热喷涂概述与材料
表面处理第十一讲热喷涂
热喷涂层的机械性能
热喷涂层的硬度
硬度是热喷涂层机械性能的重要指标之一。 硬度高的涂层具有更好的耐磨性和耐腐蚀性 ，但同时也可能较脆。因此，在选择热喷涂 层时，需要综合考虑其硬度与其他机械性能 的关系。
热喷涂层的韧性
韧性是热喷涂层在受到外力作用时抵抗开裂 和剥落的能力。良好的韧性可以提高涂层的 抗冲击性和使用寿命，特别是在承受交变应 力的场合。
特点
热喷涂技术具有适用范围广、涂层种 类多、涂层性能优良等特点，能够满 足各种不同的表面处理需求。
热喷涂的应用领域
航空航天
用于飞机和航天器的发 动机部件、结构件和功 能件的表面强化和修复
。
能源
用于燃气轮机、蒸汽轮 机等能源设备的耐磨、 耐腐蚀和隔热涂层的制
备。
汽车
用于发动机部件、车身 和底盘的防腐、隔热、 耐磨和装饰涂层的制备
02
环保型喷涂气体
开发环保型喷涂气体，如惰性气 体、还原性气体等，减少对大气 的污染。
03
废旧涂层的回收与 再利用
研究废旧涂层的回收技术，实现 资源的有效利用，降低对环境的 影响。
06
CATALOGUE
热喷涂案例分析
航空航天领域的热喷涂应用
飞机发动机热端部件
热喷涂技术常用于飞机发动机热端部件的表面处理，如涡 轮叶片和燃烧室，以提高耐高温、抗氧化和抗腐蚀性能。
纳米材料
纳米碳管
具有出色的导电、导热性 能，可用于制备功能性涂 层。
纳米氧化物
具有优异的耐腐蚀、抗氧 化性能，可用于制备防腐 、抗氧化涂层。
纳米陶瓷
具有高硬度、高耐磨性， 可用于制备硬质、耐磨涂 层。
03
CATALOGUE
(完整版)热喷涂
二、热喷涂的种类和特点
1.热喷涂的种类 一般按照热源的种类，喷涂材料的形态及涂层的功能
来分。如按涂层的功能分为耐腐，耐磨，隔热等涂层， 按加热和结合方式可分为喷涂和喷熔：前者是基体不熔 化，涂层与基体形成机械结合；后者则是涂层再加热重 熔，涂层与基体互溶并扩散形成冶金结合。热喷涂与堆 焊的根本区别在于母材基体不熔化或极少熔化。
2、涂层结构
喷涂层的形成过程决定了涂层的结构。喷涂层是 由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起的层状 组织结构。图5-4是涂层结构的示意图。图5-5则给出 了典型的热喷涂层的金相组织照片。
图5－5 Ni－Cr－B－Si火焰喷涂组织
从图5-5中可以看出，涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地 存在一部分孔隙或空洞，其孔隙率一般在4％～20％之间。涂 层中伴有氧化物等夹杂。采用等离子弧等高温热源、超音速喷 涂以及低压或保护气氛喷涂，可减少以上缺陷，改善涂层结构 和性能。
④基体表面的预热处理，以减少涂层与基体表 面的温度差使涂层产生的收缩应力，避免涂层 开裂和剥落。预热温度不宜过高，以防基体表 面氧化，影响结合强度，一般在200℃ -300℃ 之间。
⑤非喷涂表面的保护
四、热喷涂材料
热喷涂材料按形状可分为： ①线材：喷涂设备简单，操作方便，耗能
少，成本低，工艺因素影响小，涂层质量稳定。 ②粉末：不受线材成型工艺的限制，成本
②冶金-化学结合。这是当涂层和基体表面出现扩散和合金化时 的一种结合类型，包括在结合面上生成金属间化合物或固溶体。 当喷涂后进行重熔即喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结 合。
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。
热喷涂材料简介
喷涂用的钼其纯度在99.95％以上，既可是线材也可是粉末。由于钼与钢铁材料之间有良好的联合性能，所以常用作打底层材料，钼涂层还具有较好的耐磨性，而且钼仍是耐热浓盐酸的独一金属。
4、镍和镍合金
纯镍具有较好的耐腐蚀性能，是耐热浓碱液腐蚀最好金属材料，但不耐氧化性酸。
镍铬合金是目前使用极广的耐磨、耐腐蚀材料，它们既具有良好的耐酸、耐碱性、又具有良好的耐热性，其耐磨性随铬和碳量的增长而增加。
自熔性合金的三种典型就是铁铬硼硅系列、镍铬硼硅系列和钴铬钨系列。
铁基合金存在很好的耐磨性和必定的耐蚀性，因其价廉而被普遍用于个别机械零件量与含碳量而定，普通在HRC25～60或更高。
