第五章 热喷涂技术

弧喷涂时与基体结合强度高，可作为打底涂层，常 用于水泵叶片、气闸活门、活塞及轴瓦等的喷涂。
• 磷青铜涂层比其他青铜涂层更为致密，有良好的耐
磨性，可用来修复轴类和轴承等的磨损部位，也可
20用19/11于/4 美术工艺品的装饰涂层。
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（9）镍及镍合金丝
• 蒙乃尔合金对氨水、海水、照相用药剂、酚醛、 甲酚、汽油、矿物油、酒精、碳酸盐水溶液及熔 盐、脂肪酸以及其他有机酸的耐蚀性优良，
• 保护罩材料可采用薄铜皮或铁皮。对基体表面上 的键槽和小孔等不允许外物进入的部位，喷砂前 可以用金属、橡胶或石棉绳等堵塞，喷砂后换上 炭素物或石棉等，以防止熔融的热喷涂材料进入。
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Байду номын сангаас
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四、热喷涂材料（线材和粉末）
（一）热喷涂线材 （1）碳钢及低合金钢丝
• 最常用的是 85优质碳素结构钢丝和碳素工 具钢丝。
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热喷涂技术按照加热喷涂材料的 热源种类分为：
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• 火焰喷涂、 • 电弧喷涂、 • 高频喷涂、 • 等离子弧喷涂（超音速喷涂）、 • 爆炸喷涂、 • 激光喷涂和重熔、 • 电子束喷涂。
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2．热喷涂特点
（l）适用范围广。 • 涂层材料可以是金属和非金属（如聚乙烯、尼
• 对涂层结合力要求不高的轴类工件，可在要求修 复的区域内进行车螺纹和滚压处理，形成粗糙表 面，一般为每厘米10条纹左右。
• 需高结合力时，则可车20条左右。车削形状为 阶梯状，阶梯的尖角最好加工成圆角，喷涂后不 易产生缺陷。
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（3）化学腐蚀法 基体表面进行化学腐蚀，由于晶粒上各个
• 1Cr18Ni9Ti等奥氏体不锈钢丝有良好的工艺性 能，在多数氧化性介质和某些还原性介质中都 有较好的耐蚀性，用于喷涂水泵轴等。
• 由于不锈钢涂层收缩率大，易开裂，适于喷涂 薄层。
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（3）铝丝
• 铝和氧有很强的亲和力，铝在室温下大气 中就能形成致密而坚固的Al2O3氧化膜，能 防止铝进一步氧化。
材料上喷涂制成低熔点模具。
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（7）铅及铅合金丝
• 铅具有很好的防X射线辐射的性能，在原子能 工业中广泛用于防辐射涂层。
• 含锑和铜的铅合金丝材料的涂层具有耐磨和耐蚀 等特性，用于轴承、轴瓦和其他滑动摩擦部件的
耐磨涂层。
• 但涂层较疏松，用于耐腐蚀时需经封闭处理。由 于铅蒸气对人体危害较大，喷涂时应加强防护措
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（3）蒸气清洗法。
• 蒸气清洗法是采用三氯乙烯蒸气进行清洗， 尽管这种方法的清洗效果很好，但是对人 体有一定的危害。
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（4）对疏松表面的清洗、脱脂
• 对疏松表面（如铸铁件）的清洗、脱脂是比较 困难的。
• 尽管油脂不在工件表面，但在喷涂时，由于基 体表面的温度升高，疏松孔中的油脂就会渗透 到基体表面，对涂层与基体的结合极为不利。 因此，对疏松基体表面，经过清洗、脱脂后， 还需要将其表面加热到250℃左右，尽量将油 脂渗透到表面，然后再加以清洗。
• 喷涂既可在整体表面上进行，也可在指定 区域内涂敷，
• 既可在真空或控制气氛中喷涂活性材料， 也可在野外现场作业。
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（3）工件受热程度可以控制
• 除喷熔外，热喷涂是一种冷工艺.
