表面处理第十一讲 热喷涂
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。
11.热喷涂涂层PPT课件
1
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热喷涂原理
热喷涂是采用各种热源使无机涂层材料加 热熔化或半熔化;
然后用高速气体使无机涂层材料分散细化 并高速撞击到基体表面;
形成无机涂层的工艺过程。
2
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热喷涂原理示意图
3
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从喷涂材料进入热源形成无机涂层 经历四个阶段
喷涂材料的加热、熔化：对于线材，当端部进入热源高温区域时， 立即被加热熔化；对于粉末，进入热源高温区域，在行进的过程 中被加热熔化或软化。
线材由于受加工性能的限制，只有塑性好的材料才可以制造成线材。
12
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常用热喷涂材料
虽然热喷无机涂层适合的材料范围很广泛，但是由于热喷涂技术工 艺的特殊性，对热喷涂材料仍有一定的限制。常用热喷涂材料集中 在以下范围内：
①金属热喷涂材料
金属热喷涂材料一般有线材和粉末两种形式。线材是用普通的拉拔 方法制造的，而粉末一般是用雾化法制造的。由于粉末材料表面积 大，氧化程度高，所以在方便的条件下推荐采用线材。但粉末制造 方法简单、灵活，材料成分不受限制，因此小批量热喷涂时一般采 用粉末材料。
采用的塑料涂层材料熔化温度范围应较宽、 粘度较低、热稳定性好，一般采用粉末形 式。
16
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热喷涂用复合粉末材料
热喷涂用复合材料分为两种：
一种是为适应热喷涂工艺而制备的复合材料，例 如，为防止碳化钨材料在喷涂过程中氧化分解而 制备的镍包碳化钨复合粉末材料，它们是当前热 喷涂用复合材料的主流：
另一类是通过增强相增强无机涂层性能的复合材 料，如纤维增强无机涂层材料，这类材料目前还 在研究探索过程中。
20世纪80年代以来，低压等离子喷涂和超音速火 焰喷涂也相继问世。热喷涂技术在自身不断发展
热喷涂
热喷涂技术热喷涂技术【1】是通过火焰、电弧或等离子体等热源，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）加热至熔化或半熔化状态，并加速形成高速熔滴，喷向基体在其上形成涂层，可以对材料表面性能（如耐磨损性、耐腐蚀性、耐高温隔热性等）进行强化或再生，起到保护作用，并能对因磨损腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复。
同时，还可以赋予材料表面以特殊性能（如电学、光学等性能）。
热喷涂技术是材料表面强化与保护的新技术，它在表面改性技术中占有重要的地位。
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，已成为表面技术一个重要组成部分。
其发展趋势是：设备方面向高能、高焓、高速度发展；材料方面向系列化、标准化、商品化方向发展，以保证多功能高质量涂层的需要；工艺方面向机械化、自动化方向发展，如计算机控制、机械手操作等。
当今，热喷涂技术在国民经济领域里得到了广泛应用，推广应用前景广阔。
一、热喷涂原理下面以喷锌简要介绍热喷涂的原理【2,6】。
锌涂层的形成，是通过氧乙炔火焰将锌丝加热到熔化状态，在喷嘴出压力突然降低鞥张物化而成微粒。
锌微粒获得较大的动能，高速冲击碰撞经过粗化清洁的基体表面，而与基体密切结合，形成锌涂层。
涂层与基体件的结合机理目前尚无公认的定论，同常认为有以下几种：（1）机械结合。
当飞向基体的熔融粒子撞击到经粗化处理后的基体表面时，铺展成扁平状的液态薄层，覆盖并紧贴在基体表面的凹凸点上，在冷凝收缩时咬住凹凸点，嵌固凹部、机械性地结合在一起。
这是锌涂层与基体表面结合的主要形式。
（2）物理结合。
当高温高速的熔融粒子撞击基体表面后，而紧密接触的距离达到原子晶格常数范围内时，就会产生范德瓦尔斯结合力，因此就要求基体表面及其干净且处于活化状态。
（3）扩散结合。
当熔融的锌微粒高温高速的熔融粒子撞击基体表面形成紧密接触时，由于变形、高温等作用，在涂层与基体间有可能产生微小的扩散形成扩散结合。
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
热喷涂
2、热喷涂粉末
（1）非复合喷涂粉末：简单粉末，每个粉粒仅由 单一的成分组成。 ①金属及合金粉末 喷涂合金粉末（也称冷喷合金粉末）：这种粉末 不需要或不能进行重熔处理。按其用途分为打底层粉 末和工作层粉末。打底层粉末用来增加涂层与基体的 结合强度；工作层粉末熔点低，具有较高伸长率，保 证涂层具有所要求的性能。 喷熔合金粉末（又称自熔性合金粉末）：因合金 中加入了强烈的脱氧元素（如Si、B），在重熔过程 中它们优先与合金粉末中的氧和工件表面的氧化物作 用，生成低熔点的硼硅酸盐覆盖在表面，防止液态金 属氧化，改善对基体的润湿能力，起到良好的自熔剂 作用。如镍基、钴基、铁基及碳化钨基等四种系列。
热喷涂
