第二章 热喷涂技术讲解
热喷涂技术概述
热喷涂技术概述1、热喷涂技术概述众所周知，除少数贵金属外，金属材料会与周围介质发生化学反应和电化学反应而遭受腐蚀。
此外，金属表面受各种机械作用而引起的磨损也极为严重。
大量的金属构件因腐蚀和磨损而失效，造成极大的浪费和损失。
据一些工业发达国家统计，每年钢材因腐蚀和磨损而造成的损失约占钢材总产量的10 %，损失金额约占国民经济总产值的2 - 4 %。
如果将因金属腐蚀和磨损而造成的停工、停产和相应引起的工伤、失火、爆炸事故等损失统计在内的话，其数值更加惊人。
因此，发展金属表面防护和强化技术，是各国普遍关心的重大课题。
随着尖端科学和现代工业的发展，各工业部门越来越多地要求机械设备能在高参数(高温、高压、高速度和高度自动化)和恶劣的工况条件(如严重的磨损和腐蚀)下长期稳定的运行。
因此，对材料的性能也提出更高要求。
采用高性能的高级材料制造整体设备及零件以获得表面防护和强化的效果，显然是不经济的，有时甚至是不可能的。
所以，研究和发展材料的表面处理技术就具有重大的技术和经济意义。
而表面处理技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高。
热喷涂技术就是这种表面防护和强化的技术之一，是表面工程中一门重要的学科。
所谓热喷涂，就是利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。
一、热喷涂技术的分类根据热源的种类热喷涂技术主要分类为：二、热喷涂设备虽然因热喷涂的方法不同其设备也各有差异，但依据热喷涂技术的原理，其设备都主要由喷枪、热源、涂层材料供给装置以及控制系统和冷却系统组成。
三、热喷涂工艺热喷工艺过程如下：工件表面预处理→工件预热→喷涂→涂层后处理1。
表面预处理为了使涂层与基体材料很好地结合，基材表面必须清洁及粗糙，净化和粗化表面的方法很多，方法的选择要根据涂层的设计要求及基材的材质、形状、厚薄、表面原始状况以及施工条件等因素而定。
热喷涂(2)
56
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
21
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
22
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。
8
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
15
4. 粒子的表面反应
金属表面热喷涂技术
金属表面热喷涂技术第一章绪论第一节热喷涂的基本概念和发展过程第二节热喷涂技术的特点第三节热喷涂技术在国内外的应用一、热喷涂技术在制备各种功能涂层方面的应用二、热喷涂技术在再制造工程方面的应用三、热喷涂技术在机械零件和模具喷涂成型方面的应用第四节热喷涂技术的发展趋势第二章金属表面热喷涂的基本原理和工艺流程第一节热喷涂涂层的形成和涂层微观结构一、热喷涂涂层形成原理二、热喷涂涂层的微观结构第二节热喷涂涂层的结合机理第三节热喷涂涂层的孔隙和残余应力一、涂层中的气孔和孔隙二、涂层中的残余应力第四节热喷涂的一般工艺流程第三章各种热喷涂涂层的功能特性和涂层设计第一节各类热喷涂层的功能特性和材料选择一、耐磨涂层二、耐腐蚀涂层三、耐热与抗高温氧化涂层四、热障涂层五、导电和电绝缘涂层六、间隙控制涂层七、尺寸恢复涂层八、其他特殊功能涂层第二节热喷涂涂层的设计和工艺选择一、热喷涂涂层设计的主要内容和基本步骤二、热喷涂涂层设计的命名和表示方法三、有关涂层设计方法的几个具体问题第四章热喷涂材料第一节热喷涂工艺对喷涂材料的要求第二节热喷涂材料的分类和制备方法一、热喷涂材料的分类二、热喷涂材料的制备方法第三节热喷涂丝材和棒材一、铁基合金丝二、非铁金属和合金丝三、复合丝四、陶瓷棒第四节热喷涂粉末一、纯金属、合金和复合材料粉末二、自熔性合金粉末三、陶瓷和金属陶瓷粉末四、有机材料粉末五、复合粉末六、纳米粉末第五章热喷涂基体的表面预处理第一节表面预加工第二节表面净化处理一、除油处理二、除锈处理第三节表面粗化处理一、喷砂二、机加工粗化三、电火花拉毛粗化第四节黏结底层的制备第五节特殊材质工件的表面预处理第六节非喷涂表面的遮蔽保护一、胶带保护二、涂料保护三、机械保护四、其他保护方法第六章火焰喷涂第七章电弧喷涂第八章等离子喷涂第九章爆炸喷涂和反应喷涂第十章其他喷涂技术及新工艺第十一章热喷涂层的后续处理和加工第十二章热喷涂层生产的质量控制和性能检测第十三章热喷涂的生产安全和环境保护。
