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1、第4章 热喷涂技术,教材： 材料表面工程技术李慕勤 化学工业出版社,4.1 热喷涂的原理和特点,4.1.1热喷涂的定义热喷涂技术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，从而形成涂层的技术,4.1.2热喷涂基本原理,（1）热喷涂的基本过程 喷涂材料的熔化熔化的喷涂材料的雾化粒子的飞行阶段粒子的喷射阶段,涂层的形成,撞击，动能转变为热能，同时粒子在凹凸不平表面发生变形，形成扁平状粒子，并迅速凝固成涂层。重复上述过程,冲 击 碰 撞 变 形 凝固-收缩,（2）涂层的结构,利用热源将喷涂材料融化或软化，借助热源本身动力或外加的
2、压缩空气流，将喷涂材料雾化成微粒，形成快速的离子流，然后喷射到基材表面获得表面涂层。虽然热喷涂方法多，但喷涂过程、涂层形成和涂层结构基本相同主要取决于形成过程,（3）涂层结合方式,包括涂层与基材的结合（结合力）及涂层之间的结合（内聚力）。涂层与基体间的结合机理，未有统一定论机械结合，又称抛锚效应。与表面粗糙程度密切相关。越粗糙，结合力越好。物理结合。界面两侧紧密接触的距离达到原子晶格常数范围内时，产生范德华力，提高基体与涂层的结合强度。要求表面干净且处于活化状态。喷砂可使基体表面异常清洁并处于高活性，喷砂后立即喷涂扩散结合。撞击时高温使接触界面发生相互扩散，结果是界面两侧微小范围内形成一层固溶
3、体或金属间化合物，增加涂层与基体结合强度。冶金结合。基体预热，或喷涂粒子具有高的熔化潜热，或喷涂粒子本身发生放热化学反应，熔融态的粒子与局部熔化的基体间发生“焊合”现象，形成微区冶金结合。不太强,涂层间结合：以机械结合为主，物理结合、扩散结合、冶金结合、晶体外延结合等综合作用也有一定效果,（四）涂层残余应力,当熔融颗粒碰撞基体表面时，在产生变形的同时，受到激冷而凝固，从而产生微观收缩应力，涂层的外层受拉应力；基体，有时也包括涂层的内层则产生压应力。涂层的这种残余应力是由喷涂热条件及喷涂材料与基体材料物理性质的差异所造成的，它影响涂层质量；而且这种应力随涂层厚度的加大而增加，最终导致涂层断裂或从
4、基体上剥离。以不同的热膨胀或热接触引起的应力，可以通过控制基体温度而减少到某种程度。最好还是进行适当的预处理，以使应力分散，并限制其收缩应变，如吹砂后的粗糙表面能抑制和控制这种收缩应变。较大的粗糙度，即宏观粗化，如开沟槽、车螺纹等，不但有助于涂层结构的形成，而且可以使收缩应力限制在局部范围内，亦能使片状涂层结构折叠，从而进一步分散应力。,薄涂层一般比厚涂层更加经久耐用。喷涂方法和涂层结构也影响涂层应力水平。致密涂层中的残余应力比疏松涂层的要大。涂层应力大小还可通过调整喷涂工艺参数进行控制，但更有效的方法是通过涂层结构设计，采用梯度过渡涂层可大大降低残余应力。,4.1.3热喷涂的种类和特点,1、
5、种类主要根据热源分类气体燃烧热源：线材火焰喷涂、棒材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、超音速火焰喷涂、粉末火焰喷涂气体放电热源：电弧喷涂、等离子喷涂、等离子喷焊电热热源：电容放电喷涂、感应加热喷涂爆炸热源：燃气重复爆炸喷涂、线材电爆喷涂激光热源：激光喷涂、激光喷焊,（2） 热喷涂特点,适用面宽 热喷涂材料种类广泛。金属及其合金、陶瓷、塑料、尼龙以及他们的复合材料都可用作喷涂材料。工艺灵活 基体材料使用范围广。几乎所有的固体材料表面都可以热喷涂，一般也不受零件尺寸及场地的限制，即可进行大面积喷涂，也可进行局部喷涂。基体变形小 基体材料受影响小。喷涂时可使基体控制在较低温度，所以基体变形小，组织和性能变形小
6、，保证了基体质量基本不受影响。厚度可调 涂层厚度可以控制。涂层厚度从几十微米到几微米，可根据要求确定。生产率高 大多数都能达到每小时数千克的喷涂量，生产率甚至可超过50kg/h操作环境较差。存在粉尘、盐雾和噪音等问题，因此需要加强防护措施。,4.2热喷涂材料,4.2.1热喷涂材料的分类及特点热喷涂材料是涂层的原始材料，在很大程度上决定了涂层的物理和化学性能。（1）热喷涂材料的分类（2）热喷涂材料的特点,分类：线材：喷涂设备简单，操作方便，耗能少，成本低，工艺因素影响小，涂层质量稳定。 粉末：不受线材成型工艺的限制，成本低，来源广，组元间可按任意比例调配，组成各种组合粉、复合粉，从而得到相图上存
