第五章 热喷涂.
(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。
5热喷涂
（1）等离子体喷涂原理 阴极和阳极（喷嘴）间产生直流电弧，把工作气体加热 电离成高温等离子体，从喷嘴喷出形成等离子焰。粉末由气 体送入火焰中熔化加速、喷射到基体材料上形成膜。
（2）等离子喷涂工艺 a．等离子气体的选择 原则：不与工件和喷涂材料发生反应，尽可能价廉。 b．输入功率和电参数 形成涂层的粉末所需的热功率（qf）应为
第五章
热喷涂
一、热喷涂定义及原理
二、热喷涂涂层的特性
三、热喷涂材料概述 四、热喷涂技术的特点 五、热喷涂技术的应用领域 六、热喷涂的方法
一、热喷涂定义及原理 1、热喷涂 利用热源将喷涂材料加热熔化或软化，以一定速度喷射 到基体表面形成涂层的工艺方法。
2、喷涂基本过程及涂层形成原理 ★喷涂材料被加热熔化阶段 线材：当端部进入高温区域，即被熔化，形成熔滴； 粉末：进入高温区域后，在行进过程中被加热熔化或软化。 ★ 熔滴雾化阶段 ★ 熔融或软化的颗粒向前喷射飞行阶段 ★喷涂过程
e．涂层致密，结合强度高
f．气体耗量大
热喷涂设备
自动喷锌生产线对直径1米或2米、长6米的铸铁管表面喷锌
对化工容器中的隔 板喷涂有机涂层
电弧喷涂管状丝材修复 大型压力机柱塞
涂层中颗粒与基材表面间
颗粒与颗粒间 包括:
属‘物理一化学”结合
[1]机械结合 撞成扁平状的颗粒，与凹凸不平的表面互相嵌合，形成 机械的结合 [2]冶金一化学结合 涂层和基材表面出现扩散和合金化时的结合 [3]物理结合 颗粒对基材表面由范德华力形成的结合
二、热喷涂层的 特性 1、涂层组成 涂层组成与喷 涂前的材料不完 全相同。
2、喷涂层的结构 ※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。 ※喷涂层由变形颗粒、 气孔和氧化物夹杂组 成。
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热喷涂技术
4、热喷涂技术特点
热喷涂技术在应用上已由制备装饰性涂层发展为
制备各种功能性涂层，如耐磨、抗蚀、抗氧化、
隔热、导电、绝缘、减摩、润滑、防辐射等涂层。
热喷涂既可用于修复，又可用于制造。由于涂层
材料的性能优于基体，用其对零件表面进行涂覆， 能使产品质量得到大幅度提高。
热喷涂技术
4、热喷涂技术特点
热喷涂技术
1、前言
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。
5、热喷涂材料涂层
3)物理-化学结合。物理-化学结合即指借 助于分子(原子)之间的范德华力将喷涂层 与基材结合在一起。化学结合是指涂层分 子与基材表面原子生成化学键而形成的结 合。例如在喷涂环氧树脂时，环氧树脂中 含有的羟基―(CH)－OH、醚键－(O)－和 环氧基被加热活化。当环氧树脂聚合物分 子与基材表面紧密接触时，这些极性基团 有利于与金属原子形成化学键并形成物理 吸附，从而获得一定的结合强度。
等离子喷涂设备总图
热喷涂技术
6、喷涂工艺流程
等离子喷涂的应用
轴类零件，钴碳化钨
辊套，氧化铝
氧化铝薄板上喷涂氧化锆
内孔专用等离子喷涂设备
热喷涂技术
6、喷涂工艺流程
等离子弧根据电源的不同接法可分为三类： (a) 非转移型等离子弧； (b) 转移型等离子弧；
第五章 热喷涂
丝材带材
金属及合金
按种类 热 喷 涂 材 料 的 分 类 28
Jing Liang
金属陶瓷 陶 瓷
塑料及有机物
By
School of Materials and Metallurgy
其 他
电弧喷涂
Arc Wire Sprayed Nickel Aluminium Alloy Coating
Arc Wire Sprayed High Chromium High Carbon Iron Coating
几种常用的热喷涂技术及常用表面工程技术的比较见表1
