热喷涂、喷焊与堆焊

减少涂层残余应力措施：
（1） 减小涂层厚度；
（2） 调整喷涂工艺参数； （3）采用较疏松涂层；
（4） 采用梯度过渡层缓和涂层内应力
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涂层的结合强度
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。
粗化处理的方法 （2） 粘结底层 某些材料能够在很宽的条件下喷涂并粘结在清洁、光滑 的表面上，而且这类涂层表面粗糙度适中，对随后喷涂的其 它涂层有良好的粘结作用，因此称为粘结底层。
当基体太薄或太硬而不适合采用喷砂处理时，采用粘结 底层的方法比较好。
涂层的后处理

涂层的后处理包括两个方面，一个是封孔处理， 一个是致密化处理。 多孔隙是喷涂层的固有缺陷，孔隙度可以从小 于1%变到大于15%，或者更高。空隙可以互相连接， 甚至可从表面延伸到基体。封孔处理的目的就是填充 孔隙。
涂层结构
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％。
涂层内有一定比例的孔隙，产生原因是：
(1) 未熔化颗粒的低冲击功能； （1） 喷涂角度不同造成的遮蔽效应； （2） 凝固收缩和应力释放效应
热喷涂材料分类（非金属类）
非金属类 分 类 品 种 (1)A1 系：A12O3、 A12O3·SiO2、 Al2O3· MgO 金属氧化物 (2)Ti 系：TiO2 (3)Zr 系：ZrO2、ZrO2·SiO2、CaO-Zr02、MgO- ZrO2 (4)Cr 系：Cr2O3 金属碳化物 (1)WC、W2C；(2)TiC； 及硼化物 (3)Cr3O2、Cr23C6；(4))B4C、SiC 包覆粉 Ni 包 Al、Ni 包金属及合金、Ni 包陶瓷 团聚料 熔炼粉及 烧结粉 塑 料 金属+合金、WC 或 WC-Co+金属及合金、氧化物+金 属及合金、氧化物+氧化物 碳化物+自熔性合金、WC+Co (1)热塑性粉末：聚乙烯、尼龙、聚苯硫醚 (2)热固性粉末：环氧树脂
电弧喷涂设备和喷枪
电弧喷涂特点
1）热效率高达90% 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
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） 运行费用较低，火焰喷涂消耗的燃料费是电弧喷涂 电费的几十倍。 6） 只能用于具有导电性能的金属线材
9 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
基材表面预处理 （1） 净化处理：清除表面污垢。
（2） 粗化处理：可提高涂层结合强度，原因如下：
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、涂层中夹杂较少，因此喷涂质量很高。
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 粉末送入方式：外送式和内送式
（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。
3、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。
表 1－2 热喷涂线材和棒材分类 类别 分 类 品 种 有色金属 (1)纯金属：Zn、A1、Cu、Ni、Mo 金属 (2)合金：Zn-A1，Pb-Sn、Cu 合金、巴氏合金、Ni 合金 线材 普通钢及 碳钢、低合金钢 低合金钢 高合金钢 不锈钢、耐热钢 棒材 陶瓷棒材 A12O3，TiO2，Cr2O3、ZrO2、A12O3+MgO、A12O3+SiO2 金属包金属 铝包镍、镍包合金 复合 金属包陶瓷 金属包碳化物、金属包氧化物 线材 塑料包覆 塑料包金属、塑料包陶瓷
涂层的结合强度
（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。 （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，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)。
缺点：孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。优点： 但孔隙可以储存润滑剂，提高涂层的隔热性能，减小内应力 并因此增加涂层厚度，提高涂层抗热震性能，提高涂层的可 磨耗性能。
6 热喷涂中的相变
相对基体来说，熔滴尺寸非常小， 冷却速度可达10∧6 K/s,冷却后会形成 非晶态或亚稳相，完全不同于同样材料 在轧制态或铸态的组织结构。
S (T ) LD V 16P
2 2
2
式中：Ｓ为粉末在焰流中的运动距离；为平均边界层的热导率； Ｔ为平均边界层的温度梯度；Ｖ为平均焰流速度；Ｌ为粉末材 料的熔化潜热；Ｄ为粉末的平均直径；为平均焰流黏度；Ｐ为 粉末密度。