7、在或不存在的相组织，获得某些特殊性能。特点：热稳定性好：热喷涂材料在喷涂过程中，必须能够耐高温，即在高温下不改变性能。使用性能好：根据工件要求，所得涂层应该满足各种使用要求，即喷涂材料也必须具有相应性能。润湿性好：润湿形好，则得到的涂层与基体的结合强度高，自身密度好，且涂层也平整。固态流动性好（粉末）：流动性（与粉末形状，湿度，粒度有关）好，才能保证送粉的均匀性。热膨胀系数合适：若涂层与工件热膨胀系数相差甚远，则可能导致工件在喷涂后冷却过程中引起涂层龟裂。,4.2.2热喷涂线材,线材是最早应用的热喷涂材料，只有塑性好的材料才能做成线材。热喷涂线材包括非复合喷涂线材和复合喷涂线材。（1）非复合喷
8、涂线材只含一种金属或合金，通过普通拉拔方法制成。常见的有 Zn及Zn合金喷涂丝 Al及Al合金喷涂丝 Cu及Cu合金喷涂丝 Ni及Ni合金喷涂丝 不锈钢喷涂丝 Mo喷涂丝 碳钢及低合金钢喷涂丝,Al及Al合金：一般为纯Al或Al-Si合金线材，主要用于腐蚀保护，抗高温氧化。Zn及Zn合金：一般为Zn或Zn-Al合金线材，主要用于大气及水中的腐蚀防护。Cu及Cu合金：一般纯Cu丝用于导电及塑像工艺品，黄铜丝主要用于修复、耐磨、装饰,铝青铜用于酸性介质中的耐蚀涂层。Ni及Ni合金：一般为Ni及Ni-Cr,Ni-30%Cu（蒙乃尔合金），主要用于耐蚀、耐磨、耐高温氧化。Sn及Sn合金：主要用于轴承，
9、轴瓦等滑动部件的耐磨涂层。Fe及Fe合金：普通碳钢丝，低合金钢丝等主要用于修复和耐磨；不锈钢丝用于防腐蚀，Fe-Cr-Al丝主要用于抗高温氧化。Pb及Pb合金：主要用于滑动耐磨涂层和防护涂层。Mo：主要用于打底层和耐浓盐酸涂层。,（2）复合喷涂线材复合喷涂线材就是把两种或两种以上的材料复合而制成的喷涂线材，复合喷涂线材中大部分是增效复合喷涂线材，即在喷涂过程中不同组元相互发生热反应生成化合物，反应热与火焰热相叠加，提高了熔滴温度，达到基体后会使基体局部熔化产生短时高温扩散，形成显微冶金结合，从而提高结合强度。常用的有：Ni-Al复合丝、Al-Cr,Al-Nb, Al-Ta, Al-B, Al-
10、Ni-WC,Al-Ni-Cr,Al-Ni-Al2O3等线材。利用组员对放热反应，再加入其它强化组元可制成自结合一步喷涂丝。这种丝的特点是兼有打底层及工作层的性能，利用放热方法可使涂层结合牢固，又因其它组元的强化作用而得到高的综合性能。如不锈钢Ni/Al丝、NiAlMo丝等。,制造复合喷涂线材常用的复合方法有：丝-丝复合法：将各种不同的组分的丝绞、轧成一股。丝-管复合法：将一种或多种金属丝穿入某种金属管中压轧而成。粉-管复合法：将一种或多种粉末装入金属管中加工成丝。粉-皮压结复合法：将粉末包在金属壳内加工成丝。粉-粘合剂复合法：把多种粉末用粘合剂混合挤压成丝。,4.2.3热喷涂粉末,1、非复合喷
11、涂粉末金属及合金粉末：大量应用的合金粉末主要是Ni基、Fe基、Co基、Cu基合金粉末，一般都可用水雾法、气雾法或其它方法制得。喷涂合金粉末（也称冷喷合金粉末）：这种粉末不需要或不能进行重熔处理。按其用途分为打底层粉末和工作层粉末。打底层粉末用来增加涂层与基体的结合强度；工作层粉末保证涂层具有所要求的性能。喷熔合金粉末（又称自熔性合金粉末）：因合金中加入了强烈的脱氧元素（如Si.B），在重熔过程中她们优先与合金粉末中的氧和工件表面的氧化物作用，生成低熔点的鹏硅酸盐覆盖在表面，防止液态金属氧化，改善对基体的润湿能力，起到良好的自熔剂作用。,陶瓷材料粉末：热喷涂陶瓷粉末主要是指金属氧化物（如Al2O
