热喷涂工艺概述
热喷涂技术工艺概述
热喷涂技术工艺概述概述热喷涂技术是材料表面强化与保护的新技术，在表面改性技术中占有重要地位。
该项技术在我国始于20世纪50年代，至70年代末已经形成气候。
目前，无论在设备、材料、工艺、科研等方面都在迅速发展与提高，成为表面技术重要组成部分。
3.1.1热喷涂及其分类1．热喷涂技术美国焊接学会于1980年对热喷涂作了如下新的定义：“细的各种金属或非金属颗粒在熔融或半熔融状态下沉积而形成涂层”，显然这一定义很不完全。
一般认为，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或非金属涂层材料加热到熔融或半熔融态，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，其基本过程如图3.1所示。
图3.1热喷涂基本过程示意图喷涂材料从进入热源到形成涂层，可分成四个阶段。
首先，材料被加热熔化，丝材端部被加热后熔化，形成熔滴；粉末则被熔化或软化。
第二阶段，丝材的熔滴在高速气流下雾化成微粒后被加速；而粉末材料直接被气流加速。
接着，高温熔融的微粒进入飞行阶段，微粒、粉末先被加速，此后随着距离的增加而减逮，同时它们与周围气体发生某些反应，自身温度也要降低。
最后，这些具有一定温度和速度的微粒与基材表面产生猛烈的撞击，大部分微粒会产生剧烈的变形和快速的冷却并沉积在工件表面形成涂层。
热喷涂的形成过程决定了涂层结构特征。
热喷涂层是由无数个形貌不同的变形粒子组成的层状结构。
涂层中存在着一定量的气孔、氧化物夹杂、纵向或横向的微裂纹。
典型结构示意如图3.2。
通过材料和工艺的调整可控制涂层结构中的某些变化，获得理想的涂层结构。
如控制在涂层厚度方向的气孔分布，提高厚涂层的可靠性；控制横向裂纹，诱发纵向微裂纹的生成，以提高涂层的韧性，即所谓的“裂纹增韧”；控制粒子温度，只是软化而不是熔化，同时大大提高粒子的冲击速度，使粒子获得理想变形。
热喷涂的基本工艺
热喷涂的基本工艺
热喷涂是一种表面加工技术，其基本工艺包括预处理、涂层材料处理、热喷涂和后处理四个步骤。
预处理阶段包括清洗、抛丸、去氧化和表面处理等。
清洗主要是去除表面的油污和杂质，以保证涂层的质量。
抛丸是通过喷射高速的金属颗粒或砂粒来打磨表面，以增加粗糙度，以便于涂层附着。
去氧化则是去除表面的氧化物，以提高涂层与基材的附着力。
表面处理是根据不同的情况进行处理，例如，在不锈钢表面涂覆前，需要进行活化处理，以提高涂层的附着力。
涂层材料处理是为了保证涂层的质量和性能。
涂层材料可以是金属、陶瓷、聚合物等，选择涂层材料可以根据不同的应用要求进行选择。
热喷涂是指将涂层材料加热至熔点或半熔状态，然后通过喷嘴将其喷射到基材表面形成涂层的过程。
热喷涂有多种方法，如火焰喷涂、电弧喷涂、高速火焰喷涂、等离子喷涂等。
后处理包括涂层固化、表面处理和检验等。
涂层固化是将热喷涂完成后的涂层进行加热处理，使其达到最佳的物理和化学性能。
表面处理是指对涂层进行抛光、打磨、喷涂等美化加工，以提高其外观和光泽度。
检验是对涂层的厚度、硬度、附着力、颗粒度等进行测试，以确保涂层的质量和性能。
总之，热喷涂基本工艺是一个多步骤的过程，需要精细的准备工作、专业的技术和设备以及严格的质量控制，才能保证涂层的质量和性能。
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。
热喷涂技术
热喷涂技术热喷涂是一种将熔融的粉末或液体喷射到金属表面上，并在其表面形成一层保护膜的工艺方法。
它主要是通过某种原动机驱动的喷枪，将涂料从喷枪中喷出，然后穿过电弧或燃烧火焰，使涂料加热到融化状态，最后喷射到作为基体的金属表面上，冷却固化而成一层保护膜。
热喷涂技术具有良好的附着性能、耐腐蚀性、耐磨性、耐热性、高光泽度和抗氧化性能等优点，可以满足对金属表面的多种要求。
它的应用范围包括航空、航天、汽车、军事、石油、化工等行业，以及家具、家用电器等生活用品的表面处理。
