第五章热喷涂技术

第五章 热喷涂技术 含有硼和(或)硅元素的助熔剂，当加 热到熔点时，合金本身就具有脱氧、造渣、 除气和良好的润滑性等性能的合金粉末。 重 熔 处 理
重熔处理是自熔性合金涂层的一种后处理方法。自熔性合 金喷涂所形成的涂层仍有许多孔隙，重熔处理过程就是涂层重
新熔化并致密涂层的过程，从而消除了大多数孔隙。这个过程 的完成是通过沉积颗粒的湿润和凝聚，以及基体表面的氧化物 的形成来完成的。
非金属材料 陶瓷，金属基陶瓷 耐热 金属材料
非金属材料 陶瓷 耐磨损 金属材料
气体燃烧热源
线材火焰喷涂 棒材火焰喷涂 粉末火焰喷涂 超音速火焰喷涂 粉末火焰喷焊 电弧喷涂
第五章
热喷涂技术
热 喷 涂 方 法 的 种 类
气体放电热源
等离子喷涂
等离子喷焊
大气等离子喷涂 真空等离子喷涂 保护气氛等离子喷涂 水稳等离子喷涂 超音速等离子喷涂
第五章
热喷涂的应用
热喷涂技术
4．抗高温氧化 应用实例: 喷气式发动机燃烧 室内涡轮叶片喷上特殊的涂层
MCrAlY，以抵抗运行过程中的 高温氧化。
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热喷涂的应用
热喷涂技术
5．热障涂层 应用实例:现代航空涡轮发动机采用热喷涂技术在涡轮
叶片表面喷涂陶瓷热障涂层，在基体和陶瓷涂层之间
加一金属粘结层。可使高温合金表面温度降低100～ 300℃，大大节省冷却空气量的消耗，提高涡轮的效率。
应用实例: 在航天航空领域，热 喷涂涂层可以抵御空气的冲击、 侵蚀对发动机叶片带来的不利影 响。利用在压气机叶片上喷涂碳 化钨涂层后，克服了钛合金不耐 磨的缺点，使钛合金叶片的寿命 延长到上万小时。压缩机密封环 也通常采用了热喷涂处理。
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热喷涂的应用
热喷涂技术
2.热喷涂是恢复尺寸的一种经济有效的方法
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热喷涂技术
2.4 热喷涂层的结合机理
热喷涂的结合方式可分为：机械结合和冶金化学结合
1.机械结合 熔化或接近熔化的粒子在喷涂时撞击到基体 表面产生变形、镶嵌、咬合和填塞，最后冷凝收缩，形成 机械的结合，这是涂层结合的主要形态。 2.冶金-化学结合 涂层结合的次要形态，当涂层与基体表 面出现扩散和合金化时的一种结合类型，但其结合力比机 械结合大的多，由三部分组成： ☆ 范德华力 ☆ 化学键力 ☆ 微扩散力
理
扩散处理是表面合金化热处理。在一定的热处理工 艺条件下，涂层金属向基材扩散，在界面上形成表面合
金化的扩散层组织，提高了涂层的结合强度，同时通过
热处理提高了涂层的完整性，改善了涂层的致密性、延 展性、耐腐蚀性、抗氧化性以及涂层的强度。
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热喷涂的应用
热喷涂技术
1．增强表面硬度，提高使用寿命，降低维修成本
（3）喷涂粒子的最小尺寸
在一定的喷涂条件下，喷涂粒子的尺寸存在着最小的
临界尺寸。
粒子质量越小，
则其轨迹偏离初始 流速直线方向就越 多。
小颗粒被气流卷走
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热喷涂技术
2.1 热喷涂的沉积原理 ◆ 涂层组织结构 涂层是由无数变形粒子 相互交错呈波浪式堆叠在 一起的层状组织结构，颗 粒之间存在孔隙或空洞， 孔隙率一般在4%~20%之间。
飞行速度的大小影响粒子与基体表面碰撞时转换能量 的大小、粒子的变形程度以及结合强度。
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（2）粒子的温度 ◆ 线状喷涂材料 被加热到熔化或熔融状态，若不考虑粒子与基体碰撞 时动能转换为热能所引起的粒子自身温度的升高，那么粒 子到达基体时的温度为其熔点。 ◆ 粉末喷涂材料