12、3、TiO2等）、碳化物（如WC、SiC等）、硼化物（如ZrB2、CrB2等）、硅化物（如MoSi2 等）、氮化物（如VN、TiN等）。塑料粉末：塑料涂层具有美观、耐蚀的性能，有热塑性（受热熔化或冷却时凝固，如聚乙烯，尼龙粉等）和热固性（受热产生化学变化，固化成型，环氧树脂，酚醛树脂等）两类。,2、复合喷涂粉末复合粉末是指单颗粒由两种或两种以上不同成分的固相材料所组成，并存在明显的相界面，组元间一般为机械组合。其分类为：包覆型粉：由一种或几种成分作为外壳，均匀连续或星点间断地包覆由一种或几种成分组成的核心的粉体，包覆层与核心的重量比可从1%99%，包覆层的宏观厚度最低可为23微米。组合型粉：由
13、不同相混杂而成的颗粒，没有核壳之分。 包覆型粉的制备可采用气相沉积法（包括热分解法、高温沉积法及氢还原法等）和液相沉积法。组合型复合粉的制备可采用热扩散法、共还原法、烧结破碎法、混和团聚法。,复合粉技术和产品的发展是热喷涂技术的重要突破，为涂层性能的提高和优化设计开辟了宽广的领域，这是因为： 复合粉的粉粒是非均相体，在热喷涂作用下形成广泛的材料组合，从而使涂层具有多功能性。 复合材料之间在喷涂时可发生某些希望的有利反应，改善喷涂工艺，提高涂层质量。 包覆型复合粉的外壳，在喷涂时可对核心物质提供保护，使其免于氧化和受热分解。,常见的复合粉末有： Ni-Al复合粉末应用最广，包括镍包铝和铝包镍两种
14、，均具有自黏结功能。 自黏结一次性粉末 是将自黏结复合粉末与工作粉末融为一体，在喷涂过程中既有放热反应产生自黏结效应，同时形成的涂层又具有工作层的性能要求。 工作复合粉末不具有自黏结性，喷涂前需先喷涂打底层。常见的有：硬质耐磨粉末；减摩自润滑复合粉末；耐高温和隔热复合粉末；绝缘及导电粉末。,工艺过程：工件表面预处理预热喷涂后处理,4.3热喷涂工艺,4.3.1工件表面预处理,要求表面洁净、有一定粗糙度表面净化除油、除锈、去污，露出新鲜金属表面酸洗或喷砂：除锈、去氧化皮有机溶剂或碱水：去油污对于多孔材料，将工件加热到250450，去除微孔中的油脂，再喷砂去除表面积碳表面粗化提高涂层和基体的结合强度
15、车削、磨削、喷砂、拉毛,4.3.2预热,作用降低涂层与基体表面的温度差而产生的内应力，防止涂层的开裂和剥落去除工件表面的水分提高工件表面与熔粒的接触温度，加速熔粒的变形和咬合，提高沉积速度方法喷枪加热电阻炉加热温度不高也可放在表面预处理之前,4.3.3喷涂,喷涂打底层（过渡层）提高涂层与基体的结合强度工作层为陶瓷脆性材料、基体为金属材料，效果最明显厚度：0.100.15mm，超过2.0mm，结合强度下降常用打底层材料Mo、Ni-Al复合材料、Ni-Cr复合材料（表4-2）喷涂工作层根据工件要求的表面性能选择喷涂材料厚度不小于2.0mm影响因素见图4-8,4.3.4后处理,封孔处理腐蚀条件下的涂
16、层进行封孔处理耐热涂层封孔后，氧化性提高常用封闭剂酚醛树脂、环氧树脂、某些油漆或油脂磨光和精加工手工或机械方法是表面获得所需尺寸和表面粗糙度,所有的热喷涂过程都取决于4个因素设备(Machine）材料(Materials)工艺(Methods)人员(Man),4.4火焰喷涂和喷焊技术,火焰喷涂利用氧-燃料气体火焰作为热源来实现热喷涂的方法分类线材喷涂棒材喷涂粉末喷涂火焰喷焊在喷涂之后，用火焰使喷涂层重新熔化，提高涂层的致密性和结合强度实际是两种表面技术的复合,4.4.1氧-乙炔火焰的产生,2C2H2+5O2=4CO2+2H2O+Q燃起火焰分三种类型,氧化焰氧气相对乙炔的比例偏大焰心短而尖，青白
17、色，轮廓不明显内焰难以 辨出外焰蓝紫色温度高于3000氧化性强，一般适宜喷涂陶瓷和自熔性合金涂层的重熔,中性焰乙炔在氧中充分燃烧的状态焰心为光亮的蓝白色焰心外面为隐隐可见的淡白色内焰外焰由内至外从淡蓝色逐渐变为橙黄色喷涂金属材料易采用中性焰,还原焰乙炔相对氧气的比例偏大焰心淡蓝色外焰橘红色当乙炔比例过大时会冒黑烟采用该类火焰会提高涂层中的碳含量且喷涂效率低,4.4.2氧-乙炔线材喷涂,线材火焰喷涂原理,线材火焰喷涂原理,喷涂源为喷嘴，金属丝穿过喷嘴中心，通过围绕喷嘴和气罩形成的环形火焰中，金属丝的尖端连续地被加热到其熔点。然后，由通过气罩的压缩空气将其雾化成喷射粒子，依靠空气流加速喷射到基体上
