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
3 微扩散结合：高速、高温、熔融或半熔融的粒子撞击到基体 表面，在界面上会造成微小的扩散，使结合力增加。
2. 基体温度低：基材温度一般在30~200℃之间，因此变形小。 3. 操作灵活：可喷涂各种规格和形状的物体，特别适合于大面积涂
层，并可在野外作业。 4. 涂层厚度可控, 范围宽：从几十微米到几毫米的涂层都能制备。 5. 喷涂效率高、成本低：生产效率为每小时数公斤到数十公斤。 6. 局限性：主要体现在热效率低，材料利用率低、浪费大和涂层与
沉积效率
喷涂材料形态
结合强度 (Mpa) 最小孔隙率
最大涂层厚度
喷涂成本
50~100
20~80
60~80% 50~80% 粉末,线材
>7
<12% 0.2~1.0
低
30~500
20~300
90% 70~90%
线材 >10
<10% 0.1~3.0
低
200~1200 800~1200 300~1200
30~800
层可有效地提高基体材料的耐磨损、耐高温或耐腐蚀性能。 Al2O3 、TiO2、Cr2O3、ZrO2等氧化物为最常用的一类陶瓷喷涂 材料。 Al2O3 、TiO2、Cr2O3常用于耐磨损零件，而ZrO2主 要用作热障涂层。
一、按形态分类-----线、棒、粉末 二、按功能分类
耐磨损----陶瓷，铁基，Co基，Ni基合金和难熔 金属
耐腐蚀----Zn、Al、Ni基合金和Al2O3类陶瓷 抗高温----氧化物类陶瓷、Ni-Cr合金和Co基合金 三、按成分分类 金属材料 陶瓷材料 塑料材料 复合材料
3.3 粉末材料
一、非复合型粉末 每个颗粒内成分是均匀一致的，如金属粉、高分子粉、陶瓷粉等。
特点：电弧喷涂只能用于具有导电性能的金属线材。 电弧喷
涂的涂层密度可达70~90%，比火焰喷涂涂层要致密、结合 强度(10~40 MPa)高。且运行费用较低，沉积效率高。电弧 温度可达5000℃， 雾化颗粒速度可达180—335m/s。 应用：是喷涂大面积涂层尤其是长效防腐锌、铝涂层的最佳 选择。
缺点：喷涂效率非常低，运行成本相对较高 。
2.5 超音速喷涂(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。
四、喷涂
喷底层(Ni包Al，Al包Ni)--粗化， ↑结合力
喷涂层----0.15-0.2mm/次，总厚度﹤2mm
五、封孔
工件加热到~95℃，涂上石蜡----防腐蚀
表面预处理 表面粗化
预热 喷涂 封孔
热喷涂基体表面预处理
基体金属表面的预处理状况，决定着热喷涂涂层与基体的 结合性能，因此对其使用寿命有决定性的影响。 表面预处理包括表面净化，除去金属表面的油脂、其他污 物、锈、氧化皮、旧涂层、焊接熔粒，以及对表面的粗化 处理。 喷砂、车螺纹、滚花和电拉毛。
2.4 爆炸喷涂
原理：氧气、燃料(如乙炔)和粉末输送到枪管内，点燃混合气体产生 爆炸，使粉末加热、加速，以超音速喷出，沉积在基体表面。每 次喷射后通入氮气流清洗枪管。目前，爆炸喷涂的频率达60Hz。
特点：喷射速度快、结合强度高(85Mpa)；涂层密度可达99.9%。焰 流温度不太高，不适合喷涂陶瓷等高熔点材料，但可解决碳化物 高温分解 难题。 一般专用于喷涂碳化物或金属陶瓷涂层。
1.2 热喷涂涂层的质量及影响因素
一、热喷涂涂层常见的缺陷及预防措施 1. 涂层剥落
原因：冷却时涂层与基体收 缩不一致，涂层中产生拉应力。
结合强度低于涂层拉 应力时，剥落。 措施：工件表面--清洁、粗糙 喷涂颗粒—速度↑、
