表面工程 第五章 表面涂层技术

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表面改性技术
等离子喷涂的新进展
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（1）大功率
在高热能的条件下，配合高速喷嘴，使粉 末微粒速度增大，而获得高的动能，于是粉 末微粒在喷向基体表面时的热能和动能转化 为涂层的结合能就高，从而提高了涂层的结 合强度和涂层的致密度。
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各种基体材料：金属、玻璃、陶瓷、有机材料 喷涂材料种类广泛：金属、合金、陶瓷、有机
方法多样：有十几种之多。 喷涂工件不受限制：大面积、小工件均可 涂层厚度可控：几十微米到几毫米
5.2 热喷涂
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线材：碳钢丝、不锈钢丝、铝丝、铜丝、复合喷涂丝 及镍、铜、铝的合金丝等。锌丝 粉末：金属及合金粉末、陶瓷粉、复合材料粉末和塑 料颗粒等。镍基合金粉。 线材火焰喷涂：设备简单，价格便宜，手持操作，调节简 单，工件表面温度较低， 粉末火焰喷涂：颗粒由表面向内部融化，不存在破碎 和雾化，粉末粒度决定喷涂粒度，存在不同部分融化 不一致问题。
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（3）新设备
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③ 5500-2000型等离子喷涂设备
PRAXAIR-TAFA公司还开发出了类似Multicoat 的多功能喷涂系统GTS和大功率等离子喷涂系统 PlazJet（喷涂功率可以达到200kW），其中GTS 可以进行等离子喷涂、超音速火焰喷涂和电弧喷涂 。 PlazJet在国内已有数家用户。
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（3）新设备 ① Axial III型等离子喷涂设备 加拿大Mettech----三阴极轴向送粉等离子喷涂 系统。传统的枪外送粉方式是将粉末从径向送入等 子焰流，这样就会有部分粉末穿过或没有进入等离 子焰，降低了粉末的沉积效率，又影响了涂层质量。 而Axial III则可完全避免这些缺点。 Axial III轴向送粉喷枪包括3对相互独立的阳极和 阴极，从而实现真正意义上的轴向送粉。
后，就可通过化学反应交联固化成膜。气干型、烘烤型、 两罐型、辐射型。
5.1 表面涂装
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涂装预处理
涂装
干燥固化
预处理：清除污垢、化学处理（磷化、钝化）、消 除缺陷、合适粗糙度。
涂布方法：各种类型
干燥固化：自然干燥、人工干燥（加热、照射）
5.1 表面涂装
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等离子喷涂 表面改性技术
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等离子喷涂是以电弧放电产生等离子体作为高温热源， 以喷涂粉末材料为主，将喷涂粉末加热至熔化或熔融状 态，在等离子射流加速下获得很高速度，喷射到基材表 面形成涂层。 工作气体为氩气或氦气，工作温度高，可熔化所有金属， 喷涂效率高，涂层致密结合强度高。
输入功率，气体及流量，供粉速度，喷涂距离，喷涂角， 移动速度。
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（2）Low Pressure Plasma Spraying Vacuum Plasma Spraying （a）涂层受氧化污染小，含杂质也少，故涂层的 质量优于大气环境下喷涂涂层。尤以对于氧敏感的 材料如钛、钽、铌等材料是理想的喷涂环境。 （b）在真空室内进行，所以减少了对周围环境的 污染；且噪音小，对操作者的健康是有利的。 （c）由于是计算机程控自动操作，故涂层的工艺 参数重复性好，涂层生产性能稳定；且能通过数理 统计选出最佳工艺参数，提高了涂层质量。
示温涂料：随温度变化而变颜色，晶型转变 、结构转变、脱水、分解、固相反应。
5.2 热喷涂
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1.热喷涂
热喷涂：采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激
光等作热源，将粉末状或丝状的金属或非金属喷涂材料 加热到熔融或半熔融状态，并用热源自身的动力或外加 高速气流雾化，使喷涂材料的熔滴以一定的速度喷向经 过预处理的工件表面，依靠喷涂材料的物理变化和化学 反应，形成附着牢固的表面层的加工方法。
5.1 表面涂装
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表百度文库改性技术
5.1 表面涂装
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5.1 表面涂装