• 例如氧--乙炔焰喷涂、等离子喷涂或爆炸 喷涂，工件受热程度均不超过250℃，工 件不会发生畸变，不改变工件的金相组 织。
晶面的腐蚀速度不同，可形成粗糙的表面。
（4）电弧法（又称电火花拉毛法） 是将直径比较细的镍（或铝）丝作为电极，
在电弧作用下，电极材料与基体表面局部熔合， 产生粗糙的表面。这种方法适用于硬度比较高 的基体表面，但不适用于比较薄的零件表面。
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4．基体表面的预热处理
• 涂层与基体表面的温度差会使涂层产生收 缩应力，从而引起涂层开裂和剥落。
（1）喷砂法 喷砂是最常用的粗糙化工艺方法。砂粒有冷硬
铁砂、氧化铝砂、碳化硅砂等多种，可根据工件 表面的硬度选择使用。
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（2）机械加工法
• 对轴、套类零件表面的粗化处理，可采用挑扣、 开槽、滚花等简便切削加工方法，这样它可限制 涂层的收缩应力，增加涂层与基体表面的接触面 积，提高涂层与基体以及涂层间的结合强度。
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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。
• 结合力：涂层与基体表面的结合强度。
• 内聚力：涂层内部的结合强度。
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涂层结合机理
（1）机械结合。
• 碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒， 由于和凹凸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。
• 钼是一种自粘结材料，可与碳钢、不锈钢、铸铁、 蒙乃尔合金、镍及镍合金、镁及镁合金、铝及铝 合金等形成牢固的结合。
• 钼可在光滑的工件表面上形成1um的冶金结合层， 常用作打底层材料。
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• 如机床导轨喷涂钢时，用钼作为打底层可 增加钢喷涂层与基体的结合强度。
• 钼的摩擦系数小，适用于喷涂活塞环和摩 擦片。但钼不能作为铜及铜合金、镀铬表 面和硅铁表面的涂层。
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（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。
（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。
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• 一般采用电弧喷涂，用于喷涂曲轴、柱塞、 机床导轨等常温工作的机械零件滑动表面 耐磨涂层及磨损部位的修复。
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(2) 不锈钢丝
• 1Cr13、2Cr13、3Cr13等马氏体不锈钢丝主要 用于强度和硬度较高、耐蚀性要求不太高的场 合，其涂层不易开裂。
• 1Cr17在氧化性酸类、多数有机酸、有机酸盐 水溶液中有良好的耐蚀性。
第五章 热喷涂技术
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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。
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（10）复合喷涂丝
• 用机械方法将两种或更多种材料复合压制成喷涂线 材称复合喷涂丝。
• 不锈钢、镍、铝等组成的复合喷涂丝，利用镍、铝 的放热反应使涂层与多种基体（母材）金属结合牢
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2．涂层结构
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涂层的结构
• 涂层是层状结构，是一层一层堆积而成 .
• 涂层的性能具有方向性，垂直和平行涂 层方向上的性能是不一致的。
• 部分孔隙或空洞，其孔隙率一般在4％－ 20％之间。涂层中伴有氧化物和夹杂。
• 涂层经适当处理后，结构会发生变化。
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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喷涂热条件及喷涂材料
与基体材料物理性质的差异所造成的，它影响涂
层质量，限制涂层的厚度。工艺上要采取措施以 消除和减少涂层残余应力。
龙等塑料，氧化物、氮化硅、氨化硼等陶瓷） 以及复合材料。
• 被喷涂工件也可以是金属和非金属（如木材）。
• 用复合粉末喷成的复合涂层可以把金属和塑料 或陶瓷结合起来，获得良好的综合性能。其他 方法难以达到。
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（2）工艺灵活
• 施工对象小到10mm内孔，大到铁塔、桥梁 等大型结构。
• 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。
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1．基体表面的清洗、脱脂
