热喷涂技术及其应用

材料现代表面技术

论文题目：热喷涂技术及其应用

学院：研究生学院

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热喷涂技术及其应用

一、热喷涂的定义

热喷涂是利用热源讲喷涂材料加热到熔化或半融化状态，用高速气流将其雾化并喷射到基体表面形成涂层的技术。热喷涂技术在普通材料的表面上，制造一个特殊的工作表面，使其达到：防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系多种功能，使其达到节约材料，节约能源的目的，我们把特殊的工作表面叫涂层，把制造涂层的工作方法叫热喷涂。

二、热喷涂基本原理

1.热喷涂的基本过程

①喷涂材料被加热到熔化或半融化状态

②喷涂材料的熔滴被雾化

③雾化或软化的微细颗粒喷射飞行

④微小颗粒撞击基体表面并形成涂层

2.涂层的结构

热喷涂涂层是由燃烧火焰或等离子热源将某种材料加热至熔化或热塑性状态，形成一簇高速的熔态粒子流(熔滴流)，熔滴依次撞击基体或已形成的涂层表面，经过粒子的横向流动扁平化、急速凝固冷却、不断堆积起来而形成的。

由于热喷涂涂层为典型的层状结构，所以涂层的性能具有方向性。在垂直和平行涂层为向上的性能有显著的差异。对涂层进行适当地处理和重熔，既可以使层状结构转变为均质结构，还可以消除层状中的氧化物夹杂和气孔。

3.涂层的结合方式

涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内聚的结合。前者的结合强度称为结合力。后者的结合强度称为内聚力。

涂层的一般结合方式有三种：

①机械结合熔融态的粒子撞击基体表面并快速冷却凝固时，会因收缩而咬

住高低不平的基体部分，形成了机械结合。

②物理结合借助于分子（原子）之间的范德华力是喷涂层附着于基体表面的结合方式。

③冶金结合当熔融的微细颗粒高速撞击基体表面是时，涂层和基体界面出现扩散和合金化时的一种结合方式。

4.涂层的残余应力

一般情况下，热喷涂涂层存在着明显的残余应力。当熔融颗粒高速碰撞碰撞基体表面，在产生形变的同时快速冷却凝固，这时会在颗粒内部产生张应力，而在基体表面产生压应力。

三、热喷涂的分类和特点

⒈热喷涂的分类

热喷涂根据不同的标准有不同的分类：

①按喷涂材料的性质不同，热喷涂可分为金属喷涂、陶瓷喷涂、塑料喷涂等

②按喷涂材料的形状不同，热喷涂可分为粉末喷涂、丝材喷涂、棒材喷涂等

③按喷涂热源的性质不同，热喷涂可分为气体燃烧火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、激光喷涂等

表1 几种热喷涂技术的参数对比

喷涂方法火焰温

度℃粒子速度

m/s

结合强

度

N/mm2

气孔率

%

喷涂效

率Kg/h

相对成

本

火焰喷涂3000 30-180 8-12 10-30 2-6 1 爆炸喷涂3000 800-1200 >70 0.1-1 1 4 高速火焰喷

涂

2500-3100 500 70-110 <10 1-5 2-3 电弧喷涂4000-6000 250 15-25 10-20 10-25 2 等离子喷涂20000-300

00

200-800 50-80 <10 2-10 4

2.热喷涂的特点

设备轻便，可现场施工。工艺灵活、操作程序少。可快捷修复，减少加工时间。适应性强，一般不受工件尺寸大小及场地所限。、涂层厚度可以控制。除喷焊外，对基材加热温度较低，工件变形小，金相组织及性能变化也较小、适用各种基体材料的零部件、几乎可在所有的固体材料表面上制备各种防护性涂层和功能性涂层。

从热喷涂技术的原理及工艺过程分析，热喷涂技术具有以下一些特点：

①由于热源的温度范围很宽，因而可喷涂的涂层材料几乎包括所有固态工程材料，如金属，合金，陶瓷，金属陶瓷，塑料以及由它们组成的复合物等。而能赋予基体以各种功能（如耐磨，耐蚀，耐高温，抗氧化，绝缘，隔热，生物相容，红外吸收等）的表面。

②喷涂过程中基体表面受热的程度较小而且可以控制，因此可以在各种材料上进行喷涂（如金属，陶瓷，玻璃，布疋，纸张，塑料等），并且对基材的组织和性能几乎没有影响，工件变形也小。

③设备简单，操作灵活，既可对大型构件进行大面积喷涂，也可在指定的局部进行喷涂；既可在工厂室内进行喷涂也可在室外现场进行施工。

④喷涂操作的程序较少，施工时间较短，效率高，比较经济. 随着热喷涂应用要求的提高和领域的扩大，特别是喷涂技术本身的进步，如喷涂设备的日益高能和精良，涂层材料品种的逐渐增多，性能逐渐提高，热喷涂技术近十年来获得了飞速的发展，不但应用领域大为扩展，而且该技术已由早期的制备一般的防护涂层发展到制备各种功能涂层；由单个工件的维修发展到大批的产品制造；由单一的涂层制备发展到包括产品失效分析，表面预处理，涂层材料和设备的研制，选择，涂层系统设计和涂层后加工在内的喷涂系统工程；成为材料表面科学领域中一个十分活跃的学科。并且在现代工业中逐渐形成象铸，锻，焊和热处理那样的独立的材料加工技术。成为工业部门节约贵重材料，节约能源，提高产品质量，延长产品使用寿命，降低成本，提高工效的重要的工艺手段，在国民经济的各个领域内得到越来越广泛的应用。

四、热喷涂的工艺原理

1.火焰喷涂

火焰喷涂技术作为一种新的表面防护和表面强化工艺，在近2 0年里得到了迅速发展，已成为金属表面工程领域中一个十分活跃的分支。火焰喷涂是利用可燃性气体比如乙炔、丙烷与氧气燃烧的火焰作为热源，将喷涂材料加热到熔化或接近熔化状态，辅助性气体比如氮气或压缩空气将其喷射到基体表面形成涂层[4]。

火焰喷涂技术的基本特点是：

①一般金属、非金属基体均可喷涂，对基体的形状和尺寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能喷涂；

②涂层材料广泛，金属、合金、陶瓷、复合材料均可为涂层材料，可使表面具有各种性能，如耐腐蚀、耐磨；耐高温、隔热等：

③涂层的多孔性组织有储油润滑和减摩性能，含有硬质相的喷涂层宏观硬度可达450HB，喷焊层可达65HRC；

④火焰喷涂对基体影响小，基体表面受热温度为200～250℃，整体温度约70℃～80℃，故基体变形小，材料组织不发生变化。

火焰喷涂技术的缺点：

①喷涂层与基体结合强度较低，不能承受交变载荷和冲击载荷；

②基体表面制备要求高；

③火焰喷涂工艺受多种条件影响，涂层质量尚无有效检测方法。

在超音速火焰喷涂的基础上，美国Verstak A和Baranovski V相继开发了HV AF Arc和AC-HV AF。HV AF-Arc是一种集常规电弧喷涂和超音速火焰喷涂的一种新技术，工作原理图如下。采用燃料和空气混合气燃烧产生的超音速气流雾化电弧熔化的粒子并对粒子进行加速，使熔融的高速粒子喷射到基体表面形成致密的涂层。通过控制燃料和空气的比例，使用过量的燃料可以防止粒子在飞行过程中被氧化，提高涂层的质量[5]。