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烧蚀涂料：能够碳化、泡沸碳；美国火星的“海盗”号飞 船的舱身和外露部件均涂有一层12.7ｍｍ 厚的有机硅树脂 中的酚醛-玻璃珠-软木的绝缘层，耐摩擦产生的温度约 1482℃。
5.2 热喷涂
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热喷涂原理
5.2 热喷涂
机械结合：凸凹不平表面相互咬合
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物理结合：高速粒子撞击，晶格范围，范德华力
冶金结合：涂层粒子和基体产生扩散微区
粒子间结合：机械为主、扩散冶金也存在
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5.2 热喷涂
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第五章 表面涂敷技术 表面改性技术
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1 表面涂装
2 热喷涂
3 堆焊 4 其它涂敷技术
5.1 表面涂装表面改性技术
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1.涂装相关概念 涂装：用有机涂料通过一定的方法涂覆于材料
或制件表面，形成涂膜的全部工艺过程。
油漆：植物油 涂料：合成树脂
涂料：概念广泛，传统涂料水性涂料、粉末涂料等
（3）涂层的结合强度高，气孔率低。 （4）能通过控制工艺参数制备精细涂层。 因此，等离子喷涂主要用于制备涂层质量要求高 的耐蚀涂层；耐磨、减摩、固体润滑涂层；导电、 绝缘涂层；隔热涂层、抗高温涂层和特殊涂层，在 机械制造、石油化工、航天航空、交通运输、能源 及电子工业中得到应用。
等离子喷涂的应用
耐蚀涂层； 耐磨、减摩、固体润滑涂层； 导电、绝缘涂层； 隔热涂层； 抗高温涂层； 特殊涂层
等离子喷涂的新进展
（3）新设备
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② Multicoat 型等离子喷涂设备
Multicoat可以进行大气等离子喷涂（APS）、 真空等离子喷涂（VPS）和超音速火焰喷涂 （HVOF）。与以前的等离子喷涂设备相比， Multicoat将气体部分独立出来，这样既可以避免 其他电路对质量流量计的干扰，又可以避免氢气泄 漏发生危险，提高了系统的安全性。
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③ 5500-2000型等离子喷涂设备
美国PRAXAIR-TAFA公司开发的等离子喷涂系统。 采用专有软件实时控制和监测等离子弧的实际能量， 即净能量。 操作者键入优化参数后，控制模块控制整个工艺 过程，监测和实时显示喷枪效率，使系统参数根据 喷枪条件而反应，并作出相应调节以维护目标等离 子体能量，提供稳定的能量输出水平。
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电弧喷涂的特点和应用 电弧喷涂与火焰喷涂相比，有下述优点： （1）生产率高，一般为火焰喷涂的三倍以上。 （ 2 ）成本低，其施工成本比火焰喷涂低 30% 以 上。 （ 3 ）热效率高，电弧热的利用率为 60% ～ 70% ， 火焰喷涂时火焰燃烧热的利用率仅为5%～15%。
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（ 4 ）可用两根成分不同的金属丝制成具有独特综 合性能的假合金涂层，如具有良好耐磨、减磨及导 热性的铜－钢假合金涂层。 电弧喷涂具有上述特性，故被广泛用于钢铁构件 的喷涂铝、喷涂锌、不锈钢或其它耐磨材料，用于 机械零件的修复喷涂。另外，电弧喷涂还可用于塑 料、木材等基体材料的喷涂。
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火焰喷涂的应用 火焰喷涂工艺与其它喷涂工艺相比，最大的特点 是成本低廉，使用方便，在许多场合下所得涂层能 够充分满足性能要求。一般来说在满足工程要求的 前提下，尽可能采用火焰喷涂。 火焰喷涂的应用主要有以下几方面：
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(1) 用于长效防腐蚀涂层 这类涂层大多是用线材火焰喷涂的Zn，Al，Cd 等金属或合金涂层。可用于铁桥、铁塔、水闸、船 体、贮水器、管道、矿山货车、气体容器、船内浴 室、水处理设备和钢制框格等多种钢结构件。 (2) 用于抗高温氧化涂层 Al涂层有良好的抗高温氧化性，可用于加热器、 燃烧室、烟囱等易受高温氧化的钢铁件。
5.1 表面涂装
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5.1 表面涂装
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溶剂挥发类： 涂料在成膜过程中不发生化学反应，只
是溶剂挥发使涂料干燥成膜，一般为自然干燥型涂料， 容易重新涂装。
