表面处理第十一讲 热喷涂

1） 提供表面压应力；
2） 提供与涂层颗粒互锁机会； 3） 增大结合面积； 4） 净化表面。
粗化处理的方法（1） 1） 表面喷砂，使其粗糙度为Ra3.2～12.5μm；
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
2 热喷涂材料的选材原则
（1） 要把实用性、工艺性和经济性结合起来考虑，尽量选择 合理的喷涂材料。 （2） 对于重要的部件以获得最优涂层性能为准则；不十分重 要的部件则以获得最大的经济效益为准则。 （3） 根据工件的工作环境选择合适的工作涂层。
（4） 为满足喷涂工件的使用要求，可采用复合涂层和梯度涂 层。
火焰喷涂工艺（2） b) 喷涂
需打底层时，可在喷涂工作层之前用 钼或放热型的镍包铝、铝包镍粉末先喷 涂一层厚度约0.10～0.15mm的打底层。 严格控制喷涂材料的供给速度、喷涂 距离（100～150mm）、每道涂层的厚度 （0.1～0.15mm）、喷枪与工件的移动速 度（7～18m／min）和层间温度 （<250℃）等。
4） 压缩空气压力和流量：影响喷涂材料的雾化效果和熔粒的飞 行速度，对涂层的质量有很大的影响。 5） 喷涂距离应控制在100～200mm，喷涂角不应小于45°。
（3） 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。
3 涂层结构（1） 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％。
涂层结构（4） 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；
第十一讲 热喷涂、喷焊与堆焊技术 第一节热喷涂技术 一、 热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。
2 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。
2 涂层的后处理（封孔处理） 封孔处理的目的： （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。
封孔处理是在喷涂之后、机加工之前进行。
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
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
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
涂层的结合强度（2） （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-化学结合：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)。
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(复合粉末）。 （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。
剂
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
五、热喷涂方法 1 火焰喷涂 用氧－乙炔气体作为加热源，用燃气或惰性压缩气体雾化并 加速喷涂材料，在基材表面沉积形成涂层。 火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。
火焰喷涂工艺（3） c) 喷后处理 对防腐Biblioteka Baidu层应进行涂层后处理。
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
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
氩气：易于引弧，等离子弧稳定，有很好的气体保护作用。
氢气：可作为辅助气体起到提高热焓和防氧化的作用。
等离子喷涂工艺（2）
3） 供粉速率：速率过大使熔化不良的粉粒增多，涂层组织 疏松、气孔率增大；速率过低则降低喷涂效率。 4） 喷涂距离和喷涂角：喷涂金属粉末时喷距为75～130mm； 喷涂陶瓷粉末时喷距为50～100mm。喷涂角度以90°为最佳。 5） 喷枪与工件的相对移动速度：移动速度快些为好，可防 止一次喷涂过厚导致涂层内应力过大，还可避免局部过热。
热喷涂材料分类（非金属类，表1-3）
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
四、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
1 基材表面预处理 （1） 净化处理：清除表面污垢。 （2） 粗化处理：提高涂层与基体之间的结合牢度。 粗化处理可提高涂层结合强度的理由是：
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。
3 等离子喷涂 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、基材表面热影响区小。
（1）等离子喷涂设备
热喷涂材料分类（金属类，表1-3）
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
二、热喷涂技术的分类及其特点 1 热喷涂技术的分类 按热源分类，各喷涂方法的焰流温度和粒子速度不同。
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； （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。
5） 火焰喷涂消耗的燃料费是电弧喷涂电费的 几十倍。
（2）电弧喷涂工艺（1） 电弧喷涂主要工艺参数有： 1） 电弧电压：取决于喷涂材料的熔点，一般不低于15～25V。 2） 电弧电流：电弧电流有自调节作用，调节电流可维持电弧的 长度和稳定性。
3） 送丝速度：取决于电参数和线材的性质，决定了电弧喷涂速 度。
（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。 涂层内的氧化夹杂物含量及涂层的致密度取决于加热源、 喷涂材料及喷涂工艺。
4 涂层应力（1）
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，涂层就会发生破坏。
三、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
粗化处理的方法（2） 2） 开槽；
粗化处理的方法（3） 3） 电火花拉毛；
4） 喷涂粘结底层。
表 6—2 粘结底层材料及最高使用温度 涂层（质量分数） 温度/℃ 钼 315 620 80％Ni—20％Al 1010 95％Ni—5％Al 1260 80％Ni—20％Cr 980 94％Ni—6％A1 1316 Ni(Co)CrY
涂层应力（2） 残余应力限制了涂层的厚度。减少涂层残余应力措施： （1） 调整喷涂工艺参数；
（2）致密涂层的残余应力要比疏松涂层大；
（3） 采用梯度过渡层缓和涂层内应力。
5 涂层的结合强度（1） 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。
2 电弧喷涂 电弧喷涂原理示意图、设备和喷枪。
（1）电弧喷涂特点 1）热效率高：电弧喷涂热能利用率高达60％～70％。 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（2）
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。
（1）线材火焰喷涂 （1）线材火焰喷涂 线材火焰喷涂原理图。 线材火焰喷涂设备示意图和喷涂枪。
（2）粉末火焰喷涂 （2）粉末火焰喷涂 粉末火焰喷涂的基本原理和喷涂枪。
火焰喷涂工艺（1） 工艺流程 工件表面预处理→预热→喷涂打底层→喷涂工作层→后处理。 a) 预热目的：
1） 去除工件表面的水分； 2） 提高工件表面与熔粒的接触温度； 3） 降低涂层冷却速度，减小涂层内应力。 预热温度一般控制在150～300℃为宜。可直接用喷枪预热。
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（2） 等离子喷涂喷枪及喷嘴。 粉末送入方式：外送式和内送式。
（2） 等离子喷涂工艺（1）
1） 输入功率和电参数：确保粉末熔化良好，防止出现生粉。 2） 等离子气体的选择： 氮气：热焓高，价格低廉，是等离子喷涂主要工作气体。