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。如果 将喷涂层在加热重熔，则产生冶金结合。这种方法称为热喷 涂方法。
②陶瓷材料粉末：热喷涂陶瓷粉末主要包括金 属氧化物（如Al2O3、TiO2等） 碳化物（如WC、SiC等） 硼化物（如ZrB2、CrB2等） 硅化物（如MoSi2 等） 氮化物（如VN、TiN等）。 ③塑料粉末：塑料涂层具有美观、耐蚀的性能， 有热塑性（受热熔化或冷却时凝固，如聚乙烯， 尼龙粉等）和热固性（受热产生化学变化，固 化成型，环氧树脂，酚醛树脂等就是把两种或两种以上的材料复合而 制成的喷涂线材。 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放热反应生成化合物，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-Al复合丝、Al-Cr、 Al-B、 Al-Ni-WC、 Al-Ni-Cr、Al-Ni-Al2O3等线材。 利用组元对放热反应，再加入其它强化组元可制成 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，又因其它 组元的强化作用而得到高的综合性能。如不锈钢－Ni/Al 丝、Ni－Al－Mo丝等。
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
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。
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。
热喷涂技术及其应用
热喷涂技术及其应用热喷涂技术是近年来比较火热的表面处理技术之一，能够用于改善材料表面的性能，提高材料的机械性能、耐磨性、耐腐蚀性、热稳定性等方面的属性。
本文将介绍热喷涂技术的原理和应用。
一、热喷涂技术原理热喷涂是一种将涂层材料熔化喷射到被涂层材料上形成一层保护膜的表面处理工艺。
它主要分为火焰喷涂、电弧喷涂、高速喷涂、等离子喷涂、激光喷涂等技术。
火焰喷涂是将喷嘴与燃料气体混合后引燃得到的火焰吹向材料表面，同时将被粘合材料送入火焰中加热，然后在熔化状态下喷向被涂材料。
电弧喷涂利用电极放电引发电弧，使涂层材料瞬间融化，并以高速喷向材料表面。
高速喷涂是将粉末材料经过特殊的加速器加速，超音速喷向材料表面，从而形成涂层。
等离子喷涂是以等离子体为介质进行喷涂。
等离子体是在低压下产生的电离气体，它的能量很高，能使材料直接熔化并在被涂材料上喷涂形成涂层。
激光喷涂是利用激光束将涂层材料加热并熔化，然后以气体喷嘴喷向被涂材料，从而形成涂层。
这些不同类型的热喷涂技术都基于相同的原理，即通过喷射熔化的涂层材料来形成一层保护膜，使被涂层材料的性能发生改变。
二、热喷涂技术的应用热喷涂技术可以应用在各种材料的表面处理上，包括金属、塑料、陶瓷等。
它具有如下的应用：1. 保护性涂层热喷涂技术可以在有害气体作用下保护金属表面，使其不被腐蚀。
例如，在海洋环境中，金属的表面会被盐雾等大气污染物或海水腐蚀，而热喷涂技术可以种植一层高效的电池隔离膜，通过其它层保护金属表面，从而避免材料损坏。
2. 耐磨性提高机械部件经过热喷涂处理后，涂层会形成一种厚度薄、高硬度的涂层，从而耐受各种磨损和冲击。
3. 高科技行业热喷涂技术还广泛应用于高科技领域的材料处理，例如太阳能电池板、微电子制造等瑞士实验室使用热喷涂技术制造电池板，提高电能转换的效率、同时也降低制造成本。
4. 冶金行业热喷涂技术在冶金行业中应用范围广泛，可以用于包括喷涂铺管、喷涂耐火砖、喷涂耐磨材料等。
热喷涂原理及介绍
热喷涂原理及介绍1.热喷涂原理及介绍热喷涂技术是表面工程领域的重要技术之一，它的原理是利用各种不同的热源，将预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，借助气流的高速雾化形成微粒雾流沉积在已预处理的工件表面形成堆积状,与基体紧密结合的涂层。
而将Ni-Cr-B-Si系列喷涂层进行重熔处理形成的具有冶金结合特征的涂层称为喷熔层或重熔层。
热喷涂技术可用来喷涂几乎所有的固体工程材料，如硬质合金、陶瓷、金属、石墨和尼龙等，形成耐磨、耐蚀、隔热、抗氧化、绝缘、导电、防辐射等具有各种特殊功能的涂层。
该技术还具有工艺灵活、施工方便、适应性强及经济效益好等优点，被广泛应用于宇航、机械、化工、冶金、地质、交通、建筑等工业部门，并获得了迅猛的发展。
从喷涂材料进入热源到形成涂层称喷涂过程，一般经历四个阶段既加热、雾化、飞行和沉积。
首先是喷涂材料被加热熔化或软化阶段。
当端部材料进入热源的高温区域，即被加热，形成熔滴，进而形成的熔滴，在外加压缩气流或热源自身射流的作用下，雾化成细微的熔粒。
第二阶段熔粒流飞行过程中，被加速。
当这些具有一定温度和速度的颗粒以一定的动能冲击基材表面，产生强烈的碰撞，在碰撞瞬间，颗粒的动能转化成热能传给基材，并沿凹凸不平的表面产生变形，变形的颗粒迅速冷凝并产生收缩，呈扁平状连续不断地沉积在基材表面，从而形成涂层。
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。
热喷涂技术原理及应用
热喷涂技术原理及应用
