第二章 热喷涂技术

50~70% 70~90% 粉末
>70 <0.1% 0.1~1.2mm 较高 一般,可现场施工
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第三节
热喷涂材料的基本成分与特点
3.1 热喷涂材料应具有的工艺性能
一、热稳定性，否则 氧化烧损----如木材 蒸发升华----如乙醚 二、热膨胀系数匹配 结合强度↑ 矛盾 使用性能↓ 三、良好的固态流动性----顺利送粉，涂层均匀 四、良好的湿润性 结合强度↓，孔隙率↑ 结合强度↑，孔隙率↓
第二章
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。
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热喷涂TiC
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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 μm ）， 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。
等离子喷焊原理图
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2.2 等离子喷涂
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 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 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。 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， 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 85~98%，真空喷涂可达95~99.5%，结合强度也很高(35~70 Mpa)， 而且涂层中夹杂较少，喷涂质量远优于火焰喷涂层 。
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2.4 爆炸喷涂
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：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：喷涂效率非常低，运行成本相对较高 。
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2.1 火焰喷涂
火焰喷涂的基本原理是通过乙炔、氧气喷嘴出口 处产生的火焰，将线材（棒材）或粉末材料加热熔 化，借助压缩空气使其雾化成微细颗粒，喷向经预 先处理的粗糙工件表面使之形成涂层。燃烧气体还 可以用丙烷、氢气或天然气等。
粉末火焰喷涂的原理示意图
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火焰喷涂特点
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涂层的形成
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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5~30%。 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。
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3.2 热喷涂材料的分类 一、按形态分类-----线、棒、粉末 二、按功能分类 耐磨损----陶瓷，铁基，Co基，Ni基合金和难熔金 属 耐腐蚀----Zn、Al、Ni基合金和Al2O3类陶瓷 抗高温----氧化物类陶瓷、Ni-Cr合金和Co基合金 三、按成分分类 金属材料 陶瓷材料 塑料材料 复合材料
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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
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
具有以下3类：（1）添加碳化钽、碳化铌的超细晶粒硬
质合金；（2）陶瓷刀具材料；（3）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 得更高的精度与更好的表面粗糙度。
耐磨保护涂层 轴承修复 耐腐蚀涂层 抗热氧化涂层
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2.2 等离子喷涂
等离子喷涂法是利用等离子焰的热能将引入的喷涂粉末 加热到熔融或半熔融状态，并在高速等离子焰的作用下， 高速撞击工件表面，并沉积在经过粗糙处理的工件表面形 成很薄的涂层。涂层与母材的结合主要是机械结合.
等离子喷涂原理图
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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
Materials Dr, cm2/s Dmax, μm ZrO2 0.005 26 TiC 0.04 72 TiN 0.07 96 TaC 0.09 110
显然，TaC最易喷涂----实际上仍是Dr所决定 ③ 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。
表面预处理
表面粗化
预热
喷涂
封孔
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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 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பைடு நூலகம்其他污
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。
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等离子喷涂特点 1.等离子体温度可达10000℃以上 2.雾化颗粒速度可达600m/s以上 3.适用于各种材料 4.设备投资高
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火焰喷涂(左)和大气等离子喷涂(右)Ni80Cr20涂层的金相组织
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2.3 电弧喷涂(Arc Spray)
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， 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 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 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 。
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第二节
典型热喷涂简介
常用热喷涂的工艺分类
热 喷 涂 工 艺
燃 烧 法
电 加 热 法
火 焰 喷 涂
爆 炸 喷 涂
电 弧 喷 涂
等 离 子 喷 涂
线 材 火 焰 喷 涂
粉 末 火 焰 喷 涂 超 音 速 火 焰 喷 涂 大 气 等 离 子 喷 涂 低 压 等 离 子 喷 涂 感 应 等 离 子 喷 涂 水 稳 等 离 子 喷 涂
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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70~90%，比火焰喷涂涂层要致密、结合 强度(10~40 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180—335m/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。
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二、影响热喷涂涂层质量的主要因素 1. 喷涂工艺的影响 ①工艺方法：
火焰 等离子 ~16000 ℃ 350m/s 电弧 7400 ℃ 200m/s 爆炸 5000 ℃ 720m/s 超音速 2900 ℃ 986m/s
T v
~3000℃ 50-200m/s
②粉体在加热介质中的运行时间t----t↑，T↑ ③粉体在加速介质中的运行时间t----t↑，v↑ ② 、 ③都取决于工件与喷嘴间的距离s，
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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. 3. 4. 5. 6.
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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
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2.5 超音速喷涂(High Velocity Oxygen Fuel，简称HVOF)
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。