热喷涂技术原理及应用PPT课件
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热喷涂技术 ppt课件
等离子喷涂的工作气体： 最常用的有氮气、氩气， 此外，也可用氢气、氦气。 喷枪构造：阴极、喷嘴 (阳极)、进气道与气室、 送粉道、水冷密封与绝缘， 以及枪体组成。
阴极是电子发射源，选用熔点高和电子发射能力强 的材料制成，一般采用钨电极。喷嘴为阳极，通过其 孔道对电弧进行压缩而形成等离子弧。
五、热喷涂装置和设备 3.等离子喷涂装置
缺点：粉尘、烟雾大、噪声大。
三、热喷涂工序 1.表面预处理
（1）基体表面的清洗、脱脂：碱性溶液或丙酮、 汽油。
（2）基体表面氧化膜处理
（3）基体表面粗化处理：提高涂层与基体结合 强度（喷砂、机械加工如开槽、车螺纹、滚花等）
（4）基体表面预热处理：提高涂层与基体结合 强度
（5）非喷涂表面的保护
三、热喷涂工序 2.喷涂 （1）喷涂打底层：Mo、Ni-Cr、Ni-Cr-Al 等。厚度50-100微米。 （2）喷涂工作层璃等几乎所有固体材料。
喷涂层的性能：耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化、润 滑等。
喷涂层的厚度：0.5-5mm。
应用：宇航、国防、机械、冶金、石油、化工、 机车车辆、电力等部门。
如果将喷涂层再加热重熔，产生冶金结合，称为 喷熔。
一、热喷涂原理 1.涂层形成过程及形成原理
等离子弧是压缩电弧， 按接电的方法不同，等 离子弧有三种形式： ①非转移弧；正极接在 喷嘴上，工件不带电； ②转移弧：喷嘴不接电 源，工件接正极； ③联合弧：喷嘴、工件 均接正极。
五、热喷涂装置和设备 3.等离子喷涂装置
等离子弧和自由电弧 相比较，其弧柱细， 电流密度大，气体电 离度高，因此具有温 度高、能量集中、弧 稳定性好等特点。
四、热喷涂材料
（一）热喷涂线材：
(4)镍及镍合金主要用于耐蚀、耐磨、耐高温涂 层。
阴极是电子发射源，选用熔点高和电子发射能力强 的材料制成，一般采用钨电极。喷嘴为阳极，通过其 孔道对电弧进行压缩而形成等离子弧。
五、热喷涂装置和设备 3.等离子喷涂装置
缺点：粉尘、烟雾大、噪声大。
三、热喷涂工序 1.表面预处理
（1）基体表面的清洗、脱脂：碱性溶液或丙酮、 汽油。
（2）基体表面氧化膜处理
（3）基体表面粗化处理：提高涂层与基体结合 强度（喷砂、机械加工如开槽、车螺纹、滚花等）
（4）基体表面预热处理：提高涂层与基体结合 强度
（5）非喷涂表面的保护
三、热喷涂工序 2.喷涂 （1）喷涂打底层：Mo、Ni-Cr、Ni-Cr-Al 等。厚度50-100微米。 （2）喷涂工作层璃等几乎所有固体材料。
喷涂层的性能：耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化、润 滑等。
喷涂层的厚度：0.5-5mm。
应用：宇航、国防、机械、冶金、石油、化工、 机车车辆、电力等部门。
如果将喷涂层再加热重熔，产生冶金结合，称为 喷熔。
一、热喷涂原理 1.涂层形成过程及形成原理
等离子弧是压缩电弧， 按接电的方法不同，等 离子弧有三种形式： ①非转移弧；正极接在 喷嘴上，工件不带电； ②转移弧：喷嘴不接电 源，工件接正极； ③联合弧：喷嘴、工件 均接正极。
五、热喷涂装置和设备 3.等离子喷涂装置
等离子弧和自由电弧 相比较，其弧柱细， 电流密度大，气体电 离度高，因此具有温 度高、能量集中、弧 稳定性好等特点。
四、热喷涂材料
（一）热喷涂线材：
(4)镍及镍合金主要用于耐蚀、耐磨、耐高温涂 层。
热喷涂技术研究进展-PPT课件
热喷涂技术的研究进展
1、热喷涂技术概论
原理 热喷涂技术是一种将涂层材料(粉末或丝材) 送入某种热源(电弧、燃烧火焰、等离子体等)中 熔化, 并利用高速气流将其喷射到基体材料表面 形成涂层的工艺 。 涂层结构特点
特点