18、，从而熔融的粒子冷却到塑性或半熔化状态，也发生一定程度的氧化。粒子与基体撞击时变平并粘结到基体表面上，随后而来的与基体撞击的粒子也变平并粘结到先前已粘结到基体的粒子上，从而堆积成涂层。在丝材火焰喷枪中，燃气火焰主要用于线材的熔化，适宜于喷涂的金属丝直径一般为1.84.8mm。但有时直径较大的棒材，甚至一些带材亦可喷涂，不过此时须配以特定的喷枪。,线材火焰喷涂设备包括氧-乙炔供给系统，压缩空气供给系统、气喷枪等，如图4-11所示。喷枪的结构，火焰的大小与种类，空气的纯洁度、流速与压力、线材种类、直径及送丝速度等均会对涂层质量产生影响。,4.4.3氧乙炔粉末火焰喷涂,粉末火焰喷涂原理它与丝材火焰喷
19、涂的不同之处是喷涂材料不是丝材而是粉末。,粉末火焰喷涂设备,火焰粉末喷枪,粉末火焰喷枪,线材火焰喷枪,4.4.4火焰喷涂工艺及特点,特点优点设备投资少，操作简单便于携带，无电力要求沉积效率高缺点火焰温度不高涂层氧含量和孔隙率高于其他方法涂层结合强度低，涂层质量不高,为了改善火焰喷涂的不足，提高结合强度及涂层密度，可采用将压缩空气或气流加速装置来提高颗粒速度；也可以采用将压缩气流由空气改为惰性气体的办法来降低氧化程度，但这同时也提高了成本,工艺表面预处理预热喷打底层喷工作层喷后处理表面预处理预热，中性焰或弱碳化焰将工件预热100200喷打底层放热型Ni/Al或Al/Ni，中性焰或微碳化焰；若使用
20、粉末，粒度为180250号喷工作层,喷工作层火焰性质和功率雾化参数喷涂材料的供给速度喷涂距离喷涂角度喷嘴和工件的相对移动速度工件温度,4.4.5氧-乙炔粉末火焰喷焊,喷焊是以氧乙炔火焰为热源，将自熔性合金粉末喷涂在预处理好的基材表面上，然后在基材不熔化的情况下加热涂层，使涂层熔化并润湿基材表面，通过液态合金与固态基材表面的相互溶解与扩散，实现冶金结合，并获得无气孔、无氧化物的致密喷焊层,4.4.5氧-乙炔粉末火焰喷焊,喷涂与喷焊的区别 工件受热情况不同 喷涂无重熔过程，工件表面温度始终控制在250 以下，一般不产生变形，工件的组织状态也不发生变化。喷焊时涂层融化，重熔温度可达900 以上，引起
21、工件变形和组织变化。与基材的结合状态不同 喷涂层与基材以机械结合为主，涂层结合强度不高，一般为30-50MPa，喷焊是通过涂层融化与基材表面形成冶金结合，涂层结合强度高，一般为343-440MPa。 所用粉末不同 喷涂用粉末没限制，喷焊用粉末必须用自熔性合金粉末 覆盖层结构不同 涂层的致密性不同,喷焊层致密,而喷涂层中有少量孔隙 承载能力不同 喷涂层一般能承受大面积接触,多在有润滑条件的工作表面,配合面以及其它受力较小的工况条件下使用,喷焊层却能承受较大的冲击力,挤压应力或接触应力等。,4.4.5氧-乙炔粉末火焰喷焊,喷焊工艺：工件表面预处理预热喷涂自溶性合金粉末重熔处理冷却涂层后处理,根据喷
22、涂粉末和重熔处理的顺序分一步法喷粉和重熔交替或几乎同时进行要求粉末细；厚度0.81.2mm工件变形小，涂层表面光滑，平整度稍差适合于大工件上小面积或小尺寸零件的喷焊，主要用于喷铜、镍和不锈钢等耐腐蚀的涂层二步法喷粉一定厚度后重熔粉末粗；工件变形大适用于要求表面涂层厚度均匀、光滑平整的工件，特别适用于尺寸大的零件和圆柱面的喷焊，主要用于喷Co基、Ni基合金,4.4.6火焰喷涂和喷焊应用举例,火焰喷涂的温度较低，一般用于金属材料和塑料的喷涂，可制备耐蚀、耐磨、耐热等涂层。防腐蚀；耐磨损；特殊功能层（获得耐高温、隔热、导电、绝缘等特殊性能）。（1）大型水闸门及水土工程（耐水腐蚀、水库）（2）砖模板的
23、氧-乙炔火焰喷焊（防磨损、砖厂）（3）口腔种植体喷涂）（4）稀土对氧-乙炔火焰喷焊镍基自熔合层耐蚀性的影响OVER,4.5电弧喷涂技术,电弧喷涂是利用燃烧于两根连续送进的金属丝之间的电弧来熔化金属，用高速气流把熔化的金属雾化，并对雾化的金属粒子加速使它们喷向工件形成涂层的技术。电弧喷涂是钢结构防腐蚀、耐磨损和机械零件维修等实际应用工程中最普遍使用的一种热喷涂方法。 4.5.1电弧喷涂原理和特点4.5.2电弧喷涂设备4.5.3电弧喷涂工艺4.5.4电弧喷涂的应用举例,4.5.1电弧喷涂原理和特点,原理,4.5.1电弧喷涂原理和特点,特点热效率高生产率高喷涂成本低涂层结合强度高安全性高可方便地制造
