热喷涂与热喷焊
机械设备维修中热喷涂与喷焊技术研究
根据零件 材料和涂层材 料而定 。净化 处理的 目的就 是去掉 零件表面 的氧化皮 、油渍等污物 ，关 键是要去掉渗入 的油
脂 。粗化 处理则是为 了增 加涂层材料 与基 材之 间的接 触面 积，如喷砂、滚花、电拉毛等方式 。 １ ． ２ ． ２ 预 热处理 ：预 热是针对 工件进 行加 热处理 ，
荷 的工件 为了提高涂层 结合 的强度 ，必要 时应对涂层进行
ｌ 热喷涂技术特征
１ ． １ 热 喷涂 概述
热 喷涂技术是利用 电弧等热源 ，将喷涂材料 从 固体变 为熔 融状态 ，在 高压气流 的推动 下喷涂材料被 雾化 ，直接 喷射 到机 械零件 的表 面 ，材料 喷射到工件表 面上 受到 阻力 影 响而形成扁平状 ，附着到工件 表面达到修 复磨损表面 的 目的。持续 的喷涂 则可 以使得 喷涂材料之 间相互 咬合 ，进
（ 焊 ）技术对 机械部件 的表 面进行维护 与再造可 以利用较
低 的成本 恢 复零 件 的性 能 ，对 于 工厂 节 能减排 和 资源 节 约、建设环境 友好型社会具 有举足轻重 的作用 。热喷涂 和 喷焊技术是主 要的技术类 型，技术优势和应 用都有较 为广
阔的前景。
处理 ，主要是防止腐蚀 介质 深入到涂层 内而对基材产 生影 响 。用于 防腐的材料主要有 石蜡 、环氧树 脂、硅树脂等 ， 也可利用 氧化物作为 防腐剂 。当然防腐剂 的选择应根据介 质 、环境 、温 度等进行综合 选择 ，对于承 受高温或者重载
２ ． ２ 喷焊 技术 过程 分析
喷焊 的过程是利用离子 气在钨极和喷 嘴之间施加高 频 火花 ，引燃非转移弧 ，借助其引燃转移 弧 。此时通过送 粉 气和保护气 ，焊接材料被送 入气 枪 ，粉末经 过 电弧形成熔 融状态 ，并喷射到零件表面 ，工件焊接部位在 转移弧 的作 用下形成熔池 ，喷射到熔池 的焊 接材料与基材 相结合形成
热喷涂概述
（ 2 ）喷涂过程中基体表面受热的程度较小
而且可以控制 , 因此可以在各种材料上进行喷
涂 ( 如金属、陶瓷、玻璃、布疋、纸张、塑料 等),并且对基材的组织和性能几乎没有影响,工 件变形也小。 （3）设备简单、操作灵活, 既可对大型构件
进行大面积喷涂 , 也可在指定的局部进行喷涂；
既可在工厂室内进行喷涂也可在室外现场进行 施工。
由于喷涂颗粒以超音速飞行而撞击到基体 表面，所以HVOF喷涂涂层的结合强度、密度
和硬度都非常高。
高速（可使颗粒获得高的动能和较短的氧 化暴露时间）和相对较低的温度是HVOF热喷 涂工艺方法最重要的两个特征。
（4）电弧喷涂 电弧喷涂是在两根丝状的金属材料之间产生 电弧, 电弧产生的热使金属丝熔化, 熔化部分由压
五、热喷涂技术的分类 依据GB/T1872－2002颁布的分类方 法有三种： 热喷涂材料类型 操作方法 热源
（1）按热喷涂材料类型分类
• • • • • 线材喷涂 棒材喷涂 芯材喷涂 粉末喷涂 熔液喷涂 wire spraying rod spraying cord spraying powder spraying molten bath spraying
预热温度取决于工件的大小、形状和材质,
以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素,一般 情况下预热温度控制在60 - 120 ℃之间。
（3）喷涂
• 采用何种喷涂方法进行喷涂主要取决于选用的喷涂 材料、工件的工况及对涂层质量的要求。 • 陶瓷涂层：最好选用等离子喷涂； • 碳化物金属陶瓷涂层：最好采用高速火焰喷涂；
二、热喷涂技术的定义
GB/T18719—2002《热喷涂 术语、分类》中
定义：
热喷涂技术是利用热源将喷涂材料 加热至溶化或半溶化状态并以一定的速 度喷射沉积到经过预处理的基体表面形 成涂层的方法。
熔射
熔射熔射基本原理熔射，又称热喷涂或喷焊，其基本原理是将材料（粉末或线材）加热熔化，在气体带送高速下冲击附着于底材（或工件）表面、堆积、凝固形成膜厚或涂层，达到防腐蚀、防锈、耐磨、润滑、表面粗糙化、吸附、绝缘、绝热....等目的。
熔射是表面处理中的一项特殊处理技术，用途广泛。
热熔射材质形态和热熔射种类热熔射材料种类分为粉末和线材两大类,熔射热喷涂种类一．火焰线材熔射（Wire Flame Spray）1.火焰熔射的热源来自氧气与燃气混合燃烧的火焰，线材经火焰中心熔化，再经高压空气雾化成细微颗粒及加速带送吹向底材表面，堆积、凝固形成涂层或膜厚。
2.火焰燃气可使用以下几种：乙炔、丙烷、氢气等。