热喷涂技术是一种将熔融或煅烧的材料喷射到被涂物表面形成涂层的
方法，主要通过机械喷涂、火焰喷涂和等离子喷涂等方式实现。
该技术具
有简单、快速、高效、易实施等特点，广泛应用于航空航天、冶金、化工、电子等工业领域。
1.加热原理：通过燃烧或电阻加热等方式，将喷射材料加热到熔点或
半熔状态，使其具有液态或半固态的物理性质。
2.喷射原理：通过高压气体或等离子体流体作为介质，将加热后的喷
射材料喷射到被喷涂的物体表面，形成涂层。
3.冷却原理：当喷射材料接触到物体表面后，快速冷却凝固，形成均
匀而紧密的涂层。
1.表面保护：热喷涂技术能够在被涂物表面形成一层坚硬、耐磨、耐
腐蚀的保护层，提高工件的使用寿命和性能。
2.涂料修复：热喷涂技术可用于修复损坏或磨损的表面涂层，恢复工
件的使用功能。
3.表面改性：通过选择不同材料和涂层结构，可调整涂层的表面形貌、化学成分和物理性能，实现对工件表面性能的改善与调控。
4.温度管理：利用热喷涂技术可制备出具有更好的导热性能的绝热和
散热涂层，用于温度管理和热障涂层的制备。
5.功能涂层：热喷涂技术可制备出各种功能涂层，如阻焊涂层、导电
涂层、耐磨涂层等，以满足特殊技术要求。
6.修饰美化：通过热喷涂技术，可在工件表面形成一层具有良好的光滑度和装饰性的金属涂层，提高工件的外观质量。
总的来说，热喷涂技术是一种常用的涂层制备技术，其应用广泛且多样化，具有改善材料性能、延长使用寿命、提高外观质量等优点。
随着科学技术的不断发展，热喷涂技术在新材料、新工艺、新应用等方面仍有很大的发展空间。
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。
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。
材料表面处理之热喷涂技术
材料表面处理——热喷涂技术摘要：介绍了热喷涂技术的作用原理、工艺特点、分类。
总结了热喷涂技术的应用状况。
探讨了新工艺、新材料在热喷涂技术中的应用前景。
关键词：热喷涂；表面处理技术；新材料1 概述高新技术的飞速发展对提高金属材料的性能、延长仪器设备中零部件的使用寿命提出了越来越高的要求。
而这两个方面的要求又面临高性能结构材料成本逐年上升的问题。
近年来，表面工程发展很快，尤其是热喷涂技术获得了巨大的进展，为解决上述问题提供了一种新的方法。
热喷涂是一种通过专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上，形成一种特制薄层，以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的表面工程技术。
由于热喷涂技术可以喷涂各种金属及合金、陶瓷、塑料及非金属等大多数固态工程材料，所以能制成具备各种性能的功能涂层，并且施工灵活，适应性强，应用面广，经济效益突出，尤其对提高产品质量、延长产品寿命、改进产品结构、节约能源、节约贵重金属材料、提高工效、降低成本等方面都有重要作用。
随着工业和科技的发展，人们对热喷涂技术提出了越来越高的要求，在已有的热喷涂工艺不断得到改进的同时，一些新的工艺也应运而生。
目前，包括航空、航天、原子能设备、电子等尖端技术在内的很多领域内热喷涂技术都得到了广泛的应用，并取得了良好的经济效益。
2 热喷涂工艺的历史早在1910年，瑞士学者Schoop受儿童玩耍铅丸玩具枪的启发发明了第一个金属喷射装置——金属溶液式喷涂，当时命名“金属喷镀”。
它是将低熔点金属的溶液注入经过加热的压缩空气气流中，使金属溶液雾化并喷射到基体表面形成涂层。
这个装置虽然庞大，效率不高，但已包含了热喷涂的基本原理和过程，开创了热喷涂技术领域。
1913年Schoop提出了电弧喷涂的设计，1916年实用型的电弧喷枪。
20世纪30年代英国研制成功Schort粉末火焰喷枪，之后出现了METCO-P型粉末火焰喷枪，其他热喷涂专业公司也相应开发了一系列粉末火焰喷枪，也使这一热喷涂方法得到广泛应用。
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.。
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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。
2 电弧喷涂 电弧喷涂原理示意图、设备和喷枪。
（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。
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。
（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。
等离子喷涂工艺（2）
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。
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。
5） 喷涂距离应控制在100～200mm，喷涂角不应小于45°。
（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 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。