a. 能赋予基体以多种功能的表面； b. 设备轻便，可现场施工； c. 除喷焊外，对基材加热温度较低，工件 变形小，金相组织及性能变化也较小。 d. 喷涂操作的程序较少,施工时间较短,效率 高,比较经济。
微等离子喷涂
微等离子喷涂是20世纪90年代由乌克兰巴顿焊 接研究所开发的, 它的特点是具有层流等离子 射流、发射角只有2°~ 6°(普通的等离子枪的 发射角达10°~ 18°)、功率低( 1~ 3 kW )、基 体受热低、噪声小( 30~ 50 dB) , 可在极薄的基 体(如0.5mm厚的不锈钢薄板或1.0 mm 厚的锰 片)上进行喷涂。这种喷涂方法的功率虽低, 但 能量集中, 其束斑直径小于5 mm, 所以仍可喷 涂各种材料, 特别适宜制备小零件及薄壁件的 精密涂层, 且该设备重量轻, 适合于现场的维修 工作。
悬浮式等离子喷涂示意图
反应等离子喷涂
反应等离子喷涂是对真空等离子喷涂进一步改进的结果, 该方法在真空等离子喷涂过程中,在喷嘴出口处的等离子射 流中加入反应气体(如N2),反应气体与加热中的喷涂颗粒相 互作用,进而得到新的生成物。 例如,用这种方法可以获得TiN涂层,它是靠喷涂钛粉和注入 N2反应后得到的,其工作原理如图所示。TiN具有高熔点、 高硬度、耐磨、耐蚀等特点,并且还具有优良的导电性和超 导性。 反应等离子喷涂制备 TiN涂层克服了传统的物理或者化 学气相沉积(PVD及CVD)工艺 制备TiN 涂层,存在沉积速 率低、涂层厚度过薄的缺点,可制备纳米晶TiN涂层, 涂层厚度可达500µ m。
1、热喷涂技术概论
原理 热喷涂技术是一种将涂层材料(粉末或丝材) 送入某种热源(电弧、燃烧火焰、等离子体等)中 熔化, 并利用高速气流将其喷射到基体材料表面 形成涂层的工艺 。 涂层结构特点
特点
a. 能赋予基体以多种功能的表面； b. 设备轻便，可现场施工； c. 除喷焊外，对基材加热温度较低，工件 变形小，金相组织及性能变化也较小。 d. 喷涂操作的程序较少,施工时间较短,效率 高,比较经济。
微等离子喷涂
微等离子喷涂是20世纪90年代由乌克兰巴顿焊 接研究所开发的, 它的特点是具有层流等离子 射流、发射角只有2°~ 6°(普通的等离子枪的 发射角达10°~ 18°)、功率低( 1~ 3 kW )、基 体受热低、噪声小( 30~ 50 dB) , 可在极薄的基 体(如0.5mm厚的不锈钢薄板或1.0 mm 厚的锰 片)上进行喷涂。这种喷涂方法的功率虽低, 但 能量集中, 其束斑直径小于5 mm, 所以仍可喷 涂各种材料, 特别适宜制备小零件及薄壁件的 精密涂层, 且该设备重量轻, 适合于现场的维修 工作。
悬浮式等离子喷涂示意图
反应等离子喷涂
反应等离子喷涂是对真空等离子喷涂进一步改进的结果, 该方法在真空等离子喷涂过程中,在喷嘴出口处的等离子射 流中加入反应气体(如N2),反应气体与加热中的喷涂颗粒相 互作用,进而得到新的生成物。 例如,用这种方法可以获得TiN涂层,它是靠喷涂钛粉和注入 N2反应后得到的,其工作原理如图所示。TiN具有高熔点、 高硬度、耐磨、耐蚀等特点,并且还具有优良的导电性和超 导性。 反应等离子喷涂制备 TiN涂层克服了传统的物理或者化 学气相沉积(PVD及CVD)工艺 制备TiN 涂层,存在沉积速 率低、涂层厚度过薄的缺点,可制备纳米晶TiN涂层, 涂层厚度可达500µ m。
第八部分热喷涂
等离子弧的功率。工业应用的功率为，25-40 kW或105W/cm2。 氮气等离子：250-400 A，70-90 V； 氩气等离子：400-600 A，20-40 V
电源 冷却水
工作气体
控制 设备
送粉 气体
粉末
送粉 设备
喷枪
等离子喷涂设备示意图
等离子弧喷涂枪示意图
粉末
绝缘套 冷却系统
喷嘴 前枪体
火焰喷涂
以气体燃烧热为热源，将金属丝或粉末熔化并雾化而进行的 喷涂。 1. 线材火焰喷涂 2. 粉末火焰喷涂
线材火焰喷涂装置示意图
8 7 3
6
5
火焰喷射枪剖面图
7
6
8
5
9
1
1.燃料气(C2H2),
2.助燃气(O2),