3.一般火焰线材熔射适用于：机械零件补修、耐磨、钢构桥梁的防腐蚀防锈、半导体、面板、光电制程模具，金属艺术品制作。
二．火焰粉末熔射（Powder Flame Spray）1.火焰粉末熔射，其基本原理同火焰线材熔射，差异在于送料方式不同，火焰粉末熔射的材质型态是粉末，所以在材质选择方面火焰粉末熔射比较多，因为不是所有的材质都可以做成线材。
2.其所熔射出来的涂层或膜厚的表面粗度、大小取决于粉末颗粒大小。
其涂层的硬度则取决于粉末材质的选用。
三．电弧熔射（Electric ARC Spray）1.电弧熔射，要将两条各自带有正电负电的相同金属线接触产生电弧，瞬间产生高热将金属线材融化，再经高压空气吹细雾化，带送吹向底材（或工件），堆积、凝固成涂层或膜厚。
2.一般适用于：防腐蚀防锈处理、机械加工修补、半导电、面板、光电制程的模具，表面粗化处理。
四．高速火焰熔射（HVOF）1.高速火焰熔射，其基本原理类似火焰粉末熔射。
差别在于受高速火焰熔射带送的粉末速度快很多，粉末以超音速（约600m/sec）冲击堆积凝固于底材表面，其形成的涂层结构比较结实紧密，涂层的机械强度远大于火焰粉末熔射的涂层。
2.高速火焰熔射可使用于以下几种燃气：丙烷、丙烯、氢气、天然气及煤油。
7.4热喷涂技术
二）应用范围 1、机体等壳体类零件，油箱等薄板件和电瓶等非金属制品 破裂的粘补； 2、铸件砂眼、气孔的粘补； 3、离合器、制动带摩擦片的粘接，以替代铆接；
4、连接面的密封、堵漏；
5、可做为绝缘及防腐涂层； 6、零件表面磨损、划伤的修复； 7、零件表面腐蚀的修复。
一）胶接的特点 优点： 1、不受母材的影响，可连接和粘补各种不同的金属材料 和非金属材料，并不受形状和尺寸的限制； 2、接头应力分布均匀，避免因热影响区所引起的变形损 坏缺陷； 比焊、铆、螺栓连接的疲劳强度高十多倍，且能吸震、阻 尼振动。 3、可节省紧固件或焊条金属，减轻连接重量； 4、粘接表面平整，具有良好的密封、耐水、耐腐蚀和绝 缘性能； 5、粘接工艺简单，操作简便，不需复杂设备，成本较低。
2、有机胶按其胶接接头的受力情况分 1）通用胶： 常温固化，综合性能好；
2）结构胶： 强度较高，能承受较大载荷；
3）特殊用途胶： 导电，耐高、低温和密封。 另外，还可按包装、固化温度、使用温度等分类。
Hale Waihona Puke 二、粘接基本原理 粘接是靠胶在被粘接件之间的机械、物理及化学作用而进 行连接。要使粘接牢固，粘接处胶层必须有足够的内聚强度， 胶层与粘接面间则应有足够的粘附强度，才不致产生破坏。 1、粘接的破坏形式 内聚破坏、粘附破坏和综合破坏。
硼、硅的作用 氧-乙炔喷焊是采用子熔性合金粉末材料。所谓子熔性主要 指在案合金粉末中加入硼、硅元素，其作用是： 1）降低合金熔点 2）增强合金的子脱氧作用
3）提高合金的浸润性
4）提高合金的硬度 根据合金粉末的基本组成元素，自熔合金粉末可分为： 镍基、钴基、铁基以及碳化钨弥散型四大类。
第三章热喷涂
①火焰类，包括火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷 涂；
②电弧类，包括电弧喷涂和等离子喷涂； ③电热法,包括电爆喷涂、感应加热喷涂和电容
放电喷涂； ④激光类：激光喷涂。
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二、粉末火焰喷涂
图3-1 粉末火焰喷涂原理 1-氧-乙炔混合气 2-氧气 3-喷枪 4-粉末 5-火焰 6-喷涂层
作气体23等离子喷涂原理241工件2喷涂层6绝缘套3前枪体4冷却水出口7冷却水进口8钨电极5等离子气进口9后枪体10送粉口等离子喷涂设备工位布置示意图251喷枪2送粉器3控制柜4等离子气和送粉气瓶5直流电源6冷却水进口7冷却水出口影响涂层质量的工艺参数?等离子气体?电弧的功率?供粉?喷涂距离和喷涂角?喷枪与工件的相对运动速度?喷枪与工件的相对运动速度26?基体温度控制真空等离子喷涂又叫低压等离子喷涂?真空等离子喷涂是在气氛可控的440kpa的密封室内进行喷涂的技术
3
热喷涂涂层的结构特点
热喷涂涂层形成过程决定了涂层的结构特 点，喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈 波浪式堆叠在一起的层状组织结构，涂层 中颗粒与颗粒之间不可避免地存在一些孔 隙和空洞，并伴有氧化物夹杂，其特点为 ：
＊ 呈层状 ＊ 含有氧化物夹杂 ＊ 含有孔隙或气孔
4
热喷涂涂层的结合机理