• （l）碱洗法。碱洗法是将基体表面放到氢 氧化钠或碳酸钠等碱性溶液中，待基体表 面的油脂溶解后，再用水冲洗干净。
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• （2）溶液洗涤法。溶液洗涤法是采用挥发 性溶液，如雨酮、汽油、三氯乙烯和过氯 乙烷乙烯等，它们的主要作用是把基体表 面的矿物油溶解掉，再加以清除。
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（6）锡及锡合金丝
• 锡涂层具有很高的耐腐蚀性能，常用作食品器具 的保护涂层，但锡中砷的质量分数不得大于0.015 ％。
• 含锑和钼的锡合金丝具有摩擦系数低、韧性好、 耐蚀性和导热性良好等特性。
• 在机械工业中，广泛应用于轴承、轴瓦和其他滑 动摩擦部件的耐磨涂层。此外，锡可在熟石膏等
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热喷涂特性
• 热喷涂能达到各种性能目的： 耐磨、耐热、耐腐蚀、抗氧化和润滑。
• 适用材料广： • 金属、合金、陶瓷、水泥、塑料、石膏、
木材等。 • 喷涂层厚度达0.5-5mm，而且对基体材料的
组织和性能影响很小。
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一、热喷涂原理
• 1．喷涂涂层形成过程和涂层形成原理
• 纯铝喷涂除大量用于钢铁保护涂层外，还 可作为钢的抗高温氧化涂层、导电涂层和 改善电接触的涂层。
• 一般铝丝纯度（质量分数）应大于99.7％。
铝丝直径2～3mm，喷涂时，表面不得有
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（4）锌丝
• 在钢铁件上，只要喷涂0.2mm的锌层，就可在大 气、淡水、海水中保持几年至几十年不锈蚀。
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二、热喷涂的种类和特点
1．热喷涂种类 • 按涂层加热和结合方式，热喷涂有喷涂和喷熔
两种。
• 热喷涂：基体不熔化，涂层与基体形成机械结 合；
• 喷熔：是涂层经再加热重熔，涂层与基体互溶 并扩散形成冶金结合。它们与堆焊的根本区别 都在于母材基体不熔化或极少溶化。
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• 锌的纯度要求（质量分数）在99.85％以上的纯锌 丝。
• 在锌中加铝可提高涂层的耐蚀性能，若铝的质量 分数为30％，则耐蚀性最佳。
• 锌喷涂广泛用于大型桥梁、铁路配件、钢窗、电 视台天线、水闸门和容器等。
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（5）钼丝
• 钼与氢不产生反应，可用于氢气保护或真空条件 下的高温涂层。
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（4）喷涂层的厚度可调范围大
• 涂层厚度可从几十微米到几毫米，表面 光滑，加工量少。用特细粉末喷涂时， 不加研磨即可使用。
（5）生产率高
• 大多数工艺方法的生产率可达到每小时 喷涂数千克喷涂材料，有些工艺方法可
高达50kg／h以上。
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三、热喷涂预处理
是喷涂工艺中一个重要工序
施。
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（8）铜及铜合金丝
• 铜主要用于电器开关的导电涂层、塑料和水泥等建 筑表面的装饰涂层；
• 黄铜涂层则用于修复磨损及超差的工件，如修补有 铸造砂眼、气孔的黄铜铸件，也可作装饰涂层。黄
铜中加入质量分数为1％左右的锡，可改善耐海水腐 蚀性能。
• 铝青铜的强度比一般黄铜高，耐海水、硫酸和盐酸 腐蚀，有良好的耐磨性和抗腐蚀疲劳性能，采用电
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2．基体表面氧化膜的处理
• 一般采用机械方法去氧化膜：
• 如切削加工方法和人工除锈法，也可以采 用硫酸或盐酸进行酸洗。
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3．基体表面的粗化处理
• 是提高涂层与基体表面机械结合强度的一个重要 措施。
• 喷涂前4h～8h内必须对工件表面进行粗糙化处理。 常用的表面粗化处理方法如下：
• 基体表面的预热可降低和防止上述不利影 响。但预热温度不宜过高，以免引起基体 表面氧化而影响涂层与基体表面的结合强 度。
• 一般基体表面的预热温度在200℃－300℃ 之间
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5．非喷涂表面的保护
• 在喷砂和喷涂前，必须对基体的非喷涂表面进行 保护，其保护方法可根据非喷涂表面的形状和特 点，设计一些简易的保护罩。
• 对硫酸、醋酸、磷酸和干燥氯气等介质的耐蚀性 较好；
• 但对盐酸、硝酸、铬酸等介质不耐蚀。常用于水 泵轴、活塞轴、耐蚀容器的喷涂。
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• 80Ni20Cr在高温下几乎不氧化，是最好的 耐热耐蚀材料，常用于高温耐腐蚀涂层。
• 镍铬耐热合金丝涂层致密，与母材金属的 结合性好，常用于A12O3、ZrO2等陶瓷涂层 的打底层，但不能用于硫化氢、亚硫酸气 体以及硝酸和盐酸介质中。