热喷涂、喷焊与堆焊技术

粗化处理的方法 1） 表面喷砂，使其粗糙度为Ra3.2～12.5μm；
表 6－1 达到所要求粗糙度的喷砂条件
磨料粒度 /目 24 60 80 磨料材质 喷砂压力 喷嘴孔径 设备类型 基体材质 粗糙度 /kPa /mm /μ m 414 7.9 12.5 氧化铝 压力式 钢 414 7.9 6.3 氧化铝 虹吸式 不锈钢 碳化硅 414 7.9 6.3 压力式 塑料 氧化铝
5. 涂层结构

热喷涂涂层结构示意图
1-涂层;2-氧化物夹杂;3-孔隙或空洞;4-颗粒间 的粘接;5-变形颗粒;6-基体粗糙度;7-涂层与基 体结合面
组成：
由大小不一的扁平颗粒、未熔化的球形颗粒、夹杂和孔隙组成。

孔隙产生原因：
未熔化颗粒的低冲击动能； 喷涂角度不同时造成的遮蔽效应； 凝固收缩和应力释放效应。
距离（100～150mm）、每道涂层的厚
度（0.1～0.15mm）、喷枪与工件的移
动速度（7～18m／min）和层间温度 （<250℃）等。
c) 喷后处理 对防腐涂层应进行涂层后处理。
表 6—3 常用封孔剂 类 型 封 孔 非干燥型 空气干燥型 烘烤型 催化型 无机封孔剂 剂
石蜡、油脂、油 油漆、氯化橡胶、空气干燥型酚醛、乙烯树脂、硅树脂、 煤焦油、聚氨酯、亚麻子油、聚酯 烘烤酚醛、酚醛树脂、环氧树脂、聚酯、聚酰胺树脂 环氧树脂、聚酯、聚氨酯 硅酸钠、磷酸盐
热喷涂材料的选材原则
（1） 要把实用性、工艺性和经济性结合起来考虑，尽量选择 合理的喷涂材料。 （2） 对于重要的部件以获得最优涂层性能为准则；不十分重 要的部件则以获得最大的经济效益为准则。 （3） 根据工件的工作环境选择合适的工作涂层。
（4） 为满足喷涂工件的使用要求，可采用复合涂层和梯度涂 层。
二、热喷涂工艺方法
涂层材料受热 后的温度和加 速后的速度是 决定热喷涂层 结合强度的两 个关键因素。
1. 火焰喷涂工艺

种类： 线材火焰喷涂 粉末火焰喷涂

历史悠久，且目前仍广泛使用。 热源： 氧-乙炔、丙烷、氢气、天然气等


特点：
(优点)设备投资少，无电力要求，操作容易，沉积效率高等
(缺点)涂层氧含量较高，孔隙较多，焰流温度较低，涂层种类较少，涂层结合强 度偏低，涂层质量不高。

清洗与粗化是两个非常重要工艺步骤，直接影响涂层的结合质量。 粗化表面可使涂层与基体之间、涂层颗粒之间的结合得到强化：

①提供表面压应力；
②提供涂层颗粒互锁的结构； ③增大结合面积； ④净化表面。

粗化处理一般采用喷砂加粘结底层的办法。

粘结底层：能够在很宽的条件下喷涂并粘 结在清洁、光滑的表面上的涂层，且其表 面粗糙度适中，对随后喷涂的其它涂层有 良好的粘结作用。 粘结底层适用于太薄或太硬的基体材料。 采用喷砂加粘结底层的粗化处理方法，可 明显提高结合强度。
3） 电弧喷涂可以利用两根成分不同的金属丝 制备假合金涂层。 4） 由于电弧喷涂是两丝同时送进，所以喷涂 效率高。
5） 火焰喷涂消耗的燃料费是电弧喷涂电费的 几十倍。
（2）电弧喷涂工艺 电弧喷涂主要工艺参数有： 1） 电弧电压：取决于喷涂材料的熔点，一般不低于15～25V。 2） 电弧电流：电弧电流有自调节作用，调节电流可维持电弧的 长度和稳定性。
（2）致密涂层的残余应力要比疏松涂层大；
（3） 采用梯度过渡层缓和涂层内应力。
8. 涂层的结合强度

结合强度较差。 结合机理： 机械结合(抛锚作用)：机械咬合

微冶金结合：局部扩散和焊合
结合强度只相当于母体材料的5－30%（10－90MPa）。
9. 热喷涂工艺流程和质量控制

工艺流程：基体表面预处理、热喷涂、后处理、精加工等过程。
①防止或阻止涂层界面处的腐蚀；
②延长铝和锌防护涂层的寿命； ③在某些机械部件中防止液体和压力的密封泄露； ④防止污染或研磨碎屑碎片进入涂层；