热喷涂金属涂层是研究和应用较早的耐磨 涂层，常用的有金属(Mo、Ni)、碳钢和低合金 钢、不锈钢和Ni-Cr合金系列涂层。一般采用 火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、HVOF及 爆炸喷涂工艺，涂层具有与基体的结合强度较 高，耐磨、抗腐蚀性能较好等优点，用于修复 磨损件及机械加工超差件。
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采用铝系合金等离子喷涂技术对活塞环、同步 环及气缸等零件进行喷涂时，涂层具有良好的耐 磨性、高结合强度及优异的耐粘着磨损性，在有 润滑油的条件下具有良好的抗咬死性和抗拉伤性 能。高碳钢丝、不锈钢(Crl3型、 18-8型等)合金丝 是常用的耐磨耐蚀喷涂材料。具有强度较高、耐 磨性好、来源广泛、价格低廉等特点。NiCr涂层 具有较好的耐热、抗腐蚀及抗冲蚀磨损的性能， 可作为电站锅炉的过热器管和再热器管的防护涂 层，采用火焰和等离子喷涂方法可制备具有不同 组织结构的NiCr金属耐磨涂层，涂层中孔隙率和 氧化物含量较高。
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
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。
机电设备维修技术授课教案：热喷涂和喷焊修复法
②喷涂粉尘有害健康，注意防尘、通风。
③喷涂噪音可能损坏听力，请使用耳罩。
④喷涂弧光的辐射有损视力，请戴护目镜。
7、发展趋势：
（1）大面积长效防护技术得到了广泛应用
（2）修复强化大型设备及进口零部件国产化
（3）超音速火焰喷涂技术的应用
（4）气体爆燃式喷涂技术进一步得到应用
（3）工艺简单，修复周期短，生产率高，成本低。
（4）能改善和提高零件表面的性能，如抗氧化性、导电性、绝缘性、隔热性
等。
（5）喷涂层的结合强度不高。
3、应用范围
（1）恢复磨损工件的尺寸，如机床主轴、曲轴、凸轮轴轴颈、电动机转子轴、
机床导轨和溜板等；
（2）修复铸件的砂眼、气孔等缺陷；
（3）在需要耐磨的部位，喷一层耐磨材料如磷青铜或铝青铜，以提高零件的
6、合拢固化
将粘接件的粘接表面紧密叠合在一起，并根据粘接剂的特性确定固化温度、压力和时间。
7、检验
对完全固化后的粘接件进行全面的检验，观察有无裂痕、气孔等现象。
8、加工
如有必要可对粘接后的工件进行机械加工，以满足使用要求。
六、粘接修复法的应用
磨损性机件的修复：直接填补法、粘加塑料板法、粘接剂喷涂法
断裂型机件的修复：注意粘接接头设计
（5）氧乙炔火焰塑料粉末喷涂技术发展迅速
（6）热喷涂技术在化工防腐工程中得到应用
（7）激光重熔技术开始应用
（8）在建筑装潢医疗卫生方面也得到了应用
8、喷涂喷焊的分类
根据热源不同，热喷涂技术可分：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、电爆炸喷涂等。
热喷焊技术可分：火焰喷焊、等离子喷焊等。
喷涂喷焊材料可分：线状和粉末状。
《机电设备维修技术》思考题与习题答案5
第三章思考题与习题答案一、名词解释1.扩孔镶套法：是指孔类零件的孔磨损严重时，只要结构允许，可采用镗扩磨损孔，然后镶套并磨削孔内表面过到规定要求的修复方法。
2.电刷镀修复法：是采用电刷镀进行修复的方法，而电刷镀是指依靠一个与阳极接触的垫或刷提供电镀需要的电解液的电镀方法。
3.低温镀铁：在50℃以下至室温的电解液中镀铁的工艺。
4.冷焊修复法：是指在常温或局部低温预热状态下进行修复的方法。
5.热喷涂修复法：是采用热喷涂进行修复的方法。
热喷涂包括喷涂和喷焊两种工艺。
用高温热源将喷涂材料加热至熔化或呈塑性状态，同时用高速气流使其雾化，喷射到经过预处理的工件表面上形成一层覆盖层的过程称为喷涂。
将喷涂层继续加热，使之达到熔融状态而与基体形成冶金结合，获得牢固的工作层称为喷焊或喷熔。
二、填空题1．利用_机械加工、_机械连接、机械变形等各种机械方法，使失效零件得以修复称机械修复法。
2．采用镶加零件法修复失效零件时，镶加零件的材料和热处理，一般应与基体相同；必要时应选用比基体性能更好的材料。
3．焊接修复法可以迅速地修复一般零件的磨损、变形、断裂或裂纹等多种缺陷。
4．对于磨损严重的重要零件，可在磨损的部位堆焊上一层金属。
常见的堆焊方式有手工堆焊和机械堆焊两类。
5．零件进行堆焊修复后，为减小焊层的应力和硬度不均现象，应进行回火处理。
6．胶粘剂主要分有机胶粘剂和无机胶粘剂两大类。