2、铜及铜合金
高纯度的铜可以制成导电涂层和美术装饰涂层（好比用于雕塑制品的喷涂）。在铝青铜中加入少量铁、镍、锰元素就具有很好的耐蚀性能，特别是抗海水腐蚀才能很强，难熔于硫酸和盐酸，但易溶于硝酸，此外耐蚀疲劳性和耐磨性能也很好。磷青铜具有很好的耐磨性，可用于轴承的耐磨涂层，磷青铜涂层呈漂亮的淡**，所以也可用于装潢性涂层。
热喷涂材料
金属及合金是热喷涂中利用最广、种类最多的材料。因为金属大多具备延展性，所以它们既可制成粉末又可制成线材。转变合金中元素的成分可以得到各种所需的物感性能和化学性能。
1、铝、锌及合金
铝和锌以及它们的合金，是运用最早的热喷涂材料，最初它们是用于熔线式喷涂。粉末式喷涂方法出现后也有制成粉末材料涌现的。
铝和锌的电动顺序都在铁之前，都是比铁活跃的元素，所以将它们广泛用于钢铁构件的防腐涂层，既可耐大气腐蚀、也可以作为就义阳极，对钢铁基体起到电化学掩护作用。国外通过对铝涂层的海水浸渍实验，证实其耐海水腐蚀性能良好，经由6年海水浸渍的试样，几乎未发明腐蚀。铝和锌涂层，如再进行封孔处理，其耐腐蚀性能会有所提高。
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
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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。
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
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4. 粒子的表面反应
热喷涂材料
热喷涂材料目前实际应用中已实现工业化生产的喷涂材料有金属、合金和陶瓷等, 主要以粉末、丝材、棒材状态使用, 其中喷涂粉末占喷涂材料总用量的70 %以上. 用作涂层的材料有：1. 热喷涂用粉末纯金属粉末：W，Mo，Al，Cu，Ni，Ti，Ta，Nb 等合金粉末：Al-Ni，Ni-Cr，Ti-Ni，Ni-Cr-Al，Co-Cr-W，MCrAlY(M=Co、Ni、Fe)，Co基、Ni基、Fe基自熔合金等氧化物陶瓷粉末：Al2O3，ZrO2，Cr2O3，TiO2等碳化物粉末：WC，TiC，Cr3C2等金属陶瓷粉末：WC-Co，Cr3C2-NiCr等塑料粉末：尼龙，聚乙烯，聚苯硫醚等2. 热喷涂用丝材Al、Cu，Zn，Al-Zn合金，巴氏合金，不锈钢，Ni-Al丝等3. 热喷涂用棒材Al2O3，Cr2O3，ZrO2等层功能和应用1. 抗磨损涂层磨损是造成工业部门设备损坏的主要原因之一, 可能产生磨损的工作条件包括微振、滑动、冲击、擦伤、侵蚀等.抗磨损涂层应该是坚硬的,而且具有耐热和耐化学腐蚀的性能.Fe、Ni、Co基自熔合金以及WC - Co和Cr3C2-NiCr等金属陶瓷以及Al2O3、Cr2O3等陶瓷材料具有上述这些性能. 采用涂层技术提高工件表面耐磨性的应用非常广泛, 如活塞环、齿轮同步环喷涂Mo涂层, 纺织机械中的罗拉、导丝钩等零部件喷涂耐纤维磨损的Al2O3、Al2O3 -TiO2陶瓷涂层, 泵和阀门密封面喷涂Cr2O3、WC-Co等耐磨涂层, 大马力载重汽车曲轴及大型磨煤机、排风机轴等采用Fe基合金材料进行磨损修复和耐磨强化等。
2. 防腐蚀涂层长期暴露在户外大气(海洋、工业及城乡大气)和不同介质(海水、河水、溶剂及油类等)环境中的大型钢铁构件,如输变电铁塔、钢结构桥、海上钻井平台、煤矿井架以及各种化工容器如储罐等,受到不同程度的环境氧化和侵蚀. 采用Al、Zn、Al - Zn合金及不锈钢等涂层进行防护,可以获得长达20年以上的长期防护效果.一些受到气体腐蚀和化学腐蚀的部件,可以根据具体工况(如介质、浓度、温度、压力等)选择合适的金属、合金、陶瓷及塑料等涂层材料进行防护.3. 抗高温氧化和耐热腐蚀涂层对于一些暴露在高温腐蚀气体中的部件,受到高温、气体腐蚀及气流冲刷的作用,严重影响了设备的寿命和运行的安全.抗高温氧化及高温腐蚀的材料除了必须抗高温氧化和耐腐蚀外,还必须具有与基体材料相似的热膨胀系数,方不会因温度周期变化和局部过热导致涂层抗热疲劳性能下降.