1
3.气体流量计,
4.压缩空气,
2
5.空气过滤器,
6.空气控制器,
7.线材控制装置,
送丝 装置
丝盘
压缩气体
电弧喷涂原理示意图
电源：V = 40V，I = 100-400A 平的伏安特性。
电弧喷涂枪， 送丝装置， 气体压缩机。
电弧喷涂丝材主要有Al, Zn, Cu, Ni, Mo等及其合金，以及碳钢、 不锈钢等。
1.空气接头 2.手柄开关 3.喷枪体 4.导电嘴 5.金属丝 6.挡弧罩
rw- 蒸馏水的密度 rz- 涂层材料的密度 rc- 金属丝的密度 rv- 凡士林的密度
思考题
1、什么是热喷涂？其工艺选用的基本原则。 2、什么是等离子体？ 3、等离子喷涂的基本原理。
d
P
涂层结合强度(sb)
sb = 4P/pd2
涂层 试样之固定部分 试样之活动芯棒 支撑
电源 冷却水
工作气体
控制 设备
送粉 气体
粉末
送粉 设备
喷枪
等离子喷涂设备示意图
等离子弧喷涂枪示意图
粉末
绝缘套 冷却系统
喷嘴 前枪体
火焰喷涂
以气体燃烧热为热源，将金属丝或粉末熔化并雾化而进行的 喷涂。 1. 线材火焰喷涂 2. 粉末火焰喷涂
线材火焰喷涂装置示意图
8 7 3
6
5
火焰喷射枪剖面图
7
6
8
5
9
1
1.燃料气(C2H2),
2.助燃气(O2),
1
3.气体流量计,
4.压缩空气,
2
5.空气过滤器,
6.空气控制器,
7.线材控制装置,
送丝 装置
丝盘
压缩气体
电弧喷涂原理示意图
电源：V = 40V，I = 100-400A 平的伏安特性。
电弧喷涂枪， 送丝装置， 气体压缩机。
电弧喷涂丝材主要有Al, Zn, Cu, Ni, Mo等及其合金，以及碳钢、 不锈钢等。
1.空气接头 2.手柄开关 3.喷枪体 4.导电嘴 5.金属丝 6.挡弧罩
rw- 蒸馏水的密度 rz- 涂层材料的密度 rc- 金属丝的密度 rv- 凡士林的密度
思考题
1、什么是热喷涂？其工艺选用的基本原则。 2、什么是等离子体？ 3、等离子喷涂的基本原理。
d
P
涂层结合强度(sb)
sb = 4P/pd2
涂层 试样之固定部分 试样之活动芯棒 支撑
热喷涂课程ppt
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。
热喷涂技术
5、热喷涂材料涂层
2)机械嵌合。机械嵌合是指具有具有一定动能的 熔滴在碰撞到经过粗糙处理的基材表面后与表面 上的凸起和凹陷处形成的机械咬合。涂层的微粒 与表面、微粒与微粒之间靠相互嵌镶而连在一起。 在粗糙度较大的表面(如经过粗粒喷砂的表面或 有机制沟槽和螺纹的表面)上热喷涂时，机械嵌 合具有重要作用。实验证明，当在Ra=0.63μm 的表面上喷涂镍包铝时，结合强度为36～ 41MPa，如果表面经过喷砂粗糙化处理后，则 结合强度可达到45MPa。这在一定程度上反映 了机械嵌合的作用。表面越粗糙，机械嵌合的效 果越大。所以，在热喷涂工艺中，表面粗化已成 为必不可少的重要的预处理工序。 热喷涂技术
热喷涂技术
5、热喷涂材料涂层
喷涂材料可以做成丝状或粉末状，丝状材料只 有一定塑性的材料才能加工出来，而粉末材料 可根据需要任意配制，所以成份及比例范围非 常灵活。
热喷涂技术
5、热喷涂材料涂层
涂层形成过程 涂层的形成过程为：涂层材料经加热熔化和加 速→撞击到基体→冷却凝固→形成涂层。其中 涂层材料的加热、加速和凝固是最主要的三个 过程。
热喷涂技术
6、喷涂工艺流程
热喷涂工艺方法 1.火焰喷涂工艺：是线材火焰喷涂(Wire Flame Spray)和粉末火焰喷涂(Powder Flame Spray) 的总称。是最早的喷涂工艺。用乙炔、丙烷、 氢气或天然气等作燃料，以压缩空气、氧气或 惰性气体作动力，使熔融材料雾化并加速，喷 射到基体形成喷涂层。粉末、线材、棒材、带 材等都可以用火焰喷涂工艺进行术特点
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。
热喷涂技术