等离子喷涂法 火焰喷涂 电弧喷涂法 爆炸喷涂法
熔粒速度/(m/s) 温度值 典型涂层孔隙率（％）
400 12000 1～10
150 3000 10～15
200 5000 10～15
1500 4000 1～2
典型结合强度/MPa
30～70
5～10
10～20
热喷涂的发展 种类与特点
热喷涂的发展
• 20世纪初：喷涂锌、铝等低熔点的金属 • 二战期间：线材火焰喷涂用于零件的修复－》 火焰粉末喷涂 • 50 年代：研制出自熔性合金粉末和放热型复合 粉末 • 爆炸喷涂、等离子喷涂——陶瓷涂层、复合梯 度涂层
热喷涂技术的发展
Sulzer Metco 公司热喷涂设备、材料销售和热喷涂技术发展。
另一种表面粗化方法是机械加工粗化法，包括车螺纹，或磨 削、滚花等。
4）预热 提高表面结合强度。 5）喷涂结合底层 喷涂结合底层可以提高工作层与工件之间的结合强度。在工 件较薄，喷砂时容易产生变形的情况下，特别适合于采用预先喷 涂结合底层的办法。厚度0.05~0.10mm。
6）喷涂工作层
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
（3）物理结合
由范德华力或次价键形成的结合
（4）冶金结合
放热型喷涂材料或高温热源喷涂→达到熔点→焊合 微区冶金结合 重熔即喷焊时，主要是冶金结合
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２.涂层间的结合
机械结合为主，扩散结合、物理结合、冶金 结合等也起一定作用。
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涂层残余应力
涂层的外层受拉应力—后冷、收缩受阻
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电弧喷涂工艺
预处理工艺
表面清洗、预加工、粗糙化
喷涂工艺
电流、电压、压缩空气压力、喷涂距离
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电弧喷涂火焰比较
雾化气流600mm/s以上 结合强度高约2倍 孔隙率＜2%
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6、等离子喷涂(Plasma
Spray)
喷涂原理：采用等离子火焰作为热源对喷涂材料 进行加热。
中国航天工业部航空材料研究所，1985
45%C2H2（4200℃）、一般火焰3000℃ 用于含碳化物涂层，温度低，抑制碳化物分解。
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4、超音速火焰喷涂(HVOF)
发展：与爆炸喷涂抗争，
60年代初美国人J. Browning发明，Jet-Kote 1983年美国专利
国外：发展迅速 许多新装臵 取代传统等离子喷涂
粉末 ＞85 ＜0.1 0.05~0.1 高 效率低， 应用面窄
70~90
粉末 ＞70 ＜0.1 0.1~1.2 较高 一般，可现 场施工
热喷涂涂层后处理：
重熔，自熔性粉末
封孔处理（根据工件使用状态选择封孔剂） 常用：高熔点蜡类，
（1）机械结合
抛锚效应：粒子碰撞、变成扁平状并随基体表面的凹 凸不平而起伏，这些覆盖并紧贴基体表面的液态薄片， 在冷却凝固时收缩咬住凸出点而形成机械结合。 与基体表面粗糙度有关→喷砂、粗车、车螺纹、酸洗 这是主要的结合方式
热喷涂知识
热喷涂知识一、热喷涂介绍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。
它可以在设备维修中修旧利废，使报废的零部件“起死回生”；也可以在新产品制造中进行强化和预保护，使其“益寿延年”。
5、热喷涂材料:喷涂粉末在整个热喷材料中占据十分重要的地位。
第五章 热喷涂技术.