封孔处理是在喷涂之 后、机加工之前进行。
⑤保持陶瓷涂层的绝缘强度。
“两步法”热喷 焊
致密化处理的方法及技术：
1.
重熔致密化处理：火焰重熔，炉内重熔，感应重熔，激光束重熔， 电子束重熔等；
品
种
(1)纯金属：Zn、A1、Cu、Ni、Mo (2)合金：Zn-A1，Pb-Sn、Cu 合金、巴 氏 合金、Ni 合金 碳钢、低合金钢 不锈钢、耐热钢 A12O 3，TiO 2，Cr2O 3、ZrO 2、A12O 3+MgO、A12O 3+SiO 2 铝包镍、镍包合金 金属包碳化物、金属包 氧 化物 塑料包金属、塑料包陶瓷

等离子喷涂设备包括电源、电气控制系统、喷枪、气源和气路、 供粉系统、水冷系统等。
等离子喷涂喷枪及喷嘴。 粉末送入方式：外送式和内送式。
（2） 等离子喷涂工艺
1） 输入功率和电参数：确保粉末熔化良好，防止出现生粉。 2） 等离子气体的选择： 氮气：热焓高，价格低廉，是等离子喷涂主要工作气体。
（3） 等离子喷涂的应用
等离子弧焰流温度高，适合喷涂高熔点材料。涂层密度可 达85~98％，结合强度高达35～70Mpa，喷涂质量远优于火 焰喷涂层。主要用于： 1） 耐磨、减磨涂层；
2） 耐蚀涂层；
3） 抗高温氧化、抗高温气流冲刷、热 障涂层； 4） 制造金属、陶瓷类高熔点复合材料。
4．爆炸喷涂
6 热喷涂、喷焊与堆焊技术
教学目的和要求
学习热喷涂、喷焊与堆焊技术的工艺流程，主要工艺方法 及其基本原理与主要特点；热喷涂层的组织特征及涂层应力 特点。 重点：热喷涂技术的技术原理与特点、工艺流程、涂层 形成过程、喷涂层的组织特征及涂层应力特点。
前言
热喷涂、喷焊、堆焊技术都是利用热能(如氧-乙炔火焰、电弧、等 离子火焰等)将具有特殊性能的涂层材料熔化后涂敷在工件上形成涂 层的技术。
高温致密化合金化处理：热等静压，热扩散，高温烧结等；
2. 3.
复合工艺处理：喷涂－电镀工艺，喷涂―轧制工艺等。
机加工对热喷涂层是必要的，也是较困难的。

质量控制 质 量 控 制 要 素 （ 4M ） ： 设 备 （ Machine ） 、 材 料 （Materials）、工艺（Methods）和人员（Man）。
2） 开槽；
3） 电火花拉毛；
4） 喷涂粘结底层。
粘结底层材料及最高使用 温 度 涂 层（质量分数） 温 度/℃ 钼 80％Ni—20％Al 95％Ni—5％Al 80％Ni—20％Cr 94％Ni—6％A1 Ni(Co)CrY 315 620 1010 1260 980 1316

涂层的后处理包括封孔处理和致密化处理。 多孔隙是热喷涂层的固有缺陷(孔隙度可大于15%)。 封孔处理的作用：
高冷速→亚稳相→使用时相变或分解→相变应力
7. 涂层应力

喷涂完成后，在涂层内部会产生残余张应力而在基体表面产生压 应力。其大小与涂层厚度成正比。 薄涂层一般比厚涂层更加经久耐用。 涂层结构和喷涂方法影响涂层的应力水平。


残余应力限制了涂层的厚度。减少涂层残余应力措施： （1） 调整喷涂工艺参数；
3） 送丝速度：取决于电参数和线材的性质，决定了电弧喷涂速 度。
4） 压缩空气压力和流量：影响喷涂材料的雾化效果和熔粒的飞 行速度，对涂层的质量有很大的影响。 5） 喷涂距离应控制在100～200mm，喷涂角不应小于45°。
（3） 电弧喷涂的用途
1） 在钢铁构件上喷涂锌、铝涂层，对构件进行长效防护。 2） 在钢铁件上喷铝可防止高温氧化。
1） 去除工件表面的水分； 2） 提高工件表面与熔粒的接触温度； 3） 降低涂层冷却速度，减小涂层内应力。 预热温度一般控制在150～300℃为宜。可直接用喷枪预热。
b)
喷涂
需打底层时，可在喷涂工作层之前用 钼或放热型的镍包铝、铝包镍粉末先喷 涂一层厚度约0.10～0.15mm的打底层。
严格控制喷涂材料的供给速度、喷涂
（1）工作原理 将粉末注入喷枪，同时引入氧-乙炔混合气，点燃引爆气体 产生3300℃高温，粉末被加热并以2倍音速以上速度喷射到工件 表面，形成~20mm直径，~8μm厚的高结合强度和高致密度的涂 层。整个涂层由小圆形薄片重叠而成。


重要特点：可以制备比较厚的涂层(0.1-10mm)。 主要应用：制造复合层 零件修复

6.1 热喷涂技术
一、热喷涂技术原理与特点
1.
热喷涂原理
定义：采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速 气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺 过程。
Βιβλιοθήκη Baidu