热喷涂技术讲义
缺点：燃料消耗大，喷涂效率比爆炸Байду номын сангаас涂高，但成本仍然比较高。
现代热喷涂枪
从上至下： 超音速火焰喷枪，
等离子喷枪， 火焰喷枪， 电弧喷枪
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
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。
垂直喷射—事实上不可能
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
电弧
爆炸
超音速
T ~3000℃ ~16000 ℃ 7400 ℃
5000 ℃ 2900 ℃
v 50-200m/s 350m/s
200m/s
720m/s
986m/s
②粉体在加热介质中的运行时间t----t↑，T↑
涂层的形成
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
热喷涂技术简介
电爆喷涂,感应加热喷涂,电容放电喷涂
火焰喷涂的介绍
火焰喷涂的定义 把金属线或粉末以一定的速度送进喷枪里，使端部在 高温火焰中熔化，随即用压缩空气把其雾化并吹走， 沉积在预处理过的工件表面上。
火焰喷涂的分类 线材火焰喷涂,粉末火焰喷涂。
丝材火焰喷涂装置
丝材火焰喷吐的装置示意图
丝材火焰喷涂原理
丝材火焰喷涂的原理示意图
丝材火焰喷涂装置
粉末火焰喷吐的装置示意图
粉末火焰喷涂原理
粉末火焰喷涂原理示意图
爆炸喷涂的介绍
爆炸喷涂的定义 利用氧气和乙炔气点火燃烧，造成气体膨胀而产生爆 炸，释放出热能和冲击波,热能使喷涂粉末熔化,冲击波 则使熔融粉末以700～800m/s的速度喷射到工件表面 上形成涂层。
爆炸喷涂的原理
爆炸喷涂原理示意图
热喷涂的优点
1 设备轻便，可现场施工
喷涂 技术 的优
点2Biblioteka 工艺灵活,适应性强,操作程序少,修复快捷 3 涂层厚度可以控制 4 对基材加热温度较低,工件变形小,合金组织性能变化小
5 适用各种基体材料的零部件
热喷涂的分类
火焰类
火焰喷涂,爆炸喷涂,超音速喷涂
激光类
激光喷涂
热源种类
电热法
电弧类
电弧喷涂,等离子喷涂
②粉粒运动速度高。 ③粉粒尺寸小、分布范围窄，否则不能熔化。 ④涂层结合强度、致密度高，无分层现象。 ⑤涂层表面粗糙度 低。 ⑥喷涂距离可在较大范围内变动，而不影响喷涂质量。 ⑦可得到比爆炸喷涂更厚的涂层，残余应力也得到改善。 ⑧喷涂效率高，操作方便。 ⑨噪音大（大于120dB），需有隔音和防护装置。
谢谢
超音速喷涂的特点 喷涂机喷嘴出口处产生的焰流速度一般为音速的4倍，约 1520m/s，最高可高达2400m/s,粉末撞击到工件表面的速 度估计为550-760m/s，与爆炸喷涂相当。
热喷涂技术的原理及应用实验报告
热喷涂技术的原理及应用实验报告一、引言热喷涂技术是一种常用的表面涂覆技术，通过高速喷射热能将粉末或线状材料熔化，并在基材表面形成涂层。
本文将介绍热喷涂技术的原理以及在实验中的应用情况。
二、热喷涂技术的原理热喷涂技术基于热能喷射原理，通过将热能引入喷枪中，使喷口处的涂层材料达到熔化状态，然后以高速喷射到基材表面。
热喷涂技术主要包括燃烧喷涂和等离子喷涂两种方式。
2.1 燃烧喷涂原理燃烧喷涂是利用火焰的高温将涂层材料加热至熔化状态的技术。
其原理可以分为两个步骤：1.燃烧产生高温火焰：在喷涂枪中，燃烧剂和氧气混合燃烧产生高温火焰。
这种高温火焰可以使涂层材料达到熔化状态。
2.喷涂涂层：熔化状态的涂层材料通过高速喷射到基材表面，形成一层均匀的涂层。
涂层在快速冷却后变得致密，并具有良好的附着力。
2.2 等离子喷涂原理等离子喷涂是利用电弧放电将涂层材料加热至熔化状态的技术。
其原理可以分为三个步骤：1.弧电离气体：在喷涂枪中，高压电源产生电弧，将气体电离，形成等离子体。