热喷涂技术按照加热喷涂材料的 热源种类分为：
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火焰喷涂、 电弧喷涂、 高频喷涂、 等离子弧喷涂（超音速喷涂）、 爆炸喷涂、 激光喷涂和重熔、 电子束喷涂。
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2．热喷涂特点
（l）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、氨化硼等陶瓷） 以及复合材料。 • 被喷涂工件也可以是金属和非金属（如木材）。
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（2）机械加工法
• 对轴、套类零件表面的粗化处理，可采用挑扣、 开槽、滚花等简便切削加工方法，这样它可限制 涂层的收缩应力，增加涂层与基体表面的接触面 积，提高涂层与基体以及涂层间的结合强度。 • 对涂层结合力要求不高的轴类工件，可在要求修 复的区域内进行车螺纹和滚压处理，形成粗糙表 面，一般为每厘米10条纹左右。 • 需高结合力时，则可车20条左右。车削形状为 阶梯状，阶梯的尖角最好加工成圆角，喷涂后不 易产生缺陷。
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（7）铅及铅合金丝
• 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。
• 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。
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（2）工艺灵活
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。
材料表面工程第五章 堆焊与热喷涂技术
5.1 一 概述
堆焊：是借用焊接的手段对金属材料表面进行厚膜改质。 对本来是用一般材料制成的零件，通过堆焊一层高合金， 可使其性能得到明显的改善或提高。堆焊也是修复的方法
堆焊是一种熔焊工艺 ，堆焊就其物理本质和冶金过程 而言，具有焊接的一般规律，原则上已有的熔焊方法都可 以用于堆焊。
• (4)为防止工件变形，对批量较大的工件，应采用 专用工卡具，以防止变形。也可以采用预制反变 形法。对于工况条件为低应力磨料磨损的工件， 在基体表面堆焊成网格状焊道，就可以获得很高 的抗磨损性能，这样即可以降低成本，又可以防 止变形过大。
氧-乙炔堆焊
氧－乙炔火焰温度较低（3050～3100℃），火焰加热面 积大，可获得较低的稀释率（1﹪～10﹪），堆焊层厚度 较小，可在1㎜左右。氧-乙炔火焰尤其适用于堆焊碳化钨 管状焊丝，这种合金要求在堆焊时WC颗粒不熔化，这样 才能最好地发挥WC的耐磨性。
线材火焰喷涂
棒材火焰喷涂
气体燃烧热源
粉末火焰喷涂 超音速火焰喷涂
粉末火焰喷焊
热 喷 涂 方 法 的
气体放电热源
电弧喷涂 等离子喷涂
大气等离子喷涂
真空等离子喷涂 保护气氛等离子喷涂 水稳等离子喷涂 超音速等离子喷涂
种
等离子喷焊
类
电热热源
电容放电喷焊 感应加热喷涂
爆炸热源 激光热源
燃气重复爆炸喷涂 线材电爆喷涂
• (1)焊前清除工件表面上的油、锈。 • (2)将工件放平防止铁水流出。 • (3)用碳化焰将工件表面加热至半熔化温度，即呈现＂出
汗＂状态，此时添入堆焊材料进行堆焊。注意堆焊时不要 使母材完全熔化形成熔池。 • (4)堆焊时，焊丝和熔化区应处于还原焰的保护中，不得将 火焰急速移开，以防止堆焊金属氧化。 • (5)单层堆焊一般在2～3㎜厚，厚度不够时可用多层堆焊， 必要时可用火焰重熔堆焊层，以消除堆焊缺陷。
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。
热喷涂方法分类及工艺原理
热喷涂方法分类及工艺原理5.3.1热喷涂分类方法作为新型的实用工程技术目前尚无标准的分类方法，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：前者是机体不熔化，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。
