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1、热喷涂,安全技术及工程,热喷涂技术,目 录,1、前言,热喷涂是一项修复和预保护技术，随着现代科技的发展，对工业生产装备以及机械零部件的使用性能要求也越来越高。整体铸造或锻造比较昂贵的金属，如钛、镍、钴、钨、锆等造价很高而且铸、锻造以及焊接方法都有一定困难，于是在普通材料的工作表面，喷涂一层特殊的涂层，使其达到防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系列功能，使其达到节约材料，节约能源的目的。,热喷涂技术,1、前言,定 义：热喷涂是指采用氧乙炔焰、电弧、等离子弧、爆炸波等提供不同热源的喷涂装置，产生高温高压焰流或超音速焰流，将要制成涂层的材料如各种金属、陶瓷、金属加陶瓷
2、的复合材料、各种塑料粉末的固态喷涂材料，瞬间加热到塑态或熔融态，高速喷涂到经过预处理（清洁粗糙）的零部件表面形成涂层的一种表面加工方法。我们把特殊的工作表面叫“涂层”，把制造涂层的工作方法叫“热喷涂”，它是采用各种热源进行喷涂和喷焊的总称。,热喷涂技术,2、热喷涂的历史,热喷涂技术最早于1910年由瑞士肖普博士发明,当时命名：“金属喷镀”1943年美METCO首次出版金属喷镀手册1959年美METCO第七次出版改名火焰喷涂手册1973年9月1014日在伦敦召开第七届有关国际热喷涂会议，改名“金属喷涂”1979年9月2710月1日在美Florida州一著名休养地Miami城召开第八届国际热喷涂会
3、议,就采用“热喷涂”这一名词,这就是“热喷涂”名词的由来。,热喷涂技术,2、热喷涂的历史,我国热喷涂技术是从五十年代开始的，当时由吴剑春和张关宝在上海组建了国内第一个专业化喷涂厂，研制氧乙炔焰丝喷及电喷装置，并对外开展金属喷涂业务。我国热喷涂技术起步较早，50年代就发展了丝材电弧喷涂；60年代某些军工部门开始研究等离子喷涂；70年代出现了品种和型号较为齐全的喷涂设备和材料，但总的来说进展缓慢，只是到了近些年才获得了较快的发展。,热喷涂技术,2、热喷涂的历史,特别是原国家经委将热喷涂作为国家重点推广项目以后，发展速度更快并取得了显著的经济效益。1981年10月2127日由国家经委、国家科委主持在
4、北京召开了首届全国热喷涂会议，会上宣布由国家经委领导下成立了“全国热喷涂协作组”，挂靠北京矿冶研究总院，协作组对上联系国家经贸委，对下联系各省市、自治区经委科技处各部门科技局，以及大中型企业、大专院校、科研单位等形成跨地区、跨行业、跨部门推广应用热喷涂技术网络体系。,热喷涂技术,3、热喷涂原理,热喷涂是采用各种热源使喷涂材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。以一定形式的热源将粉状、丝状或棒状喷涂材料加热至熔化或熔融状态的同时用喷射气流使其雾化，喷射在经过预处理的零件表面上，形成喷涂层。,热喷涂技术,3、热喷涂原理,根据热源来分，热喷涂有四
5、种基本方法：A：火焰喷涂B：电弧喷涂C：等离子喷涂D：特种喷涂。,热喷涂技术,火焰喷涂就是以气体火焰为热源的热喷涂。火焰喷涂按火焰喷射速度又分为：A：火焰喷涂B：气体(爆炸喷涂)C：超音速喷涂3种。,热喷涂技术,3、热喷涂原理,热喷涂技术,3、热喷涂原理,4、热喷涂技术特点,热喷涂技术在应用上已由制备装饰性涂层发展为制备各种功能性涂层，如耐磨、抗蚀、抗氧化、隔热、导电、绝缘、减摩、润滑、防辐射等涂层。热喷涂既可用于修复，又可用于制造。由于涂层材料的性能优于基体，用其对零件表面进行涂覆，能使产品质量得到大幅度提高。,热喷涂技术,优点：(1)基材及涂层材料广泛。(2)基体温度低。(3)操作灵活。(
6、4)涂层厚度范围宽。,热喷涂技术,4、热喷涂技术特点,缺点：(1)热效率低(2)材料利用率低，浪费大(3)涂层与基材结合强度低,热喷涂技术,4、热喷涂技术特点,5、热喷涂材料涂层,涂层材料的选择首先，热喷涂材料最好有较宽的液相区，较宽的液相区可以使涂层材料的熔滴在较长时间内保持液相。金属和氧化物陶瓷都适合于热喷涂，材料在热喷涂温度下如果易于分解，则不适用于热喷涂。如在喷涂有机高分子化合物时，为避免有机高分子化合物分解，必须控制喷涂材料的加热时间。,热喷涂技术,喷涂材料可以做成丝状或粉末状，丝状材料只有一定塑性的材料才能加工出来，而粉末材料可根据需要任意配制，所以成份及比例范围非常灵活。,热喷涂
