热喷涂技术

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编者名钱强WTI Harbin 2000.11 焊接方法及设备

一、表面工程技术

1、表面技术

在固体材料表面，采用物理方法、化学方法或生物高分子方法等，对表面进行涂装、处理、形成具有特殊功能的表面层或某种功能的覆盖层。这种表面加工技术称之为表面技术。

上述可见，表面技术研究对象是：固体材料表面层。加工方法是：物理法、化学法、生物高分子法，手段是：涂装、处理、扩散及固定化。研究目的及作用是：形成特殊功能表面层及覆盖层，起到装饰、防护、特殊功能（强化、韧化┅┅）作用。

2、表面技术内容

（1）表面涂装

①机械涂装。刷、喷、浸、淋（有机涂料）。

②化学涂装。化学镀、鎏金、化学气相沉积。

③热涂法。热浸（热镀锌）、热喷涂（金属或非金属）。

④电及电化学涂装。电镀、电泳、静电喷涂、物理气相沉积。

（2）表面处理

①热处理。渗氮、渗碳、喷熔。

②化学处理（化学转化膜）。氧化、发兰、磷化、钝化、铬盐处理。

③清洁处理。机械清洗、化学清洗、超声清洗、激光洗等。

（3）特殊功能层

①半导体工程：晶体管、集成电路等。

②表面生物工程：膜分离技术、酶催化技术等。

3、表面工程技术

表面工程研究的主要目的就是弄清各类金属表面的失效机理并综合运用各种表面技术进行防护（包括已损伤零件的修复和防护）。

表面工程的研究方向

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二、热喷涂技术介绍

1、热喷涂简介

热喷涂技术是表面工程学的重要组成部分。是一种材料表面强化和表面改性的新技术，它可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨、密封等性能。原则上讲可在任何固体物质上喷涂。可喷涂的材料有金属、合金、塑料、陶瓷、金属陶瓷以及它们的复合物等等。

热喷涂技术主要用于对部件的修复，预保护及新产品的制造，可使工件获得所需要的尺寸和性能，可广泛地应用于航天、航空、船舶、汽车、机车、石化、纺织、桥梁、机械制造等领域。并且随着先进的热喷涂方法的出现以及各种喷涂方法的不断完善，这项技术由以往的维修为主发展到当今，已逐渐成为产品制造不可缺少的工艺方法之一，即较广泛地用于新产品的制造。

热喷涂技术具有下述特点：

（1）工艺灵活，适应范围广。热喷涂施工对象可小可大。小的可到10mm 内孔（线爆喷涂），大的可到桥梁、铁塔（火焰线材喷涂、电弧喷涂）。可在实验室、车间内进行真空气氛中喷涂，也可在野外现场作业。可整体喷涂，也可局部喷涂。

（2）基体及喷涂材料广泛。基体可是金属、非金属（包括陶瓷、塑料、石膏、水泥、木材、甚至纸张）。喷涂材料可是金属及其合金、塑料、陶瓷等，可以说，几乎是无所不能喷。这样就有可能通过热喷涂方法制备金属/非金属复合涂层，从而获得用其它方法难以得到的综合性能。

（3）除去火焰喷熔及等离子弧粉末堆焊外，用热喷涂工艺加工的工件受热较少，工件产生的应力变形很小。

（4）生产效率高。热喷涂工艺生产效率从几公斤（每小时喷涂材料重量）到数10 公斤，甚至200 公斤，沉积效率很高。

（5）应用范围广。（下面专门介绍）

2、热喷涂的分类及各种方法简介

按欧洲标准EN657: 1994

各种方法见以下简图

热喷涂的工艺方法有很多，广泛使用的热喷涂方法有：粉末（丝材）火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、超音速喷涂（HVOF）和爆炸喷涂。对于以上方法，各自有其自己的特点，火焰喷涂、电弧喷涂具有设备价格低、操作简单的特点，但其应用受到涂层的性能的限制，而等离子喷涂能喷涂陶瓷类材料具有独特的优势，超音速喷涂（HVOF）为90 年代逐渐商品化的设备，有涂层质密、结合性能好、气孔率低等特点，已在国外广泛地应用。