等离子体产生的高温可以使涂层材料达到熔化状态。
2.喷涂涂层：熔化状态的涂层材料通过高速喷射到基材表面，形成一层均匀的涂层。
等离子体的高温状态有利于涂层材料的熔化和喷射。
3.冷却和固化：涂层在快速冷却后变得致密，并具有良好的附着力。
三、热喷涂技术的应用实验3.1 实验目的本实验旨在研究热喷涂技术在材料表面涂覆方面的应用情况，并对涂层性能进行评估。
3.2 实验材料和设备实验材料：使用钴基和铝基合金粉末作为涂层材料。
基材使用不锈钢板。
实验设备：燃烧喷涂设备和等离子喷涂设备。
3.3 实验步骤1.准备基材：将不锈钢板进行表面处理，保证其干净无杂质。
2.准备涂层材料：将钴基和铝基合金粉末进行筛选和混合。
3.燃烧喷涂实验：将喷涂枪调整到适当位置，控制喷涂距离和喷涂速度，进行燃烧喷涂实验。
4.等离子喷涂实验：将喷涂枪调整到适当位置，控制喷涂距离和喷涂速度，进行等离子喷涂实验。
3118表面工程技术热喷涂技术()
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2.1 热喷涂简介
➢ 热喷涂是将熔融状态的喷涂材料，通过高速气流 雾化并喷射在工件外表上，形成喷涂层的一种外 表加工方法。
➢ 热喷涂技术是外表工程学的重要组成局部。是一 种材料外表强化和外表改性的新技术，它可以使 基体外表具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、 隔热、防辐射、减磨、密封等性能。原那么上讲 可在任何固体物质上喷涂。可喷涂的材料有金属、 合金、塑料、陶瓷、金属陶瓷以及它们的复合物 等等。
➢外表预处理包括外表净化，除去金属外表的 油脂、其他污物、锈、氧化皮、旧涂层、焊 接熔粒，以及对外表的粗化处理。
➢喷砂、车螺纹、滚花和电拉毛。
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2.4.2 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价格，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〕。
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➢常用的自黏性粉末有Ni-Al和NiCr-Al复合粉 末，其次Al与Co、Cr、Mo、Nb、Ta、W以及Si 与Co、Cr、Mo、Nb、Ta、W、Ti等之中的一种 或几种金属制成的复合粉末也具有自粘结效 应。
➢自粘结材料除自身用来制备工作涂层外，常 用作结合强度较低的工作涂层与基体之间的 结合涂层，保证工作涂层在使用过程中防止 剥离。特别是对于氧化物陶瓷涂层，一般在 制备喷涂陶瓷工作涂层之前都要喷涂自粘结 果底层来提高陶瓷工作层的结合强度。
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部件 活塞环 气门挺杆 摇臂 发动机气门 消音器 活塞冠顶
热喷涂技术原理及应用课件PPT
通过喷涂方法的选择可以避免和减轻这一现象的发生。
对东喷方枪 明喷珠咀电部视分塔作钢适结当构变天热动线喷后喷，铝涂可涂用于层喷中涂塑不料可粉末避。免地存在着孔隙，孔隙度的大小与颗粒的温度和速度以及喷涂 例如，如果是陶瓷涂距层，离则和最好喷选涂用等角离度子喷等涂喷； 涂参数有关。一般来说，温度及速度都低的火焰喷涂和电弧喷涂涂 电Sp热la法t fo：rm高a频tio喷n:涂、层线材的电孔爆喷隙涂度都比较高，一般达到百分之几，甚至可达百分之十几。而高温的等离子喷涂 汽轮机、压缩机汽缸涂在长层期及的使高用速中其的中超分面音由速于微火振焰、热喷汽涂流腐涂蚀层及热则变孔形等隙而度发生较变低形状。、最面积低不可等及达深0浅.5各％异的以表下面破。坏，引起泄漏。
3) 熔粒与周围大气接触时间短：这可避免碳化物材料分解和脱碳； 4) 喷涂粉末细微，涂层光滑：粉末粒度为5-45μm，可获得表面光
滑的涂层； 5) 涂层致密，结合强度高：涂层的孔隙率可小于0.1%，结合力可大
于100N/mm2； 6) 气体耗量大、喷涂噪声大：目前喷枪所消耗的气体远大于一般火
