2-第8章 金属粉末喷涂和喷焊

线材火焰喷涂典型装置示意图 燃料气； 氧气； 气体流量计； 压缩空气； 1-燃料气；2-氧气；3-气体流量计；4-压缩空气； 空气过滤器； 空气控制器； 线材控制装置； 5-空气过滤器；6-空气控制器；7-线材控制装置；8-线材喷枪
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4．特点及应用 (Characteristics and Application) ．
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粉末注入； 图 1-粉末注入；2-熔化颗粒 涂层； 材料进给； 3-涂层；4-材料进给；5-热喷涂源
2. 涂层结构 (Coating Structure)：
1）涂层层状结构 由大量相互平行的碟形粒子互相粘结而成； 由大量相互平行的碟形粒子互相粘结而成； 2）涂层的多孔结构 ） 粒子碰撞、变形和冷凝等过程的时间极短； 粒子碰撞、变形和冷凝等过程的时间极短； 3）涂层中存在氧化物夹杂 ） 其数量取决于热源、材料和喷涂条件； 其数量取决于热源、材料和喷涂条件； 4）涂层的各向导性： ）涂层的各向导性： 层状结构→各向异性。 层状结构 各向异性。 各向异性 5）涂层残余应力。 ）涂层残余应力。 6）涂层的结构是被微细氧化物和孔洞层错分隔的系列薄片材料的堆 微细氧化物和孔洞层错分隔的系列薄片材料的堆 ）涂层的结构是被微细氧化物和孔洞层错 积层。 积层。 7）涂层经过适当的处理后，其结构会发生变化。例如：涂层经过重 ）涂层经过适当的处理后，其结构会发生变化。例如：涂层经过重 熔处理，就消除了涂层中的氧化物夹杂和孔隙， 熔处理，就消除了涂层中的氧化物夹杂和孔隙，层状结构成为均质 结构，涂层与基体表面的结合状态也发生了变化。 结合状态也发生了变化 结构，涂层与基体表面的结合状态也发生了变化。
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热喷熔:在喷涂过程中或涂 热喷熔 在喷涂过程中或涂 层形成后， 层形成后，对金属基体和 涂层加热， 涂层加热，使涂层在基体 表面熔融， 表面熔融，并和基体产生 扩散或互熔，形成与基材 扩散或互熔， 冶金结合的喷熔层， 冶金结合的喷熔层，称为 的喷熔层 热喷熔（ 热喷熔（Thermal Spraying and Fusing)。 。
(第8章 金属粉末喷涂和喷焊 第 章 金属粉末喷涂和喷焊)
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第八章 热喷涂技术 Thermal Spray Technology
重点：热喷涂修复方法的原理、特点及应用范围， 艺的选择。 重点：热喷涂修复方法的原理、特点及应用范围，热喷涂修复工 艺的选择。 修复方法的原理 难点：热喷涂修复中涂层结构设计及涂层制备方法的选择。 难点：热喷涂修复中涂层结构设计及涂层制备方法的选择。
1) 特点： 特点： (1)喷涂方法简便，设备简单； 喷涂方法简便，设备简单； 喷涂方法简便 (2)火焰温度低，气流速度不高，因而颗粒打击力小，涂层致密度较差； 火焰温度低，气流速度不高，因而颗粒打击力小，涂层致密度较差； 火焰温度低 (3)涂层中含有一定量的氧化物。 涂层中含有一定量的氧化物 涂层中含有一定量的氧化物。 2) 应用： 应用： (1) 目前国内大多用于制备锌、铝长效防护涂层； 目前国内大多用于制备锌 铝长效防护涂层； 制备锌、 (2) 不锈钢、镍铬及有色金属防腐涂层； 不锈钢、镍铬及有色金属防腐涂层 防腐涂层； (3) 碳钢、铬钢恢复尺寸涂层以及耐磨涂层等。 碳钢、铬钢恢复尺寸涂层以及耐磨涂层 耐磨涂层等
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热喷涂的局限性： 热喷涂的局限性：
1. 一般用喷涂方法制备的涂层，涂层结合强 一般用喷涂方法制备的涂层， 度及密度受到一定限制。 度及密度受到一定限制。 2. 对于喷涂面积小的工件，沉积效率低，不 对于喷涂面积小的工件，沉积效率低， 经济。 经济。 一般喷涂方法操作环境较恶劣 操作环境较恶劣， 3. 一般喷涂方法操作环境较恶劣，要求采取 劳动保护和环境保护措施。 劳动保护和环境保护措施。 难以对涂层质量进行非破坏性检查 非破坏性检查。 4. 难以对涂层质量进行非破坏性检查。
1）氧气及乙炔供给系统： 氧气及乙炔供给系统： 由气源、 由气源、压力及流量调 节装置， 节装置，回火防止管及 输氧管道等组成； 输氧管道等组成； 压缩空气供给系统： 2）压缩空气供给系统：由 空气压缩机和空气净化 装置（ 装置（冷凝器和油水分 离器组成）构成； 离器组成）构成； 线材盘架； 3）线材盘架； 气喷枪： 4）气喷枪：它主要由机动 部分、 部分、混合头部分及手 柄部分组成，国产SQP SQP柄部分组成，国产SQP-1 型气喷枪分高速、 型气喷枪分高速、中速 两种规格， 两种规格，前者用喷涂 铝等低熔点金属， 镁、铝等低熔点金属， 后者用于喷涂钼、 后者用于喷涂钼、钢等 高熔点金属。