用作抗高温氧化和高温腐蚀的涂层材料有：NiCr、NiAl、MCrAl、MCrAlY(M = Co、Ni、Fe)及Hastiloy和Stellite合金等. 这类涂层的典型应用如电厂锅炉四管(水冷壁管、再热器管、过热器管及省煤器管)及水冷壁等的高温氧化腐蚀一直是电力、造纸、化工等工业锅炉用户需要解决的问题,经多年研究、实践证明, 采用电弧喷涂Ni - Cr、Fe -Cr -Al、Ni-Cr -Al、45CT等涂层能获得良好的防护作用,使用寿命最长达9年.MCrAlY 涂层用于航空涡轮发动机叶片涂层以及作为涡轮发动机燃烧室、火焰筒等用热障涂层的粘结底层。
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
公共基础知识热喷涂基础知识概述
《热喷涂基础知识综合性概述》一、引言热喷涂技术作为一种表面工程技术，在现代工业中发挥着至关重要的作用。
它能够在各种基材表面制备出具有特定性能的涂层，从而提高材料的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性等性能，延长材料的使用寿命，降低生产成本。
本文将对热喷涂的基础知识进行全面的阐述与分析，包括基本概念、核心理论、发展历程、重要实践以及未来趋势等方面。
二、基本概念1. 热喷涂的定义热喷涂是指将熔融状态或半熔融状态的材料，通过高速气流或火焰等热源加热至熔化或软化状态，然后以高速喷射到基材表面，形成涂层的一种表面工程技术。
2. 热喷涂的分类根据热源的不同，热喷涂可以分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等。
火焰喷涂是利用可燃气体与氧气混合燃烧产生的火焰作为热源；电弧喷涂是利用两根金属丝之间产生的电弧作为热源；等离子喷涂是利用等离子体作为热源；爆炸喷涂是利用炸药爆炸产生的能量作为热源。
3. 热喷涂涂层的特点热喷涂涂层具有以下特点：（1）结合强度高：涂层与基材之间通过机械结合、物理结合和化学结合等方式结合在一起，结合强度较高。
（2）孔隙率低：热喷涂涂层的孔隙率较低，可以有效地防止腐蚀介质的渗透。
（3）硬度高：涂层的硬度较高，可以提高材料的耐磨性。
（4）耐高温性好：涂层可以在高温环境下使用，具有良好的耐高温性能。
（5）可制备多种材料的涂层：热喷涂可以制备金属、陶瓷、塑料等多种材料的涂层，满足不同的使用要求。
三、核心理论1. 热喷涂的原理热喷涂的原理是利用热源将喷涂材料加热至熔化或软化状态，然后以高速喷射到基材表面，形成涂层。
在喷涂过程中，喷涂材料的颗粒在热源的作用下，经历了加热、熔化、加速、撞击基材表面等过程，最终形成涂层。
2. 热喷涂的结合机制热喷涂涂层与基材之间的结合机制主要有机械结合、物理结合和化学结合三种。
机械结合是指涂层与基材之间通过机械嵌合作用结合在一起；物理结合是指涂层与基材之间通过范德华力、氢键等物理作用力结合在一起；化学结合是指涂层与基材之间通过化学反应形成化学键结合在一起。
热喷涂技术综述
热喷涂综述一、热喷涂的定义热喷涂技术，是采用某种高温热源，将欲涂覆的涂层材料熔化或至少软化，并用气体使之雾化成微细液滴或高温颗粒，高速喷射到经过预处理的基体表面形成涂层的技术。
当热源的比能量足以使基体表面发生薄层熔化，与喷射的熔融颗粒形成完全致密的冶金结合涂层时，称为热喷焊，简称喷焊。
使用高温热源，如氧——可燃气体燃烧火焰、电弧、等离子电弧、激光束、爆炸能等，是热喷涂技术区别于其他喷涂方法和表面涂覆方法的主要特征。
不同热源的最高温度列于附表。
附表：不同热源的最高温度二、热喷涂技术的特点采用热喷涂技术，制备各种表面强化和表面防护涂层，具有许多独特的优点。
(1)能够喷涂的材料范围特别广，包括各种金属及合金、陶瓷及金属陶瓷、塑料、非金属矿物等几乎所有固态工程材料。
因而能够制备耐磨、减摩、耐蚀、耐高温、抗氧化、绝缘、导电、催化、辐射、防辐射、抗干扰、超导、非晶态及生物功能等各种功能涂层；(2)能够在多种基体材料上形成涂层，包括金属基体、陶瓷基体、塑料基体、石膏、木材甚至纸板上都能喷涂，被喷涂的材料范围也十分广泛；(3)一般不受被喷涂工件尺寸和施工场所的限制，既可厂内施工，也可现场施工；(4)涂层沉积效率较高，特别适合沉积薄膜涂层。
