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1、第四章 热喷涂技术,4.1 热喷涂的原理和特点,4.1.1 热喷涂的定义热喷涂（Thermal Spraying）是利用热源将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，用高速气流将其雾化并喷射到基体表面形成涂层的技术。如果将喷涂层再加热重熔，则产生冶金结合，这种方法称为喷焊。热喷涂方法的多样性、制备涂层的广泛性和应用上的经济性是热喷涂技术最突出的特点,1.热喷涂的基本过程 从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经历四个阶段：（1）喷涂材料被加热到熔化或半熔化状态 用线材作为喷涂材料，当其端部进入热源高温区域，即被加热熔化。粉末材料则是进入热源高温区域，在行进的过程中被加热熔化或软化。,4.1.2 热
2、喷涂基本原理,（2）喷涂材料的熔滴被雾化 熔化的线材形成的熔滴在外加压缩气流或热源自身射流作用下脱离线材，同时雾化成更微细的熔滴向前喷射。粉末没有雾化过程，直接在气流或热源射流作用下向前喷射。（3）雾化或软化的微细颗粒喷射飞行 微细颗粒首先被加速形成粒子流，再向前喷射飞行，随着飞行距离的增加，粒子流运动速度逐渐减慢。,（4）微细颗粒撞击基体表面并形成涂层 喷涂材料的雾滴以一定的动能冲击基体表面，产生强烈的碰撞，颗粒的动能转化为热能并部分传递给基体，颗粒在凹凸不平的表面产生变形，铺展成扁平状并迅速凝固为薄片涂层；在凝固后的0.1s内，环境和热气流继续影响着已形成的扁平状涂层；在粒子束连续不断地运
3、动并撞击表面的条件下，每隔0.1s，又形成一层薄片，后形成的薄片通过已形成的薄片向基体或涂层进行热传导，逐渐形成层状结构的涂层。,2.涂层的结构 喷涂层的结构取决于其形成过程，涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起而形成的层状组织结构。在喷涂过程中，由于熔融的微细颗粒与周围介质发生了化学反应，喷涂后表面涂层中会出现氧化物。,热喷涂涂层的层状结构决定了涂层的性能呈现出明显的方向性，在垂直和平行涂层方向上的性能有显著的差异。对涂层进行适当的处理如重熔，既能够使层状结构转变为均质结构，还可以消除涂层中的氧化物夹杂和气孔。,涂层内有一定比例的孔隙，产生原因是：（1）颗粒的陆续堆叠和部分颗粒的反
4、弹散失；（2）涂层材料凝固收缩时形成的空隙。孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。涂层内的氧化夹杂物含量及涂层的致密度取决于加热源、喷涂材料及喷涂工艺。,3.涂层的结合方式 涂层的结合包括涂层与基体的结合及涂层内部的结合，一般，称前者的结合强度为结合力，后者的结合强度为内聚力。由于热喷涂时材料的形态和涂层的组成有较大的差别，它们与基体的结合形式也明显的不同。,（1）机械结合 熔融态的粒子撞击到基体后，铺展在凹凸不平的表面上，与微观起伏的表面相互嵌合，形成的机械咬合。一般，涂层与基体表面的结合主要是机械结合。机械结合的强弱与基材表面的微观粗糙程度密切相关，在现场操作中，待喷涂基体表面的粗化处理已
