表面工程-06热喷涂

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•火焰喷涂工艺（3） •c) 喷后处理 • 对防腐涂层应进行涂层后处理。
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• 2 电弧喷涂 • 电弧喷涂原理示意图、设备和喷枪。
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• （1）电弧喷涂特点
•1）热效率高：电弧喷涂热能利用率高达60％～70％。 •2）涂层密度（70～90％）比火焰喷涂涂层致密，结合强度比火 焰喷涂高。
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•电弧喷涂特点（2）
•3） 电弧喷涂可以利用两根成分不同的金属丝 制备假合金涂层。
•4） 由于电弧喷涂是两丝同时送进，所以喷涂 效率高。
•5） 火焰喷涂消耗的燃料费是电弧喷涂电费的 几十倍。
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•（2）电弧喷涂工艺（1）
• 电弧喷涂主要工艺参数有：
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•2 涂层的后处理（封孔处理） • 封孔处理的目的： •（1） 防止或阻止涂层界面处的腐蚀； •（2） 在某些机械部件中防止液体和压力的密封泄露； •（3） 防止污染或研磨碎屑碎片进入涂层； •（4） 保持陶瓷涂层的绝缘强度。 • 封孔处理是在喷涂之后、机加工之前进行。
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•等离子喷涂设备（2） • 等离子喷涂喷枪及喷嘴。 • 粉末送入方式：外送式和内送式。
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•（2） 等离子喷涂工艺（1） •1） 输入功率和电参数：确保粉末熔化良好，防止出现生粉。 •2） 等离子气体的选择： ➢ 氮气：热焓高，价格低廉，是等离子喷涂主要工作气体。 ➢ 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。
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•热喷涂工艺流程
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•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：
•1） 提供表面压应力；
•2） 提供与涂层颗粒互锁机会；
•3） 增大结合面积；
•4） 净化表面。
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•（2）爆炸喷涂工艺参数
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•（3）爆炸喷涂特点
•1） 涂层和基材的结合强度非常高（>85MPa）。 •2） 涂层致密（最高密度可达99.9％）。 •3） 工件表面温度低。 •4） 效率非常低，运行成本高，只用于含碳化物涂层的喷涂。
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•（1）线材火焰喷涂 •（1）线材火焰喷涂 • 线材火焰喷涂原理图。
•线材火焰喷涂设备示意图和喷涂枪。
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•（2）粉末火焰喷涂 •（2）粉末火焰喷涂 • 粉末火焰喷涂的基本原理和喷涂枪。
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•火焰喷涂工艺（1）
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2020/12/6
表面工程-06热喷涂
•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。
•1） 电弧电压：取决于喷涂材料的熔点，一般不低于15～25V。
•2） 电弧电流：电弧电流有自调节作用，调节电流可维持电弧 的长度和稳定性。
•3） 送丝速度：取决于电参数和线材的性质，决定了电弧喷涂 速度。
•4） 压缩空气压力和流量：影响喷涂材料的雾化效果和熔粒的 飞行速度，对涂层的质量有很大的影响。
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•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。
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•（1）工作原理
•4．爆炸喷涂
• 将粉末注入喷枪，同时引入氧-乙炔混合气，点燃引爆气体 产生3300℃高温，粉末被加热并以2倍音速以上速度喷射到工件 表面，形成~20mm直径，~8μm厚的高结合强度和高致密度的涂 层。整个涂层由小圆形薄片重叠而成。
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•5 涂层的结合强度（1）
• 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。
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•涂层的结合强度（2）
•（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。
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•3 等离子喷涂
• 利用非转移等离子弧作为热源对喷涂材料进行加热、加速、 涂敷。 • 等离子焰流温度高、流速快，因此喷涂效率高、涂层致密、 结合强度高、基材表面热影响区小。
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•（1）等离子喷涂设备
• 由等离子弧电源、电器控制、喷枪、气源、送粉系统、水 冷系统等组成。
• 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。 • 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。
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•4 涂层应力（1）
•1 热喷涂技术的分类 • 按热源分类，各喷涂方法的焰流温度和粒子速度不同。
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•热喷涂技术的特点