焰喷涂； 7) 被广泛使用来制备碳化物（WC-Co、NiCr-Cr3C2）涂层和耐蚀
涂层断面形貌（层状结构）
7热喷涂的实际应用-钢结构防腐当中的应用
汽轮机、压缩机汽缸在长期的使用中其中分面由于微振、热汽流腐蚀及热变形等而发生变形状、面积不等及深浅各异的表面破坏，引起泄漏。
40mm 厚的热障陶瓷涂层，就能使金属零件表面的温度降低 200~300 ℃，并使热端部件免受燃气腐蚀和冲蚀。
它能把高温部件与高温燃气隔离开来，仅 0.
汽轮机、压缩机汽缸在长期的使用中其中分面由于微振、热汽流腐蚀及热变形等而发生变形状、面积不等及深浅各异的表面破坏，引起泄漏。
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材料表面工程
9
1.3 热喷涂技术的特点
1. 可在各种基体上制备各种材质的涂层：金属、陶瓷、金属陶瓷以 及工程塑料等都可用作热喷涂的材料；几乎所有固体材料都可以 作为热喷涂的基材。 基体温度低：基材温度一般在30~200℃之间，因此变形小。 操作灵活：可喷涂各种规格和形状的物体，特别适合于大面积涂 层，并可在野外作业。 涂层厚度可控, 范围宽：从几十微米到几毫米的涂层都能制备。 喷涂效率高、成本低：生产效率为每小时数公斤到数十公斤。 局限性：主要体现在热效率低，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，热喷涂技术仍然以其独特的优点获得了广泛的应用。
第二章
Hale Waihona Puke 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。
材料表面工程
1
热喷涂TiC
材料表面工程 2
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。
表面预处理
表面粗化
预热
喷涂
封孔
材料表面工程
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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、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。
材料表面工程
12
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。
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。
材料表面工程
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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
材料表面工程
6
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
2. 3. 4. 5. 6.
材料表面工程
10
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
材料表面工程
7
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，
材料表面工程
3
涂层的形成
材料表面工程
4
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。
S 近距 中距 远距
T
v
加热不充分，T↓
加速不充分，v↓
~100mm左右T、v 最高
远离热源，冷却，T↓
空气阻力， v↓
总而言之，喷涂工艺问题就是T、v问题
材料表面工程
8
2. 喷涂材料的影响 ①材料成分----决定材料的热扩散系数Dr Dmax=3.65(Dr×t)1/2 其中Dmax为粉末在喷涂过程中能达到距表面90%深度处于熔 融状态（半熔融）时的最大直径；t为加热时间 显然，若粉末直径相同时，Dmax越大，粉末熔融程度越高。 ② 几种典型材料的Dr及Dmax
材料表面工程
5
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。