Thermal spraying is a process of spraying molten powder or liquid onto the surface of metal and forming a protective film on its surface. It mainly uses a spray gun driven by some prime mover to spray the coating from the spray gun, then pass through the arc or burning flame to heat the coating to the melting state, and finally spray it onto the metal surface as the substrate to cool and solidify into a protective film.Hot-spray technology has good adhesion performance, corrosion resistance, wear resistance, heat resistance, high gloss and anti-oxidation properties, which can meet the requirements of various metal surfaces. Its application range includes aerospace, automotive, military, petroleum, chemical and other industries, as well as furniture, home appliances and other daily necessities surface treatment.。
6-4第四节 热喷涂工艺
第四节热喷涂工艺热喷涂是近代各种喷涂、喷熔(或称喷焊)工艺的总称。
热喷涂工艺是把丝状或粉末状材料加热到近熔化或熔化状态，进而使之雾化、加速，最后喷至零件表面上形成覆盖层的工艺。
热喷涂工艺既是一种表面强化工艺，也是一种修复工艺。
作为强化工艺，可以根据工作需要在零件表面喷涂各种不同材料，使之分别具有耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化等性能。
作为修复工艺可以修复磨损、腐蚀等损伤零件的表面，恢复其原有尺寸，延长零件使用寿命。
一、热喷涂工艺的种类和特点1．热喷涂工艺的种类通常按照熔化热喷涂材料所用的热源划分。
喷涂：有电弧喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂(包括爆炸喷涂、超音速喷涂)等。
喷涂材料为丝状或粉末状。
喷熔：有火焰粉末喷熔、等离子粉末喷熔等。
2．热喷涂工艺的特点(1)适用的材料范围广。
各种金属或非金属材料的表面均可获得预定性能的涂层。
(2)热喷涂材料广。
金属及其合金、陶瓷、有机树脂等均可作为涂层的材料。
(3)工艺简单，操作容易，涂层形成速度快，加工时间短，生产率高。
(4)喷涂零件受热温度低，热应力小，变形非常小。
喷熔零件温度高，热应力大，容易产生变形或裂纹。
(5)喷涂层与零件表面为机械结合,结合强度低，约为5-50MP a，抗冲击性能差。
喷熔涂层与零件表面为冶金结合，结合强度高，约为300-700MPa。
(6)喷涂层是由金属颗粒堆积而成的，内部多孔，可存油，有利于润滑。
喷熔层则是连续致密的金属。
(7)喷涂层厚度可从0.05mm至几毫米。
喷熔层的最小厚度为0.8mm，一步法喷熔层厚度一般不大于2mm；二步法每次喷熔层厚度为0.2～0.3mm，可多次实施获得较大厚度的喷熔层。
二、粉末火焰喷涂1．.喷涂原理火焰喷涂是利用氧一乙炔火焰作热源，用专用喷枪把加热到熔化或近熔化状态的合金粉末喷到经过预先处理的零件表面上形成要求涂层的工艺，如图6-5所示。
