热喷涂

2、热喷涂粉末
（1）非复合喷涂粉末：简单粉末，每个粉粒仅由 单一的成分组成。 ①金属及合金粉末 喷涂合金粉末（也称冷喷合金粉末）：这种粉末 不需要或不能进行重熔处理。按其用途分为打底层粉 末和工作层粉末。打底层粉末用来增加涂层与基体的 结合强度；工作层粉末熔点低，具有较高伸长率，保 证涂层具有所要求的性能。 喷熔合金粉末（又称自熔性合金粉末）：因合金 中加入了强烈的脱氧元素（如Si、B），在重熔过程 中它们优先与合金粉末中的氧和工件表面的氧化物作 用，生成低熔点的硼硅酸盐覆盖在表面，防止液态金 属氧化，改善对基体的润湿能力，起到良好的自熔剂 作用。如镍基、钴基、铁基及碳化钨基等四种系列。
热喷涂
热喷涂技术是采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、 激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、 塑料以及它们的复合材料等喷涂材料加热到熔融或半熔融状
态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理
的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。如果 将喷涂层在加热重熔，则产生冶金结合。这种方法称为热喷 涂方法。
②陶瓷材料粉末：热喷涂陶瓷粉末主要包括金 属氧化物（如Al2O3、TiO2等） 碳化物（如WC、SiC等） 硼化物（如ZrB2、CrB2等） 硅化物（如MoSi2 等） 氮化物（如VN、TiN等）。 ③塑料粉末：塑料涂层具有美观、耐蚀的性能， 有热塑性（受热熔化或冷却时凝固，如聚乙烯， 尼龙粉等）和热固性（受热产生化学变化，固 化成型，环氧树脂，酚醛树脂等就是把两种或两种以上的材料复合而 制成的喷涂线材。 复合喷涂线材中大部分是增效复合喷涂线材，即在 喷涂过程中不同组元相互发生放热反应生成化合物，反 应热与火焰热相叠加，提高了熔滴温度，达到基体后会 使基体局部熔化产生短时高温扩散，形成显微冶金结合， 从而提高结合强度。 目前发现143组“组元对”有放热反应。 常用的有：Ni-Al复合丝、Al-Cr、 Al-B、 Al-Ni-WC、 Al-Ni-Cr、Al-Ni-Al2O3等线材。 利用组元对放热反应，再加入其它强化组元可制成 自结合一步喷涂丝。这种丝的特点是兼有打底层及工作 层的性能，利用放热方法可使涂层结合牢固，又因其它 组元的强化作用而得到高的综合性能。如不锈钢－Ni/Al 丝、Ni－Al－Mo丝等。
热气流影响（图5-3b）。每隔0.1s第二层薄片形成，通过
已形成的薄片向基体或涂层进行热传导，逐渐形成层状结 构的涂层.
2、涂层结构 喷涂层的形成过程决定了涂层的结构。喷涂层是 由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起的层状 组织结构。图5-4是涂层结构的示意图。图5-5则给出 了典型的热喷涂层的金相组织照片。
四、热喷涂材料
热喷涂材料按形状可分为： ①线材：喷涂设备简单，操作方便，耗能 少，成本低，工艺因素影响小，涂层质量稳定。 ②粉末：不受线材成型工艺的限制，成本 低，来源广，组元间可按任意比例调配，组成 各种组合粉、复合粉，从而得到相图上存在或 不存在的相组织，获得某些特殊性能。
但无论是线材还是粉末，必须具有下述特点，才 有实用价值： ①热稳定性好：热喷涂材料在喷涂过程中，必须能 耐高温，即在高温下不改变性能。 ②使用性能好：根据工件要求，所得涂层应该满 足各种使用要求，即喷涂材料也必须具有相应性能。 ③润湿性好：润湿性好，则得到的涂层与基体的结 合强度高，自身密度好，且涂层也平整。 ④固态流动性好（粉末）：流动性（与粉末形状， 粒度有关）好，才能保证送粉的均匀性。 ⑤热膨胀系数合适：若涂层与工件热膨胀系数相 差甚远，则可能导致工件在喷涂后冷却过程中引起涂 层龟裂。
缺点： 1、对于较小的制品，喷涂效率（实际沉积在 制品表面的量与喷涂材料的使用量之比）低， 也不经济； 2、要求有较高的防护措施，喷砂及喷涂操作 过程中，均有颗粒粉末飞散及浮游在空气中； 3、涂层组织一般都有间隙，能吸油，提高润 滑性能，但易受腐蚀； 4、操作主要由人工进行，质量的稳定性和可 靠性较差。