平常接触较多的一种分类方法是按照加热喷涂材料的热源种类来分的，按此可分为：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。
5.3.2火焰类喷涂1.火焰喷涂：火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。
<1>线材火焰喷涂法：是最早发明的喷涂法。
它是把金属线以一定的速度送进喷枪里，使端部在高温火焰中熔化，随即用压缩空气把其雾化并吹走，沉积在预处理过的工件表面上。
图5－2 丝材火焰喷涂的原理示意图图5-1 丝材火焰喷吐的装置示意图图5-1表示丝材火焰喷涂的装置。
图5-2则是丝材火焰喷涂枪的剖面图，它示出了丝材火焰喷涂的基本原理。
喷涂源为喷嘴，金属丝穿过喷嘴中心，通过围绕喷嘴和气罩形成的环形火焰中，金属丝的尖端连续地被加热到其熔点。
然后，由通过气罩的压缩空气将其雾化成喷射粒子，依靠空气流加速喷射到基体上，从而熔融的粒子冷却到塑性或半熔化状态，也发生一定程度的氧化。
粒子与基体撞击时变平并粘结到基体表面上，随后而来的与基体撞击的粒子也变平并粘结到先前已粘结到基体的粒子上，从而堆积成涂层。
丝材的传送靠喷枪中空气涡轮或电动马达旋转，其转速可以调节，以控制送丝速度。
采用空气涡轮的喷枪，送丝速度的微调比较困难，而且其速度受压缩空气的影响而难以恒定，但喷枪的质量轻，适用于手工操作；采用电动马达传送丝材的喷涂设备，虽然送丝速度容易调节，也能保持恒定，喷涂自动化程度高，但喷枪笨重，只适用于机械喷涂。
热喷涂原理
热喷涂原理热喷涂是一种先进的表面涂层技术，通过高温燃烧或等离子喷射的方式将涂层材料喷射到基材表面，形成坚固的涂层层厚。
热喷涂技术广泛应用于航空航天、汽车制造、石化、能源等领域，具有提高材料性能、延长使用寿命、增强耐磨、耐腐蚀等优点。
热喷涂的原理主要包括涂层材料的加热、喷射和固化三个步骤。
首先是涂层材料的加热。
热喷涂技术使用的涂层材料通常是粉末状，通过加热使其熔化或半熔化。
加热的方式有多种，如火焰喷枪、等离子喷射等。
火焰喷枪通过燃烧混合气体产生高温火焰，将涂层材料加热至熔点。
等离子喷射则是通过电弧放电产生高温等离子体，使涂层材料熔化。
加热过程中需要控制温度，保证涂层材料达到适宜的熔点。
接下来是涂层材料的喷射。
加热后的涂层材料以高速喷射到基材表面，形成均匀的涂层。
喷射的方式有燃气喷射、等离子体喷射、超音速喷射等。
燃气喷射是将加热后的涂层材料通过喷枪喷射出来，形成涂层。
等离子体喷射则是通过电弧放电产生等离子体，将涂层材料加速喷射到基材表面。
超音速喷射是将涂层材料加速至超音速，形成高速喷流，使喷射的涂层更加均匀、致密。
最后是涂层的固化。
喷射到基材表面的涂层材料需要在短时间内快速冷却固化，形成坚固的涂层。
固化的方式有自然冷却、冷却剂冷却、热处理等。
自然冷却是将喷射的涂层材料放置在自然环境下，通过空气散热，使其快速冷却固化。
冷却剂冷却则是将喷射的涂层材料浸入冷却剂中，利用冷却剂的快速冷却效果，使其迅速固化。
热处理是将喷射的涂层材料进行热处理，通过高温加热使其再次熔化，并在适宜的温度下固化。
总结起来，热喷涂技术通过加热涂层材料、喷射到基材表面，再固化形成坚固的涂层。
这种技术能够提高材料的性能，延长使用寿命，增强耐磨、耐腐蚀等特性，广泛应用于各个领域。
热喷涂技术的不断发展和创新将为各行各业带来更多的应用和发展机会。
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热喷涂的发展 种类与特点
热喷涂的发展
• 20世纪初：喷涂锌、铝等低熔点的金属 • 二战期间：线材火焰喷涂用于零件的修复－》 火焰粉末喷涂 • 50 年代：研制出自熔性合金粉末和放热型复合 粉末 • 爆炸喷涂、等离子喷涂——陶瓷涂层、复合梯 度涂层
热喷涂技术的发展
Sulzer Metco 公司热喷涂设备、材料销售和热喷涂技术发展。
热喷涂的主要应用特性
与其他表面工程技术相比，热喷涂在实用性方面有以下方 面的特点： （1） 热喷涂的种类：热喷涂细分有十几种，根据工件的要求 在应用时有较大的选择余地。 （2）涂层的功能多：适用于热喷涂的材料有金属及其合金、陶 瓷、塑料及它们的复合材料。
（3）使用热喷涂的零件范围宽。
（4）设备简单、生产率高 。 （5）操作环境较差，需加以防护。
复合型粉末
粉末材料
按形状 棒 材
非复合型粉末 填充芯复合丝材 拉拔复合丝材 拉拔丝材
