本科表面工程第2章 热喷涂技术

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
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
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。
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。
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。
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↑
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
原理： 火焰喷涂一般通过氧-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，随后在基体上沉积 成涂层。燃烧气体还可以用丙烷、氢气或天然气等。
常用的火焰喷涂涂层及作用
铜镍合金
锌、铝合 金
锌,铝 锌铝合金
其它金属 材料
锡基巴氏合金 铅基巴氏合金
钼, 钨
材料形状
线材，粉末 线材，粉末 线材，粉末 线材，粉末 线材，粉末
粉末 粉末 粉末 线材，粉末 线材，粉末 线材，粉末 线材，粉末 线材，粉末 线材 线材
线材，粉末
常用喷涂工艺 电弧、火焰喷涂 电弧、火焰喷涂 电弧、火焰喷涂 电弧、火焰喷涂 电弧、火焰喷涂 低压等离子喷涂
2.3 电弧喷涂(Arc Spray)
原理：两根加有18~40伏直流电压的线形电极，在两线顶端产生电 弧并使顶端熔化，压缩空气使熔融的液滴雾化并形成喷涂束流。
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。
涂层 锌、铝 镍/铝
钼
高铬钢 青铜，巴氏合金 不锈钢、镍、塑料
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 耐磨保护涂层
轴承修复 耐腐蚀涂层
铝、镍/铝
抗热氧化涂层
粉末火焰喷涂的原理示意图
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。
烯、氢气 1400~2500
300~1200
颗粒速度(m/s) 20~80
20~300
30~800
~800
100~1000
热效率 沉积效率 喷涂材料形态 结合强度(Mpa)
60~80% 50~80% 粉末,线材
>7
90% 70~90%
线材 >10
35~55% 50~80%
粉末 >35
未知 未知 粉末 >85
希望：继承两者优点，避免两者弱点----有一定效果。 事实：优点弱点皆遗传，且因比重不同常有成分偏析----不理想。
常用金属热喷涂材料
金属涂层材料种类
铁基合金
低碳钢材料 高碳钢材料 不锈钢材料
镍基合金
镍铬合金 镍铜合金(蒙乃尔合金)
镍铬铝钇
钴基合金
钴铬钨(司太立合金) 钴铬铝钇
铜基合金
纯铜(紫铜) 黄铜 铝青铜 锡青铜
等离子、 超音速火焰喷涂 电弧、火焰喷涂
电弧、火焰喷涂
火焰喷涂
功能
修复 耐磨涂层 耐腐蚀涂层
耐热耐蚀涂层 耐蚀涂层
耐高温氧化腐蚀
高温耐磨、耐冲蚀 耐高温氧化腐蚀
导电、电磁屏蔽耐 海水或汽油腐蚀耐 磨、抗气蚀涂层
减摩涂层 耐海水腐蚀涂层
耐环境腐蚀，电磁 屏蔽，摩阻涂层
滑动轴承涂层 滑动轴承涂层 耐磨,抗烧蚀涂层
常用陶瓷热喷涂材料
陶瓷涂层材料种类
氧化铝基
氧化铝
材料
氧化铝-氧化钛
材料形状 粉末 棒材
喷涂工艺 等离子喷涂、
火焰喷涂
氧化铬
氧化锆
氧化锆-氧化钙 氧化锆-氧化镁 氧化锆-氧化钇
Βιβλιοθήκη Baidu莫来石
粉末 棒材 粉末
粉末
等离子喷涂 等离子喷涂
等离子喷涂
尖晶石
粉末
等离子喷涂
锆英石
粉末
等离子喷涂
功能 耐磨、绝缘涂层 耐磨、耐纤维磨损、 耐熔融金属侵蚀涂层
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. 混合粉末 将金属粉陶瓷粉按一定比例混合。 陶瓷粉—硬度高，高温性能好，但韧性差。 金属粉—硬度低，高温性能差，但韧性好。
50~70% 70~90%
粉末 >70
最小孔隙率 最大涂层厚度
喷涂成本 设备特点
<12%
0.2~1.0 低
简单,可现场 施工
<10%
0.1~3.0 低
简单,可现场施 工
<2%
0.05~0.5 高
复杂,但适合 高熔点材料
<0.1%
0.05~0.1 高
较复杂,效率 低,应用面窄
<0.1%
0.1~1.2mm 较高
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↑
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。
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
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。
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。
比较项目 热源
火焰喷涂 O2+C2H4
焰流温度(oC) 850~2000 焰流速度(m/s) 50~100
常用热喷涂技术的工艺特性
电弧喷涂 电弧加热
20,000 30~500
等离子喷涂 电弧产生高温 低压等离子体
20,000
200~1200
爆炸喷涂 O2+C2H2
未知 800~1200
超音速火焰喷涂 煤油、乙烯、丙
基材结合强度较低三个方面。 尽管如此，热喷涂技术仍然以其独特的优点获得了广泛的应用。
1.4 热喷涂的一般工艺流程
一、表面预处理
去油、脱脂、除锈、去尘---- ↑结合力
二、表面粗化
喷砂----增大接触面积
开槽----增加结合点
↑结合力
三、预热
↑微扩散，↓热应力----↑结合力
除去表面冷凝物、潮气---- ↓气孔率
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，喷涂效率比爆炸喷涂高，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
优点： 等离子喷涂的最大优势是焰流温度高，喷涂材料适应面广， 特别适合喷涂高熔点材料。等离子喷 涂层的密度可达理论密度的
85~98%，真空喷涂可达95~99.5%，结合强度也很高(35~70 Mpa)， 而且涂层中夹杂较少，喷涂质量远优于火焰喷涂层 。
火焰喷涂(左)和大气等离子喷涂(右)Ni80Cr20涂层的金相组织
但，此结合力贡献不大，因为基体温度只有200℃左右。
机械结合-----为主
金属键结合—很小 一般而言，热喷涂涂层结合强度较低！
微扩散结合—很小
只相当于其母体材料的5~30%。
4 冶金结合：Ni-Al粉，T=660℃时自反应放热—基体表面T↑↑— 形成冶金结合—结合力最好。特指中间过渡层！！
总之，热喷涂涂层结合力↓↓，但工艺简单。
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。
Dmax=3.65(Dr×t)1/2
其中Dmax为粉末在喷涂过程中能达到距表面90%深度处于 熔融状态（半熔融）时的最大直径；t为加热时间
显然，若粉末直径相同时，Dmax越大，粉末熔融程度越高。
② 几种典型材料的Dr及Dmax
Materials
ZrO2
TiC
TiN
TaC
Dr, cm2/s
0.005
0.04
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。
一般,可现场施 工
第三节 热喷涂材料的基本成分与特点
3.1 热喷涂材料应具有的工艺性能
一、热稳定性，否则
氧化烧损----如木材
蒸发升华----如乙醚
二、热膨胀系数匹配
结合强度↑
矛盾
使用性能↓
三、良好的固态流动性----顺利送粉，涂层均匀
四、良好的湿润性
结合强度↓，孔隙率↑
结合强度↑，孔隙率↓
3.2 热喷涂材料的分类
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。
耐磨涂层
热障涂层
耐熔融金属、玻璃、 炉渣侵蚀涂层
耐熔融金属、玻璃、 炉渣侵蚀涂层 耐高温磨损涂层
常用的热喷涂塑料
塑料涂层材料种类
聚酰胺(尼龙) 聚氨脂
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