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除喷熔外，热喷涂工艺对基体材料热影响较小， 基体材料热影响较小 6. 除喷熔外，热喷涂工艺对基体材料热影响较小，并且可以进 行控制，它不会影响基体金属的金相组织和机械性能。 行控制，它不会影响基体金属的金相组织和机械性能。 能使涂层具有耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温、隔热、导电、 7. 能使涂层具有耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温、隔热、导电、 绝缘、密封、减磨、辐射及电子发射等不同功能或使涂层具有复合功 绝缘、密封、减磨、辐射及电子发射等不同功能或使涂层具有复合功 能。 热喷涂的生产率高，对于大多数热喷涂工艺方法， 8. 热喷涂的生产率高，对于大多数热喷涂工艺方法，其生产率 生产率高 可达每小时数公斤 有的方法甚至可达每小时数十公斤 每小时数公斤， 每小时数十公斤。 可达每小时数公斤，有的方法甚至可达每小时数十公斤。 与其他堆焊方法比较，火焰喷熔层和等离子喷熔层的冲淡率 9. 与其他堆焊方法比较，火焰喷熔层和等离子喷熔层的冲淡率 较低，而且表面成形平整、光滑、加工余量少，节省合金材料。 较低，而且表面成形平整、光滑、加工余量少，节省合金材料。 废旧件采用热喷涂修复后， 10. 废旧件采用热喷涂修复后，还能比新件具有更高的性能和 更长的使用寿命。 更长的使用寿命。
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二、涂层的结合机理 （Bonding Mechanisms of Coatings） ）
涂层的结合包括涂层与基体表面的结合及涂层中粒子与粒子的结合。 涂层的结合包括涂层与基体表面的结合及涂层中粒子与粒子的结合。 涂层与基体表面的结合 前者的结合强度称为结合力；后者的结合强度称为内聚力。 前者的结合强度称为结合力；后者的结合强度称为内聚力。 结合力 内聚力 1. 机械结合 熔融状态的喷涂粒子在与基本表面碰撞时， 熔融状态的喷涂粒子在与基本表面碰撞时，其变形粒子与基体表面的 凹凸粗糙面机械地咬合，这种结合被 称为“抛锚效应”，例如等离子或氧乙 称为“抛锚效应” 凹凸粗糙面机械地咬合， 炔喷涂陶瓷材料时 涂层和基体的结合就属于机械结合。 炔喷涂陶瓷材料时，涂层和基体的结合就属于机械结合。 陶瓷材料 2. 物理结合 涂层与基体表面的粘附是由范德瓦耳斯力所引起的。 涂层与基体表面的粘附是由范德瓦耳斯力所引起的。 范德瓦耳斯力所引起的 3. 化学或显微冶金结合 当基体表面被高温微粒熔化和与它们发生反应而形成金属间化合物时 当基体表面被高温微粒熔化和与它们发生反应而形成金属间化合物时，其涂层和 金属间化合物 基体表面的结合称为化学结合。当喷涂粒子与基体表面原子形成互相扩散时， 基体表面的结合称为化学结合。当喷涂粒子与基体表面原子形成互相扩散时，就称为 化学结合 原子形成互相扩散时 显微冶金结合。 一般来说，涂层与基体表面的结合以机械结合为主。 机械结合为主 显微冶金结合。 一般来说，涂层与基体表面的结合以机械结合为主。
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成热能传给基材，并沿预处理的凹 成热能传给基材， 凸不平表面产生变形， 凸不平表面产生变形，变形的颗粒 迅速冷凝并产生收缩， 迅速冷凝并产生收缩，呈扁平状粘
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结在基材表面。 结在基材表面。喷涂的粒子束接连 不断地冲击基材表面，产生碰撞不断地冲击基材表面，产生碰撞-变 碰撞
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收缩的过程， 形-冷凝收缩的过程，变形颗粒与基 冷凝收缩的过程 材表面之间， 材表面之间，以及颗粒与颗粒之间 互相交错地粘结在一起， 互相交错地粘结在一起，从而形成 涂层。 涂层。