7．有机胶粘剂一般总是由几种材料组成，配制时应注意比例和称量的准确，否则将直接影响粘接质量。
8．粘接表面的处理方法有____机械处理__、____脱脂处理__和__化学处理__ 等。
9．一般液态胶粘剂可采用刷涂、刮涂、喷涂和用滚筒布胶等涂胶方法。
10．胶层应涂布均匀，注意保证胶层无气泡和避免出现贫胶、缺胶现象。
11．电镀修复法可修复零件的尺寸，并提高零件表面的硬度、耐磨性和耐蚀性等。
12.采用镀铬法修复零件，镀铬层具有硬度高、耐磨性好、耐腐蚀性强、耐热等特点。
表面工程
《材料表面工程》考试要点二、简答题1、表面工程技术的特点与意义；（1）主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大。
因此，可以制备表面性能与基材性能相差很大的复合材料。
（2）采用表面涂(镀)、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料表面具有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本。
（3）可以兼有装饰和防护功能，有力推动了产品的更新换代。
（4）表面薄膜技术和表面微细加工技术具有微细加工功能，是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。
（5）二维的表面处理技术已发展成为三维零件制造技术（生长型制造法），不仅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。
（6）表面工程技术已成为制备新材料的重要方法，可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。
5. 写出Young方程，并用图示法说明“润湿”与“不润湿”；4、写出Young方程，并用图示法说明“润湿”与“不润湿”；Young方程：润湿的定义：7、金属材料腐蚀控制及防护方法；1）、产品合理设计与正确选材；2）、电化学保护；3）、表面覆层和表面处理；4）、加入缓蚀剂。
8. 表面预处理的工序包括哪些答：表面预处理是表面工程技术能否成功实施的关键因素。
主要工序包括：机械性清理，脱脂，化学浸蚀、抛光和电化学抛光，脱脂—浸蚀综合处理等。
9、形成热扩渗层的基本条件及机理；基本条件：（1）渗入元素必须能够与基体金属形成固溶体或金属件化合物；（2）欲渗元素与基体之间必须有直接接触；（3）被渗元素在基体金属中要有一定的渗入速度；对靠化学反应提供活性原子的热扩渗：（4）该反应必须满足热力学条件。
机理：（1）产生渗剂元素的活性原子并提供给基体金属表面；（2）渗剂元素的活性原子吸附在基体金属表面上，随后被基体金属所吸收，形成最初的表面固溶体或金属间化合物，建立热扩渗所必须的浓度梯度；（3）渗剂元素原子向基体金属内部扩散，基体金属原子也同时向渗层中扩散，使扩散层增厚。
演示文稿 热喷涂技术介绍
（5）、由于热镀锌工艺的预处理采用酸洗、 磷化,故没有增加工件表面粗糙度、涂层结 合力较差。而喷锌、喷铝工艺的预处理采 用喷砂,增加了工件表面的粗糙度,涂层结合 力较好。 （6）、热镀锌工艺对水质污染十分严重,环 保问题非常突出。所以热喷锌、喷铝工艺 被越来越广泛的采用。
电弧喷涂涂层的特点
热 喷 涂 材 料
热喷涂所用的材料主要有粉末、丝、棒、 粉芯焊丝和药芯焊丝等。
粉末材料
热喷涂所用的粉末材料主 要有金属粉末、合金粉末、 自熔性合金粉末、陶瓷粉 末、复合陶瓷粉末、塑料 粉末、包覆粉末等。
粉末材料
丝材
热喷涂所用的丝材主要 有锌及锌合金、铝及铝 合金、锡及锡合金、铅 及铅合金、铜及铜合金、 镍及镍合金、钼丝、碳 钢、不锈钢、复合丝材 等。
(3)、由于铝、锌的电极电位比钢铁低，在 电解质溶液（海洋盐水）中，当铝、锌涂 层局部破损或有孔隙时，铝、锌涂层为阳 极，钢铁基体为阴极，铝、锌涂层将作为 牺牲阳极，而使钢铁基体得以保护（阴极 保护）。
另外热喷涂层起着物理覆盖作用，可较好 地将钢铁基体与水、空气及其它介质隔离 开。同时，铝、锌本身的耐蚀性远好于钢 铁 (见下表）
电弧喷涂具有以下特点： (1)、具有较长久的耐腐蚀寿命,其防腐寿命可达到 50年以上,同时该防腐涂层在30年使用期内无须其 它任何防腐维护；30年以后的维护，仅须在电弧 喷涂层上刷封闭涂料；无须重新喷涂金属涂层， 实现一次防腐，涂层长久有效。 (2)、电弧喷涂层与金属基体具有优良的涂层结合 力，金属喷涂层以机械镶嵌和微冶金与基体金属 相结合，在轻微的弯曲、冲击或碰撞下也能确保 防腐涂层不脱落、不起皮、结合牢固、防腐长久 有效，这一点是其它表面防腐涂层无法达到的。
