表面工程学-第二章热喷涂技术 (2)
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第二章 热喷涂技术
定义： 热喷涂—是将喷涂材料加热到熔融或半熔 融状态，用高速气流将其雾化、加速，使其高 速喷射到工件表面形成具有特殊性能的涂层。
热喷涂TiC
第一节 热喷涂的原理及分类
1.1 热喷涂的基本 原理
一、基本过程 1. 加热、加速、熔化 （颗粒状） 2. 雾化（10-100 μm ），再加速--形成高速粒子流。 3. 熔融与半熔融的高 速粒子流撞击到基 材，变形、凝固， 形成涂层。
Materials Dr, cm2/s Dmax, μm ZrO2 0.005 26 TiC 0.04 72 TiN 0.07 96 TaC 0.09 110
显然，TaC最易喷涂----实际上仍是Dr所决定 ③ 材料的粒径： D↓--T↑、v ↑--结合力↑，涂层质量↑ D太小--价格↑，且易被气流带走。
涂层的形成
二、涂层与基体间的结合强度 1 机械结合： 高速粒子—撞击—粒子微变形—咬合 可见，表面粗化有利于结合强度提高。 2 金属键结合： 当颗粒与基体表面达到原子间距时，会产生金 属键结合。----理论上的确存在，实际上作用极小 3 微扩散结合：高速、高温、熔融或半熔融的粒子撞击到基体 表面，在界面上会造成微小的扩散，使结合力增加。 但，此结合力贡献不大，因为基体温度只有200℃左右。 机械结合-----为主 金属键结合—很小 一般而言，热喷涂涂层结合强度较低！ 微扩散结合—很小 只相当于其母体材料的5~30%。 4 冶金结合：Ni-Al粉，T=660℃时自反应放热—基体表面 T↑↑—形成冶金结合—结合力最好。特指中间过渡层！！ 总之，热喷涂涂层结合力↓↓，但工艺简单。
1.3 热喷涂技术的特点
1.
2. 3. 4. 5.
6.
可在各种基体上制备各种材质的涂层：金属、陶瓷、金属陶瓷以 及工程塑料等都可用作热喷涂的材料；几乎所有固体材料都可以 作为热喷涂的基材。 基体温度低：基材温度一般在30~200℃之间，因此变形小。 操作灵活：可喷涂各种规格和形状的物体，特别适合于大面积涂 层，并可在野外作业。 涂层厚度可控, 范围宽：从几十微米到几毫米的涂层都能制备。 喷涂效率高、成本低：生产效率为每小时数公斤到数十公斤。 局限性：主要体现在热效率低，材料利用率低、浪费大和涂层与 基材结合强度较低三个方面。 尽管如此，热喷涂技术仍然以其独特的优点获得了广泛的应用。
S 近距 中距 远距
T
v
加热不充分，T↓
加速不充分，v↓
~100mm左右T、v 最高
远离热源，冷却，T↓
空气阻力， v↓
总而言之，喷涂工艺问题就是T、v问题
2. 喷涂材料的影响 ①材料成分----决定材料的热扩散系数Dr Dmax=3.65(Dr×t)1/2 其中Dmax为粉末在喷涂过程中能达到距表面90%深度处于 熔融状态（半熔融）时的最大直径；t为加热时间 显然，若粉末直径相同时，Dmax越大，粉末熔融程度越高。 ② 几种典型材料的Dr及Dmax
涂层后处理包括后热处理（重熔处理和扩散处理）及封
孔处理。
涂层后加工包括切削和磨削，切削热喷涂涂层较好的刀
具有以下3类：（1）添加碳化钽、碳化铌的超细晶粒硬
质合金；（2）陶瓷刀具材料；（3）立方氮化硼 （CBN）。 热喷涂涂层的精加工通常采用磨削方法，因为它可以获 得更高的精度与更好的表面粗糙度。
第二节 典型热喷涂简介
2.