24、伪合金镀层只能使用具有导电性能的金属线材，不能使用陶瓷,4.5.2电弧喷涂设备,电弧喷涂系统一般是由喷涂专用电源、控制装置、电弧喷枪、送丝机及压缩空气供给系统等组成。喷枪中的两根金属丝分别接电源两极，彼此绝缘，另一端能接触，以产生电弧而熔化。,电弧电压电弧电流送丝速度丝材直径压缩空气压力喷涂距离和角度,4.5.3电弧喷涂工艺,4.5.4电弧喷涂的应用举例,电弧喷涂的应用范围与线材火焰喷涂相同，主要用于防腐、耐磨及特殊功能层。但电弧喷涂的运行费用、喷涂速度和沉积效率及涂层质量优于线材火焰喷涂电弧喷涂只能使用具有导电性能的金属线材，当前主要用于喷涂锌铝防腐涂层、不锈钢涂层、高铬钢涂层，以及大型零件
25、的修复和表面强化。（1）舰船电弧喷涂长效防腐（2）发动机曲轴电弧喷涂修复（3）电弧喷涂技术在船用不锈钢油冷套修复的应用,4.6等离子喷涂技术,以等离子弧为热源，喷涂材料以粉末形式送入焰流中制备涂层的一种方法。由于等离子弧的能量集中，温度很高，焰流速度大，几乎可以喷涂所有难熔的金属盒非金属材料根据工作介质不同，等离子弧喷涂可分为气稳等离子弧喷涂和水稳等离子弧喷涂。气稳等离子弧喷涂是用气体作为工作介质产生等离子体。水稳等离子弧喷涂是用水作为工作介质产生等离子体。工业生产中以气稳等离子弧喷涂应用最广。,4.6.1等离子弧喷涂的原理和特点,等离子弧类型,等粒子喷涂是利用等离子弧进行的，离子弧是压缩电弧
26、，与自由电弧相比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。按接电方法不同，等离子弧有三种形式：非转移弧：指在阴极和喷嘴之间所产生的等离子弧。这种情况正极接在喷嘴上，工件不带电，在阴极和喷嘴的内壁之间产生电弧，工作气体通过阴极和喷嘴之间的电弧而被加热，造成全部或部分电离，然后由喷嘴喷出形成等离子火焰(或叫等离子射流)。等粒子喷涂采用的就是这类等离子弧。转移弧：电弧离开喷枪转移到被加工零件上的等离子弧。这种情况喷嘴不接电源，工件接正极，电弧飞越喷枪的阴极和阳极（工件）之间，工作气体围绕着电弧送入，然后从喷嘴喷出。等离子切割，等离子弧焊接，等离子弧冶炼使用的
27、是这类等离子弧。联合弧:非转移弧引燃转移弧并加热金属粉末，转移弧加热工件使其表面产生熔池。这种情况喷嘴，工件均接在正极。等离子喷焊采用这种等离子弧。,进行等粒子喷涂时，首先在阴极和阳极（喷嘴）之间产生一直流电弧，该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体，并从喷嘴喷出，形成等离子焰，等离子焰的温度很高，其中心温度可达30000k，喷嘴出口的温度可达1500020000k。焰流速度在喷嘴出口处可达10002000m/s，但迅衰减。粉末由送粉气送入火焰中被熔化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，喷射到基体材料上形成膜。,4.6.1等离子弧喷涂的原理和特点,等离子弧喷涂原理,气稳等离子喷涂的
28、原理是由等离子喷枪（等离子弧发生器）产生等离子射流（电弧焰流）。喷枪的电极（阴极）和喷嘴（阳极）分别接整流电源的正、负极，向喷枪供给工作气体（Ar、N2等），通过高频火花引燃电弧。电弧将气体加热到很高的温度，使气体电离，在热收缩效应、自磁收缩效应和机械效应的作用下，电弧被压缩，产生非转移性等离子弧。高温等离子气体从喷嘴喷出后，体积迅速膨胀，形成高温高速等离子射流。送分气流推动粉末进入等离子射流后，被迅速加热到熔融或半熔融状态，并将等离子射流加速，形成飞翔基材的喷涂离子束，陆续撞击到经预处理的基材表面，形成涂层。,4.6.1等离子弧喷涂的原理和特点,等离子弧喷涂主要特点焰流温度高，可达10000
29、以上，热量集中，可喷涂激活所有固态工程材料等离子弧流速高，涂层质量高涂层平整、光滑；可精确控制涂层厚度工艺规范稳定，调节性能好，容易操作,4.6.2等离子弧喷涂,设备,等离子喷涂设备主要包括：喷枪：实际上是一个非转移弧等离子发生器，是最关键的部件，其上集中了整个系统的电，气，粉，水等。电源：用以供给喷枪直流电。通常为全波硅整流装置。送粉器：用来贮存喷涂粉末并按工艺要求向喷枪输送粉末的装置。热交换器：主要用以使喷枪获得有效的冷却，达到使喷嘴延寿的目的。供气系统：包括工作气和送粉气的供给系统。控制框：用于对水，电、气、粉的调节和控制。,4.6.3等离子弧喷涂工艺,电弧功率及送粉量喷涂用气体的选择与