热喷涂名词解释
热喷涂名词解释
热喷涂
热喷涂（Thermal Spray）是一种表面处理技术，通过喷射高温熔融或熔化状态的材料颗粒，将其喷涂在基材表面上，形成一层坚固的涂层。
喷涂材料
热喷涂所使用的喷涂材料可以是金属、陶瓷、塑料等多种材料，常见的喷涂材料包括硬质合金、不锈钢、氧化铝等。
喷涂设备
热喷涂设备包括火焰喷涂枪、等离子喷涂设备和电弧喷涂设备等，根据不同的喷涂材料和应用领域选择合适的喷涂设备。
涂层应用
热喷涂涂层具有耐磨、耐腐蚀、隔热等特性，广泛应用于航空航天、汽车工业、电子电器、能源等领域。
表面涂镀层技术--热喷涂
喷涂层形成过程
1.喷涂过程
①喷涂材料的加热熔化
喷涂材料被加热达到熔化或半熔化状态
②熔滴的雾化
喷涂材料熔化后，在高速气流的作用下，熔滴
被击碎成小颗粒呈雾状；粉末无，线材,外加压
缩气流或热源自身射流
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③粒子的飞行
细小的雾状颗粒在气流的推动下向前飞行，颗 粒获得一定的动能；先加速、后减速
④粒子的喷涂
在产生碰撞瞬间，颗粒的动能转化成热能付 予基材，并沿预处理的凹凸不平表面产生变 形，变形的颗粒迅速冷凝并产生收缩，呈扁 平状粘结在基材表面。
尺寸，几十微米~几百微米；
速度，几十~几百米/秒；
温度，熔点
碰撞，动能→热能；
变形成扁平状粒子，凝固
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2. 涂层的形成过程
由不断飞向基体表面的粒子撞击基体或涂层表面 堆积而成
等离子弧—压缩电弧，弧柱细、电流密度大、电离度高 温度高、能量集中、弧稳定性好
三种形式： 非转移弧 阴极和喷嘴之间，工件不带电——喷涂 转移弧 工件接正极——焊接、切割 联合弧 喷嘴、工件均接正极 温度 中心30000K，出口15000-20000K 速度 出口1000~2000m/s，工件>150m50//s118
①涂层材料取材范围广 金属、合金、陶瓷、塑料、尼龙、复合材料等。 ②可用于各种基体
金属、陶瓷、玻璃、石膏、布、纸、木材等固体 ③可使基体保持较低温度、基材变形小
冷工艺30~200℃、不变形、不弱化 ④工艺灵活
可10mm内孔，也可大型构件；可大面积，也可局部； 保护性气氛，也可现场作业
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⑤工效高、操作程序少、速度快 每小时几公斤~几十公斤
→ 燃烧室混合 → 爆炸式燃烧 → 高速通过膨胀管获得超音速
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
表面工程学六、喷涂(09)
四、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
1 基材表面预处理 （1） 净化处理：清除表面污垢。 （2） 粗化处理：提高涂层与基体之间的结合牢度。 粗化处理可提高涂层结合强度的理由是：
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；
热喷涂材料分类（非金属类，表1-3）
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
2 热喷涂材料的选材原则
（1） 要把实用性、工艺性和经济性结合起来考虑，尽量选择 合理的喷涂材料。 （2） 对于重要的部件以获得最优涂层性能为准则；不十分重 要的部件则以获得最大的经济效益为准则。 （3） 根据工件的工作环境选择合适的工作涂层。
热喷焊和热喷涂的差别
热喷涂与热喷焊的区别
1、涂层结合机理不同
热喷涂的结合机理是：机械结合、冶金—化学结合、物理结合。
其中以机械结合为主。
喷焊的结合机理是：化学冶金结合，实现原子间的永久连接。
2、工件受热情况不同
喷涂无重熔过程，工件表面温度可始终控制在250℃以下。
一般不产生变形和使工件的组织状态发生变化。
而喷焊要使涂层融化，重熔温度可达900℃以上，不仅易引起工件变形，而且多数工件会发生退火或不完全退火。
3、与基材的结合状态不同
喷涂层与基材表面的结合以机械咬合为主，尽管存在微区冶金结合，涂层结合强度不高，一般为30~50 MPa。
喷焊通过涂层熔化与基材表面形成冶金结合，结合强度一般可达