5、成为不可缺少的重要的预处理工序。,（2）物理结合 借助于分子（原子）之间的范德华力使喷涂层附着于基体表面的结合方式。当高速运动的熔融粒子撞击基体表面、充分变形后，涂层原子或分子与基体表面原子之间的距离接近晶格的尺寸时，就进人了范德华力的作用范围。范德华力虽然不大，但在涂层与基体的结合中是一种不可忽视的作用。,（3）冶金结合 当熔融的微细颗粒高速撞击基体表面时，涂层和基体界面出现扩散和合金化时的一种结合方式。涂层材料在基体表面的结晶过程，基本上不是对基体晶格的外延，大多数情况是由于涂层与基体的反应，在结合界面上生成金属间化合物或固溶体。当对喷涂层进行重熔时，涂层与基体的结合主要是冶金结合。,熔融
6、液滴对基体表面的润湿能力、涂层的孔隙率、凝固颗粒表面氧化物的结构、基体的表面状况（表面洁净程度、表面粗糙度、表面温度）等都会对涂层与基体的结合强度产生较大的影响。,4、涂层的残余应力一般，热喷涂涂层存在着明显的残余应力。当熔融颗粒高速碰撞基体表面时，在产生变形的同时快速冷却凝固，产生微观收缩效应，涂层受到拉应力作用，容易形成微裂纹。涂层中的这种残余应力主要是由热喷涂条件、涂层与基体热膨胀系数的差异所造成的，它降低了涂层的结合强度，影响涂层质量，采用过渡涂层可以大大降低残余应力。,涂层冷凝收缩时，涂层外层的拉应力、涂层内层的压应力、组织转变产生的微观应力，结果使涂层产生残余张应力，应力大小与涂层
7、厚度成正比，当张应力超过涂层与基材之间结合强度时，涂层就会发生破坏。,残余应力限制了涂层的厚度。减少涂层残余应力措施：（1）调整喷涂工艺参数；（2）致密涂层的残余应力要比疏松涂层大；（3）采用梯度过渡层缓和涂层内应力。,4.1.3 热喷涂的分类和特点,1、热喷涂的分类按照喷涂材料、涂层的加热和结合方式的差别，可将热喷涂分为喷涂和喷焊两种。根据热喷涂时热源、喷涂材料的不同，可将热喷涂分为气体燃烧热源、气体放电热源、电热热源和激光热源等热喷涂方法。,热喷涂方法分类,2.热喷涂特点（1）适用面宽 几乎所有的工程材料都可以作为热喷涂的基材，包括金属材料、陶瓷材料、非晶态材料和木材、布、纸等。涂层材料的
8、种类也非常广泛，可以是金属及其合金、塑料、陶瓷以及它们的复合材料。,（2）工艺灵活 喷涂的工件不受尺寸和形状约束，既可以进行整体喷涂，又能够实施局部表面喷涂。既可用于桥梁、铁塔等大型结构件，又可在尺寸仅为数毫米的孔槽中形成涂层。既可在真空或控制气氛中喷涂，也可以方便地在野外施工。（3）厚度可调 根据需求，热喷涂的涂层厚度可在数微米至数毫米（0.15mm）内调节。,（4）基体变形小 在大多数喷涂过程中，基材受热温度低，一般不超过250，工件变形小，母材的组织和性能基本不会发生变化。（5）生产率高 一般，大多数喷涂工艺都能够达到每小时数千克的喷涂量，有的生产率甚至可超过50kg/h。,热喷涂的局限
9、性热效率低，材料利用率低、浪费大以及涂层与基体结合强度较低喷涂方法的操作环境较差，要求采取劳动保护和环境保护措施。,热喷涂在化工行业中的典型应用有如下几个方面：1、以低级材质和加热喷涂层取代不锈钢、钛合金等高级材质不锈钢。2、可作为化工反应罐、贮罐、搅拌装置和管道的防腐涂层。3、可作为搪玻璃设备崩瓷损坏的良好修补层。,4.2 热喷涂材料,4.2.1 热喷涂材料的分类及特点1、热喷涂材料的分类1）按性质分：金属与合金、陶瓷、有机塑料和复合材料等2）按用途分：防腐材料、耐磨材料、耐高温热障材料、减摩材料及其他功能材料。3）按形态分：粉末、线材和棒材,不同形状的热喷涂材料,2、热喷涂材料的特点,1）