5.
如右图所示 是等离子喷涂钼 涂层显微结构形 貌图，大小不一 的扁平颗粒、未 熔化的球形颗粒、 夹杂和孔隙组成。
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。
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等离子喷涂
粉末火焰喷涂设备示意图和喷涂枪
火焰喷涂特点
(1)焰流温度低（850-2000℃），焰流速度低（50-100m·s-1） (2)设备投资少，操作容易
(3)设备可携带到现场施工，无电力要求
(4)沉积效率高 (5)涂层氧含量较高，孔隙较多，涂层结合强度偏低，涂层质量 不高
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
第六章 热喷涂、喷焊与堆焊技术
第一节热喷涂技术
一、 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。
热喷涂原理
Particle or Droplet generation
Accelerating Heating
热喷涂材料分类（金属类）
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 自熔性合金 (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
热喷涂材料的要求
（1）热稳定性好，在高温焰流中不升华，不分解。 （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。
（5）一定的形状与尺寸（线材φ1—3mm,
Splat formation: Impact, flattening Solidification
பைடு நூலகம்
典型热喷涂系统
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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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涂层应力
涂层冷却凝固时，会伴随着收缩过程，颗粒内部会产生 张应力而在基体表面产生压应力。结果使涂层内部产生残余 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。
涂层应力


由于涂层应力与厚度的关系，热喷涂层的 最佳厚度一般不超过0.5mm 残余应力： 致密涂层 > 疏松涂层 涂层应力大小可通过调整工艺参数而部分 控制，但更有效的方法是采用梯度过渡层 缓和涂层应力
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、 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
二、热喷涂工艺方法
决定涂层强度的两个关键因素：
①涂层材料受热后的温度
②涂层材料加速后的速度
所有热喷涂工艺的设计与改进都是围绕这两点来展开的。
常用热喷涂技术：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆 炸喷涂、超音速火焰喷涂。
1 火焰喷涂工艺
火焰喷涂 通过氧－乙炔气体燃烧提供热量加热熔化喷涂材料，通过 压缩气体雾化并加速喷涂材料，随后在基材表面沉积形成涂层。 燃烧气体的自由膨胀对喷涂材料加速效果有限。为了实现喷 涂，喷嘴上 根据喷涂材料的形式不同，火焰喷涂可分为线材火焰喷涂和 粉末火焰喷涂。
粉末φ1—100um)
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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。
在涂层粉末熔化过程中，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，可得到以下不等式。
① 提供表面压应力；
② 提供涂层颗粒互锁的结构；
③ 增大结合面积；
④ 净化表面。
粗化处理的方法 粗化处理能够使表面粗糙度达到Ra3.2～12.5μm就够 了，一般采用喷砂加粘结底层的方法： （1） 表面喷砂
表 6－1 达到所要求粗糙度的喷砂条件
磨料粒度 /目 24 60 80 磨料材质 喷砂压力 喷嘴孔径 设备类型 基体材质 粗糙度 /kPa /mm /μ m 414 7.9 12.5 氧化铝 压力式 钢 414 7.9 6.3 氧化铝 虹吸式 不锈钢 碳化硅 414 7.9 6.3 压力式 塑料 氧化铝
等离子气体的作用
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、氦气：可作为辅助气体，起到改变等离子体能量 结构的作用，其中氢气还有防氧化的作用。
（1）线材火焰喷涂
线材火焰喷涂原理图。 喷涂用线材送入喷枪后，由喷枪内的驱动轮连续输 送到喷嘴，在喷嘴前端被同轴燃烧气的火焰加热并熔化， 然后被压缩空气雾化并加速，喷涂在基体表面。
线材火焰喷涂设备示意图和喷涂枪
（2）粉末火焰喷涂
线材火焰喷涂原理图 用少量气体将喷涂粉末输送到喷枪的喷嘴前端，通过燃气 加热、熔化并加速喷涂到基体表面。在喷嘴前端加上空气帽， 可以压缩燃烧焰流并提高喷涂速度。
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 耐腐蚀涂层 铝、镍—铝 抗热氧化涂层 塑料 防腐蚀涂层
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电弧喷涂
电弧喷涂原理示意图 两根彼此绝缘并加有18~40V直流电压的线形电极，由送 丝机构向前输送，当两极靠近时，在两线顶端产生电弧并使顶 端熔化，同时吹入的压缩空气使熔融的液滴雾化并形成喷涂束 流，沉积在工件表面。

封孔处理是在喷涂之后、机加工之前进行。
封孔处理的作用：
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。
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 剂