343~440MPa。
4、喷涂材料不同
喷焊要求使用自熔性合金粉末，而喷涂则对粉末的自熔性要求不高，且不一定是自熔性合金粉末，各种自熔性合金粉末既可用于喷焊又可用于喷涂，但喷涂粉末不具备自熔性只能用于喷涂而不能用于喷焊工艺。
粉末火焰喷焊所用粉末必须是自熔性合金粉末，而喷涂所用粉末不受限制。
5、覆盖层结构不同
喷焊层均匀致密，一般认为无孔隙，而喷涂层有孔隙。
6、承载能力不同
喷涂层不能承受冲击载荷和较高的接触应力，适用于各种面接触工件的表面喷涂。
喷焊层可承受冲击载荷和较高的接触应力，可用于线接触场合。
综上所述，当工件承载大，尤其是受冲击负荷作用和在腐蚀介质中使用时，以采用喷焊为宜，当工件不允许有变形发生或不允许改变其原始组织，而且工件不承受或仅承受轻微冲击载荷时，则宜采用喷涂。
目前广泛采用的有粉末火焰喷焊及等离子弧喷焊两种工艺。
热喷涂与喷焊
热喷涂与喷焊1.简要说明表面工程概念的含义，常用的表面工程手段或方法有哪些？表面工程是材料表面经预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需要表面性能的系统工程。
表面工程技术分为三类：表面合金化、表面覆层与覆膜技术和表面处理。
表面合金化：包括喷焊、堆焊、离子注入、转化膜技术、扩散渗入、激光熔敷、热渗镀等。
表面覆层与覆膜技术：包括电化学沉积、化学沉积、气相沉积、热喷涂、电镀、化学转化处理、电刷镀、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、热浸镀等。
表面处理：包括激光、电子束热处理技术以及喷丸、辊压、孔挤等表面加工硬化技术，表面纳米化加工。
2.什么是热喷涂，主要有哪些具体方法？热喷涂技术是采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它们的复合材料等喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。
热喷涂技术依照所采用的热源不同通常可分为：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和冷喷涂四大类：①火焰喷涂：利用气体燃烧放出的热进行的热喷涂称火焰喷涂。
火焰喷涂最常用的喷涂热源是氧乙炔焰。
根据喷涂材料的形状可分为丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。
②电弧喷涂：将两根被喷涂的金属丝作为自耗电极，利用其端部产生的电弧作为热源来熔化金属丝材，用压缩空气进行雾化的热喷涂方法。
③等离子喷涂：采用等离子弧为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。
④冷喷涂：它不使用任何高温火焰来直接加热熔化喷涂粉末。
它采用高压高速的气流驱动喷涂材料粉末来进行喷涂，当固态粉末粒子的速度高于某一临界值时，粒子与基材发生粘合沉积，从而形成涂层。
高压气源产生的高压气体分别用作工作气体和送粉气体，气体加热器分别预热工作气体和送粉气体至100～600℃。
第5章 热喷涂、喷焊与堆焊技术
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）
第一节：热喷涂技术
1.1、热喷涂技术原理与特点
1. 热喷涂原理
利用各种不同的热源，将欲喷涂的各种材料(如 金属、合金、陶瓷、塑料及其各类复合材料)加 热至熔化或熔融状态，借助气流高速雾化形成 “微粒雾流”沉积在已经预处理的工件表面形成 堆积状，与基体紧密结合形成喷涂层。 而将某些喷涂层进行重熔处理形成的冶金结 合特征的涂层称之为喷熔层或重熔层。
等离子喷涂设备
超音速喷涂设备
⑧ 激光喷涂
将从激光器发出的激光束 聚焦在喷枪喷嘴近旁，喷 涂粉末由压缩气体从喷嘴 喷出，由激光束加热熔化， 压缩气体将熔粒雾化、加 速，喷射到基材表面形成 涂层。
1.3、热喷涂涂层材料
热喷涂工艺对涂层材料的基本要求
1
涂层材料必须满足设计特性；
被喷涂的材料必须满足对热喷涂涂层使用 功能特性的基本要求，如耐磨、耐蚀、耐 高温、抗氧化、可磨耗密封、自润滑、热 辐射、导电、绝缘及超导等。
“抛锚作用”：即最先形成的薄片状颗粒与基体 表面凹凸不平处产生机械咬合，随后依照次序堆 叠镶嵌，形成以机械结合为主的喷涂层；此外基 体表面局部瞬时高温，导致涂层材料与基体之间 发生局部扩散和焊合，形成冶金结合。