5、热喷涂材料涂层
2)机械嵌合。机械嵌合是指具有具有一定动能的 熔滴在碰撞到经过粗糙处理的基材表面后与表面 上的凸起和凹陷处形成的机械咬合。涂层的微粒 与表面、微粒与微粒之间靠相互嵌镶而连在一起。 在粗糙度较大的表面(如经过粗粒喷砂的表面或 有机制沟槽和螺纹的表面)上热喷涂时，机械嵌 合具有重要作用。实验证明，当在Ra=0.63μm 的表面上喷涂镍包铝时，结合强度为36～ 41MPa，如果表面经过喷砂粗糙化处理后，则 结合强度可达到45MPa。这在一定程度上反映 了机械嵌合的作用。表面越粗糙，机械嵌合的效 果越大。所以，在热喷涂工艺中，表面粗化已成 为必不可少的重要的预处理工序。 热喷涂技术
热喷涂技术
5、热喷涂材料涂层
喷涂材料可以做成丝状或粉末状，丝状材料只 有一定塑性的材料才能加工出来，而粉末材料 可根据需要任意配制，所以成份及比例范围非 常灵活。
热喷涂技术
5、热喷涂材料涂层
涂层形成过程 涂层的形成过程为：涂层材料经加热熔化和加 速→撞击到基体→冷却凝固→形成涂层。其中 涂层材料的加热、加速和凝固是最主要的三个 过程。
热喷涂技术
6、喷涂工艺流程
热喷涂工艺方法 1.火焰喷涂工艺：是线材火焰喷涂(Wire Flame Spray)和粉末火焰喷涂(Powder Flame Spray) 的总称。是最早的喷涂工艺。用乙炔、丙烷、 氢气或天然气等作燃料，以压缩空气、氧气或 惰性气体作动力，使熔融材料雾化并加速，喷 射到基体形成喷涂层。粉末、线材、棒材、带 材等都可以用火焰喷涂工艺进行术特点
第八讲-热喷涂的原理和特点
3.涂层的结合方式
（1）涂层的结合
涂层的 涂层内聚
结合
涂层与基体表面
（2）涂层的结合方式
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。
3）冶金结合
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 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)。
局限性：
热效率低 材料利用率低，浪费大 涂层与基体结合强度较低
四、热喷涂的应用
① 防腐蚀 主要用于大型水闸钢闸门、造纸机烘缸、煤矿井 下钢结构、高压输电铁塔、电视台天线、大型钢桥梁、 化工厂大罐和管道的防腐喷涂。 ② 防磨损 通过喷涂修复已磨损的零件，或在零件易磨损部 位预先喷涂上耐磨材料，如风机主轴、高炉风口、汽 车曲轴、机床主轴、机床导轨、柴油机缸套、油田钻 杆、农用机械刀片等。
二、热喷涂基本原理
1.热喷涂的基本过程
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）喷涂材料被加热到熔化或半熔化状态 （2）喷涂材料的熔滴被雾化 （3）雾化或软化的微细颗粒喷射飞行 （4）微细颗粒撞击基体表面形成涂层
2.涂层的结构
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。 组成：变形颗粒、氧化物、气孔和未熔化颗粒
③ 特殊功能层 通过喷涂获得表层某些特殊性能，如耐高温、隔 热、导电、绝缘、防幅射等，在航空航天和原子能等 部门应用较多。
第八讲 热喷涂的原理和特点
பைடு நூலகம் 主要内容
一、热喷涂的定义 二、热喷涂基本原理 三、热喷涂的分类和特点 四、热喷涂的应用
热喷涂技术讲义
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Байду номын сангаас涂高，但成本仍然比较高。
现代热喷涂枪
从上至下： 超音速火焰喷枪，
等离子喷枪， 火焰喷枪， 电弧喷枪
第二节 典型热喷涂简介
常用热喷涂的工艺分类
热喷涂工艺
燃烧法
电加热法
火焰喷涂 爆炸喷涂
电弧喷涂 等离子喷涂
线材火焰喷涂 粉末火焰喷涂 超音速火焰喷涂 大气等离子喷涂 低压等离子喷涂 感应等离子喷涂 水稳等离子喷涂
2.1 火焰喷涂