（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。
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。
品
种
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
高合金钢 不锈钢、耐热钢
棒材
复合 线材
陶瓷棒材 金属包金属 金属包陶瓷 塑料包覆
A12O3，TiO2，Cr2O3、ZrO2、A12O3+MgO、A12O3+SiO2 铝包镍、镍包合金 金属包碳化物、金属包氧化物 塑料包金属、塑料包陶瓷
热喷涂材料分类（金属类，表1-3）
分类 纯金属 合金
自熔性合金
金属类
5） 火焰喷涂消耗的燃料费是电弧喷涂电费的 几十倍。
（2）电弧喷涂工艺（1）
电弧喷涂主要工艺参数有：
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。
预热温度一般控制在150～300℃为宜。可直接用喷枪预热。
火焰喷涂工艺（2）
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。
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。
常用的火焰喷涂材料及用途
表 6—5 最常用的火焰喷涂涂层材料及应用
涂层材料
应用
锌、铝
钢结构的阴极保护防腐涂层
镍—铝
粘结底层
钼
粘结底层；有优异的抗粘着磨损性能
高铬钢
耐磨保护涂层
青铜、巴氏合金
轴承修复
不锈钢、镍、蒙乃儿合金
第十一讲 热喷涂、喷焊与堆焊技术
第一节热喷涂技术
一、 热喷涂技术的原理与特点
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。
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。
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。
三、热喷涂材料按材料的形态分线材、棒材和粉末三大类。
表 1－2 热喷涂线材和棒材分类
类别 分 类
品
种
金属 线材
有色金属 普通钢及
(1)纯金属：Zn、A1、Cu、Ni、Mo (2)合金：Zn-A1，Pb-Sn、Cu 合金、巴氏合金、Ni 合金 碳钢、低合金钢
低合金钢
耐腐蚀涂层
铝、镍—铝
抗热氧化涂层
塑料
防腐蚀涂层
（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。
（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。
火焰喷涂工艺（1）
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。
/mm
24
氧化铝
414
7.9
压力式
60
氧化铝
414
7.9
虹吸式
碳化硅
80
氧化铝
414
7.9
压力式
基体材质
钢 不锈钢
塑料
粗糙度 /μ m 12.5 6.3
6.3
2） 开槽；
粗化处理的方法（2）
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）
常用封孔剂
表 6—3 常用封孔剂
类型
封孔剂
非干燥型 石蜡、油脂、油
油漆、氯化橡胶、空气干燥型酚醛、乙烯树脂、硅树脂、 空气干燥型 煤焦油、聚氨酯、亚麻子油、聚酯
烘烤型 催化型 无机封孔剂
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
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
温度/℃
钼
315
80％Ni—20％Al
620
95％Ni—5％Al
1010
80％Ni—20％Cr
1260
94％Ni—6％A1 Ni(Co)CrY
980 1316
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。
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。
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。
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。
表 6—3 常用封孔剂
类型
封孔剂
非干燥型 石蜡、油脂、油
油漆、氯化橡胶、空气干燥型酚醛、乙烯树脂、硅树脂、 空气干燥型 煤焦油、聚氨酯、亚麻子油、聚酯
烘烤型 催化型 无机封孔剂
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
(1)Ni 基自熔性合金：NiCrBSi、NiBSi (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
热喷涂材料分类（非金属类，表1-3）
分类 金属氧化物
金属碳化物 及硼化物
包覆粉
非金属类
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
涂层应力（2）