机械结合为主的结合机理决定了热喷涂涂层 的结合强度比较差，只相当于其母体材料的5 ％—30%。最高也只能达到70MPa。
6
加热不均匀，薄壁、细长构件要注意变形。
热喷涂
三、 热喷涂的分类和特点
热喷涂的分类
按照热源不同，热喷 涂技术主要包括
热喷涂特点
（2） 基材温度低（30 ～ 250 ℃），热影响区浅，变形小；
（3） 涂层厚度范围宽（0.1 ～ 5 mm），易控制 ； （4） 工效高 ；操作灵活，可在不同尺寸和形状的工件上喷涂； （5）加热效率低，浪费大， （6）喷涂材料利用率低， 操作环境较差。 （7）涂层与基体结合强度低，孔隙率较高，均匀性差 。
复合型粉末结构示意图
热喷涂材料
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
后处理（封孔+加工）
1. 封孔处理的目的：
（1） 防止或阻止涂层界面处的腐蚀； （2） 提高抗氧化性； （3）延长涂层的寿命。
2. 磨光和精加工
热喷涂涂层表面一般比较粗糙，经过手工或者机械加 工的方法加工涂层的表面，可以获得所需要的表面粗 糙度和精度
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
热源参数：直接影响喷涂材料的熔化状况。
1.火焰喷涂取决于燃气和氧气的流量； 2.电弧喷涂的热功率由电弧电压和电流决定； 3.等离子弧取决于喷枪的输入功率、等离子气的种类、 流量和压力。
热喷涂
热喷涂热喷涂是指一系列过程，在这些过程中，细微而分散的金属或非金属的涂层材料，以一种熔化或半熔化状态，沉积到一种经过制备的基体表面，形成某种喷涂沉积层。
它是利用某种热源（如电弧、等离子喷涂或燃烧火焰等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰留本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术。
1．热喷涂是一种表面强化技术，是表面工程技术的重要组成部分，一直是我国重点推广的新技术项目.它是利用某种热源（如电弧、等离子喷涂或燃烧火焰等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰留本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术。
2．热喷涂原理：热喷涂是指一系列过程，在这些过程中，细微而分散的金属或非金属的涂层材料，以一种熔化或半熔化状态，沉积到一种经过制备的基体表面，形成某种喷涂沉积层。
涂层材料可以是粉状、带状、丝状或棒状。
热喷涂枪由燃料气、电弧或等离子弧提供必需的热量，将热喷涂材料加热到塑态或熔融态，再经受压缩空气的加速，使受约束的颗粒束流冲击到基体表面上。
冲击到表面的颗粒，因受冲压而变形，形成叠层薄片，粘附在经过制备的基体表面，随之冷却并不断堆积，最终形成一种层状的涂层。
该涂层因涂层材料的不同可实现耐高温腐蚀、抗磨损、隔热、抗电磁波等功能。
3．定义 :热喷涂是指采用氧—乙炔焰、电弧、等离子弧、爆炸波等提供不同热源的喷涂装置，产生高温高压焰流或超音速焰流，将要制成涂层的材料如各种金属、陶瓷、金属加陶瓷的复合材料、各种塑料粉末的固态喷涂材料，瞬间加热到塑态或熔融态，高速喷涂到经过预处理（清洁粗糙）的零部件表面形成涂层的一种表面加工方法。
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”，它是采用各种热源进行喷涂和喷焊的总称。
4．用途 :这在高速气流的作用下使之雾化成微细熔滴或高温颗粒，以很高的飞行速度喷射到经过处理的工件表面，形成牢固的覆盖层，从而使工件表面获得不同硬度、耐磨、耐腐、耐热、抗氧化、隔热、绝缘、导电、密封、消毒、防微波辐射以及其他各种特殊物理化学性能。
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（3） 冶金-化学结合：熔融粒子撞击基材表面时释 放出的能量使喷涂材料与基材之间发生局部扩散和 焊合，形成冶金结合。如喷涂镍包铝复合粉末时的
放热反应。
热喷涂的涂层与基材的结合主要以机械结合为 主，结合强度较差(<70MPa)。
二.热喷涂技术的分类及特点 1.热喷涂技术的分类（按热源分类）
热喷涂 燃气法 气体放电法 火 焰 线 材 喷 焊 热电法 感 应 加 热 喷 涂 激光热源法 激 光 喷 涂
三.热喷涂材料 1.喷涂材料的分类（非金属类）