其他金属及合金 铜基合金 铁及合金 钴基合金 锌基合金 镍基合金 金属+石墨原子 合金+玻璃 合金+硼化物 合金+氮化物 合金+碳化物 氧化物 磷化物 硼化物 氮化物 碳化物 有机涂料 金属塑料 热塑型塑料 热固型塑料 其他非金属材料 玻璃轴料
工件表面制备
表 面 净 化
表 面 预 加 工
表 预 面 粗 热 化
喷 涂 底 层
喷 涂 工 作 层
喷后处理 机 械 加 工 封 空
图2 热喷涂的基本工艺流程图
1）表面净化 喷涂前，首先须将待喷涂表面净化，彻底清除附着在表面的油 污、油漆、氧化物等，显露出新鲜的金属表面。 2）表面预加工 表面预加工的主要目的是预留一定的喷涂层厚度。 3）表面粗化 表面粗化处理与清洗过程同样重要。工件表面经过粗化处理后， 可以增大工件表面的活性和增大喷涂层的接触面积，在有些情况 （如喷砂）还可以使工件产生表面压应力，有助于增强工件的抗疲 劳性能。 最常用的表面粗化方法是喷砂，喷砂材料有多角冷凝铸铁砂 （适用于硬度为HRC50左右的工件表面）、刚玉砂（Al2O3、适用 于硬度值为HRC40左右的工件表面）和石英砂（SiO2适用于硬度 值为HRC30左右的工件表面）等。
第五章 热喷涂技术
5.1 概述
热喷涂技术以其方法的多样性、涂层 种类的广泛性和良好的经济性在机械 制造和设备维修中有广阔的应用前景。
• 是使用某种方式的热源， 使喷涂材料加热至熔融或半 熔融状态， 用高压气流将其雾化， 并以一定速度喷 射到经过预处理的零件表面， 从而形成涂层的表面加 热喷涂 工技术。
电弧喷涂曲轴修复
•表面预处理： 表面预处理包括表面除油与表面粗化，首先将喷涂部位及周围表面的油彻底清洗干 净，然后用特制的加长刀杆车刀，车去轴颈表面疲劳层0.25mm，最后再用60°螺 纹刀在轴颈表面车出螺纹。 •电弧喷涂金属涂层 ： 电弧喷涂涂层的构成：轴颈表面处理后的尺寸为Φ192mm要求的基本尺寸为 195mm，所以应当喷涂至Φ199mm ；
电弧喷涂实例
--大功率发动机曲轴修复
• 长江三峡的挖泥船在施工中由于润滑系统缺油而导致 第三连杆轴颈严重拉伤，被迫停机。 •该发动机属于大马力中速柴油机，要求曲轴轴颈修复 层具有良好的耐磨性，较高的结合强度和硬度，并能承 受低冲击负荷和有较高的抗疲劳性能。 •通过综合评估各种方案，采用电弧喷涂曲轴工艺 。
•喷涂层的机械加工 用专用车刀车削加工，留下0.8mm磨削余量，然后安装在曲轴磨床上磨至标准尺 寸Φ195mm。 •喷涂质量检验 经检验，轴颈表面涂层致密，无气孔，无砂眼，无起皮，表面粗糙度达Ra0.8μm （相当于光洁度▽8），现场喷涂的试片，用捶击法检验，无裂纹，无起皮，说明 结合良好。 •作用效果与经济效益 曲轴检验合格后装机试车，先空转24小时，然后加载运转，在运转10天、一个月、 3个月时进行分解检验，喷涂层表面光洁、致密、无剥坑、无起皮、磨损甚微。该 曲轴修好至今已正常工作三年，完好无损，该船现每天24小时连续工作，每小时 挖泥720m3，已充分发挥了技术性能。
2）电弧喷涂的高效率表现在单位时间内喷涂金属的重量大。电弧喷 涂的生产效率正比于电弧电流。比火焰喷涂提高2～6倍。
3）电弧喷涂的节能效果十分突出，能源利用率显著高于其他喷涂方 法，而能源费用降低50％以上。除它的能源利用率很高外，加之电 能的价格又远低于氧气和乙炔，其费用通常仅为火焰喷涂的1/10。 4）电弧喷涂技术仅使用电和压缩空气，不用氧气、乙炔等易燃气体， 安全性高。
热喷涂种类及特点
1） 定义：热喷涂是利用一种热源将喷涂材料加热至熔融状态， 并通过气流吹动使其雾化高速喷射到零件表面，以形成喷涂层的 表面加工技术。
2）特点：喷涂层与基体之间，以及喷涂层中颗粒之间主要是通过 镶嵌，咬合、填塞这种机械形式连接，其次是微区冶金结合以及化 学键结合。在自熔性合金粉末，尤其是放热性自粘结复合粉末问世 以后，出现了喷涂层与基体之间以及喷涂层颗粒之间的微区冶金结 合的组织，使结合强度明显提高。
涂层的结合
1）机械结合。撞成扁平状并随基材表面起伏的颗粒，由于凹凸 不平的表面互相嵌合（即紧缩效应），形成机械的键而结合。 2）冶金-化学结合，这是当涂层和基材表面出现扩散和微区合金 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。 3）物理结合。颗粒对基材表面的结合，是由范德华力或价键 形成的结合。
另一种表面粗化方法是机械加工粗化法，包括车螺纹，或磨 削、滚花等。