喷涂时热源是氧和乙炔为1:1的中性焰，温度可达3100℃，压缩空气的压力为0.45MPa。
现代表面技术-热喷涂
若工件表面硬度在510HV以上又不容许去除硬表面 若工件表面硬度在510HV以上又不容许去除硬表面 层时，喷砂后还需先涂敷结合层以增加喷涂层与基 体的结合强度。结合层材料主要有钼、镍、铝和铝 青铜等，选用时应注意结合层材料的适用范围。如 钼不适用于铜、铜合金和氮化层表面；镍铝合金不 适用于铜及铜合金工件表面。铝青铜不适用于氮化 层表面。喷砂时要有良好的通风吸尘装置。必要时， 需作比较性试验，以选择具有最佳涂层附着力的工 艺参数，喷砂后除极硬的材料表面外，不应出现光 亮表面。喷砂表面粗化完成后，工件表面要保持清 洁，并尽快(一般不超过2h)转入喷涂工序。 洁，并尽快(一般不超过2h)转入喷涂工序。
2．热喷涂特点 (1)适用范围广。涂层材料可以是金属和非金属 (1)适用范围广。涂层材料可以是金属和非金属 (如聚乙烯、尼龙等塑料，氧化物、氮化硅、氮化硼 等陶瓷) 等陶瓷)以及复合材料。被喷涂工件也可以是金属和 非金属(如木材) 非金属(如木材)。用复合粉末喷成的复合涂层可以 把金属和塑料或陶瓷结合起来，获得良好的综合性 能。其他方法难以达到。 (2)工艺灵活。施工对象小到10mm内孔，大到铁 (2)工艺灵活。施工对象小到10mm内孔，大到铁 塔、桥梁等大型结构。喷涂既可在整体表面上进行， 也可在指定区域内涂敷，既可在真空或控制气氛中 喷涂活性材料。也可在野外现场作业。
(3)喷涂层的厚度可调范围大。涂层厚度可从几 (3)喷涂层的厚度可调范围大。涂层厚度可从几 十微米到几毫米，表面光滑，加工量少。用特细粉 末喷涂时，不加研磨即可使用。 (4)工件受热程度可以控制。除喷熔外，热喷涂 (4)工件受热程度可以控制。除喷熔外，热喷涂 是一种冷工艺，例如氧是一种冷工艺，例如氧-乙炔焰喷涂、等离子喷涂或 爆炸喷涂，工件受热程度均不超过250℃ 爆炸喷涂，工件受热程度均不超过250℃，工件不 会发生畸变，不改变工件的金相组织。 (5)生产率高。大多数工艺方法的生产率可达到 (5)生产率高。大多数工艺方法的生产率可达到 每小时喷涂数千克喷涂材料，有些工艺方法可高达 50kg／ 50kg／h以上。
热喷涂概述
• 喷涂塑料：只能采用火焰喷涂；
• 户外大面积防腐工程喷涂：灵活高效的电弧喷涂或 丝材火焰喷涂； • 总之，喷涂方法的选择一般来说是多样的，但对某 种应用来说总有一种方法是最好的。
（4）涂层后处理
喷涂所得涂层有时不能直接使用, 必须进行 一系列的后处理。 用于防腐蚀的涂层,为了防止腐蚀介质透过 涂层的孔隙到达基材引起基材的腐蚀,必须对涂
缩空气气流雾化并喷向基体表面而Байду номын сангаас成涂层。该
工艺也具有设备一次投资少, 使用方便、效率高 等特点, 但喷涂材料必须是导电的金属及合金丝, 因而其应用受到了一定的限制, 但它的高效率使 得它在喷涂Al、Zn 及不锈钢等大面积防腐应用
方面成为首选工艺。
（5）等离子喷涂(APS)
当某种气体如氮、氩、氢及氦等通过一压
（2）爆炸喷涂(D - GUN)
本方法是利用氧和可燃性气体的混合气，经点火 后在喷枪中爆炸,利用脉冲式气体爆炸的能量, 将被 喷涂的粉末材料加热、加速轰击到工件表面而形成涂 层。
气体燃烧和爆炸的结果可产生超音速高能气流, 爆炸波的传播速度高达3000 m /s,其中心温度可达 3450℃, 粉末粒子的飞行速度可达1200m /s，因而爆 炸喷涂层涂层致密, 与基体的结合强度高, 最高可达 24 kg /mm2，该法的缺点是噪音大, 而且爆炸是不连 续的, 因而效率较低。
四、我国的热喷涂技术及工程应用
上世纪50年代初就开始了丝的电弧热喷涂（江浙一带
的高压输电钢结构塔上喷涂Zn涂层防腐，至今仍在 起着防腐蚀的作用）
60年代在某些军工部门，主要是航空部门开始研究等
离子喷涂
70年代由于一些大国对我国的限制，为了满足国防的 特殊需求，我国的一些科研单位以研制生产Ni 包 Al、Co和WC粉末热喷涂复合材料始，先后生产出品 种和型号较为齐全的材料和设备。