③基体表面的粗糙化处理，以提高涂层与基体 表面的机械结合强度：喷砂（砂粒有冷硬铁砂 <360 HV，SiC Al2O3 ）喷砂后还需涂敷结合 层；机械加工，如开槽、滚花等；化学腐蚀法， 晶粒各晶面的腐蚀速度不同；电弧法，电极与 基体表面局部熔合，产生粗糙表面。 ④基体表面的预热处理，以减少涂层与基体表 面的温度差使涂层产生的收缩应力，避免涂层 开裂和剥落。预热温度不宜过高，以防基体表 面氧化，影响结合强度，一般在200℃ -300℃ 之间。 ⑤非喷涂表面的保护
图5－5 Ni－Cr－B－Si火焰喷涂组织 从图5-5中可以看出，涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地 存在一部分孔隙或空洞，其孔隙率一般在4％～20％之间。涂 层中伴有氧化物等夹杂。采用等离子弧等高温热源、超音速喷 涂以及低压或保护气氛喷涂，可减少以上缺陷，改善涂层结构 和性能。
3.涂层结合机理 涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。 涂层与基体表面的结合强度称为结合力；涂层内部的结合强 度称为内聚力。 涂层中颗粒与基体表面之间的结合以及颗粒之间的结合方式： ①机械结合。碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒，由于凸凹 不平的表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合。一般说来，涂层与 基体表面的结合以机械结合为主。 ②冶金-化学结合。这是当涂层和基体表面出现扩散和合金化时 的一种结合类型，包括在结合面上生成金属间化合物或固溶体。 当喷涂后进行重熔即喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结 合。
图5－7 粉末火焰喷涂的原理示意图
图5－8 粉末火焰喷涂的典型装置 对喷涂后涂层材料的 外形进行观测，可发现一 个圆锥形轮廓，即射流中 心区域浓集，而边缘则稀 疏，喷涂材料高度浓集于 狭窄的中心部位。 多孔的喷涂层的密度 取决于喷涂过程的热源温 度及喷涂颗粒的飞行速度。
2.等离子喷涂装置 等离子喷涂装置包括电源、控制系统、喷枪、 冷却系统和供气系统。
一、热喷涂原理
1、喷涂涂层形成过程和涂层形成原理
喷涂时，首先是喷涂材料被加热达到熔化或半熔化
状态；紧接着是熔滴雾化阶段；然后是被气流或热源辐射 流推动向前喷射的飞行阶段；最后以一定的动能冲击基体 表面，产生强烈碰撞展平成扁平状涂层并瞬间凝固（图53a）。在凝固冷却的0.1s中，此扁平状涂层继续受环境和
图5－6 复合型粉末结构示意图（Ni/Al为Ni包Al，余同）
五、热喷涂装置和设备 1.氧-乙炔焰喷涂装置 喷枪主要由两部份组成：产生火焰的氧、乙炔供 给装置和喷涂粉末供给系统。 进行喷涂时，氧气和乙炔在喷嘴燃烧，同时粉末 随氧气输送至喷嘴，粉末被喷嘴的高温火焰加热熔化 或半熔化后喷射到工件表面形成涂层。
复合喷涂粉末的分类
按照复合粉末的结构分为： ①包覆型粉：由一种或几种成分作为外壳，均匀 连续或星点间断地包覆由一种或几种成分组成的核心 的粉体，包覆层与核心的重量比可从1%～99%，包覆 层的宏观厚度最低可为2～3微米。 ②组合型粉：由不同相混杂而成的颗粒，没有核 壳之分。 按照复合粉末形成涂层的机理可分为自粘结（增 强或自放热）复合粉末（常为打底层粉末，放热反应 有利于涂层与基体的结合，形成致密而粗糙的过渡层， 有效改善涂敷性能）和工作层复合粉末。
1、热喷涂线材 （1）非复合线材 非复合喷涂线材是只含一种金属或合金的材料制成的线材。这些 线材是用普通的拉拔方法制造的，常用的有： ①Al丝：一般为纯 Al线材，纯度大于99.7％，主要用于腐蚀保护，抗高温氧化。 ②Zn丝：一般为纯Zn线材，纯度大于99.85％，主要用于大气及水中 的腐蚀防护，加入30％的Al可提高耐蚀性。 ③Cu及Cu合金：一般纯Cu丝用于导电及塑像工艺品，黄铜丝主要用 于修复、耐磨、装饰,铝青铜用于酸性介质中的耐蚀涂层。 ④Ni及Ni合金：一般为Ni及Ni-Cr,Ni-30%Cu（蒙乃尔合金），主要 用于耐蚀、耐磨、耐高温氧化。 ⑤Sn及Sn合金：主要用于轴承，轴瓦等滑动部件的耐磨涂层。 ⑥Fe及Fe合金：普通碳钢丝，低合金钢丝等主要用于修复和耐磨； 不锈钢丝用于防腐蚀，Fe-Cr-Al丝主要用于抗高温氧化。