热喷涂方法由60年代到2000年的国外应用变化情况（见表），从中可看出，到本世纪末，等离子喷涂仍居高导地位，主要在航天、航空、纺织等行业应用，但值得注意的是超音速火焰喷涂（HVOF）的发展将占市场25%的额度。

3、喷涂层的结合机理简介

喷涂层与基材的结合是在以下作用下实现的：

（1）微观机械“夹持”作用

基体的表面从微观上看是凸凹不平的，熔化的颗粒喷射到基体表面后，添满或部分添满表面凹的部分，待冷却后，喷涂材料被机械“夹持”在基体表面。

影响这一作用最主要的因素是熔化颗粒所具有的动能E=1/2mv2

而影响动能的最主要因素是粒子喷射的速度。超音速喷涂正是由于粒子喷射速度的大大提高。极大地提高了粒子所具有的动能，粒子在打到基体表面时，动能转化为机械能量，从而提高了涂层的结合强度。

当然，粒子的质量、基体材料的表面状态等也都影响这种机械夹持作用。

(2) 微观“焊接”作用

温度高的熔液打到基材表面一些尖角部分。会造成基材尖角局部的熔化，从而实现微观“焊接”，影响其因素主要是熔滴的温度。比如钼作为打底材料，除了其质量重（动能大）外，其熔点高达2620℃，这样其熔化质粒子温度是造成结合强度好的重要方面。

（3）扩散作用

扩散效果D=f（t，T）它是时间和温度的函数。随温度的提高，扩散效果好，故喷焊（喷涂，重熔）是充分提高了温度及扩散时间，故其结合强度比单纯喷涂好得多，可达钎焊程度。

4、热喷涂工件的表面预处理

基体金属表面的预处理状况，决定着热喷涂涂层与基体的结合性能，因此对其使用寿命有决定性的影响。

表面预处理包括表面净化，除去金属表面的油脂、其他污物、锈、氧化皮、旧涂层、焊接熔粒，以及对表面的粗化处理。

待喷涂表面必须进行粗化。喷砂粗化是最常用的粗化处理方法之一，它能达到符合技术要求的粗糙度，使涂层与基体很好地啮合，并可去除油污、锈、氧化皮、旧涂层等。其他常用的粗化处理方法如，车螺纹、滚花、电拉毛（亦称镍拉毛）、喷钼和镍包铝等或上述方法的综合使用均可提高涂层与基体的结合强度。

各种粗化方法，对基体材料的疲劳强度有一定的影响。喷砂对低强度材料及未经淬火的零部件，其疲劳强度影响不大，但对高强度的淬火材料就有不同程度的损害；车螺纹、滚花和电拉毛，由于基体材料表面缺口处应力集中，其疲劳强度降低；承载的截面积相应减小，其承载能力下降。在粗化处理中应注意此问题。

在表面预处理过程中，工件必须保持干燥，在不利的气候条件下要采用必要的保护措施。

预处理与喷涂工序之间，工件停留时间应尽可能缩短。晴天或温度高的气候条件下，其停留时间不得超过12h；雨天、潮湿、盐雾或含硫的气候环境下，其停留时间不得超过2h。

工作环境的大气温度至少应高于气温5℃或基体的温度至少高于大气露点3℃。

必要时，还应采取其他有效措施，如遮盖、加热或输入净化、干燥的空气，以便满足工作环境的要求。

热喷涂的先期表面处理DIN 8567

5、常用喷涂材料

关于喷涂材料各国相应的分类及材料标准不尽相同，这里介绍两个标准。

prEN ISO 14919 热喷涂：火焰和电弧喷涂的丝和棒 1998

EN 1274 热喷涂用粉末1996 （标准草案 ISO 14232）

（1）在PrEN ISO 14919 标准中：