固化干燥类： 成膜物质一般是相对分子质量较低的线
性聚合物，可溶解于特定的溶剂中，经涂装、溶剂挥发
等离子喷涂的新进展
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（3）新设备 ④ 水稳等离子喷涂 优点：输出功率大(150 -200 kw), 涂层结合强 度是气体等离子喷涂涂层的2 - 3 倍, 并且涂层致 密, 其硬度、耐磨性和耐热冲击性能也有很大提高 ； 喷涂效率高, 喷涂能力最大为50 kg / h； 涂层 厚度可达20 mm；只需水和空气, 运行成本低, 比 其他喷涂方法经济。 缺点：焰流为氧化焰, 不适 喷涂容易氧化的材料。此外, 喷涂枪体积较大, 比 较笨重。
等离子喷涂的新进展
（3）新设备
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② Multicoat 型等离子喷涂设备
Multicoat为全球最大的热喷涂公司—瑞士 SulzerMetco公司研制的最新型的等离子喷涂设备。 Multicoat的设计基于“平台”概念，即使用相同 的主平台，配备不同的软硬件及相应组件，可以实 现不同的喷涂工艺。
等离子喷涂的新进展
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（3）新设备 ④ 水稳等离子喷涂 水稳等离子喷涂是一种高功率和高速等离子喷 涂方法, 它是在由高速旋转的水形成的隧道里产生 的弧中,水蒸气分解形成O2 和 H2 的等离子工作 气的喷涂方法。与气体等离子喷涂方法相比, 其焰 流温度更高体积更大更长, 特别是能量更高, 因而 特别适合于高熔点氧化物陶瓷的大量喷涂。
等离子喷涂的特点
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等离子喷涂由于能产生特别高的温度，所以它 可以喷涂任何一种可熔材料。 等离子喷涂层组织细密，氧化物夹渣少，气孔 率低，涂层与基体结合程度高，最高可达到 60N／ mm2，其结合机理以机械结合为主，在一些微区产 生了冶金结合和物理结合。
等离子喷涂的特点
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静电喷涂：是用静电喷枪使油漆雾化并带负电荷，与
接地的工件间形成高压静电场，静电引力使漆雾均匀沉
积在工件表面。
涂膜均匀
易于自动化 油漆利用率高
5.1 表面涂装
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电泳涂装：将电泳漆用水稀释到固体分为10-15%左右，
加入电泳槽内，将工件浸入作为电极，通以直流电时电
电弧喷涂 表面改性技术
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电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，输送 直流或交流电，利用丝材端部产生的电弧作为热源来熔化 金属，用压缩气流雾化熔滴并喷射在基材表面形成涂层。 喷涂导电材料，喷涂颗粒大小不匀，质地不均，烧失量大 但效率高，液滴变形量大，结合强度高，价格便宜
电弧电压、电弧电流、送丝速度、气体压力和流量、喷涂 距离，
等离子喷涂的新进展
高沉积效率、高送粉速率 低孔隙率、较高的涂层硬度 对粉末粒度分布要求不高。
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喷涂WC-Co，Axial III可以比HVOF节省75%～ 80%的时间。目前，采用热喷涂工艺代替电镀铬成 为新的研究方向，Axial III已经在许多领域替代了 电镀铬，材料方面包括WC-Co，Cr-NiCr，Ti， NiCrBSi。此外，Axial III在制备要求较高的涂层方 面，如网纹传墨辊涂层、报纸印刷辊涂层等也具有 明显的优势。
泳漆中的树脂和颜料移向工件，沉积在工件表面，烘干 后形成均匀的漆层。 生产效率高 安全环保：水 涂膜均匀、附着力好
5.1 表面涂装
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粉末涂装：以粉末形态进行涂装，经熔融或交联固化
形成涂膜。 树脂分子量大：质量、耐久性好 损失少：可回收 无溶剂：无毒
温度高、可涂厚膜
专用设备、调色难、薄层难、单涂层
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与其它喷涂技术相比，等离子喷涂具有下列特点： （1）能够喷涂多种喷涂材料，尤其能喷涂熔点高 的难熔材料，如难熔金属、陶瓷、金属陶瓷及其它 特殊功能材料。 （2）可以选择惰性气体做为工作介质，减少了喷 涂粒子在飞行过程中的氧化反应。
等离子喷涂的特点
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表面改性技术
工件表面准备：洁净、粗糙、新鲜，酸洗或喷砂除氧 化皮，有机溶剂或碱水除污，车削、磨削、喷砂粗糙 预热：提高工件与熔滴接触温度，有利于咬合；降低 冷却速度（应力）；去除表面水分。 喷涂：火焰温度、供给速度、气体压力、喷涂距离、 喷涂角度、喷涂移动速度。
喷后处理：有孔结构，蜡或树脂封口。