磨，使用寿命更长， 而维修成本只相当于换新部件的五分之一。
第二十七页，共31页。
热喷涂的应用
非金属材料 陶瓷
金属材料
碳钢、低合金钢、不锈钢（主要是马氏体钢）， 硬金属
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气体燃烧热源
线材火焰喷涂 棒材火焰喷涂 粉末火焰喷涂
超音速火焰喷涂
粉末火焰喷焊
热
喷
涂
气体放电热源
方
法
的
种 类
电热热源
电弧喷涂 等离子喷涂
等离子喷焊
电容放电喷焊 感应加热喷涂
大气等离子喷涂
真空等离子喷涂 保护气氛等离子喷涂
第五页，共31页。
喷涂层 基体
喷涂
2.热喷涂的形成过程 2.1 热喷涂的沉积过程和原理
热喷涂层的形成过程：
喷涂材料被
加热，达到 熔化或半熔
化状态；
熔化的喷 涂材料被
雾化；
熔融或软化 的微细颗粒 向前喷射的 飞行阶段；
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
热喷涂
2
3.1 热喷涂的定义与分类
定义：喷涂材料以粉末或线材方式进入焊炬， 经熔融或至少软化，雾化成微细颗粒后，通 过高速喷射到工件表面形成涂层的工艺。 热源:电弧、等离子弧、燃烧火焰等 雾化:焰流本身的动力或外加的高速气流
3
图3-1 热喷涂原理示意图
4
3.1.1 分类
图3-2 热喷涂的分类
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old coatings need to be stripped out
by using abrasive grit blasting or a water jet. by machining. Diamond or boron nitride wheels
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Degreasing （脱脂） of new metal substrates can be realized by using organic solvents（有机溶剂）, such as methyl alcohol or acetone丙酮. Hot water (under high pressure) or water vapour degreasing is another possibility that is used especially for the cleaning of large pieces (rollers)
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Figure 3-10 Scanning electron micrograph (secondary electrons) of a spray-dried powder of Cr2O3+SiO2.
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Figure 3-11 Optical micrograph of a metallographic cross-section of the powder shown in Figure 1.8. The numbered particles have the following internal porosities (%): (1) 22.8; (2) 26.6; (3) 26.7; (4) 21.5.
热喷涂概述与材料
LEE MAN (SCETC)
表面工程与热喷涂
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（一）非复合喷涂线材
碳钢及低合金钢喷涂 丝
常用的是 85优质碳素结构钢丝和T10A碳素工具钢 丝。 一般采用电弧喷涂，用于喷涂曲轴、柱塞、机床导 轨等常温工作的机械零件滑动表面耐磨涂层及磨损 部位的修复。
不锈钢喷涂 丝
1Cr13、2Cr13、3Cr13等马氏体不锈钢丝主要用于强度和 硬度较高、耐蚀性要求不太高的场合，其涂层不易开裂。 1Cr17在氧化性酸类、多数有机酸、有机酸盐水溶液中有 良好的耐蚀性。 1Cr18Ni9Ti等奥氏体不锈钢丝有良好的工艺性能，在多数 氧化性介质和某些还原性介质中都有较好的耐蚀性，用于喷 涂水泵轴等。
锡及锡合金喷涂丝
锡涂层具有很高的耐腐蚀性能，常用作食品器具的 保护涂层，但锡中砷的质量分数不得大于0.015％。 含锑和钼的锡合金丝具有摩擦系数低、韧性好、耐 蚀性和导热性良好等特性。 在机械工业中，广泛应用于轴承、轴瓦和其他滑动 摩擦部件的耐磨涂层。此外，锡可在熟石膏等材料上 喷涂制成低熔点模具。
LEE MAN (SCETC)
表面工程与热喷涂
23
三、热喷涂用粉末
热喷涂用金属及合金线材包括：
非复合喷涂粉末 复合喷涂粉末
属简单粉末 ，每个粉粒仅由单一的成分组成。 由两种或更多种金属和非金属（陶瓷、塑料、非金属矿 物）固体粉末混和而成。