裂纹 原因：同上，涂层中拉应力小于膜基结合强度而又大于涂层的抗 拉强度时，涂层开裂。 措施：每次喷涂，薄而均匀(﹤0.15mm)。太厚，收缩应力↑ ↑ 涂层T不要太高，否则收缩应力↑ ↑ (矛盾！因T ↓，结合力↓，涂层易剥落。) 工件预热，缓慢冷却，收缩应力↓ 3. 多孔疏松 原因： 孔隙率：2-20%。--是喷涂难题之一 措施： ↑粉末T，全熔最好—但应力又↑ 垂直喷射—事实上不可能
1.2 热喷涂涂层的质量及影响因素
一、热喷涂涂层常见的缺陷及预防措施 1. 涂层剥落 原因：冷却时涂层与基体收 缩不一致，涂层中产生拉应力。 结合强度低于涂层拉 应力时，剥落。 措施：工件表面--清洁、粗糙 喷涂颗粒—速度↑、 T↑ 工件预热-- ↓涂层应力 涂层保护点—在工件边 缘预置小槽，或堆焊一周。
表面预处理
表面粗化
预热
喷涂
封孔
热喷涂基体表面预处理 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。 喷砂、车螺纹、滚花和电拉毛。
涂层后处理和后加工
二、影响热喷涂涂层质量的主要因素 1. 喷பைடு நூலகம்工艺的影响 ①工艺方法：
火焰 等离子 ~16000 ℃ 350m/s 电弧 7400 ℃ 200m/s 爆炸 5000 ℃ 720m/s 超音速 2900 ℃ 986m/s
T v
~3000℃ 50-200m/s
②粉体在加热介质中的运行时间t----t↑，T↑ ③粉体在加速介质中的运行时间t----t↑，v↑ ② 、 ③都取决于工件与喷嘴间的距离s，
常用热喷涂的工艺分类
热 喷 涂 工 艺
燃 烧 法
电 加 热 法
火 焰 喷 涂
爆 炸 喷 涂
电 弧 喷 涂
等 离 子 喷 涂
线 材 火 焰 喷 涂
粉 末 火 焰 喷 涂 超 音 速 火 焰 喷 涂 大 气 等 离 子 喷 涂 低 压 等 离 子 喷 涂 感 应 等 离 子 喷 涂 水 稳 等 离 子 喷 涂
2.1 火焰喷涂
火焰喷涂的基本原理是通过乙炔、氧气喷嘴出口 处产生的火焰，将线材（棒材）或粉末材料加热熔 化，借助压缩空气使其雾化成微细颗粒，喷向经预 先处理的粗糙工件表面使之形成涂层。燃烧气体还 可以用丙烷、氢气或天然气等。
1.4 热喷涂的一般工艺流程
一、表面预处理 去油、脱脂、除锈、去尘---- ↑结合力 二、表面粗化 喷砂----增大接触面积 开槽----增加结合点 ↑结合力 三、预热 ↑微扩散，↓热应力----↑结合力 除去表面冷凝物、潮气---- ↓气孔率 四、喷涂 喷底层(Ni包Al，Al包Ni)--粗化， ↑结合力 喷涂层----0.15-0.2mm/次，总厚度﹤2mm 五、封孔 工件加热到~95℃，涂上石蜡----防腐蚀
定义： 热喷涂—是将喷涂材料加热到熔融或半熔 融状态，用高速气流将其雾化、加速，使其高 速喷射到工件表面形成具有特殊性能的涂层。
热喷涂TiC
第一节 热喷涂的原理及分类
1.1 热喷涂的基本 原理
一、基本过程 1. 加热、加速、熔化 （颗粒状） 2. 雾化（10-100 μm ），再加速--形成高速粒子流。 3. 熔融与半熔融的高 速粒子流撞击到基 材，变形、凝固， 形成涂层。
Materials Dr, cm2/s Dmax, μm ZrO2 0.005 26 TiC 0.04 72 TiN 0.07 96 TaC 0.09 110
显然，TaC最易喷涂----实际上仍是Dr所决定 ③ 材料的粒径： D↓--T↑、v ↑--结合力↑，涂层质量↑ D太小--价格↑，且易被气流带走。
涂层的形成
二、涂层与基体间的结合强度 1 机械结合： 高速粒子—撞击—粒子微变形—咬合 可见，表面粗化有利于结合强度提高。 2 金属键结合： 当颗粒与基体表面达到原子间距时，会产生金 属键结合。----理论上的确存在，实际上作用极小 3 微扩散结合：高速、高温、熔融或半熔融的粒子撞击到基体 表面，在界面上会造成微小的扩散，使结合力增加。 但，此结合力贡献不大，因为基体温度只有200℃左右。 机械结合-----为主 金属键结合—很小 一般而言，热喷涂涂层结合强度较低！ 微扩散结合—很小 只相当于其母体材料的5~30%。 4 冶金结合：Ni-Al粉，T=660℃时自反应放热—基体表面 T↑↑—形成冶金结合—结合力最好。特指中间过渡层！！ 总之，热喷涂涂层结合力↓↓，但工艺简单。
1.3 热喷涂技术的特点
1.
2. 3. 4. 5.
6.