7、技术,5、热喷涂材料涂层,涂层形成过程涂层的形成过程为：涂层材料经加热熔化和加速撞击到基体冷却凝固形成涂层。其中涂层材料的加热、加速和凝固是最主要的三个过程。,热喷涂技术,5、热喷涂材料涂层,加热要求：必须使涂层材料熔化，或者使形成涂层基体的主要材料熔化，涂层材料在到达基体之前应保持熔化状态，加热温度不能使涂层材料挥发。为达到粉末完全熔化，存在一个临界粉末滞留时间及临界粉末尺寸。熔滴的滞留时间主要取决于焰流速度、能量和喷涂距离。涂层材料的喷涂速度与焰流速度和材料的粒径有关。喷涂材料在飞行速度最大时撞击到基体形成的涂层与基体结合最好。喷嘴与基体间的距离及角度都会影响到喷涂质量。,热喷涂技术,5、
8、热喷涂材料涂层,熔滴在撞击基体后会扩展开形成薄饼状结构，如果有一些颗粒未熔，则会在撞击瞬间脱落，形成孔洞或夹杂，如果熔滴在撞击基体时温度过高，液滴粘度太低，则会造成“喷溅”现象。所以，在喷涂中要避免未熔和过热两种现象。,热喷涂技术,5、热喷涂材料涂层,涂层结构涂层结构一般由大小不一的扁平颗粒、未熔化的球形颗粒、夹杂和孔隙组成。,热喷涂技术,5、热喷涂材料涂层,涂层应力涂层在冷却凝固时伴随着收缩，所以涂层颗粒内部存在着张应力，而基体表面受压应力。涂层内部的张应力大小与涂层厚度成正比，当涂层厚度达到一定程度时，涂层内的张应力大于涂层与基体的结合强度或涂层自身的结合强度时，涂层就会产生破坏。,热喷涂
9、技术,5、热喷涂材料涂层,涂层结合强度热喷涂层的种类很多。从成份上看，有纯金属、合金、陶瓷、复合材料和高分子材料。从材料的形态上看，有丝材、粉末等。由于这些材料的范围很广，所以它们与基材的结合形式也差别很大。1)冶金结合。2)机械嵌合。3)物理-化学结合。,热喷涂技术,5、热喷涂材料涂层,1)冶金结合。这种冶金结合可以是涂层材料与基材在界面形成共同晶粒(联生结晶)，或者在界面只是晶粒相接触并存在晶粒界限(不形成共同晶粒)，也可以相互间发生反应生成金属间化合物。形成共同晶粒的情况，可称为“晶内结合”，不形成共同晶粒而只是相互接触的情况称为“晶间结合”。一般来说，热喷涂工艺中的涂层材料与基体的结合
10、很少有“晶内结合”的作用。,热喷涂技术,5、热喷涂材料涂层,2)机械嵌合。机械嵌合是指具有具有一定动能的熔滴在碰撞到经过粗糙处理的基材表面后与表面上的凸起和凹陷处形成的机械咬合。涂层的微粒与表面、微粒与微粒之间靠相互嵌镶而连在一起。在粗糙度较大的表面(如经过粗粒喷砂的表面或有机制沟槽和螺纹的表面)上热喷涂时，机械嵌合具有重要作用。实验证明，当在Ra=0.63m的表面上喷涂镍包铝时，结合强度为3641MPa，如果表面经过喷砂粗糙化处理后，则结合强度可达到45MPa。这在一定程度上反映了机械嵌合的作用。表面越粗糙，机械嵌合的效果越大。所以，在热喷涂工艺中，表面粗化已成为必不可少的重要的预处理工序。
11、,热喷涂技术,5、热喷涂材料涂层,3)物理-化学结合。物理-化学结合即指借助于分子(原子)之间的范德华力将喷涂层与基材结合在一起。化学结合是指涂层分子与基材表面原子生成化学键而形成的结合。例如在喷涂环氧树脂时，环氧树脂中含有的羟基(CH)OH、醚键(O)和环氧基被加热活化。当环氧树脂聚合物分子与基材表面紧密接触时，这些极性基团有利于与金属原子形成化学键并形成物理吸附，从而获得一定的结合强度。,热喷涂技术,5、热喷涂材料涂层,6、喷涂工艺流程,热喷涂的工艺流程包括：(1)表面预处理(2)热喷涂(3)后处理(4)机加工等。,热喷涂技术,总结起来，四个因素影响热喷涂质量：设备Machine材料Mat
12、erials工艺Methods人员Man，称为4M因素。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,热喷涂工艺方法1.火焰喷涂工艺：是线材火焰喷涂(Wire Flame Spray)和粉末火焰喷涂(Powder Flame Spray)的总称。是最早的喷涂工艺。用乙炔、丙烷、氢气或天然气等作燃料，以压缩空气、氧气或惰性气体作动力，使熔融材料雾化并加速，喷射到基体形成喷涂层。粉末、线材、棒材、带材等都可以用火焰喷涂工艺进行喷涂。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,火焰喷涂的优势：设备投资少。操作简单，可现场施工，无电力要求，沉积效率高。火焰喷涂的缺点：涂层氧化物多，孔隙率高，结合强度低。,热喷涂技术,6、喷涂工