火焰喷涂的基本原理是通过乙炔、氧气喷嘴出口处 产生的火焰，将线材（棒材）或粉末材料加热熔化， 借助压缩空气使其雾化成微细颗粒，喷向经预先处理 的粗糙工件表面使之形成涂层。燃烧气体还可以用丙 烷、氢气或天然气等。
垂直喷射—事实上不可能
二、影响热喷涂涂层质量的主要因素
1. 喷涂工艺的影响 ①工艺方法：
火焰
等离子
电弧
爆炸
超音速
T ~3000℃ ~16000 ℃ 7400 ℃
5000 ℃ 2900 ℃
v 50-200m/s 350m/s
200m/s
720m/s
986m/s
②粉体在加热介质中的运行时间t----t↑，T↑
涂层的形成
二、涂层与基体间的结合强度
1 机械结合： 高速粒子—撞击—粒子微变形—咬合
可见，表面粗化有利于结合强度提高。
2 金属键结合： 当颗粒与基体表面达到原子间距时，会产生金 属键结合。----理论上的确存在，实际上作用极小
缺点：燃料消耗大，喷涂效率比爆炸Байду номын сангаас涂高，但成本仍然比较高。
现代热喷涂枪
从上至下： 超音速火焰喷枪，
等离子喷枪， 火焰喷枪， 电弧喷枪
第二节 典型热喷涂简介
常用热喷涂的工艺分类
热喷涂工艺
燃烧法
电加热法
火焰喷涂 爆炸喷涂
电弧喷涂 等离子喷涂
线材火焰喷涂 粉末火焰喷涂 超音速火焰喷涂 大气等离子喷涂 低压等离子喷涂 感应等离子喷涂 水稳等离子喷涂
2.1 火焰喷涂
火焰喷涂的基本原理是通过乙炔、氧气喷嘴出口处 产生的火焰，将线材（棒材）或粉末材料加热熔化， 借助压缩空气使其雾化成微细颗粒，喷向经预先处理 的粗糙工件表面使之形成涂层。燃烧气体还可以用丙 烷、氢气或天然气等。
垂直喷射—事实上不可能
二、影响热喷涂涂层质量的主要因素
1. 喷涂工艺的影响 ①工艺方法：
火焰
等离子
电弧
爆炸
超音速
T ~3000℃ ~16000 ℃ 7400 ℃
5000 ℃ 2900 ℃
v 50-200m/s 350m/s
200m/s
720m/s
986m/s
②粉体在加热介质中的运行时间t----t↑，T↑
涂层的形成
二、涂层与基体间的结合强度
1 机械结合： 高速粒子—撞击—粒子微变形—咬合
可见，表面粗化有利于结合强度提高。
2 金属键结合： 当颗粒与基体表面达到原子间距时，会产生金 属键结合。----理论上的确存在，实际上作用极小
第四章-热喷涂技术
2. 复合粉末
复合粉末是由两种或更多种金属和非金属（陶瓷、塑料、 非金属矿物）固体粉末混合而成。 按照复合粉末的结构，一般分为包覆型、非包覆型和烧结 型。
包覆型复合粉末的芯校被包覆材料完整地包覆着；
非包覆型粉末的芯核被包覆材料包覆程度是不均匀和不完 整的。
复合粉末结构示意图（Ni/Al为Ni包Al，余同）
7） 铅及铅合金喷涂丝
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。
8） 铜及铜合金喷涂丝
（6） 涂层与基体结合强度低。
15
4.2 热喷涂材料
4.2.1 热喷涂材料的分类和要求
根据热喷涂材料的不同形状，可以分为丝材、棒材、软线 和粉末四类，其中丝材和粉末材料使用较多。 根据喷涂材料的成分，可以分为金属、合金、陶瓷和塑料 喷涂材料四大类。
按涂层结构有纳米涂层材料、合金涂层材料、非晶态涂层 材料以及由这些材料复合构成的复合涂层材料。
5
2. 涂层的结构
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％。
6
Ni－Cr－B－Si火焰喷涂组织
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。
11.热喷涂涂层PPT课件
从形式上看，热喷涂复合材料分为复合丝材和复 合粉末材料。
17
.
热喷涂无机涂层形成过程
无机涂层形成的大致过程是： 无机涂层材料经加热熔化和加速→撞击
基体→冷却凝固→形成无机涂层。 其中无机涂层材料的加热、加速和凝固
过程是三个最主要的方面。
18
.
