热喷涂技术
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第五章 热喷涂技术
5.1 概述
热喷涂技术以其方法的多样性、涂层 种类的广泛性和良好的经济性在机械 制造和设备维修中有广阔的应用前景。
• 是使用某种方式的热源， 使喷涂材料加热至熔融或半 熔融状态， 用高压气流将其雾化， 并以一定速度喷 射到经过预处理的零件表面， 从而形成涂层的表面加 热喷涂 工技术。
喷涂材料需要热源加热和喷涂层与零件基材之间主要是机械结合， 这是热喷涂技术最基本的特征。
热喷涂的分类，应以热源形式为主，在此基 础上必要时可再冠以喷涂材料的形态（粉材、丝 材、棒材）、材料的性质（金属、非金属）、能 量级别（高能、高速）、喷涂环境（大气、真空、 负压）等。
热喷涂可简明分为四大类，火焰喷涂、电弧 喷涂、等离子喷涂和特种喷涂。
（3）熔融或软化的微细颗粒的喷射飞行：在飞行过程中，颗粒 首先被加速形成粒子流，随着飞行距离增加，粒子运动速度逐渐 减小。 （4）粒子在基材表面发生碰撞、变形、凝固和堆集：当具有一 定温度和速度的微细颗粒与基材表面接触时，颗粒与基体表面 产生强烈的碰撞，颗粒的动能转化为热能并部分传递给基材， 同时微细颗粒沿凹凸不平表面产生变形，变形的颗粒迅速冷凝 并产生收缩，扁平状黏结在基材表面。喷涂的粒子束仍需不断 地运动并冲击表面，产生碰撞-变形-冷凝收缩的过程，变形的颗 粒与基材表面之间，以及颗粒与颗粒之间互相黏结在一起，从 而形成涂层。
工件表面制备
表 面 净 化
表 面 预 加 工
表 预 面 粗 热 化
喷 涂 底 层
喷 涂 工 作 层
喷后处理 机 械 加 工 封 空
图2 热喷涂的基本工艺流程图
1）表面净化 喷涂前，首先须将待喷涂表面净化，彻底清除附着在表面的油 污、油漆、氧化物等，显露出新鲜的金属表面。 2）表面预加工 表面预加工的主要目的是预留一定的喷涂层厚度。 3）表面粗化 表面粗化处理与清洗过程同样重要。工件表面经过粗化处理后， 可以增大工件表面的活性和增大喷涂层的接触面积，在有些情况 （如喷砂）还可以使工件产生表面压应力，有助于增强工件的抗疲 劳性能。 最常用的表面粗化方法是喷砂，喷砂材料有多角冷凝铸铁砂 （适用于硬度为HRC50左右的工件表面）、刚玉砂（Al2O3、适用 于硬度值为HRC40左右的工件表面）和石英砂（SiO2适用于硬度 值为HRC30左右的工件表面）等。
涂层形成过程示意图如下：
冲击
碰撞
变形
凝固-收缩
图1 涂层形成过程示意图
热喷涂原理示意图
涂层形成示意图
涂层的结构
涂层结构示意图
涂层的形成过程表明，涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式 堆叠在一起而形成的层状组织结构。
在喷涂过程中由于熔融的颗粒在熔化、软化、加速及飞行及基材 表面接触过程中与周围截至发生了化学反应，使得喷涂材料经喷 涂后会出现氧化物，而且，由于颗粒的陆续堆叠和部分颗粒的反 弹散失，在颗粒之间不可避免地存在一部分孔隙式空洞。因此， 喷涂层是由变形颗粒，气孔和氧化物所组成。
涂层的结合
1）机械结合。撞成扁平状并随基材表面起伏的颗粒，由于凹凸 不平的表面互相嵌合（即紧缩效应），形成机械的键而结合。 2）冶金-化学结合，这是当涂层和基材表面出现扩散和微区合金 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。 3）物理结合。颗粒对基材表面的结合，是由范德华力或价键 形成的结合。
热喷涂的一般原理
喷涂材料在热源中被加热的过程和颗粒与基体表面结合的过程 是热喷涂制备涂层的关键环节。尽管热喷涂的具体方法很多，且各 具特点，但无论哪种方法，其喷涂过程、涂层形成原理和涂层结构 基本相同。 从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经历四个阶段 ： （1）喷涂材料的加热、熔化：对于线材，当端部进入热源高温区域 时，全部被加热熔化；对于粉末，进入热源高温区域，在行进的过程 中被加热熔化或软化。 （2）熔化的喷涂材料被雾化：现材端部熔化形成的熔滴在外加压缩 气流或热源自身射流的作用下脱离线材并成微小熔滴向前喷射，粉末 一般不存在熔粒破碎和雾化的过程，而是被气流成热源射流推着向前 喷射 。