13、艺流程,2.电弧喷涂(Arc Spray)工艺：电弧喷涂(Arc Spray)的原理如下图：,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,两根彼此绝缘并加有1840V直流电压的线形电极，由送丝机构向前输送，当两极靠近时，在两线顶端产生电弧并使顶端熔化，同时吹入的压缩空气是熔融的液滴雾化并形成喷涂束流，沉积在工件表面。电弧喷涂只能用于具有导电性能的金属线材，当前主要用于喷涂锌铝防腐蚀涂层，不锈钢涂层、高铬钢涂层，用于大型零件的修复和表面强化。电弧喷涂涂层比火焰喷涂涂层致密，结合强度也比火焰喷涂高。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,3.等离子喷涂工艺(Nontransferred Plasma Arc Spray
14、)：等离子喷涂：以等离子焰流(非转移弧)或等离子弧为热源，加热喷涂材料到熔融或高塑性状态，并在高速焰流载引下，熔融材料高速撞击工件表面形成涂层的工艺。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,等离子喷涂设备总图,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,等离子喷涂的应用,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,轴类零件，钴碳化钨,辊套，氧化铝,氧化铝薄板上喷涂氧化锆,内孔专用等离子喷涂设备,等离子弧根据电源的不同接法可分为三类：(a)非转移型等离子弧；(b)转移型等离子弧；(c)联合型等离子弧。非转移弧称为等离子焰流，转移型等离子弧称为等离子弧。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,(a)非转移型等离
15、子弧：简称为非转移弧。是在接负极的钨级与接正极的喷嘴之间形成的，工件不带电。等离子弧在喷嘴内部不延伸出来，但从喷嘴中喷射出高速焰流。非转移弧常用于喷涂、表面处理及焊接或切割较薄的金属或非金属。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,(b)转移型等离子弧：简称为转移弧。是在接负极的钨级与接正极的喷嘴之间形成的，引弧时要先用喷嘴接电源正极，产生小功率的非转移弧，而后工件转接正极将电弧引出去，同时将喷嘴断电。转移弧有良好的压缩性，电流密度和温度都高于同样焊枪结构的非转移弧。转移弧主要用于切割、焊接和堆焊。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,(c)联合型等离子弧：由转移弧和非转移弧联合组成，简称为联合弧。主要用于
16、电流在100A以下的微弧等离子焊接，以提高电弧的稳定性。在用金属粉末材料进行等离子堆焊时，联合型等离子弧可以提高粉末的熔化速度而减少熔深和焊接热影响区。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,等离子弧的特点：1)温度高、能量集中，可达1500033000K，这一特点有很大的应用价值，在喷涂、焊接和堆焊时，它可以熔化任何金属或金属陶瓷，可以获得很高的生产率、减少工件变形和热影响区；2)焰流速度高，进入喷枪中的工作气体被加热到上万摄氏度的高温，体积剧烈膨胀，因而等离子焰流自喷枪中高速喷出，具有很大的冲击力，提高了喷涂层的性能，喷涂用的等离子弧的焰流速度通常为几百米每秒；3)稳定性好，由于等离子弧是一种压缩
17、型电弧，弧柱挺拔、电离度高，因而电弧位置、形状以及弧电压、弧电流都比自由电弧稳定，不易受外界因素的干扰；4)调节性好，压缩型电弧可调节的因素较多，可在很广的范围内稳定工作，可以满足等离子工艺的要求，这是自由电弧所不能达到的。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,等离子喷涂的主要特点1)零件无变形。2)涂层的种类多。3)工艺稳定，涂层质量高。在等离子喷涂中，熔融状态的粒子飞行速度可达180480m/s。等离子喷涂层与基体金属的法向结合强度通常为4070MPa。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,等离子喷涂工艺参数的确定：1)基体金属的温度。2)喷涂距离和喷涂角度。3)主气及送粉气的流量。4)送粉量及电功率