热喷涂材料应用最早的是一些线材，但只有塑性好的材 料才能做成线材，而粉末喷涂材料却可不受线材成形工 艺的限制，成本低，来源广，组无间可按任意比例调 配，组成各种组合粉、复合粉，从而得到相图上存在或 不存在的相和组织，获得某些特殊性能。
表面工程与热喷涂 涂层中颗粒与基体表面之间的结合以及颗粒之间的结 合机理目前尚无定论，通常认为有三种结合：
第三章热喷涂
四、 等离子喷涂
①超高温特性，便于进行高熔点材料 的喷涂。
②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘 结强度高。
③由于使用惰性气体作为工作气体， 所以喷涂材料不易氧化。
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等离子喷涂原理
1-工件 2-喷涂层 3-前枪体 4-冷却水出口 5-等离子气进口 6-绝缘套 7-冷却水进口 8-钨电极 9-后枪体 10-送粉口
第三章 热喷涂
定义：热喷涂是将熔融状态的喷涂材料通 过高速气流雾化并喷射在工件表面上，形
成喷涂层的一种表面加工方法。1热喷涂方法及其技术特性
2
♦热喷涂原理
1. 热喷涂涂层的形成 热喷涂时，涂层材料的粒子被热源加热
到熔融态或高塑性状态，在外加气体或 焰流本身的推力下，雾化并高速喷射向 基体表面，涂层材料的粒子与基体发生 猛烈碰撞而变形、展平沉积于基体表面 ，同时急冷而快速凝固，颗粒这样遂层 沉积而堆积成涂层。
不要求耐高温而只要求耐磨:碳化物（如碳化钨 等）与镍基自熔合金的混合物。碳化钨喷涂层的 工作温度应在480℃以下，超过此温度时，最好 选择碳化钛、碳化铬或陶瓷材料。此外，在滑动 磨损的条件下，选择高碳钢、马氏体不诱钢、钼 、镍铬合金等喷涂材料，都可获得很好的耐磨性 能。
40
1 金属涂层的研究现状
44
4 非晶态涂层的研究现状
非晶态是一种长程无序，短程有序的材料。 非晶态材料的物理、化学性能常比相应的晶态材 料更优异，具有高强度、高韧性、高硬度、高抗 蚀性能、软磁特性等，是一类很有发展前途的新 型金属材料。热喷涂非晶态合金涂层是近年来材 料科学中广泛研究的一个新领域，热喷涂技术作 为大面积非晶涂层制备方法之一已开始引起广泛 关注，常用的方法有等离子喷涂、HVOF和爆炸 喷涂。
热喷涂原理
热喷涂原理热喷涂是一种先进的表面涂层技术，通过高温燃烧或等离子喷射的方式将涂层材料喷射到基材表面，形成坚固的涂层层厚。
热喷涂技术广泛应用于航空航天、汽车制造、石化、能源等领域，具有提高材料性能、延长使用寿命、增强耐磨、耐腐蚀等优点。
热喷涂的原理主要包括涂层材料的加热、喷射和固化三个步骤。
首先是涂层材料的加热。
热喷涂技术使用的涂层材料通常是粉末状，通过加热使其熔化或半熔化。
加热的方式有多种，如火焰喷枪、等离子喷射等。
火焰喷枪通过燃烧混合气体产生高温火焰，将涂层材料加热至熔点。
等离子喷射则是通过电弧放电产生高温等离子体，使涂层材料熔化。
加热过程中需要控制温度，保证涂层材料达到适宜的熔点。
接下来是涂层材料的喷射。
加热后的涂层材料以高速喷射到基材表面，形成均匀的涂层。
喷射的方式有燃气喷射、等离子体喷射、超音速喷射等。
燃气喷射是将加热后的涂层材料通过喷枪喷射出来，形成涂层。
等离子体喷射则是通过电弧放电产生等离子体，将涂层材料加速喷射到基材表面。
超音速喷射是将涂层材料加速至超音速，形成高速喷流，使喷射的涂层更加均匀、致密。
最后是涂层的固化。
喷射到基材表面的涂层材料需要在短时间内快速冷却固化，形成坚固的涂层。
固化的方式有自然冷却、冷却剂冷却、热处理等。
自然冷却是将喷射的涂层材料放置在自然环境下，通过空气散热，使其快速冷却固化。
冷却剂冷却则是将喷射的涂层材料浸入冷却剂中，利用冷却剂的快速冷却效果，使其迅速固化。
热处理是将喷射的涂层材料进行热处理，通过高温加热使其再次熔化，并在适宜的温度下固化。
总结起来，热喷涂技术通过加热涂层材料、喷射到基材表面，再固化形成坚固的涂层。
这种技术能够提高材料的性能，延长使用寿命，增强耐磨、耐腐蚀等特性，广泛应用于各个领域。
热喷涂技术的不断发展和创新将为各行各业带来更多的应用和发展机会。
第四章 热喷涂技术
• 2）不锈钢复合丝 • 由不锈钢、镍、铝等几种合金元素复合而 成。 • 其特点是既有Ni-Al放热反应，又有其他强 化元素改善性能，可用于“一步”喷涂， 即涂层同时具有打底层和工作层功能，尤 其适合火焰喷涂， • 主要应用于油泵转子、轴承、汽缸衬里和 机械导轨的表面层。
• 3）Al-Cr2O3药芯管状复合丝 • 用铝皮包覆Cr2O3药芯可制备成分为62% Al-38%Cr2O3的管状复合丝。
待喷涂基体表面的粗化处理已成为不可缺少的
重要的预处理工序。
（2）物理结合 借助于分子（原子）之间的范德华力使喷 涂层附着于基体表面的结合方式。当高速运动 的熔融粒子撞击基体表面、充分变形后，涂层 原子或分子与基体表面原子之间的距离接近晶 格的尺寸时，就进人了范德华力的作用范围。