4）预热 提高表面结合强度。 5）喷涂结合底层 喷涂结合底层可以提高工作层与工件之间的结合强度。在工 件较薄，喷砂时容易产生变形的情况下，特别适合于采用预先喷 涂结合底层的办法。厚度0.05~0.10mm。
6）喷涂工作层
7）喷涂后处理 1） 机械加工：调整尺寸。 2） 封空：封闭涂层的空隙，提高表面性能。有时不需要封空。
3）铜及铜合金
纯铜贮运爱用作电器开关和电子元件的导电喷涂层及人像、工艺 品、水泥等建筑表面的装饰喷涂层。 黄铜广泛应用于修复磨损及加工超差的零件，修补有铸造砂眼、 气孔的黄铜件，也可以为装饰喷涂层使用。 铝青铜涂层的结合强度高，抗海水腐蚀能力强，并具有很好的 耐腐蚀疲劳和耐磨性。
4） 镍及镍合金
镍合金中用作喷涂材料的主要为镍铬合金，这类合金具有非 常好的抗高温氧化性能，可在880℃高温下使用，是目前应用很 广的热阻材料。
涂层形成过程示意图如下：
冲击
碰撞
变形
凝固-收缩
图1 涂层形成过程示意图
热喷涂原理示意图
涂层形成示意图
涂层的结构
涂层结构示意图
涂层的形成过程表明，涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式 堆叠在一起而形成的层状组织结构。
在喷涂过程中由于熔融的颗粒在熔化、软化、加速及飞行及基材 表面接触过程中与周围截至发生了化学反应，使得喷涂材料经喷 涂后会出现氧化物，而且，由于颗粒的陆续堆叠和部分颗粒的反 弹散失，在颗粒之间不可避免地存在一部分孔隙式空洞。因此， 喷涂层是由变形颗粒，气孔和氧化物所组成。
几种常用的热喷涂技术及常用表面工程技术的比较见表1
等离子喷涂法 火焰喷涂 电弧喷涂法 爆炸喷涂法
熔粒速度/(m/s) 温度值 典型涂层孔隙率（％）
400 12000 1～10
150 3000 10～15
200 5000 10～15
1500 4000 1～2
典型结合强度/MPa
30～70
5～10
10～20
轴材料牌号为KSPF55，相当于35号锻钢，因此，选用铝青铜喷涂底层，3Cr13作为 喷涂尺寸层及工作层。丝材直径Φ3mm。
电弧喷涂工艺参数： 喷涂电压40V，喷涂铝青铜电流100A，喷涂3Cr13时电流400A，空气压力0.70Mpa， 喷枪距工件表面约200～500mm。曲轴在C650车床上慢速转动，喷枪沿轴颈法线方向 喷射，并沿轴线方向轻轻摆动。
5.5 电弧喷涂技术
电弧喷涂技术由于其设备、材料的发展与更新。使它成为目前 热喷涂技术中最受重视的技术之一。
பைடு நூலகம்
5.5.1 原理
电弧喷涂是以电弧为热源，将金属丝熔化并用气流雾化，使熔 融粒子高速喷到工件表面形成涂层的一种工艺。图4－4是电弧喷涂 原理示意图。
喷涂时，两根丝状金属喷涂材料用送丝装置通过送丝轮均匀、连 续地分别送进电弧喷涂枪中的导电嘴内，导电嘴分别接电源的正极， 负极，并保证两根丝之间在未接触之前的可靠绝缘，当两金属丝材 端部由于送进而互相接触时，在端部之间短路并产生电弧，使丝材 端部瞬间熔化，压缩空气把熔融金属雾化成微熔滴，以很高的速度 喷射到工件表面，形成电弧喷涂层。
喷涂材料需要热源加热和喷涂层与零件基材之间主要是机械结合， 这是热喷涂技术最基本的特征。
热喷涂的分类，应以热源形式为主，在此基 础上必要时可再冠以喷涂材料的形态（粉材、丝 材、棒材）、材料的性质（金属、非金属）、能 量级别（高能、高速）、喷涂环境（大气、真空、 负压）等。
热喷涂可简明分为四大类，火焰喷涂、电弧 喷涂、等离子喷涂和特种喷涂。
热喷涂的一般原理
喷涂材料在热源中被加热的过程和颗粒与基体表面结合的过程 是热喷涂制备涂层的关键环节。尽管热喷涂的具体方法很多，且各 具特点，但无论哪种方法，其喷涂过程、涂层形成原理和涂层结构 基本相同。 从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经历四个阶段 ： （1）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，全部被加热熔化；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。 （2）熔化的喷涂材料被雾化：现材端部熔化形成的熔滴在外加压缩 气流或热源自身射流的作用下脱离线材并成微小熔滴向前喷射，粉末 一般不存在熔粒破碎和雾化的过程，而是被气流成热源射流推着向前 喷射 。
丝材带材
金属及合金
按种类 热 喷 涂 材 料 的 分 类 28
Jing Liang