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
熔射(热喷涂工艺)
2.热喷涂的形成过程 2.3 涂层成分与结构
一般情况下，涂层成分中的合金元素含量 与原喷涂材料是有所差异的，其原因在于：
① 粒子在高温下蒸发 ② 粒子在高温下烧损 ③ 粒子在高温下表面发生反应
2.4 热喷涂层的结合机理
热喷涂的结合方式可分为：机械结合和冶金化学结合 1.机械结合 熔化或接近熔化的粒子在喷涂时撞击到基体 表面产生变形、镶嵌、咬合和填塞，最后冷凝收缩，形成 机械的结合，这是涂层结合的主要形态。 2.冶金-化学结合 涂层结合的次要形态，当涂层与基体表 面出现扩散和合金化时的一种结合类型，但其结合力比机 械结合大的多，由三部分组成：
粒子的尺寸、粒子的飞行距离等因素有关。
黄铜、钼及锌的线材气体火焰喷涂时，在粒子的飞行 距离为100mm处，三种粒子的平均飞行速度分别为120， 65，140m/s。
爆炸喷涂时粒子的飞行速度更大，可高达1000m/s。
飞行速度的大小影响粒子与基体表面碰撞时转换能量 的大小、粒子的变形程度以及结合强度。
主要内容
1 热喷涂的定义与特点 2 热喷涂的基本原理 3 热喷涂工艺 4 热喷涂材料的工艺性能及分类 5 热喷涂层的后处理
1.热喷涂的定义与特点
★ 定义 采用一定的热源，将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、沉积到工件表面，形成 喷涂沉积层的一种表面覆盖方法。
1.热喷涂的定义与特点
4.热喷涂材料的工艺性能及分类
4.2 热喷涂材料分类 热喷涂材料按形态可分为：
粉末：等离子喷涂、爆炸喷涂和气体火焰喷涂。 线材及棒材：主要用于气体火焰喷涂，电弧喷涂和线爆喷 涂。
热喷涂材料按材质可分为： 金属及其合金陶瓷、金属间化合物、塑料、玻璃和陶瓷等。
第八章 热喷涂技术
喷涂层的结构特点:
⑴喷涂层是由无数变形粒子相互交错堆叠在一起的层状结构
⑵喷涂层中会出现氧化物夹杂.这是喷涂中,喷涂粒子与周围气体 发生氧化作用.
⑶喷涂粒子和粒子之间会出现孔隙,涂层不致密.这是由于粒子的 变形不充分或有未熔融的粒子冲击到工件表面的缘故.
(二)喷涂层与基体的结合机理
1:机械结合
当熔融的金属粒子以一定的温度和速度撞击到经过净化和粗化 处理的工件表面时,由于表面是凸凹不平的,此时,颗粒变形并 填满基材表面纵横交错的沟槽.同时,颗粒冷凝收缩,与表面的 凹凸处机械地紧紧咬合在一起,而形成“机械结合”,即所谓 “抛锚效应”.
缺点:1:喷涂层与基体结合强度不太高且存在孔隙 2:喷焊件存在变形问题
❖ 热喷涂技术分类及其特点:
二:喷涂层的结构和喷涂层与基体的结合机理
❖ (一)喷涂层的结构
喷涂过程中,具有一定速度和温度的喷涂材料粒子到达工 件表面时,喷涂粒子以一定的动能冲击工件表面,在产生 碰撞的瞬间,粒子的动能转化为热能传给工件,并与工件 的粗糙表面紧密接触产生变形,迅速冷凝收缩呈扁平状 粘结在工件上.喷涂材料粒子连续不断地冲击,在粒子与 工件表面和粒子与粒子之间就会相互交错地粘接在一 起形成喷涂层.其示意图如下:
第三节:氧-乙炔火焰喷涂
❖ 一:氧-乙炔火焰粉未喷涂的原理
它是以氧-乙炔火焰为热源,将喷涂材料粉未加热到熔融状 态,同时借助高速火焰流喷射到经过制备的工件表面上, 冷却后形成喷涂层.
❖
二:氧-乙炔火焰
C2 H2
炔和氧气混合物质的量之比为1:2.5,因空气原因,实
四:氧-乙炔火焰粉未喷涂工艺(课本)
(一)表面预处理.切除工件表面坏层(如疲劳层,腐蚀层,原喷涂 层等);采用一切方法(如加热300℃除油)除去疏松工件表面 的油污;采用酸洗,碱洗,机械方法去除工件表面的氧化层;采 用喷砂,机械方法等使工件表面粗化,粗糙表面可使涂层与 基体形成较强的机械结合,提高涂层的结合强度;对不需要 喷涂的部位进行遮盖,涂刷涂料进行保护.