范德华力虽然不大，但在涂层与基体的结合中
• 5）不锈钢喷涂丝 • 用于焊接的不锈钢丝均可作为热喷涂丝材。 • 铬不锈钢主要用于对强度和硬度要求较高、 耐蚀性要求不太高的场合，其涂层不易开裂， 适宜作为轴类零件层。 • 镍铬不锈钢有良好的工艺性能，在多数酸、 碱介质中具有优异的耐腐蚀性和耐磨性，用 于喷涂水泵轴等。
• 6）Mo喷涂丝 • 钼是一种自黏结材料，可与黑色金属、镍合 金、镁合金、铝合金等形成牢固的结合，常 用作打底层材料。 • 钼是金属中唯一能耐热盐酸腐蚀的金属；钼 与氢不发生反应，可用于氢气保护或真空条 件下的高温涂层；钼涂层中会残留一部分 MoS2杂质，或与硫发生反应生成MoS2固体 润滑膜，适用于喷涂活塞环和摩擦片。 • 但钼不能作为铜和铜合金、镀铬表面和硅铁 表面的涂层。
涂层冷凝收缩时，涂层外层的拉应力、涂层内层的 压应力、组织转变产生的微观应力，结果使涂层产生 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，涂层残余应力 措施：
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热喷涂概念及工艺流程
热喷涂原理：
法国木松桥公司从1949年开始进行管子仿真对比实验，结果表明：管子喷锌再涂沥青的复合涂层防腐效果最佳。
锌涂层有两方面作用：1、由于锌的电化学点位比铁低，通过锌的反应，保护铁管不发生腐蚀；2、当锌层受到盐溶液腐蚀时会产生难溶的化合物（磷酸锌、氯化锌、硫酸锌）覆盖管子表面，形成保护膜，从而减缓腐蚀介质的侵入。
起到保护铁管的作用
热喷涂技术是根据以上实验利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，利用压缩空气的气流将喷涂材料溶滴雾化成细小微粒并一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。
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、工艺等一系多种功能，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。
热喷涂层是由细小颗粒形成的涂层，热喷涂技术是表面工程技术的重要组成部分之一，约占表面工程技术的三分之一。
国家标准：
施工质量要求需要符合国标：GB11373-1989《热喷涂金属件表面预处理通则》GB/T9793-1997《金属和其他无机覆盖层热喷涂锌铝及其合金》GB/T19352.1-2003《热喷涂热喷涂结构的质量要求第1部分:选择和使用指》GB/T19352.2-2003《热喷涂热喷涂结构的质量要求第
2部分:全面的质量要求》GB/T19352.3-2003《热喷涂热喷涂结构的质量要求第3部分:标准的质量要求》GB/T19352.4-2003《热喷涂热喷涂结构的质量要求第4部分:基本的质量要求》
二工艺流程
工件表面预处理制造涂层（喷涂）涂料封孔处理
工件表面预处理：利用压缩空气的压力和砂粒自重，将压力罐中砂粒压入喷砂管，由压缩空气推动，从喷嘴高速喷出对钢框表面进行粗化处理。
通过喷砂处理使工件表面非常彻底的除去氧化皮、油脂、锈蚀及油污等附着物，呈现洁净的基体表面。
其次，是将工件表面处理成较高的粗糙度，以增大基体与涂层的结合强度，增强附着力。
质量要求：喷砂除锈需达到GB8923-88中的Sa3级标准，粗糙度达到Ry=60-100微米
砂料选用高硬度，有棱角的石英砂。
颗粒直径在0.5-1mm范围。
喷砂嘴使用=6-8mm紫陶喷嘴。
作业流程：将喷砂设备9m3/8kg空气压缩机、储气罐、油水分离器、喷砂罐、耐磨胶管、喷砂枪、耐磨瓷嘴、防护设施要求后，开始作业。
控制好空气压力（0.6-0.7Mpa），喷射角度（a=50-75°），覆盖时间（≤4h），喷射距离（150-200mm），是保证表面处理质量的关键因素。
制造涂层（喷锌或喷铝）采用目前较为先进的喷涂设备。
喷涂设备为SX-D2型高速电弧喷涂机。
材料为99.99%的纯锌丝，以电弧为热源把
丝材加热融化利用空气压缩机的高速气流将融化的丝材雾化为颗粒细小均匀的粒子以一定的速度喷射在已经喷砂处理后的工件表面上，形成涂层。
在喷涂作业过程中，喷枪距离工件10-20cm，喷射角度0-15度,喷枪移动速度12-18cm/s。
更换喷涂面时，应有1/3宽度的重叠喷涂带，喷压不低于0.4mpa。
电弧喷涂适合大面积作业。
涂料封闭处理：由于涂层是由细小的颗粒堆积形成，不可避免的产生孔隙，空气中的氧化物通过涂层孔隙进入涂层内与铁产生氧化，形成氧化铁，消弱了涂层于钢框基体之间的结合力导致涂层脱落。
由此喷涂后必须进行涂料封闭处理。
一般采用弹性聚氨酯环氧涂料或氟碳漆进行封闭处理，封闭后的复合涂层寿命是不封闭的1.5-2.3倍，这是世界公认的最佳协同效应。
喷铜工艺与喷锌和铝的工艺一样，区别在于铜的熔点比锌和铝高，涂层颗粒较大，导致空隙率高。
天津市劲风金属表面热处理有限公司
品质部。