30、流量喷涂距离和喷涂角度喷枪与工件的相对移动速度基体金属的温度,等离子气体的选择及流量：气体的选择原则主要根据是可用性和经济性，N2气便宜，且离子焰热焓高，传热快，利于粉末的加热和熔化，但对于易发生氮化反应的粉末或基体则不可采用。Ar气电离电位较低，等离子弧稳定且易于引燃，弧焰较短，适于小件或薄件的喷涂，此外Ar气还有很好的保护作用，但Ar气的热焓低，价格昂贵。气体流量大小直接影响等离子焰流的热焓和流速，从而影响喷涂效率，涂层气孔率和结合力等。流量过高，则气体会从等离子射流中带走有用的热，并使喷涂粒子的速度升高，减少了喷涂粒子在等离子火焰中的“滞留”时间，导致粒子达不到变形所必要的半熔化或塑性状
31、态，结果是涂层粘接强度、密度和硬度都较差，沉积速率也会显著降低；相反，则会使电弧电压值不适当，并大大降低喷射粒子的速度。极端情况下，会引起喷涂材料过热，造成喷涂材料过度熔化或汽化，引起熔融的粉末粒子在喷嘴或粉末喷口聚集，然后以较大球状沉积到涂层中，形成大的空穴。,电弧的功率：电弧功率太高，电弧温度升高，更多的气体将转变成为等离子体，在大功率、低工作气体流量的情况下，几乎全部工作气体都转变为活性等粒子流，等粒子火焰温度也很高，这可能使一些喷涂材料气化并引起涂层成分改变，喷涂材料的蒸汽在基体与涂层之间或涂层的叠层之间凝聚引起粘接不良。此外还可能使喷嘴和电极烧蚀。而电弧功率太低，则得到部分离子气体和
32、温度较低的等离子火焰，又会引起粒子加热不足，涂层的粘结强度，硬度和沉积效率较低。供粉供粉速度必须与输入功率相适应，过大，会出现生粉（未熔化），导致喷涂效率降低；过低，粉末氧化严重，并造成基体过热。送料位置也会影响涂层结构和喷涂效率，一般来说，粉末必须送至焰心才能使粉末获得最好的加热和最高的速度。,喷涂距离和喷涂角喷枪到工件的距离影响喷涂粒子和基体撞击时的速度和温度，涂层的特征和喷涂材料对喷涂距离很敏感。喷涂距离过大，粉粒的温度和速度均将下降，结合力、气孔、喷涂效率都会明显下降；过小，会使基体温升过高，基体和涂层氧化，影响涂层的结合。在机体温升允许的情况下，喷距适当小些为好。喷涂角：指的是焰流轴
33、线与被喷涂工件表面之间的角度。该角小于45度时，由于“阴影效应”的影响，涂层结构会恶化形成空穴，导致涂层疏松。喷枪与工件的相对运动速度喷枪的移动速度应保证涂层平坦，不出线喷涂脊背的痕迹。也就是说，每个行程的宽度之间应充分搭叠，在满足上述要求前提下，喷涂操作时，一般采用较高的喷枪移动速度，这样可防止产生局部热点和表面氧化。基体温度控制较理想的喷涂工件是在喷涂前把工件预热到喷涂过程要达到的温度，然后在喷涂过程中对工件采用喷气冷却的措施，使其保持原来的温度。,4.6.4等离子弧喷涂应用,耐磨涂层热障涂层纳米结构涂层非晶涂层生物陶瓷涂层其他功能涂层,4.7特种喷涂技术,4.7.1爆炸喷涂4.7.2超音
34、速喷涂4.7.3激光喷涂与喷焊,4.7.1爆炸喷涂,原理,(a) 将经过严格定量的氧气和乙炔气送入水冷式喷枪(喷枪内径25.4mm，枪口对准工件),(b) 从另一入口以氮气为载体将喷涂粉末(如44m的碳化钨粉末)送入,(c) 当粉末在燃烧室浮游时，火花塞点火，使氧乙炔混合气发生爆炸,(d)产生的热和压力波将粉末加热并以极高的速度喷射到工件表面上。,爆炸喷涂是在特殊设计的燃烧室里，将氧气和乙炔气按一定的比例混合后引爆，使料粉加热熔融并使颗粒高速撞击在零件表面形成涂层的方法。,4.7.1爆炸喷涂,特点与应用爆炸喷涂的最大特点是粒子飞行速度高，动能大，所以爆炸喷涂涂层具有：第一，涂层和基体的结合强度