分类：
各喷涂方法的焰流温度和粒子速度不同。
火焰喷涂主 要用于低熔 点金属和塑 料的喷涂。
（1）线材火焰喷涂 （1）线材火焰喷涂 线材火焰喷涂原理图。 线材火焰喷涂设备示意图和喷涂枪。
（2）粉末火焰喷涂 （2）粉末火焰喷涂 粉末火焰喷涂的基本原理和喷涂枪。
火焰喷涂工艺 工艺流程 工件表面预处理→预热→喷涂打底层→喷涂工作层→后处理。 a) 预热目的：
2. 电弧喷涂工艺

工作电压：18—40V直流电压 特点：
(优点)涂层密度及结合强度较高，喷涂速度和 沉积效率高，运行费用较低。 (缺点)只能用于具有导电性能的金属线材。

应用：
喷涂大面积涂层(防腐锌、铝涂层)。 大型零件的修复和表面强化。
压缩空气等
（1）电弧喷涂特点 1）热效率高：电弧喷涂热能利用率高达60％～70％。 2）涂层密度（70～90％）比火焰喷涂涂层致密，结合强度比火 焰喷涂高。
棒材
复合 线材
热喷涂材料的要求
（1）热稳定性好，在高温焰流中不升华，不分解(复合粉末）。 （2） 有较宽的液相区，使熔滴在较长时间内保持液相。 （3）与基材有相近的热膨胀系数，以防止因膨胀系数相差过 大产生较大的热应力。 （4） 喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的浸润性，以保 证涂层与基材之间有良好的结合性能。



喷涂质量控制：
热能的产生
热能与喷涂材料交互作用
颗粒与基体交互作用
基材表面预处理 （1） 净化处理：清除表面污垢。 （2） 粗化处理：提高涂层与基体之间的结合牢度。 粗化处理可提高涂层结合强度的理由是：
1） 提供表面压应力；
2） 提供与涂层颗粒互锁机会； 3） 增大结合面积； 4） 净化表面。

孔隙的影响：
(不利)将损坏涂层的耐腐蚀性能，增加涂层表面加工后的粗糙度，降低涂层的结 合强度、硬度、耐磨性。 (有利)孔隙可以储存润滑剂，提高涂层的隔热性能，减小内应力并因此增加涂层 厚度，以及提高涂层抗热震性能。此外，孔隙还有助于提高涂层的可磨耗性能，特别 适用于可磨耗封严涂层中。
6. 热喷涂中的相变
氩气：易于引弧，等离子弧稳定，有很好的气体保护作用。
氢气：可作为辅助气体起到提高热焓和防氧化的作用。
3） 供粉速率：速率过大使熔化不良的粉粒增多，涂层组织 疏松、气孔率增大；速率过低则降低喷涂效率。 4） 喷涂距离和喷涂角：喷涂金属粉末时喷距为75～130mm； 喷涂陶瓷粉末时喷距为50～100mm。喷涂角度以90°为最佳。 5） 喷枪与工件的相对移动速度：移动速度快些为好，可防 止一次喷涂过厚导致涂层内应力过大，还可避免局部过热。
4. 涂层形成过程
涂层材料经加热熔化和加速→撞击基体→冷却凝固→形成涂层
涂层形成过程
（1） 喷涂材料被加热到熔融状态。 （2） 喷涂材料被雾化成微小熔滴并高速撞击基体表面，撞击 基体的颗粒动能越大和冲击变形越大，形成的涂层结合越好。 （3） 熔融的高速粒子在冲击基材表面后发生变形，冷凝后形 成涂层。
3） 在钢铁件上喷不锈钢或其它耐磨金属，用于耐磨蚀防护。
4） 在机械零件上喷涂碳钢、青铜等材料，用于修复零部件。
5）在塑料制品上喷涂屏蔽涂层等。
6） 用电弧喷铝或喷锌生产复合钢板。
3. 等离子喷涂工艺

特点：
(优点)焰流温度高，喷涂材料适应面广，特别适合喷涂高熔点材料；涂层密度及 结合强度高。 (缺点)热效率低、沉积效率较低，设备相对复杂、价格较贵，喷涂成本高。
2. 热喷涂技术的特点

涂层及基体材质广泛 基体温度低 操作灵活



喷涂效率高、涂层厚度范围宽
(不足)热效率低、材料利用率低、涂层与基体结合强度较低。(三低)

3. 涂层材料

有较宽的液相区，在喷涂温度下不易分解或挥发；
必须是线材或粉末材料

热喷涂材料按材料的形态分线材、棒材和粉末三大类。
热喷 涂 线材和 棒 材分类 类别 分 类 有色金属 金属 线材 普通钢及 低合金钢 高合金钢 陶瓷 棒 材 金属包金属 金属包陶瓷 塑料包覆