涂层厚度可以控制，从几十微米到几毫米甚至可厚达20mm；(5)除喷焊外，热喷涂施工对基体的热影响很小，基体受热温度不超过200℃，基体不会发生变形和性能变化；(6)在满足强度要求的前提下，制件基体可以采用普通材料代替贵重材料，仅涂层使用优质材料，使“好钢用在刀刃上”；(7)热喷涂施工艺灵活，方便，迅速，适应性强。
当然，热喷涂技术也有如下一些缺点。
(1)除喷焊外，热喷涂涂层与基体的结合主要是物理机械结合，结合强度不大高，涂层耐冲击和重载性能较差；(2)喷涂涂层含有不同程度的孔隙，对于耐腐蚀、抗氧化、绝缘等应用，一般不如整体材料。
但可通过复合涂层系统设计等方法予以改进提高；(3)喷涂小件时，涂层材料的收得率低；(4)热喷涂手工操作时的劳动条件较差，有噪音、粉尘、热和弧光辐射问题，必须注意劳动保护措施。
表面处理第十一讲 热喷涂
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(复合粉末）。 （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。
氩气：易于引弧，等离子弧稳定，有很好的气体保护作用。
氢气：可作为辅助气体起到提高热焓和防氧化的作用。
等离子喷涂工艺（2）
3） 供粉速率：速率过大使熔化不良的粉粒增多，涂层组织 疏松、气孔率增大；速率过低则降低喷涂效率。 4） 喷涂距离和喷涂角：喷涂金属粉末时喷距为75～130mm； 喷涂陶瓷粉末时喷距为50～100mm。喷涂角度以90°为最佳。 5） 喷枪与工件的相对移动速度：移动速度快些为好，可防 止一次喷涂过厚导致涂层内应力过大，还可避免局部过热。
粗化处理的方法（2） 2） 开槽；
粗化处理的方法（3） 3） 电火花拉毛；
4） 喷涂粘结底层。
表 6—2 粘结底层材料及最高使用温度 涂层（质量分数） 温度/℃ 钼 315 620 80％ Ni— 20％ Al 1010 95％ Ni— 5％ Al 1260 80％ Ni— 20％ Cr 980 94％ Ni— 6％ A1 1316 Ni(Co)CrY
3 涂层结构（1） 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％。
涂层结构（4） 涂层内有一定比例的孔隙，产生原因是： （1） 喷涂角度不同造成的遮蔽效应；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
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工艺灵活
工件受热温度可控 涂层容易控制 成本低
LEE MAN (SCETC)
在喷涂过程中可使基体保持较低温度，基体变形小，一般 温度可控制在 30～200℃，从而保证基体不变形、不弱化。
涂层厚度由几十微米到几毫米，涂层表面光滑，加工余量少。
但目前该技术仍存在着结合力低、孔隙率较高、均匀性差 等缺点，有待于进一步发展。
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表面工程与热喷涂
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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。
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。
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表面工程与热喷涂
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LEE MAN (SCETC)
表面工程与热喷涂
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二、热喷涂用金属及合金线材
热喷涂用金属及合金线材包括：
非复合喷涂线材
非复合喷涂线材是指只用一种金属或合金的材料制成的 线材，这些线材是用普通的拉拔方法制造的。
复合喷涂线材
用机械方法将两种或更多种材料复合压制成喷涂线材称 复合喷涂丝。