热喷涂的主要应用特性
与其他表面工程技术相比，热喷涂在实用性方面有以下方 面的特点： （1） 热喷涂的种类：热喷涂细分有十几种，根据工件的要求 在应用时有较大的选择余地。 （2）涂层的功能多：适用于热喷涂的材料有金属及其合金、陶 瓷、塑料及它们的复合材料。
（3）使用热喷涂的零件范围宽。
（4）设备简单、生产率高 。 （5）操作环境较差，需加以防护。
热喷涂的发展 种类与特点
热喷涂的发展
• 20世纪初：喷涂锌、铝等低熔点的金属 • 二战期间：线材火焰喷涂用于零件的修复－》 火焰粉末喷涂 • 50 年代：研制出自熔性合金粉末和放热型复合 粉末 • 爆炸喷涂、等离子喷涂——陶瓷涂层、复合梯 度涂层
热喷涂技术的发展
Sulzer Metco 公司热喷涂设备、材料销售和热喷涂技术发展。
热喷涂种类及特点
1） 定义：热喷涂是利用一种热源将喷涂材料加热至熔融状态， 并通过气流吹动使其雾化高速喷射到零件表面，以形成喷涂层的 表面加工技术。
2）特点：喷涂层与基体之间，以及喷涂层中颗粒之间主要是通过 镶嵌，咬合、填塞这种机械形式连接，其次是微区冶金结合以及化 学键结合。在自熔性合金粉末，尤其是放热性自粘结复合粉末问世 以后，出现了喷涂层与基体之间以及喷涂层颗粒之间的微区冶金结 合的组织，使结合强度明显提高。
几种常用的热喷涂技术及常用表面工程技术的比较见表1
等离子喷涂法 火焰喷涂 电弧喷涂法 爆炸喷涂法
熔粒速度/(m/s) 温度值 典型涂层孔隙率（％）
400 12000 1～10
150 3000 10～15
200 5000 10～15
1500 4000 1～2
典型结合强度/MPa
30～70
5～10
10～20
80～100
优点
孔隙率低，结合 性好，多用途， 基材温度低，百度文库 染低
设备简单， 工艺灵活
成本低，效率 高，污染低， 基材温度低
孔隙率非常低， 结合性好，基 材温度低
成本较高 缺点
孔隙率高， 结合性差， 对工件要预 热
只应用于导电 喷涂材料，通 常孔隙率较高
成本高，效率 低
5.3 待喷涂表面的制备
热喷涂的基本工艺流程图如图2所示
5.1 概述
热喷涂技术以其方法的多样性、涂层 种类的广泛性和良好的经济性在机械 制造和设备维修中有广阔的应用前景。
• 是使用某种方式的热源， 使喷涂材料加热至熔融或半 熔融状态， 用高压气流将其雾化， 并以一定速度喷 射到经过预处理的零件表面， 从而形成涂层的表面加 热喷涂 工技术。
喷涂材料需要热源加热和喷涂层与零件基材之间主要是机械结合， 这是热喷涂技术最基本的特征。
热喷涂的分类，应以热源形式为主，在此基 础上必要时可再冠以喷涂材料的形态（粉材、丝 材、棒材）、材料的性质（金属、非金属）、能 量级别（高能、高速）、喷涂环境（大气、真空、 负压）等。
热喷涂可简明分为四大类，火焰喷涂、电弧 喷涂、等离子喷涂和特种喷涂。
（3）熔融或软化的微细颗粒的喷射飞行：在飞行过程中，颗粒 首先被加速形成粒子流，随着飞行距离增加，粒子运动速度逐渐 减小。 （4）粒子在基材表面发生碰撞、变形、凝固和堆集：当具有一 定温度和速度的微细颗粒与基材表面接触时，颗粒与基体表面 产生强烈的碰撞，颗粒的动能转化为热能并部分传递给基材， 同时微细颗粒沿凹凸不平表面产生变形，变形的颗粒迅速冷凝 并产生收缩，扁平状黏结在基材表面。喷涂的粒子束仍需不断 地运动并冲击表面，产生碰撞-变形-冷凝收缩的过程，变形的颗 粒与基材表面之间，以及颗粒与颗粒之间互相黏结在一起，从 而形成涂层。
工件表面制备
表 面 净 化
表 面 预 加 工
表 预 面 粗 热 化
喷 涂 底 层
喷 涂 工 作 层
喷后处理 机 械 加 工 封 空
图2 热喷涂的基本工艺流程图
1）表面净化 喷涂前，首先须将待喷涂表面净化，彻底清除附着在表面的油 污、油漆、氧化物等，显露出新鲜的金属表面。 2）表面预加工 表面预加工的主要目的是预留一定的喷涂层厚度。 3）表面粗化 表面粗化处理与清洗过程同样重要。工件表面经过粗化处理后， 可以增大工件表面的活性和增大喷涂层的接触面积，在有些情况 （如喷砂）还可以使工件产生表面压应力，有助于增强工件的抗疲 劳性能。 最常用的表面粗化方法是喷砂，喷砂材料有多角冷凝铸铁砂 （适用于硬度为HRC50左右的工件表面）、刚玉砂（Al2O3、适用 于硬度值为HRC40左右的工件表面）和石英砂（SiO2适用于硬度 值为HRC30左右的工件表面）等。