粉末的热物理性能和粉末粒度所决定的粉末尺寸影响 着加热和飞行中粒子内部的温度高低。 为了获得高结合强度和高质量的涂层，粉末内部离表 面90%的深度处应处于熔融状态。
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超音速喷涂Ni-Cr-Fe-Ta-Mo-Ti合金涂层的表面形貌
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2.热喷涂的形成过程
2.2 飞行中熔融粒子的表面反应 *
热喷涂技术
粉末火焰喷涂和等离子弧喷涂时，粒子虽在设定气
氛中飞行，但该气氛中不可避免地卷入空气。
*
电弧喷涂时，因采用压缩空气输送粒子，使粒子在
飞行中不断与O2和N2发生反应。
涂。
热喷涂材料按材质可分为： 金属及其合金陶瓷、金属间化合物、塑料、玻璃和陶瓷等。
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热喷涂技术
热喷涂材料按用途分类
目的
非金属材料 陶瓷，塑料
喷 涂 材 料
耐蚀
金属材料
锌，铝，Zn-Al，不锈钢，Ni及合金，Cu 及Cu合金， 钛，镁，Sn , Pb, Cd 耐热钢（含不锈钢系列），耐热合金（含Ni-Cr）， 自熔性合金，MCrAlY系列合金 碳钢、低合金钢、不锈钢（主要是马氏体钢）， 硬金属
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2.热喷涂的形成过程 2.1 热喷涂的沉积过程和原理 热喷涂层的形成过程：
喷涂材料被 加热，达到 熔化或半熔 化状态；
熔化的喷 涂材料被 雾化； 熔融或软化 的微细颗粒 向前喷射的 飞行阶段；
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粒子在基材表 面发生碰撞、 变形、凝固和 堆积。
冲击
碰撞
变形
凝固--收缩
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*
喷涂不同材质的金属或合金时，虽然抗氧化性有差
异但在熔融粒子表面都发生了氧化反应和其他反应产物， 并使其随粒子一起夹杂在涂层中。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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2.热喷涂的形成过程 2.3 涂层成分与结构
热喷涂技术
一般情况下，涂层成分中的合金元素含量与 原喷涂材料是有所差异的，其原因在于：
① 粒子在高温下蒸发 ② 粒子在高温下烧损 ③ 粒子在高温下表面发生反应
① 热稳定性； ② 涂层的热膨胀系数应尽可能与基体材料一致； ③ 粉末材料应具有良好的流动性； ④ 良好的湿润性。
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热喷涂技术
4.热喷涂材料的工艺性能及分类 4.2 热喷涂材料分类 热喷涂材料按形态可分为： 粉末：等离子喷涂、爆炸喷涂和气体火焰喷涂。 线材及棒材：主要用于气体火焰喷涂，电弧喷涂和线爆喷
第五章
1.热喷涂的定义与特点 ★ 特点 ⑴ 适用范围广。
热喷涂技术
⑵ 工艺灵活，设备结构简单，有利于现场作业。 ⑶ 涂层厚度可调范围广。 ⑷ 基体材料性能不受影响。 ⑸ 喷涂面积小时经济性差。
2.热喷涂的形成过程
2.1 热喷涂的沉积过程和原理
喷涂材料
热源
喷涂粒子束
喷涂层
基体
加热熔化
雾化 飞行 喷涂
3.抗腐蚀应用实例:
◇ 南京长江大桥下层铁路的“上盖板”喷锌防腐处理。 ◇ 芜湖长江大桥的栓接面的电弧喷涂Al涂层。 ◇ 煤矿井筒热喷涂复合涂层，大幅提高寿命。 ◇ 江苏省三河闸水库的水闸门的喷锌防腐处理。
◇ 大港电厂和西柏坡电厂电弧喷涂低碳马氏体-Ni-Cr
高温封孔剂对锅炉水冷壁进行高温防腐处理。