第二章 热喷涂技术
60~80% 50~80% 粉末,线材
>7 <12% 0.2~1.0 低 简单,可现场 施工
90% 70~90% 线材
>10 <10% 0.1~3.0 低 简单,可现场施 工
35~55% 50~80% 粉末
>35 <2% 0.05~0.5 高 复杂,但适合高 熔点材料
未知 未知 粉末
>85 <0.1% 0.05~0.1 高 较复杂,效率 低,应用面窄
材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。
等离子喷焊原理图
材料表面工程
18
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 。
热喷涂技术概述
热 源 温 度 ℃ 喷 涂 方 法
粉末火焰喷涂(焊) 火 丝材火焰喷涂
约3000 陶瓷棒材火焰喷涂 焰 高速火焰喷涂(HVOF)
爆炸喷涂(D - GUN) 电 弧 约5000 电弧喷涂
大气等离子喷涂(APS) 等离子弧 10000以上 低压等离子喷涂(LPPS)
水稳等离子喷涂
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.
净化处理的目的是除去工件表面的所有污垢,如氧化皮、油渍、油漆及
低速火焰喷涂
250
500
750
1000 m/s
25005000750010000 o C 0
0 电弧喷涂
等离子喷涂
高速火焰喷涂
温度 速度
其他污物, 关剂清洗法、蒸 粗化处
用于防材的腐蚀,必树脂、硅树脂
五. 各种热
1. 氧乙
丝熔化, 熔化也具有设备一的金属及合金
涂容易氧化的
六. 热喷涂原
氧化物加杂孔隙或孔洞颗粒间的粘接颗粒基体粗糙度
涂层
基体粗糙度
对基体的粘接力
基体
（3）
颗
七．热喷涂材 热喷涂材
材料进行防护
3. 抗高 对于一
叶片与金属表用于迷宫式密保持转子轴的。
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。
热喷涂技术的原理及工艺
热喷涂技术的原理及工艺热喷涂技术是一种将材料熔化或加热到高温状态后喷射到基材表面的涂层技术。
其原理是利用热能将涂层材料熔化或加热到高温状态，然后通过喷嘴喷射到基材表面，形成一层密实的涂层。
热喷涂技术主要分为两类：热熔喷涂和冷喷涂。
热熔喷涂是指将涂层材料熔化后喷射到基材表面。
常用的热熔喷涂技术包括火焰喷涂、电弧喷涂、电子束喷涂等。
在这些技术中，通过将涂层材料加热到熔点以上的高温状态，使其变为液态或半固态状态，然后通过喷嘴喷射到基材上。
喷涂材料在与基材接触时迅速冷却固化，形成一层均匀致密的涂层。
冷喷涂是指将涂层材料加热至未完全熔化状态后喷射到基材表面。
常用的冷喷涂技术包括高速喷涂、冷气喷涂等。
在这些技术中，通过将涂层材料加热至部分熔化状态，使其成为微粒状，然后通过高速喷射的方式将其喷射到基材表面。
喷涂材料在与基材接触时迅速冷却固化，形成一层具有良好粘结和结构致密的涂层。
热喷涂技术在工艺上通常包括以下几个步骤：准备材料、准备基材、预热、涂覆、冷却。
准备材料是指将涂层材料准备到需要的形态，如粉末、线材、条片等。
准备基材是指将待涂层的基材进行清洁、除锈等处理，以确保涂层能够良好地附着在基材表面。
预热是指将喷涂设备和基材加热到适当的温度，以确保涂层材料能够顺利熔化或部分熔化。
预热温度的选择取决于喷涂技术和涂层材料的特性。
涂覆是指将喷涂设备中的涂层材料喷射到基材表面。
喷涂时需要控制喷涂设备的参数，如喷涂速度、喷涂压力、喷涂距离等，以确保涂层的均匀性和致密性。
冷却是指将涂层材料在与基材接触后迅速冷却固化。
冷却时间和方式可以根据涂层材料和喷涂工艺的要求进行调整。
冷却完成后，涂层将具有良好的附着力和结构致密度。
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。
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。
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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。
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
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。
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。
净化处理的目的是除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油渍、油漆及其他污物，关键是除去工件表面和渗入其中的油脂。
净化处理的方法有：溶剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法等。
粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接触面，增大涂层与基材的机械咬合力，使净化处理过的表面更加活化，以提高涂层与基材的结合强度。