电源 冷却水电源 工作气体 控 制 系 统
电、水、气
喷 枪
粉 末
工件
输 送 粉 末 气 体
图5-6 等离子喷涂装置示意图
六、热喷涂工艺 工件的表面准备（工件的表面净化、宏观粗 化、喷砂）→工件的喷涂（工件的预热、喷打 底层、喷工作层）→工件的喷涂后处理（封闭 处理、热处理、精加工）。 其中工件的表面准备是非常重要的环节， 因为它直接影响到涂层与基体之间的结合强度。 换言之，结合强度的提高，是靠喷涂颗粒能否 与基体表面很好地润湿，以及与微观不平的表 面紧紧地咬住。只有粗糙、洁净和新产生的活 化表面，才能使喷涂时撞击基体表面的颗粒在 塑性尚未消失时和表面牢固嵌和。工件的表面 准备一般要达到以下三个目的：净化表面、粗 化表面、活化表面。
根据热喷涂使用的热源不同和喷涂材料状态 的不同，可分为三大类八种方法。 气体火焰喷涂→气体火焰丝喷涂、气体火焰粉 末喷涂、气体火焰爆炸喷涂、气体火焰喷焊 等离子喷涂→等离子丝喷涂、等离子粉末喷涂、 等离子粉末喷焊 电弧喷涂→电弧丝喷涂
2.特点： 与其它表面处理技术比较，热喷涂技术具有下述一些突 出的特点： ①适用范围广，取材范围广:几乎所有的金属,合金,陶瓷都可 以作为喷涂材料,塑料、尼龙等有机高分子材料也可以作为 喷涂料。可用于各种基体:在金属,陶瓷器具,玻璃,石膏,甚 至布,纸等固体都可以进行喷涂。 ②工艺灵活：被喷涂物件的大小一般不受限制 ③喷涂层的厚度可调范围大：薄者可为几十微米，厚者可为 几毫米。 ④工件受热程度可以控制：可使基体保持较低温度,基材变形 小，一般温度可控制在30～200℃,从而保证基体不变形、 不改变金相组织。 ⑤生产效率高：操作程序少,速度快,如对同样厚度的膜层,时 间比电镀用的少得多。成本低,经济效益显著。
三、热喷涂预处理 为了提高涂层与基体表面的结合强度，在 喷涂前，对基体表面进行清洗、脱脂和表面粗 糙化等预处理，是喷涂工艺中一个重要工序。 ①基体表面清洗、脱脂：碱洗法、挥发溶液洗涤 法、三氯乙烯蒸气清洗法、对疏松表面的清洗 脱脂（清洗后将其加热到250℃ ，使油渗透到 表面，再清洗。） ②基体表面氧化膜的处理：机械加工法及酸洗
（ 2）复合喷涂粉末 由两种或更多种金属和非金属（陶瓷、塑 料、非金属矿物）固体粉末混和而成。 复合粉技术和产品的发展是热喷涂技术的 重要突破，为涂层性能的提高和优化设计开辟 了宽广的领域，这是因为 ： ①复合粉的粉粒是非均相体，在热喷涂作用下 形成广泛的材料组合，从而使涂层具有多功能 性。②复合材料之间在喷涂时可发生某些希望 的有利反应，改善喷涂工艺，提高涂层质量。 ③包覆型复合粉的外壳，在喷涂时可对核心物 质提供保护，使其免于氧化和受热分解。
③物理结合。颗粒对基体表面的结合，是由范德华力或次价键形 成的结合。
4.涂层残余应力 当熔融颗粒碰撞基体表面时，在产生变形 的同时受到激冷而凝固，从而产生微观收缩应 力，涂层的外层受拉应力；基体有时也包括涂 层的内层则产生压应力。涂层中的这种残余应 力是由于喷涂热条件及基体材料物理性质的差 异所造成的。
二、热喷涂的种类和特点
1.热喷涂的种类 一般按照热源的种类，喷涂材料的形态及涂层 的功能来分。如按涂层的功能分为耐腐，耐磨， 隔热等涂层，按加热和结合方式可分为喷涂和喷 熔：前者是基体不熔化，涂层与基体形成机械结 合；后者则是涂层再加热重熔，涂层与基体互溶 并扩散形成冶金结合。热喷涂与堆焊的根本区别 在于母材基体不熔化或极少熔化。
发展
热喷涂技术从本世纪初出现至今已有几十年的历史，
热喷涂工艺、设备、喷涂材料及施工都有了突飞猛进的发
展： 从早期制备一般装饰性和防护性表面→制备各种功能 性涂层；旧件的修复工艺→新品的强化工艺；单一涂层→ 多层的包括产品失效分析、涂层设计、工艺设计和施工， 以及质量检测和控制在内的系统工程，成为像铸、锻、焊、 热处理一样的独立的热加工工艺。