可在各种基体上制备各种材质的涂层：金属、陶瓷、金属陶瓷以 及工程塑料等都可用作热喷涂的材料；几乎所有固体材料都可以 作为热喷涂的基材。 基体温度低：基材温度一般在30~200℃之间，因此变形小。 操作灵活：可喷涂各种规格和形状的物体，特别适合于大面积涂 层，并可在野外作业。 涂层厚度可控, 范围宽：从几十微米到几毫米的涂层都能制备。 喷涂效率高、成本低：生产效率为每小时数公斤到数十公斤。 局限性：主要体现在热效率低，材料利用率低、浪费大和涂层与 基材结合强度较低三个方面。 尽管如此，热喷涂技术仍然以其独特的优点获得了广泛的应用。
S 近距 中距 远距
T
v
加热不充分，T↓
加速不充分，v↓
~100mm左右T、v 最高
远离热源，冷却，T↓
空气阻力， v↓
总而言之，喷涂工艺问题就是T、v问题
2. 喷涂材料的影响 ①材料成分----决定材料的热扩散系数Dr Dmax=3.65(Dr×t)1/2 其中Dmax为粉末在喷涂过程中能达到距表面90%深度处于 熔融状态（半熔融）时的最大直径；t为加热时间 显然，若粉末直径相同时，Dmax越大，粉末熔融程度越高。 ② 几种典型材料的Dr及Dmax
涂层后处理包括后热处理（重熔处理和扩散处理）及封
孔处理。
涂层后加工包括切削和磨削，切削热喷涂涂层较好的刀
具有以下3类：（1）添加碳化钽、碳化铌的超细晶粒硬
质合金；（2）陶瓷刀具材料；（3）立方氮化硼 （CBN）。 热喷涂涂层的精加工通常采用磨削方法，因为它可以获 得更高的精度与更好的表面粗糙度。
第二节 典型热喷涂简介
2.
裂纹 原因：同上，涂层中拉应力小于膜基结合强度而又大于涂层的抗 拉强度时，涂层开裂。 措施：每次喷涂，薄而均匀(﹤0.15mm)。太厚，收缩应力↑ ↑ 涂层T不要太高，否则收缩应力↑ ↑ (矛盾！因T ↓，结合力↓，涂层易剥落。) 工件预热，缓慢冷却，收缩应力↓ 3. 多孔疏松 原因： 孔隙率：2-20%。--是喷涂难题之一 措施： ↑粉末T，全熔最好—但应力又↑ 垂直喷射—事实上不可能
1.2 热喷涂涂层的质量及影响因素
一、热喷涂涂层常见的缺陷及预防措施 1. 涂层剥落 原因：冷却时涂层与基体收 缩不一致，涂层中产生拉应力。 结合强度低于涂层拉 应力时，剥落。 措施：工件表面--清洁、粗糙 喷涂颗粒—速度↑、 T↑ 工件预热-- ↓涂层应力 涂层保护点—在工件边 缘预置小槽，或堆焊一周。
表面预处理
表面粗化
预热
喷涂
封孔
热喷涂基体表面预处理 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。 喷砂、车螺纹、滚花和电拉毛。
涂层后处理和后加工
二、影响热喷涂涂层质量的主要因素 1. 喷பைடு நூலகம்工艺的影响 ①工艺方法：
火焰 等离子 ~16000 ℃ 350m/s 电弧 7400 ℃ 200m/s 爆炸 5000 ℃ 720m/s 超音速 2900 ℃ 986m/s
T v
~3000℃ 50-200m/s
②粉体在加热介质中的运行时间t----t↑，T↑ ③粉体在加速介质中的运行时间t----t↑，v↑ ② 、 ③都取决于工件与喷嘴间的距离s，
常用热喷涂的工艺分类
热 喷 涂 工 艺
燃 烧 法
电 加 热 法
火 焰 喷 涂
爆 炸 喷 涂
电 弧 喷 涂
等 离 子 喷 涂
线 材 火 焰 喷 涂
粉 末 火 焰 喷 涂 超 音 速 火 焰 喷 涂 大 气 等 离 子 喷 涂 低 压 等 离 子 喷 涂 感 应 等 离 子 喷 涂 水 稳 等 离 子 喷 涂
2.1 火焰喷涂
火焰喷涂的基本原理是通过乙炔、氧气喷嘴出口 处产生的火焰，将线材（棒材）或粉末材料加热熔 化，借助压缩空气使其雾化成微细颗粒，喷向经预 先处理的粗糙工件表面使之形成涂层。燃烧气体还 可以用丙烷、氢气或天然气等。
1.4 热喷涂的一般工艺流程
一、表面预处理 去油、脱脂、除锈、去尘---- ↑结合力 二、表面粗化 喷砂----增大接触面积 开槽----增加结合点 ↑结合力 三、预热 ↑微扩散，↓热应力----↑结合力 除去表面冷凝物、潮气---- ↓气孔率 四、喷涂 喷底层(Ni包Al，Al包Ni)--粗化， ↑结合力 喷涂层----0.15-0.2mm/次，总厚度﹤2mm 五、封孔 工件加热到~95℃，涂上石蜡----防腐蚀