喷焊 — 对经预热的自溶性合金粉末涂层再加热至1000～1300℃，使颗粒 熔化，造渣 上浮到涂层表面，生成的硼化物和硅化物弥散在涂层中，使颗粒 间和基体表面达到良好结合。最终沉积物是致密的金属结晶组织并与基体形 成约0.05～0.1mm的冶金结合层，其结合强度约400MPa，抗冲击性能较 好、耐磨、耐腐蚀，外观呈镜面。
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热喷涂技术
思 考 题
1、什么是热喷涂工艺？技术特点是什么？ 2、热喷涂涂层组织的基本特点是什么？
3、试述热喷涂粒子与基体表面的结合机理。
4、热喷涂后为什么要对涂层进行后处理？分 别有哪些后处理方法其工作原理是什么？
电热热源
电容放电喷焊 感应加热喷涂 燃气重复爆炸喷涂 线材电爆喷涂 激光喷涂 激光喷焊
爆炸热源
激光热源
第五章
5.热喷涂层的后处理
热喷涂技术
常用的后处理方法:
封孔处理：采用封孔剂，提高耐蚀性 重熔处理：加热到液－－固相线附近
强化处理：喷丸、滚压的机械方法
扩散处理：表面薄铝层通过高温扩散的方式， 形成表层冶金结合。
第五章 热喷涂技术
第五章
热喷涂技术
第五章 主 要 内 容
1 2 3 4 5 热喷涂的定义与特点 热喷涂的基本原理 热喷涂工艺
热喷涂技术
热喷涂材料的工艺性能及分类 热喷涂层的后处理
第五章
1.热喷涂的定义与特点
热喷涂技术
★ 定义
采用一定的热源，将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、沉积到工件表面，形成喷 涂沉积层的一种表面覆盖方法。
◆ 粒子流的特点
（1） 粒子的飞行速度 喷涂过程中粒子的飞行速度与喷涂方法、喷涂材料的密度和形状、 粒子的尺寸、粒子的飞行距离等因素有关。 黄铜、钼及锌的线材气体火焰喷涂时，在粒子的 飞行距离为100mm处，三种粒子的平均飞行速度分别 为120，65，140m/s。 爆炸喷涂时粒子的飞行速度更大，可高达1000m/s。
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5.热喷涂层的后处理
强 化 处 理 某些金属喷涂层可以采取喷丸和滚压的方法进行机
械处理，以封闭与表面连贯的气孔，提高表面平滑度， 及消除涂层残余应力，改善涂层性能。活性金属涂层 可以采用喷丸硬化和滚压来改善抗气蚀性能。
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第五章
5. 热喷涂层的后处理
热喷涂技术
扩
散
处
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3.热喷涂工艺
热喷涂技术
工艺流程：工件的表面准备（表面净化﹑宏观粗化﹑喷砂）
→预热 →喷打底层→喷工作层→喷涂后处理。 预处理 清 洗 粗 糙 化 对不 喷涂 部位 的保 护 热喷涂 后处理
表 面 精 加 工
改 善 涂 层 质 量
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4.热喷涂材料的工艺性能及分类
热喷涂技术
4.1 工艺性能
应用实例: 复印机的墨粉滚筒在长期反 复实用下被磨薄，导致复印效果变黑或 出现黑线。通常的维修方法是换整个滚 筒，原部件则被遗弃。采用热喷涂工艺 在原滚筒上喷一层合金，不但恢复了原 滚筒的直径，还使修复后的滚筒更耐磨， 使用寿命更长，而维修成本只相当于换 新部件的五分之一。
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热喷涂的应用
热喷涂技术
第五章 封 孔 处 理
热喷涂技术
由于热喷涂涂层是多孔隙的，孔隙率可从小于1％到大于
15％，可以储存油，在使用上具有一定的使用价值。但是对 要求具有防腐蚀性能的涂层表面来说，孔隙是极为有害的， 特别是那些互相连接并且从表面延伸到基体的孔隙，会使腐 蚀介质透过这些孔隙腐蚀基体材料。
封孔的作用
A、防止或阻止腐蚀介质浸入到基材表面； B、延长锌、铝及合金涂层的防护寿命； C、用于密封的涂层防止液体和压力泄漏； D、防止污染或研磨屑碎片进入涂层； E、保持陶瓷涂层的绝缘性能。