同时基材表面粗化还改变涂层中的残余应力分布，对提高涂层的结合强度也是有利的。
粗化处理的方法有喷砂、机械加工法(如车螺纹、滚花)、电拉毛等。
其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法，常用的喷砂介质有氧化铝、碳化硅和冷硬铸铁等。
喷砂时，喷砂介质的种类和粒度、喷砂时风压的大小等条件必须根据工件材质的硬度、工件的形状和尺寸等进行合理的选择。
对于各种金属基体，推荐采用的砂粒粒度约为 16－60 号砂，粗砂用于坚固件和重型件的喷砂，喷砂压力为 0.5－0.7Mpa，薄工件易于变形，喷砂压力为 0.3－0.4 Mpa。
特别值得注意的一点是用于喷砂的压缩空气一定要是无水无油的，否则会严重影响涂层的质量。
喷涂前工件表面的粗化程度对大多数金属材料来说 2.5－13 μmRa就够了。
随着表面粗糙度的增加涂层与基体材料的结合增强，但是当表面粗糙度超过 10μmRa 后，涂层结合强度的提高程度便会减低。
对于一些与基材粘结不好的涂层材料，还应选择一种与基体材料粘结好的材料喷涂一层过渡层，称为粘结底层，常用作粘结底层的材料有 Mo、NiAl、NiCr 及铝青铜等。
粘结底层的厚度一般为 0.08－0.18μm。
2.预热
预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度，以提高涂层与基体的结合强度；减少因基材与涂层材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂。
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。
例如，如果是陶瓷涂层，则最好选用等离子喷涂；如果是碳化物金属陶瓷涂层则最好采用高速火焰喷涂；若是喷涂塑料则只能采用火焰喷涂；而若要在户外进行大面积防腐工程的喷涂的话，那就非灵活高效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂莫属了。
总之，喷涂方法的选择一般来说是多样的，但对某种应用来说总有一种方法是最好的。
预处理好的工件要在尽可能短的时间内进行喷涂，喷涂参数要根据涂层材料、喷枪性能和工件的具体情况而定，优化的喷涂条件可以提高喷涂效率、并获得致密度高、结合强度高的高质量涂层。
4.涂层后处理
喷涂所得涂层有时不能直接使用，必须进行一系列的后处理。
用于防腐蚀的涂层,为了防止腐蚀介质透过涂层的孔隙到达基材引起基材的腐蚀，必须对涂层进行封孔处理。
用作封孔剂的材料很多，有石腊、环氧树脂、硅树脂等有机材料及氧化物等无机材料，如何选择合适的封孔剂，要根据工件的工作介质、环境、温度及成本等多种因素进行考虑。
对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件，为了提高涂层的结合强度，要对喷涂层进行重熔处理(如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等静压等)，使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致密涂层。
有尺寸精度要求的，要对涂层进行机械加工。
由于喷涂涂层
具有与一般的金属及陶瓷材料不同的特点，如涂层有微孔，不利于散热；涂层本身的强度较低，不能承受很大的切削力；涂层中有很多硬的质点，对刀具的磨损很快等，因而形成了喷涂涂层不同于一般材料的难于加工的特点。
所以必须选用合理的加工方法和相应的工艺参数才能保证喷涂层机械加工的顺利进行和保证达到所要求的尺寸精度。
热喷涂技术的特点
从热喷涂技术的原理及工艺过程分析，热喷涂技术具有以下一些特点：
1. 由于热源的温度范围很宽，因而可喷涂的涂层材料几乎包括所有固态工程材料，如金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料以及由它们组成的复合物等。
因而能赋予基体以各种功能(如耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、绝缘、隔热、生物相容、红外吸收等)的表面。
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。
4. 喷涂操作的程序较少，施工时间较短，效率高，比较经济。
随着热喷涂应用要求的提高和领域的扩大，特别是喷涂技术本身的进步，如喷涂设备的日益高能和精良，涂层材料品种的逐渐增多、性能逐渐提高，热喷涂技术近十年来获得了飞速的发展，不但应用领域大为扩展，而且该技术已由早期的制备一般的防护涂层发展到制备各种功能涂层；由单个工件的维修发展到大批的产品制造；由单一的涂层制备发展到包括产品失效分析、表面预处理、涂层材料和设备的研制、选择，涂层系统设计和涂层后加工在内的喷涂系统工程；成为材料表面科学领域中一个十分活跃的学科。
并且在现代工业中逐渐形成象铸、锻、焊和热处理那样的独立的材料加工技术。
成为工业部门节约贵重材料、节约能源、提高产品质量、延长产品使用寿命、降低成本、提高工效的重要的工艺手段，在国民经济的各个领域内得到越来越广泛的应用。