18、。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,1)基体金属的温度。一般情况下预热温度为100150，在喷涂碳化钨时为减少碳的烧损，基体应保持常温。2)喷涂距离和喷涂角度。据经验，在喷涂镍包铝粉末时，喷涂距离一般为100110mm；在喷涂陶瓷粉末时，喷涂距离一般为5080mm。为获得致密的涂层，等离子焰流轴线与被喷涂工件表面之间的夹角(即喷涂角度)不应小于45，即以9045 的角度对工件表面进行喷涂。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,3)主气及送粉气的流量。通入喷枪用于压缩电弧并发生电离的气体为主气，并称为离子气。用于带动粉末的气体称为送粉气。4)送粉量及电功率。送粉量及电功率是喷涂过程中需要经常变动且互相联
19、系的最主要的参数，其重点是保证二者的恰当匹配。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,4.爆炸喷涂工艺：爆炸式喷涂时首先要将一定比例的氧气和乙炔气送入到喷枪内，然后再由另一入口用氮气与喷涂粉末混合送入。在枪内充有一定量的混合气体和粉末后，由电火花塞点火，使氧乙炔混合气体发生爆炸，产生热量和压力波。喷涂粉末在获得加速的同时被加热，由枪口喷出，撞击在工件表面，形成致密的涂层。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,爆炸喷涂陶瓷粉末形成的涂层其结合强度可达到70MPa，而金属陶瓷涂层的结合强度可以达到175MPa。喷涂时，粉末颗粒撞击到工件表面后受到急冷，在涂层中可以形成超细组织或非晶态组织，因此涂层的耐磨性也较高
20、。此外，爆炸式喷涂获得的涂层比较致密，孔隙率可以达到2以下。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,爆炸喷涂特点涂层结合强度高，致密性好 工件受热小，不变形 功能性强，应用范围广适用于大尺寸工件的喷涂 原料丰富，价格低廉 噪声极高达到140-150dB喷涂速率低，喷涂Al2O3时为2kg/h,WC-Co时8kg/h非连续性的脉冲式喷涂使喷涂速率降低。但使基体受热程度降低，又是一个优点。成本高,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,5.超音速火焰喷涂工艺该装置是利用一种特殊火焰喷枪获得高温、高速焰流用来喷涂碳化钨等难熔材料并得到优异性能的喷涂层。超音速火焰喷涂的燃料有丙烷、煤油等，超音速火焰喷涂的涂层致密，结合
21、强度与爆炸喷涂相比略低，可达70MPa以上。涂层杂质较少，涂层残余应力小，某些情况下甚至可得到残余压应力，因此可喷涂更厚的涂层。超音速喷涂成本较高。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,超音速喷涂特点与等离子喷涂相比，具有设备简单、一次投资少、喷涂粒子速度高、可以现场喷涂、使用气源广等优点焰流速度高，1500-2200m/s，颗粒速度为气流速度的20-40%，可达到900m/s涂层结合强度高涂层致密，孔隙率小于1%粉末的氧化烧损小，特别适合于喷涂碳化物等易氧化的材料涂层应力为压应力，残余应力低，可喷厚涂层由于火焰温度较低，且粉末在火焰中飞行时间短，无法熔融高熔点陶瓷粉末材料一般适宜喷涂细粉末。若喷涂
22、金属或合金粉末，成本太高，体现不出优越性。热效率低，成本高。供气系统庞大，操作不方便。,热喷涂技术,6、喷涂工艺流程,参考文献,1 武建军，曹晓明，温鸣编著.现代金属热喷涂技术M.北京:化学工业出版社,2007:412.2 张忠礼编著.钢结构热喷涂防腐蚀技术M.北京:化学工业出版社,2004:216.3 王娟等编著.表面堆焊与热喷涂技术M.北京:化学工业出版社,2004:284.4 吴子健编著.热喷涂技术与应用M.北京:机械工业出版社,2006:367.5 张平主编.热喷涂材料M.北京:国防工业出版社,2006.6 王海军主编.热喷涂实用技术M.北京:国防工业出版社,2006.,热喷涂技术,Thank You!,