35、高。第二，涂层致密，气孔率很低。第三，涂层表面加工后粗糙度低。第四，工件表面温度低。不足：喷涂效率低，躁声很大(140dB)，因此要在隔音室内工作，通过观察窗口监视操作，使设备造价很高。,主要用于喷涂陶瓷和金属陶瓷。喷涂陶瓷粉末时，涂层结合强度可以达到70MPa，喷涂金属陶瓷粉末时，涂层结合强度可以达到175MPa.已经在低压压气机叶片、涡轮叶片、轮毂密封槽、齿轮轴、火焰筒外壁、衬套、襟翼滑轨等航空飞行器零件上得到广泛应用,爆炸喷涂可喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷材料，但是由于该设备价格高，噪音大，属氧化性气氛等原因，国内外应用还不广泛。目前世界上应用最成功的爆炸喷涂是美国联合碳化物公司林德分公司1
36、955年取得的专利。我国于1985年左右，由中国航天工业部航空材料研究所研制成功爆炸喷涂设备，就Co/WC涂层性能来看，喷涂性能与美国联合碳化物公司的水平接近。,4.7.2超音速喷涂,超音速火焰喷涂,超音速火焰喷涂是将气态或液态燃料与高压氧气混合后在特定的燃烧室或喷嘴中燃烧，产生的高温、高速的燃烧焰流被用来喷涂。由于燃烧火焰的速度是音速的数倍，目视可见焰流中明亮的“马赫节”，因而一般都称HVOF为超音速火焰喷涂。超音速火焰喷涂是在20世纪80年代研发成功的，与常规火焰喷涂不同的是超音速火焰喷涂采用特殊设计的燃烧室和喷嘴，驱动大流量的燃料并用高压氧气助燃，从而获得了极高速度的燃烧焰流。采用液态燃
37、料的喷枪，又称作高压超音速火焰喷涂（HP-HVOF），其燃烧压力可达8.2巴，火焰速度7倍音速以上,主要原理：燃气与氧气的混合气体在高压下被送至位于喷枪出口处的点燃区并点燃。环状流动的热气流受到外围压缩空气流的压缩，使之加速形成超音速火焰。粉末在载气的作用下被送到喷枪的出口处，进入燃烧火焰中，形成涂层,超音速火焰喷涂设备由喷枪、送粉器、控制系统、热交换系统和各种管路五部分组成，属紧凑型喷涂设备，具有操作简单、工作稳定、燃耗低、涂层性能好的特点。,4.7.2超音速喷涂,超音速等离子喷涂，利用转移型等离子弧与高速气流混合时出现的扩展弧，获得稳定聚集的高热焓、超高速等离子焰流进行喷涂的方法。图4-2
38、6特点及应用超音速等离子喷涂功率高、气流量大、速度极高、可喷涂任何高熔点陶瓷粉末，得到结合强度高，致密坚硬的涂层。,4.7.3激光喷涂与喷焊,激光喷涂是将激光器发出的激光束经透镜聚焦在喷枪喷嘴近旁，喷涂粉末或线材向焦点位置输送，进入焦点的粉末或线材端部被激光束熔融。压缩气体从环状喷嘴喷出，将熔融材料雾化成微细的颗粒喷射到基材上形成涂层激光喷焊是通过调节激光光束的焦距使其焦点落在基体上，将粉末和基材表面同时熔融，形成喷焊层,4.8冷喷涂技术,又称冷空气动力学喷涂在80年代，原苏联科学院西伯利亚分院的理论和应用力学研究所的研究员在用示踪粒子进行超音速空洞试验中发现，当粒子速度超过某一临界速度时，示
39、踪粒子对靶材表面的作用从冲蚀转变为沉积且在基体表面附着的十分牢固，因此开始了对GDS气体动力喷涂的技术的研究。并在1990年提出冷喷涂概念。在2004年以前，冷喷涂是一个新的技术，并不被重视。近十几年以来，本方法在各领域发展得如此之快，是与它的基本特性有直接的关系。这个特性就是能采用未熔融的金属颗粒，在被加工表面上制造金属涂层。冷喷涂技术与众所周知的热喷涂方法不同，涂层气孔率很低，基体材料和涂层的热负荷很小，材料氧化少，消除了涂层中结晶化不均匀的现象。,传统热喷涂的缺点火焰喷涂，等离子喷涂，高速火炎喷涂和爆炸喷涂等传统金属喷涂工艺都存在共同的弊端。首先，喷涂工艺需要融化金融粒子，导致喷涂温度高
40、，使机体内部产生热应力，机体表面产生热变形。其次，因为除火焰喷涂外都无法人工操作，操作危险。此外，传统热喷涂工艺很难控制喷涂面积与厚度，所以与喷涂效果差。并且设备不便携带。,4.8.1冷喷涂的原理和特点,原理,压缩空气加速金属粒子到临界速度（超音速），金属粒子直击到基体表面后发生物理形变。金属粒子撞扁在基体表面并牢固附着，整个过程金属粒子没有被融化，但如果金属粒子没有达到超音速则无法附着。,4.8.1冷喷涂的原理和特点,特点1、喷涂温度低，喷涂粒子不熔化，喷涂粒子基本没氧化。冷喷涂涂层结构致密，可以避免材料的熔化和蒸发，适于制备Cu、Ti及其合金等易于氧化的材料和制备纳米、非晶等对温度敏感的涂