பைடு நூலகம்
热喷涂无机涂层
无机涂层材料的熔化非常关键，一般希望所有无机涂层 材料都完全熔化并一直保持到撞击基体表面之前，并且 不末发的生熔挥化发过，程一 。些简S单(V的)2 模L126DP型2 可以描述热气流中固体粉
无机涂层材料的喷涂速度主要由焰流速度决定，同时也与 材料的粒度有关。喷涂材料在飞行速度最大时撞击基体的 颗粒动能与冲击变形最大，形成的无机涂层结合较好。因
此，调整喷嘴与工件的距离到最佳位置非常重要。
熔滴撞击基材后扩展成薄膜，撞击时的高速度有助于熔滴 的扩展，但会因为表面张力或凝固过程而停止扩展，并凝
对于铸铁件、多孔件和具有窄缝的工件内的油污，可采 用炉内加热或用火焰加热的方法，让油污流出燃烧。加 热温度为300~350℃，温度不宜过高，否则会使工件组织 发生变化或使工件变形。
将材料参数及有关变量，如热导率、熔化温度等，统一 纳入到加热条件及气流动力学方程中，可以得到不等式：
式中，S为粉末在焰流中的运动距离；λ为平均边界层的 热导率；ΔT为平均边界层的温度梯度；V为平均焰流速 度；μ为平均焰流粘度；L为粉末材料的熔化潜热；D为 粉末的平均直径；P为粉末密度。
19
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热喷涂工艺
熔化的喷涂材料被雾化：线材端部熔化形成的熔滴在外加压缩气 流或热源自身射流作用下脱离线材，并雾化成微细熔滴向前喷射：
粉末一般不存在熔粒被进一步破碎和雾化的过程，而是被气流或
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热喷涂无机涂层形成过程
无机涂层形成的大致过程是： 无机涂层材料经加热熔化和加速→撞击
基体→冷却凝固→形成无机涂层。 其中无机涂层材料的加热、加速和凝固
过程是三个最主要的方面。
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பைடு நூலகம்
热喷涂无机涂层
无机涂层材料的熔化非常关键，一般希望所有无机涂层 材料都完全熔化并一直保持到撞击基体表面之前，并且 不末发的生熔挥化发过，程一 。些简S单(V的)2 模L126DP型2 可以描述热气流中固体粉
无机涂层材料的喷涂速度主要由焰流速度决定，同时也与 材料的粒度有关。喷涂材料在飞行速度最大时撞击基体的 颗粒动能与冲击变形最大，形成的无机涂层结合较好。因
此，调整喷嘴与工件的距离到最佳位置非常重要。
熔滴撞击基材后扩展成薄膜，撞击时的高速度有助于熔滴 的扩展，但会因为表面张力或凝固过程而停止扩展，并凝
对于铸铁件、多孔件和具有窄缝的工件内的油污，可采 用炉内加热或用火焰加热的方法，让油污流出燃烧。加 热温度为300~350℃，温度不宜过高，否则会使工件组织 发生变化或使工件变形。
将材料参数及有关变量，如热导率、熔化温度等，统一 纳入到加热条件及气流动力学方程中，可以得到不等式：
式中，S为粉末在焰流中的运动距离；λ为平均边界层的 热导率；ΔT为平均边界层的温度梯度；V为平均焰流速 度；μ为平均焰流粘度；L为粉末材料的熔化潜热；D为 粉末的平均直径；P为粉末密度。
19
.
热喷涂工艺
熔化的喷涂材料被雾化：线材端部熔化形成的熔滴在外加压缩气 流或热源自身射流作用下脱离线材，并雾化成微细熔滴向前喷射：
粉末一般不存在熔粒被进一步破碎和雾化的过程，而是被气流或
第四章 热喷涂技术
• 2）不锈钢复合丝 • 由不锈钢、镍、铝等几种合金元素复合而 成。 • 其特点是既有Ni-Al放热反应，又有其他强 化元素改善性能，可用于“一步”喷涂， 即涂层同时具有打底层和工作层功能，尤 其适合火焰喷涂， • 主要应用于油泵转子、轴承、汽缸衬里和 机械导轨的表面层。
• 3）Al-Cr2O3药芯管状复合丝 • 用铝皮包覆Cr2O3药芯可制备成分为62% Al-38%Cr2O3的管状复合丝。
待喷涂基体表面的粗化处理已成为不可缺少的
重要的预处理工序。
（2）物理结合 借助于分子（原子）之间的范德华力使喷 涂层附着于基体表面的结合方式。当高速运动 的熔融粒子撞击基体表面、充分变形后，涂层 原子或分子与基体表面原子之间的距离接近晶 格的尺寸时，就进人了范德华力的作用范围。
范德华力虽然不大，但在涂层与基体的结合中
• 5）不锈钢喷涂丝 • 用于焊接的不锈钢丝均可作为热喷涂丝材。 • 铬不锈钢主要用于对强度和硬度要求较高、 耐蚀性要求不太高的场合，其涂层不易开裂， 适宜作为轴类零件层。 • 镍铬不锈钢有良好的工艺性能，在多数酸、 碱介质中具有优异的耐腐蚀性和耐磨性，用 于喷涂水泵轴等。
• 6）Mo喷涂丝 • 钼是一种自黏结材料，可与黑色金属、镍合 金、镁合金、铝合金等形成牢固的结合，常 用作打底层材料。 • 钼是金属中唯一能耐热盐酸腐蚀的金属；钼 与氢不发生反应，可用于氢气保护或真空条 件下的高温涂层；钼涂层中会残留一部分 MoS2杂质，或与硫发生反应生成MoS2固体 润滑膜，适用于喷涂活塞环和摩擦片。 • 但钼不能作为铜和铜合金、镀铬表面和硅铁 表面的涂层。
