热喷涂技术原理及应用

热喷涂的三个步骤步
6热喷涂工艺流程
5.1表面预处理
净化处理
粗化处理
增加涂层与基材间的接
预热
消除工件表面的水分, 提高
体的结合强度；减少因基材 与涂层材料的热膨胀差异造 成的应力而导致的涂层开裂. 一般情况下预热温度控制在 60 - 120 ℃之间.
除去工件表面
触面, 增大涂层与基材的 界面温度, 以提高涂层与基 机械咬合力, 使净化处理 过的表面更加活化以提 高涂层与基材的结合强
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； 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
7热喷涂的实际应用-航天当中的应用
火箭发动机喷管延伸段内壁在工 作时承受1500℃以上高温焰流的 冲蚀，时间长达几十秒至上百秒， 一般采用等离子喷涂热障涂层进 行防护 火箭级间段材质一般为铝合金，内壁 装有许多测试仪器，为减轻重量内壁 采用化铣工艺铣成网格形状，最薄处 仅有1.2mm，发射过程中级间段短时 承受几千度的高温，内壁需做防热处 理否则瞬间烧毁。
的所有污垢。
度.
6热喷涂工艺流程
5.2喷涂
喷涂方法的选择：主要取决于选用的喷涂材料、工件的工况及对涂层质量的要求。 例如，如果是陶瓷涂层，则最好选用等离子喷涂；如果是碳化物金属陶瓷涂层则 最好采用高速火焰喷涂；若是喷涂塑料则只能采用火焰喷涂；而若要在户外进行 大面积防腐工程的喷涂的话，那就非灵活高效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂莫属了。 总之，喷涂方法的选择一般来说是多样的，但对某种应用来说总有一种方法是 最好的。 预处理好的工件要在尽可能短的时间内进行喷涂,喷涂参数要根据涂层材料、喷 枪性能和工件的具体情况而定, 优化的喷涂条件可以提高喷涂效率、并获得致密度 高、结合强度高的高质量涂层.
7热喷涂的实际应用
航天航空、机械、、石油化工、食品、 轻纺，电子、冶金、能源、交通等并 在高新技术领域也得到了应用。
7热喷涂的实际应用-航天当中的应用
航空领域应用较为成熟的热喷涂技术：热障涂层 （ Thermal Barrier Coatings 简称TBC ），采用双层涂 层结构：MCrAlY 结合底层 + YPSZ （ Y2O3/ ZrO2 ） 工作面层（金属作底层, 由陶瓷作表层）
Ni/Co/Fe基合金+ Al2O3、ZrO2 等 金属基复合材料 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
陶瓷 有机材料
5热喷涂涂层性能
3.2粉末火焰热喷涂枪
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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； 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。
热喷涂是恢复零部件尺寸的一种经济而有效的方法. 修复各种轴类和柱塞件是典型的应用, 包括迥转轴、 汽车轴、往复柱塞、轴颈和轧辊等。
7热喷涂的实际应用-机械当中的应用
对于一些不便拆卸安装的大型轴类零件可以在现场修复， 如发电机转子和汽轮机转子的轴颈有划伤，可制造专用工 装在现场进行修复。
7热喷涂的实际应用-机械当中的应用
3.5超音速热喷涂枪
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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； 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碳； 4) 喷涂粉末细微，涂层光滑：粉末粒度为5-45μ m，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。
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
Fe、Al、Zn、Ni、Cu、Mo等各ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ金属及其合金
Ni3Al、TiNi等金属间化合物； 金属及其合金
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
其基本原理是基于陶瓷材料具有化学稳定好、高的熔点 和低的导热系数，陶瓷涂层含有一定数量的孔隙率。因 而使热障涂层成为很好的高温隔热材料。它能把高温部 件与高温燃气隔离开来，仅 0.20~0.40mm 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。
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。
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。采用热喷涂对各破坏处进 行喷涂填补、打磨，恢复平面的尺寸精度。
7热喷涂的实际应用-发电系统当中的应用
发电系统：锅炉四管（水冷壁管、过热器管、再热器管和 省煤器管）、风机叶轮、风机轴承、风机轮毂等。 工作在高温腐蚀、高速磨粒磨损、海水侵蚀等环境下， 采用热喷涂可以提高耐蚀耐磨寿命3-8倍。
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7 6
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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； 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。
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 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 天然气-氧气 氢气-氧气 温度（℃） 2640 2735 2690
2. 孔隙度
热喷涂涂层中不可避免地存在着孔隙，孔隙度的大小与颗粒的温度和速度以及喷涂 距离和喷涂角度等喷涂参数有关。一般来说，温度及速度都低的火焰喷涂和电弧喷涂涂 层的孔隙度都比较高，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 涂层及高速的超音速火焰喷涂涂层则孔隙度较低。最低可达0.5％以下。
乙炔-氧气
电弧
3100
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 特点:
5. 冷热疲劳性能
对于一些在冷热循环状态下使用的工件，其涂层的抗冷热疲劳（或称热震）性能至 关重要，如若该涂层的抗热震性能不好，则工件在使用过程中便会很快开裂甚至剥落。 涂层抗热震性能的好坏主要取决于涂层材料与基体材料的热膨胀系数差异的大小和涂 层与基体材料结合的强弱。
6热喷涂工艺流程
表面预处理
喷涂 涂层后处理
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。
6热喷涂工艺流程
5.3涂层后处理
喷涂所得涂层有时不能直接使用, 必须进行一系列的后处理.
用于防腐蚀的涂层, 必须对涂层进行封孔处理.
对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件，为了提高涂层的结合 强度，要对喷涂层进行重熔处理(如火焰重熔、感应重熔、激光 重熔以及热等静压等)，使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层 变为与基材呈冶金结合的致密涂层。 有尺寸精度要求的，要对涂层进行机械加工。
7热喷涂的实际应用-航天当中的应用
火箭发射车发射台架发射 时承受高温焰流的冲蚀也 可以通过喷涂热障涂层进 行防护 飞船逃逸系统的关键部件 栅格翼大面积使用了热障 涂层技术，用等离子喷涂 Al2O3 涂层
7热喷涂的实际应用-机械当中的应用
磨损，冲击，高压，冷热环境等会造成机械零件 表面损伤或损耗，适当的喷涂修复可以延长零件 的使用寿命，降低生产设备的成本，因此热喷涂 在机械修复中具有相当重要的作用
3. 硬度
由于热喷涂涂层在形成时的激冷和高速撞击，涂层晶粒细化以及晶格产生畸变使涂 层得到强化，因而热喷涂涂层的硬度比一般材料的硬度要高一些，其大小也会因喷涂方 法的不同而有所差异。
5热喷涂涂层性能
4. 结合强度
热喷涂涂层与基体的结合主要依靠与基体粗糙表面的机械咬合（抛描效应）。基材 表面的清洁程度、涂层材料的颗粒温度和颗粒撞击基体的速度以及涂层中残余应力的 大小均会影响涂层与基体的结合强度，因而涂层的结合强度也与所采用的喷涂方法有 关。
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
7热喷涂的实际应用-钢结构防腐当中的应用
东方明珠电 视塔钢结构 天线喷铝 东海大桥桥 墩支架喷铝
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 涂层等。
3.4爆炸热喷涂枪
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