41、层。2、涂层沉积率高，对基体的热影响小，不改变基体材料的组织结构，基体材料的选择范围广。形成的涂层承受压应力，具有较高的结合力，可以制备厚涂层。3、涂层孔隙率低，喷涂过程没有从熔融状态冷却的体积收缩过程，故孔隙率低。4、经济性好，设备相对简单。5、工作环境较好，无高温辐射，噪声小适用于喷涂的粒子直径范围小,4.8.2冷喷涂设备系统,包括：喷枪系统、送粉系统、气体温度控制系统、气体调节系统、高压气源及粉末回收系统。,4.8.3冷喷涂涂层的沉积特性,组织致密，气孔率低，涂层含氧量与喷涂前粉末含氧量相比几乎没有任何变化冷喷涂涂层界面连接机理只要有金属冶金结合机制、机械咬合机制和分子力结合机制。影响涂
42、层质量的因素临界速度喷涂粉体和基体喷枪和喷涂参数,4.8.4冷喷涂的应用,制备纳米涂层在纳米结构材料中，其微粒尺寸极小，具有极端断裂韧度的同时可以维持材料高强度等机械优势。纳米结晶对于工艺温度极其敏感，可以有效使用冷喷涂，不会影响有益的微结构,制备功能涂层在医疗领域，冷喷涂已经可以将一种有名的生物相容材料羟磷灰石 (HAP) 有效地喷涂到大量的基板上，但同时不会影响HAP的完整性。建筑师可以利用冷喷涂在任何金属或陶瓷基板上创造无限美观的金属图案风能发电可以利用冷喷涂加强高级聚合物矩阵合成物制造的元件的表面性能光电应用 中，冷喷涂可以用于复杂的传导型太阳能电池制造,零部件表面维修,在目前状态下，
43、冷喷涂被越来越多地应用于各种工业以减缓敏感材料的腐蚀例如：镁铝合金、表面修复、喷射靶制造、加热玻璃上的母线槽制造、硬铬替换涂层的WC-Co（碳化钨-钴）沉积、过渡曲面的电导和热导涂层、铜焊接准备以及热阻挡层和NiCrAlY粘接涂层沉积,4.9热喷涂涂层的选择及应用,4.9.1热喷涂工艺的选择原则4.9.2涂层材料的选择4.9.3热喷涂技术的应用和发展前景,4.9.1热喷涂工艺的选择原则,常用热喷涂技术的特点比较（表4-11）若涂层结合力要求不是很高，采用的喷涂材料的熔点不超过2500，采用设备简单、成本低的火焰喷涂工程量大的金属喷涂施工最好采用电弧喷涂对涂层性能要求较高的某些比较贵重的机件，应
44、采用等离子喷涂要求高结合力、低孔隙率的金属或陶瓷涂层可采用超音速火焰喷涂和超音速等离子喷涂对于批量大的工件，宜采用自动喷涂,4.9.2涂层材料的选择,工艺方法的可能性工作环境要求涂层性能基体材料的性能选择适当的涂层,4.9.3热喷涂技术的应用和发展前景,(1) 大面积长效防护技术得到了广泛应用，对于长期暴露在户外大气的钢铁结构件，采用喷涂铅、锌及其合金涂层代替传统的刷油漆方法，实行阴极保护进行长效大气防腐，近年来得到迅速发展。如电视铁塔、桥梁、公路设施、水闸门、微波塔、高压输电铁塔、地下电缆支架、航标浮鼓、竖井井筒等大型工程都采用了喷涂铅、锌及其合金方法进行防腐。目前国内有几十个专业喷涂厂从事
45、这方面工作，喷涂面积每年达几百万平方米以上。这项技术不仅在国内大量推广应用，而且在援外工程中也得到了较好的推广应用。,采用热喷涂技术修复与强化大型关键设备及进口零部件国产化，近年来这方面已有许多成功应用实例。如： 一米 七轧机、高速风机转子、大型挤压机栓塞、大型齿轮、电极挤压成型喷、大功率汽车曲轴等，这些工作的进行，一是解决了生产急需；二是节约了大量外汇。,(3) 超音速火焰喷涂技术的应用随着我国热喷涂技术的发展与提高，对喷涂层质量要求也越来越高。近年来美国等国家发展起来的高速燃气（ HVOF ）法是制备高质量涂层的一种新的工艺方法。由于超音速火焰喷涂方法具有很多优点，目前国内已先后从国外引进
46、了近十台设备，在各工业部门发挥着重要作用。,(4)气体爆燃式喷涂技术进一步得到了应用，该项喷涂技术由于粒子飞行速度可达 800M/S 以上，涂层与基体结合强度可达 100MPa 以上，孔隙率1 ，在某些领域里应用，优于其他喷涂方法。目前国内已安装 10 台以上。(5)氧乙炔火焰塑料粉末喷涂技术发展迅速如前所述，国内近年来已有多家生产制造氧乙炔火焰塑料粉末喷涂设备，采用该项工艺技术，已在化工贮藏、管道、陶瓷行业、沪泥机板框、印染行业的导布辊、煤炭行业带式运输机铸件（铸铁）托轮、石油行业注塑设备，以及表面装潢。,热喷涂技术发展展望： 开发新型喷涂设备和工艺 纳米结构涂层兴起 复合涂层备受关注 涂层质量监控系统发展,