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，涂层残余应力 措施：
热喷涂技术原理及应用课件PPT
2. 孔隙度 粉末的球化程度越高和粉末的颗粒大小
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。
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。
第五章-热喷涂技术PPT课件
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。
热喷涂的基本工艺流程图如图2所示
工件表面制备
喷
涂
表 表 表预
底
面面面
净 化
预 加 工
粗热 化
层
喷
喷后处理
涂
工
机封
作
械
层
加 工空
图2 热喷涂的基本工艺流程图
2021
19
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。
2021
11
涂层形成过程示意图如下：
冲击
碰撞
变形
图1 涂层形成过程示意图
2021
凝固-收缩
12
热喷涂原理示意图
2021
13
涂层形成示意图
2021
14
涂层的结构
涂层结构示意图
2021
15
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。
2021
8
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：
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。
热喷涂的基本工艺流程图如图2所示
工件表面制备
喷
涂
表 表 表预
底
面面面
净 化
预 加 工
粗热 化
层
喷
喷后处理
涂
工
机封
作
械
层
加 工空
图2 热喷涂的基本工艺流程图
2021
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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。
2021
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涂层形成过程示意图如下：
冲击
碰撞
变形
图1 涂层形成过程示意图
2021
凝固-收缩
12
热喷涂原理示意图
2021
13
涂层形成示意图
2021
14
涂层的结构
涂层结构示意图
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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。
2021
8
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：
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 。
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超音速火焰喷涂、粉末火焰喷熔
电弧喷涂
大气等离子喷涂
热
真空等离子喷涂
喷 气体放电法 等离子喷涂 保护气体等离子喷涂
涂
水稳等离子喷涂
超音速等离子喷涂
等离子喷熔
电热法：高频喷涂、线材电爆喷涂
激光热源：激光喷涂、激光喷熔
热源种类 丙烷-氧气
温度（℃） 2640
天然气-氧气 氢气-氧气
2735 2690
乙炔-氧气
特点:
a. 喷涂材料范围广：制备难熔金属、陶瓷、金属陶瓷复合 材料涂层及其它特殊功能涂层；
b. 等离子弧温度高，能量集中，焰流速度高涂层结合强度 高，可达35-70MPa，气孔率可控制到2-5%；
c. 惰性气体等离子射流有保护气氛，加氢的射流有还原气 氛，避免或减少了喷涂粒子的氧化；
应用：
制备质量要求高的耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温和 特殊功能涂层。
材料在基底上的沉积示结构意图
5热喷涂涂层性能
530 oC
单个粒子表面形貌
740 oC
粉末的球化程度越高和粉末
的颗粒大小
越均匀，喷涂后涂层的组织 均匀，致密性好，涂层
与基体的结合强度高．
5热喷涂涂层性能
涂层断面形貌（层状结构）
5热喷涂涂层性能
1. 化学成分