非金属类 分 类 品 种 (1)A1 系：A12O3、 A12O3·SiO2、 Al2O3· MgO (2)Ti 系：TiO2 (3)Zr 系：ZrO2、ZrO2·SiO2、CaO-Zr02、MgO- ZrO2 (4)Cr 系：Cr2O3 金属碳化物 及硼化物 包覆粉 团聚料 熔炼粉及 烧结粉 塑 料 (1) WC、W2C；(2)TiC； (3)Cr3O2、Cr23C6；(4))B4C、SiC Ni 包 Al、Ni 包金属及合金、Ni 包陶瓷 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
复合线材
金属包陶瓷 塑料包覆
三.热喷涂材料 1.喷涂材料的分类（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 (1)Ni 基自熔性合金：NiCrBSi、NiBSi 自熔性合金 (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
基体受压应力
涂层颗粒收缩，使基体受压应力
涂层应力大于结合强度
7
一.喷涂技术的原理 4.涂层应力（2）
残余应力限制了涂层的厚度。减少涂层残余应力措施： （1） 调整喷涂工艺参数； （2）致密涂层的残余应力要比疏松涂层大； （3） 采用梯度过渡层缓和涂层内应力。
一.喷涂技术的原理 5.涂层的结合强度（1）
金属氧化物
三.热喷涂材料 2.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，
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。 （2） 物理结合：熔融粒子的原子与基材表面原子 之间距离达到晶格常数范围时，产生范德华力，形
成物理结合。
一.喷涂技术的原理 5.涂层的结合强度（2）
凝固-收缩
4
一.喷涂技术的原理 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％。
一.喷涂技术的原理 3.涂层结构（2）
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； （2） 涂层材料凝固收缩时形成的空隙。 孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。
喷涂 材料
热源
基 体 喷涂粒子束 图层
3
一.喷涂技术的原理 2.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。
冲击
变形
碰撞
涂层内的氧化夹杂物含量及涂层的致密度取决于
加热源、喷涂材料及喷涂工艺。
一.喷涂技术的原理 4.涂层应力（1）
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，涂层就会发生破坏。
涂层受张应力 山于涂层颗粒收缩，基体使涂 层产生张应力
热喷涂与热喷焊
焊接培训教材
张明录
1
目录
一 二 三 四 喷涂技术的原理 热喷涂材料
热喷涂工艺流程和质量控制
热喷涂方法 喷涂工艺的选择原则 热喷涂技术的应用
2
五 六
一.喷涂技术的原理 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。
（1） 可在各种基材上制备各种涂层； （2） 基材温度低（30～200℃），热影响区浅，变形小； （3） 涂层厚度范围宽（0.5～5mm）；
（4） 操作灵活，可在不同尺寸和形状的工件上喷涂；
（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。
三.热喷涂材料 1.喷涂材料的分类和要求
火 焰 线 材 喷 涂
火 焰 粉 末 喷 涂
超 音 速 喷 涂
爆 炸 喷 涂
电 弧 喷 涂
大 气 等 离 子 喷 涂
等 离 子 喷 焊 真 空 等 离 离 子 喷 涂
线 爆 炸 喷 涂
电 容 放 电 喷 涂
各喷涂方法的焰流温度和粒子速度不同
二.热喷涂技术的分类及特点 2.热喷涂技术的特点
1） 热喷涂按材料的形态分线材、棒材和粉末三大类。
类别 分类
有色金属
品种
1）纯金属： Zn AI Cu Ni Mo 2）合金： Zn- AI 铜合金 巴氏合金 Ni 合金 低合金钢
金属线材 普通刚和低 碳钢
合金钢 高合金钢 不锈钢
耐热钢
棒材
陶瓷棒材 金属包金属
AI2O3 TIO2 AI203+SIO2 铝包镍 金属包碳化物 塑料包金属 镍包合金 金属包氧化物 塑料包陶瓷