§8-1 热喷涂原理及特点 Principle and Characteristics of Thermal Spray 1 热喷涂原理 (Principle of Thermal Spray) 1. 定义 定义(Definition)： ： 热喷涂:是利用热源将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态， 热喷涂 是利用热源将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，借 是利用热源将喷涂材料加热到熔化 状态 助于焰流或外加的推力将熔滴雾化或推动熔粒成喷射的粒束， 助于焰流或外加的推力将熔滴雾化或推动熔粒成喷射的粒束，以 熔滴雾化或推动熔粒成喷射的粒束 一定速度喷射到经过制备的基体表面形成某种功能的涂层。 一定速度喷射到经过制备的基体表面形成某种功能的涂层。
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§8-2
热喷涂方法和设备
Methods and Equipment of Thermal Spray 1 线材火焰喷涂 （Wire Flame Spraying） ）
基本原理: 1. 基本原理: 喷枪通过气阀分别引入乙炔、 喷枪通过气阀分别引入乙炔、 氧气和压缩空气， 氧气和压缩空气，乙炔和氧气 混合后在喷咀出口处燃烧， 混合后在喷咀出口处燃烧，不 燃烧 断送进的丝材被氧断送进的丝材被氧-乙炔火焰 加热熔化，然后， 加热熔化，然后，由通过气帽 压缩空气将其雾化成粒子， 的压缩空气将其雾化成粒子， 并被喷射到基体表面形成涂层。 并被喷射到基体表面形成涂层。
பைடு நூலகம்热 喷 涂
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4 热喷涂特点（Characteristics of Thermal Spray） 热喷涂特点（ ） 喷涂材料的选择范围广泛, 1. 喷涂材料的选择范围广泛,它几乎包括所有的固体 材料；如金属及其合金，各种陶瓷及金属陶瓷、 材料；如金属及其合金，各种陶瓷及金属陶瓷、塑料和各 种类型的复合材料等。 种类型的复合材料等。 选择合适的工艺方法几乎能在任何固体材料表面 2. 选择合适的工艺方法几乎能在任何固体材料表面 上进行喷涂。 上进行喷涂。 一般不受施工场所的限制，既可以在室内喷涂， 3. 一般不受施工场所的限制，既可以在室内喷涂， 不受施工场所的限制 又可以现场施工。 又可以现场施工。 一般不受工件尺寸及形状限制， 4. 一般不受工件尺寸及形状限制，既可对大型构件 进行大面积喷涂，也可以对工件进行局部喷涂。 进行大面积喷涂，也可以对工件进行局部喷涂。 涂层厚度可以在几十微米到几毫米范围内控制 可以在几十微米 范围内控制， 5. 涂层厚度可以在几十微米到几毫米范围内控制， 因此可作薄涂层或厚涂层使用。 因此可作薄涂层或厚涂层使用。
线材火焰喷涂原理示意图 涂层； 燃烧火焰； 空气帽； 1-涂层；2-燃烧火焰；3-空气帽； 气体喷嘴； 线材或棒材； 氧气； 4-气体喷嘴；5-线材或棒材；6-氧气； 乙炔； 压缩空气； 喷涂射流；107-乙炔；8-压缩空气；9-喷涂射流；10-基体
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2. 涂层特性 (Coating Characteristics):
1) 涂层结构为明显的层状结构 涂层结构为明显的层状结构 层状结构; 2) 涂层中含有明显的气孔和氧化物夹渣 涂层中含有明显的气孔 氧化物夹渣; 气孔和 3) 涂层结合强度为10~30MPa; 涂层结合强度 结合强度为 4) 涂层气孔隙为10 % ~15%。 涂层气孔隙 气孔隙为 。
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3．设备组成 (Equipment Composition)： ． ：
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2. 热喷涂过程 (Thermal Spray
热喷涂原理
Process)： ： 1）喷涂材料被加热熔化； 喷涂材料被加热熔化； 2）熔滴雾化； 熔滴雾化； 3）高速飞行； 高速飞行；
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4）与基体表面的碰撞变形及淬冷凝固。 与基体表面的碰撞变形及淬冷凝固。 在产生碰撞瞬间， 在产生碰撞瞬间，颗粒的动能转化
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3 热喷涂分类（Classify of Thermal Spray） 热喷涂分类（ ）
线材火焰喷涂、 线材火焰喷涂、棒材火焰喷涂 粉末火焰喷涂、 气体燃烧火焰法 粉末火焰喷涂、爆炸喷涂 超音速火焰喷涂、 超音速火焰喷涂、粉末火焰喷熔 电弧喷涂 大气等离子喷涂 真空等离子喷涂 气体放电法 等离子喷涂 保护气体等离子喷涂 水稳等离子喷涂 超音速等离子喷涂 等离子喷熔 电热法：高频喷涂、线材电爆喷涂 电热法：高频喷涂、 激光热源：激光喷涂、 激光热源：激光喷涂、激光喷熔