由于涂层材料在熔化和喷射过程中，在高温下会与周围介质发生作用生成氧化物、 氮化物，以及在高温下会发生分解，因而涂层的成分与涂层材料的成分是有一定的差异 的，并在一定程度上影响涂层的性能。如MCrAlY氧化后会影响其耐蚀性，而WC－Co 经氧化和高温分解后其耐磨性会降低。通过喷涂方法的选择可以避免和减轻这一现象的 发生。如采用低压等离子喷涂可大大减少涂层材料的氧化，而高速火焰喷涂则可以防止 碳化物的高温分解。
1热喷涂技术原理
Particle or Droplet generation
Accelerating Heating
Splat formation: Impact, flattening
Solidification
1热喷涂技术原理
2热喷涂技术分类
线材火焰喷涂、棒材火焰喷涂
气体燃烧火焰法 粉末火焰喷涂、爆炸喷涂
涂层等。
3.4爆炸热喷涂枪
3
2 1
4
5
7 6
8
爆炸喷涂原理示意图 1-氮气；2-粉末；3-火花塞；4-喷涂射流；5-涂层；
6-基体；7-氧气；8-乙炔
3.4爆炸热喷涂枪
爆炸喷涂特点及应用
1) 涂层结合强度高：它与基材的结合力比等离子喷涂高， 尤其是WC-Co涂层比等离子喷涂高2倍以上；
2) 涂层硬度高：喷涂WC-Co涂层的断面硬度比等离子喷 涂高50%以上；
6-空气喷嘴；7-电弧；8-喷涂射流；9-涂层；10-基体
3.3电弧热喷涂枪
电弧热喷涂枪的应用
1) 钢铁构件上制备Zn、Al长效防护涂层； 2） 在钢铁件上喷涂不锈钢或其它耐磨金属，用于耐磨
蚀防护； 3) 喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料，用于修
复零件已磨损或尺寸超差的部位； 4) 在电容器上喷涂导电涂层，在塑料制品上喷涂屏蔽
3.2粉末火焰热喷涂枪
3
4
5
2 1
6 8
粉末火焰喷涂原理示意图
1-氧、乙炔混合气；2-送粉气；3-喷涂粉末； 4-喷嘴；5-火焰；6-涂层；7-基体
3.2粉末火焰热喷涂枪
特点：
a. 设备简单、轻便、初投资少，操作工艺简单，现场施工 方便；
b. 适于机械零部件的局部修复和强化，成本低，耗时少， 效益高；
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。
4热喷涂材料
热喷涂的目的是什么？
1抗氧化，抗腐蚀
2抗磨
3抗高温 4修复装饰 5改变电磁光性能
常见的热喷涂材料
金属及其合金
Fe、Al、Zn、Ni、Cu、Mo等各种金属及其合金 Ni3Al、TiNi等金属间化合物； Ti、Zr和Hf（系元素）碳化物； Cr、Mo和W（系元素）硼化物； V、Nb和Ta（系元素）氮化物
c. 可以喷涂纯金属粉、合金、陶瓷、金属陶瓷和复合粉末 等多种材料；
d. 涂层孔隙率较高，涂层结合强度10-30MPa。
应用：
粉末火焰喷涂广泛用于机械部件和化工容器、辊筒表面制备 耐蚀、耐磨涂层。对喷枪喷咀部分作适当变动后，可用于喷涂塑 料粉末。
3.3电弧热喷涂枪
电弧喷涂原理示意图 1-直流电源；2-金属丝；3-送丝滚轮；4-导电块；5-导电嘴；
2) 粉粒在火焰中加热时间长：喷涂粉末以中心轴式方法供给，这种 供粉方式使粉末在火焰中停留时间长，能均匀地受热熔融，产生 集中的喷射束流；
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
3) 气孔率低：喷涂WC-Co涂层气孔率一般只有0.5%； 4) 目前爆炸喷涂主要用于制备优质耐磨涂层。
3.5超音速热喷涂枪
1
2 3
54
Jet-Kote超音速粉末火焰枪原理图 1-粉末及送粉气；2-冷却水；3-冷却水；4-氧气；5-燃料气；
超音速热喷涂特点及应用
1) 火焰及喷涂粒子速度极高：燃气流速可达1500-2000m/s，粉粒 撞击到工件表面的速度为550~800 m/s；
3100
电弧
5000-6000
等离子电弧 ≥10000
3热喷涂枪
粉末
等离子喷涂 高速火焰喷涂
粉末火焰
丝材
电弧喷涂 丝材火焰喷涂
3.1等离子体热喷涂枪
4
5
3 7 6
2
1
等离子喷涂枪示意图 1-喷涂粉末；2-工作气；3-阴极；4-阳极； 5-等离子射流；6-基体；7-喷涂层;
3.1等离子体热喷涂枪
热喷涂技术原理及应用
2106.11.16
热喷涂技术原理及应用
1热喷涂技术原理
什么是热喷涂？
是一种表面强化和防护技术。利用高温热源（电弧、等 离子弧、燃烧）将喷涂材料（粉末状或丝状的金属和非 金 属涂层材料）加热成熔融或是液态，然后利用热流 本身的动力或是外加高速气流使喷涂材料汽化后喷射至 预处理过的材料表面形成涂层，以此改善材料表面的物 理化学性能
金属基复合材料
陶瓷 有机材料
Ni/Co/Fe基合金+ Al2O3、ZrO2 等 Ni/Co/Fe基合金+ WC, TiC，Cr3C2等 Al/Ni基材料+磨料
Al2O3、ZrO2、TiO2、 Cr2O3氧化物； B4C、SiC、Si3N4、BN等
聚醚、聚丙烯类共聚物 、Al-Si+聚醚等
5热喷涂涂层性能