涂层形成过程示意图如下：
冲击
碰撞
变形
凝固-收缩
图1 涂层形成过程示意图
热喷涂原理示意图
涂层形成示意图
涂层的结构
涂层结构示意图
涂层的形成过程表明，涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式 堆叠在一起而形成的层状组织结构。
在喷涂过程中由于熔融的颗粒在熔化、软化、加速及飞行及基材 表面接触过程中与周围截至发生了化学反应，使得喷涂材料经喷 涂后会出现氧化物，而且，由于颗粒的陆续堆叠和部分颗粒的反 弹散失，在颗粒之间不可避免地存在一部分孔隙式空洞。因此， 喷涂层是由变形颗粒，气孔和氧化物所组成。
涂层的结合
1）机械结合。撞成扁平状并随基材表面起伏的颗粒，由于凹凸 不平的表面互相嵌合（即紧缩效应），形成机械的键而结合。 2）冶金-化学结合，这是当涂层和基材表面出现扩散和微区合金 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。 3）物理结合。颗粒对基材表面的结合，是由范德华力或价键 形成的结合。
热喷涂的一般原理
喷涂材料在热源中被加热的过程和颗粒与基体表面结合的过程 是热喷涂制备涂层的关键环节。尽管热喷涂的具体方法很多，且各 具特点，但无论哪种方法，其喷涂过程、涂层形成原理和涂层结构 基本相同。 从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经历四个阶段 ： （1）喷涂材料的加热、熔化：对于线材，当端部进入热源高温区域 时，全部被加热熔化；对于粉末，进入热源高温区域，在行进的过程 中被加热熔化或软化。 （2）熔化的喷涂材料被雾化：现材端部熔化形成的熔滴在外加压缩 气流或热源自身射流的作用下脱离线材并成微小熔滴向前喷射，粉末 一般不存在熔粒破碎和雾化的过程，而是被气流成热源射流推着向前 喷射 。
热喷涂的主要应用特性
与其他表面工程技术相比，热喷涂在实用性方面有以下方 面的特点： （1） 热喷涂的种类：热喷涂细分有十几种，根据工件的要求 在应用时有较大的选择余地。 （2）涂层的功能多：适用于热喷涂的材料有金属及其合金、陶 瓷、塑料及它们的复合材料。
（3）使用热喷涂的零件范围宽。
（4）设备简单、生产率高 。 （5）操作环境较差，需加以防护。
热喷涂的发展 种类与特点
热喷涂的发展
• 20世纪初：喷涂锌、铝等低熔点的金属 • 二战期间：线材火焰喷涂用于零件的修复－》 火焰粉末喷涂 • 50 年代：研制出自熔性合金粉末和放热型复合 粉末 • 爆炸喷涂、等离子喷涂——陶瓷涂层、复合梯 度涂层
热喷涂技术的发展
Sulzer Metco 公司热喷涂设备、材料销售和热喷涂技术发展。
热喷涂种类及特点
1） 定义：热喷涂是利用一种热源将喷涂材料加热至熔融状态， 并通过气流吹动使其雾化高速喷射到零件表面，以形成喷涂层的 表面加工技术。
2）特点：喷涂层与基体之间，以及喷涂层中颗粒之间主要是通过 镶嵌，咬合、填塞这种机械形式连接，其次是微区冶金结合以及化 学键结合。在自熔性合金粉末，尤其是放热性自粘结复合粉末问世 以后，出现了喷涂层与基体之间以及喷涂层颗粒之间的微区冶金结 合的组织，使结合强度明显提高。
几种常用的热喷涂技术及常用表面工程技术的比较见表1
等离子喷涂法 火焰喷涂 电弧喷涂法 爆炸喷涂法
熔粒速度/(m/s) 温度值 典型涂层孔隙率（％）
400 12000 1～10
150 3000 10～15
200 5000 10～15
1500 4000 1～2
典型结合强度/MPa
30～70
5～10
10～20
80～100
优点
孔隙率低，结合 性好，多用途， 基材温度低，百度文库 染低
设备简单， 工艺灵活
成本低，效率 高，污染低， 基材温度低
孔隙率非常低， 结合性好，基 材温度低
成本较高 缺点
孔隙率高， 结合性差， 对工件要预 热
只应用于导电 喷涂材料，通 常孔隙率较高
成本高，效率 低
5.3 待喷涂表面的制备
热喷涂的基本工艺流程图如图2所示