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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。
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表面工程与热喷涂
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热喷涂技术的目的：
热喷涂的目的：是提高工件的耐蚀、耐磨、耐高温等 性能，亦可用于修复因磨损或加工失误造成尺寸超差的零 部件。
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热喷涂生产实例
录相
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二、热喷涂的原理
喷涂材料在热源中被加热的过程和颗粒与基体表面的 结合过程是热喷涂涂层制备的关键环节。 （一）涂层的形成过程及特点
热喷涂的工艺过程：
喷涂材料加热熔化 粒子喷涂 涂层形成 熔滴雾化 粒子飞行
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热源温度越高，熔滴冲击速度越大，形成的涂层越致密。
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火焰喷涂 高速火焰喷涂 爆炸喷涂 电弧喷涂 等离子弧喷涂
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2. 热喷涂技术的特点
可喷涂的材料广泛 基体不受限制
几乎所有的金属、合金、陶瓷都可以作为喷涂材料，塑 料、尼龙等有机高分子材料也可以作为喷涂材料。
在金属、陶瓷器具、玻璃、石膏，甚至布、纸等固体上都 可以进行喷涂。 既可对大型设备进行大面积喷涂，也可对工件的局部进行喷涂；既 可喷涂零件，又可对制成后的结构物进行喷涂。室内或露天均可进 行喷涂，工序少，功效高，大多数工艺的生产率可达到每小时喷涂 数千克喷涂材料。如对同样厚度的涂层，时间比电镀用的少得多。
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2.热喷涂材料分类
1）根据热喷涂材料的不同形状： 线材 棒材 管材 粉末
由高分子材料做成的长 柔性管中装有各种性能 粉末和管材
2）根据喷涂材料的成分： 金属 合金 自熔性合金 复合材料 陶瓷 塑料
3）按涂层结构有纳米涂层材料、合金涂层材料、非晶态涂层 材料以及由这些材料复合构成的复合涂层材料。
LEE MAN (SCETC)
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（二）复合喷涂线材
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-AI、Al-Cr、 Al-Nb、Al-Ta、Al-B、Al-Ni-WC、Al-Ni-Al2O3等复合丝线材。 利用组元对放热反应，再加入其他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，又因其他组元的强化作用而得到高的综合性能。 如不锈钢一Ni／AI丝、Ni-AI-Mo丝等。
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机械结合
冶金-化学结合
物理结合
颗粒与基体表面间由范德华力或其他次价键力形成的结合。
范德华力是存在于分子间的一种吸引力，它比化学键弱得多。
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（二）热喷涂涂层结构
• 喷涂层的形成 过程决定了涂 层的结构，喷 涂层是由无数 变形粒子互相 交错呈波浪式 堆叠在一起的 层状组织结构。
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：
碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒，由于和凹凸不平的 表面相互嵌合（即抛锚效应）， 形成机械钉扎而结合。一般 来说，涂层与基体的结合以机械结合为主。 这是当涂层和基体表面产生冶金反应的一种结合类型，如 出现扩散和合金化，包括在结合面上形成金属化合物或固溶 体。当喷涂后进行重熔即喷焊时，喷焊层与基体的结合主要 是冶金结合。
由于不锈钢涂层收缩率大，易开裂，适于喷涂薄层。
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非复合喷涂线材
铝及铝合金喷涂 丝
铝和氧有很强的亲和力，铝在室温下大气中就能形成致 密而坚固的Al2O3氧化膜，能防止铝进一步氧化。 纯铝喷涂除大量用于钢铁保护涂层外，还可作为钢的抗 高温氧化涂层、导电涂层和改善电接触的涂层。 一般铝丝纯度（质量分数）应大于99.7％。铝丝直径2～ 3mm，喷涂时，表面不得有油污和氧化膜。
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制造复合喷涂线材常用的复合方法:
丝-丝复合法 丝-管复合法 粉-管复合法 粉-皮压结复合法 粉-粘合剂复合法
将各种不同的组分的丝绞、轧成一股。 将一种或多种金属丝穿入某种金属管中压轧而成。 将一种或多种粉末装入金属管中加工成丝。 将粉末包在金属壳内加工成丝。 把多种粉末用粘合剂混合挤压成丝。
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三、 热喷涂技术分类及特点
1.热喷涂技术的分类
热源
喷涂方法
线材火焰喷涂
火焰
粉末火焰喷涂 高速火焰喷涂 爆炸喷涂 电弧喷涂
自由电弧 等离子弧
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大气等离子弧喷涂(APS)
低压等离子弧喷涂(LPPS) 水稳等离子弧喷涂
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非复合喷涂线材
镍及镍合金喷涂丝
镍涂层即使在1000℃高温下也具有很高的抗氧化性能， 在盐酸和硫酸中也具有较高的耐蚀性。应用最为广泛 的镍基合金喷涂丝线材主要有Ni-Cr丝和蒙乃尔合金 （Mmel合金）。Ni-Cr合金涂层作为耐磨、耐高温涂 层，可在800℃－1000℃高温下使用，但其耐硫化氢、 亚硫酸气体及盐类腐蚀性能较差；蒙乃尔合金涂层具 有优异的耐海水和耐稀硫酸腐蚀的性能，具有较高的 非强氧化性酸的耐蚀性能，但耐亚硫酸腐蚀性能较低。
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涂层的特点：
涂层的性能具有方向性
垂直和平行涂层方向上的性能是不一致的。
有孔隙或空洞
涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地存在一部分孔隙或空 洞，其孔隙率一般在 0.025％～20％之间，涂层中还伴有 氧化物等夹杂。
涂层结构可改变
涂层经适当处理后，结构会发生变化。如涂层经重熔处理， 可消除涂层中氧化物夹杂和孔隙，层状结构变成均质结构， 与基体表面的结合状态也发生变化。 残留应力是由于撞击基体表面的熔融态变形颗粒在冷 凝收缩时产生的微观应力的累积造成的，涂层的外层 受拉应力，而基体或涂层的内侧受压应力。
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非复合喷涂线材
铅及铅合金喷涂丝
铅具有很好的防X射线辐射的性能，在原子能工业中广泛 用于防辐射涂层。 含锑和铜的铅合金丝材料的涂层具有耐磨和耐蚀等特性， 用于轴承、轴瓦和其他滑动摩擦部件的耐磨涂层。 但涂层较疏松，用于耐腐蚀时需经封闭处理。由于铅蒸 气对人体危害较大，喷涂时应加强防护措施。
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第三节 热喷涂材料
一、热喷涂材料的性能和分类
1.热喷涂材料必须满足的性能：
稳定性好 使用性能好 润湿性好 固态流动性好 热膨胀系数合适
热喷涂材料在喷涂过程中，必须能够耐高温，具有良好的化学稳定性 和热稳定性，即在高温下不发生有毒的化学反应及性能上的转变。