T↑ 工件预热-- ↓涂层应力 涂层保护点—在工件边
缘预置小槽，或堆焊一周。
0.07
0.09
Dmax, μm
26
72
96
110
显然，TaC最易喷涂----实际上仍是Dr所决定
③ 材料的粒径： D↓--T↑、v ↑--结合力↑，涂层质量↑
D太小--价格↑，且易被气流带走。
1.3 热喷涂技术的特点
1. 可在各种基体上制备各种材质的涂层：金属、陶瓷、金属陶瓷以 及工程塑料等都可用作热喷涂的材料；几乎所有固体材料都可以 作为热喷涂的基材。
~800
100~1000
35~55% 50~80%
粉末 >35
未知 未知 粉末 >85
50~70% 70~90%
粉末 >70
<2% 0.05~0.5
高
<0.1% 0.05~0.1
高
<0.1% 0.1~1.2mm
较高
设备特点
简单,可现场 简单,可现场施 复杂,但适合高 较复杂,效率 一般,可现场施工
施工
铝、镍/铝
耐磨保护涂层 轴承修复
耐腐蚀涂层
抗热氧化涂层
2.2 等离子喷涂
等离子喷涂法是利用等离子焰的热能将引入的喷涂粉末 加热到熔融或半熔融状态，并在高速等离子焰的作用下， 高速撞击工件表面，并沉积在经过粗糙处理的工件表面形 成很薄的涂层。涂层与母材的结合主要是机械结合.
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。
2. 裂纹 原因：同上，涂层中拉应力小于膜基结合强度而又大于涂层的抗 拉强度时，涂层开裂。 措施：每次喷涂，薄而均匀(﹤0.15mm)。太厚，收缩应力↑ ↑ 涂层T不要太高，否则收缩应力↑ ↑ (矛盾！因T ↓，结合力↓，涂层易剥落。) 工件预热，缓慢冷却，收缩应力↓
3. 多孔疏松 原因：
孔隙率：2-20%。--是喷涂难题之一 措施： ↑粉末T，全熔最好—但应力又↑
③粉体在加速介质中的运行时间t----t↑，v↑
② 、 ③都取决于工件与喷嘴间的距离s，
S
近距
中距
远距
T 加热不充分，T↓ ~100mm左右T、v 远离热源，冷却，T↓
v
加速不充分，v↓ 最高
空气阻力， v↓
总而言之，喷涂工艺问题就是T、v问题
2. 喷涂材料的影响
①材料成分----决定材料的热扩散系数Dr
粉末火焰喷涂的原理示意图
火焰喷涂特点 1.中心火焰最高可达3000℃ 2.雾化颗粒速度可达10-20m/s 3.适用于熔点低于2500℃材料 4.设备简单,投资低
常用的火焰喷涂涂层及作用
涂层 锌、铝 镍/铝
钼
应用 钢结构的防腐涂层
粘结底层 粘结底层，优异的抗粘着磨损性能
高铬钢 青铜，巴氏合金 不锈钢、镍、塑料
1. 自熔性粉末 在铁、钴、镍基合金中加入强脱氧元素B、Si后，成为一种
能自行脱氧、造渣的低熔点金属。 特点：⑴ 自熔性； B、Si是强脱氧元素，具有脱氧、造渣能力。 ⑵ 低熔点； B、Si加入—形成共晶—熔点↓↓。 ⑶ 湿润性； B、Si使表面氧化物溶解—表面张力↓↓。 ⑷ 良好的固态流动性。
2. 陶瓷材料 具有硬度高、熔点高、热稳定性及化学性能好的特 点，用作涂
第二章 热喷涂技术
定义： 热喷涂—是将喷涂材料加热到熔融或半熔
融状态，用高速气流将其雾化、加速，使其高 速喷射到工件表面形成具有特殊性能的涂层。
热喷涂TiC
第一节 热喷涂的原理及分类
1.1 热喷涂的基本 原理
一、基本过程 1. 加热、加速、熔化
（颗粒状） 2. 雾化（10-100
μm ），再加速--形成高速粒子流。 3. 熔融与半熔融的高 速粒子流撞击到基 材，变形、凝固， 形成涂层。
常用热喷涂技术的工艺特性