•（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；
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•粗化处理的方法（1） •1） 表面喷砂，使其粗糙度为Ra3.2～12.5μm；
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•2） 开槽；
•粗化处理的方法（2）
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•粗化处理的方法（3）
•3） 电火花拉毛； •4） 喷涂粘结底层。
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•5） 喷涂距离应控制在100～200mm，喷涂角不应小于45°。
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•（3） 电弧喷涂的用途 •1） 在钢铁构件上喷涂锌、铝涂层，对构件进行长效防护。 •2） 在钢铁件上喷铝可防止高温氧化。 •3） 在钢铁件上喷不锈钢或其它耐磨金属，用于耐磨蚀防护。 •4） 在机械零件上喷涂碳钢、青铜等材料，用于修复零部件。 •5）在塑料制品上喷涂屏蔽涂层等。 •6） 用电弧喷铝或喷锌生产复合钢板。
•（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)。
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•二、热喷涂技术的分类及其特点
•热喷涂材料分类（非金属类，表1-3）
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•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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ层与基材之间有良好的结合性能。
• （1）超音速火焰喷涂原 理
• 超音速火焰喷涂原理 图。
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•（3）超音速喷涂的特点
•1） 焰流速度高但温度相对较低，适合喷涂含碳化物材料。 •2） 涂层致密（99.9％），表面粗糙度低。 •3） 结合强度略低于爆炸喷涂，达70MPa以上。 •4） 喷涂效率高，但燃料消耗大，喷涂成本比较高。； •5） 噪音大(>120dB)，需有隔音和防护装置。
• 工艺流程
•工件表面预处理→预热→喷涂打底层→喷涂工作层→后处理。
• a) 预热目的：
•1） 去除工件表面的水分；
•2） 提高工件表面与熔粒的接触温度；
•3） 降低涂层冷却速度，减小涂层内应力。
• 预热温度一般控制在150～300℃为宜。可直接用喷枪预热。
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•火焰喷涂工艺（2）
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•（4）爆炸喷涂应用
•1） 航空发动机钛合金风扇叶片阻尼台上用爆炸喷涂0.25mn厚 的WC，寿命提高10倍； •2） 燃烧室的定位卡环上喷一层0.12mm厚Cr3C2，寿命提高7倍。
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5. 超音速火焰喷涂
6. (High Velocity Oxygen Fuel，简称 HVOF)
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•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。
•b) 喷涂
• 需打底层时，可在喷涂工作层之前 用钼或放热型的镍包铝、铝包镍粉末先 喷涂一层厚度约0.10～0.15mm的打底层。
• 严格控制喷涂材料的供给速度、喷 涂距离（100～150mm）、每道涂层的厚 度（0.1～0.15mm）、喷枪与工件的移动 速度（7～18m／min）和层间温度 （<250℃）等。
• 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。
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•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。
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•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。
•（4） 为满足喷涂工件的使用要求，可采用复合涂层和梯度涂 层。
•（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。
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•三、热喷涂材料
•1 喷涂材料的分类和要求 • 热喷涂材料按材料的形态分线材、棒材和粉末三大类。
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•热喷涂材料分类（金属类，表1-3）
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•（3） 等离子喷涂的应用
• 等离子弧焰流温度高，适合喷涂高熔点材料。涂层密度 可达85~98％，结合强度高达35～70Mpa，喷涂质量远优于火 焰喷涂层。主要用于：
•1） 耐磨、减磨涂层； •2） 耐蚀涂层； •3） 抗高温氧化、抗高温气流冲刷、热 障涂层；
•4） 制造金属、陶瓷类高熔点复合材料。
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•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％。
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•涂层结构（4）
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•常用封孔剂
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•五、热喷涂方法
•1 火焰喷涂 • 用氧－乙炔气体作为加热源，用燃气或惰性压缩气体雾化 并加速喷涂材料，在基材表面沉积形成涂层。
• 火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。
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•常用的火焰喷涂材料及用途