10、热稳定性好：在高温焰流中不升华，不分解。2）固态流动性好：有较宽的液相区，使熔滴在较长时间内保持液相。3）润湿性好：喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的浸润性，以保证涂层与基材之间有良好的结合性能。4）线膨胀系数差小：与基材有相近的热膨胀系数，以防止因膨胀系数相差过大产生较大的热应力。,（1）要把实用性、工艺性和经济性结合起来考虑，尽量选择合理的喷涂材料。（2）对于重要的部件以获得最优涂层性能为准则；不十分重要的部件则以获得最大的经济效益为准则。（3）根据工件的工作环境选择合适的工作涂层。（4）为满足喷涂工件的使用要求，可采用复合涂层和梯度涂层。,热喷涂材料的选材原则,4.2.2 热喷涂线材,
11、1、非复合喷涂线材1）Zn及Zn合金喷涂丝在钢铁件上，只要喷涂0.2mm的锌层，就可以在大气、淡水、海水中保持几年至几十年不锈蚀。在锌中加铝可提高涂层的耐蚀性能，若铝的质量分数为30%，则耐蚀性最佳。,2）Al及Al合金喷涂丝铝的抗腐蚀性很强。在铝及铝合金中加入稀土不仅能提高涂层的结合强度而且可降低孔隙率。铝可作为钢的抗高温氧化涂层。铝除能形成稳定的氧化膜外，在高温下还能在铁基体中扩散，与铁发生作用生成抗高温氧化涂层的Fe3Al金属间化合物，提高了钢材的耐热性，因此铝可用于耐热涂层。一般用作热喷涂材料的铝丝纯度应大于99.7%。,3）Cu及Cu合金喷涂丝纯铜不耐海水腐蚀，主要用作电器开关的导电
12、涂层、工艺品和水泥等建筑表面的装饰涂层。黄铜具有一定的耐磨性、耐腐性，多用于修复磨损及超差工件。黄铜中加入1%左右的锡，可提高黄铜耐海水腐蚀性能，故有海军黄铜之美誉。铝青铜的强度高于一般青铜，耐海水、硫酸和盐酸的腐蚀，可作为打底涂层。,4）Ni及Ni合金喷涂丝镍涂层即使在1000摄氏度高温下也具有很高的抗氧化性能，在盐酸和硫酸中也具有较高的耐蚀性。Ni-Cr合金涂层作为耐磨、耐高温涂层，可在8001100摄氏度高温下使用，但其耐硫化氢、亚硫酸气体及盐类腐蚀性能较差。Ni-Cu-Fe合金涂层具有优异的耐海水和稀硫酸腐蚀性能，具有较高的非强氧化性酸的耐蚀性能，但耐亚硫酸腐蚀性能较低。,5）不锈钢喷
13、涂丝用于焊接的不锈钢丝均可作为热喷涂丝材。铬不锈钢主要用于对强度和硬度要求较高、耐蚀性要求不太高的场合，其涂层不易开裂，适宜作为轴类零件层。镍铬不锈钢有良好的工艺性能，在多数酸、碱介质中具有优异的耐腐蚀性和耐磨性，用于喷涂水泵轴等。,6）Mo喷涂丝钼是一种自黏结材料，可与黑色金属、镍合金、镁合金、铝合金等形成牢固的结合，常用作打底层材料。钼是金属中唯一能耐热盐酸腐蚀的金属；钼与氢不发生反应，可用于氢气保护或真空条件下的高温涂层；钼涂层中会残留一部分MoS2杂质，或与硫发生反应生成MoS2固体润滑膜，适用于喷涂活塞环和摩擦片。但钼不能作为铜和铜合金、镀铬表面和硅铁表面的涂层。,7）碳钢及低合金喷
14、涂丝在喷涂过程中，碳及合金元素有所烧损，易造成涂层多孔和存在氧化物夹杂等缺陷，但仍可获得具有一定硬度和耐磨性的涂层，广泛用于耐磨损的机件和尺寸的修复。,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机械复合压制成的喷涂线材。大部分复合喷涂线材都具有自黏结（放热反应）功能，即在喷涂过程中不同组元相互发生放热反应生成化合物，反应热与火焰热相叠加，提高了熔滴温度，到达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，从而提高涂层的结合强度。,1）Ni-Al复合丝喷涂中生成金属间化合物，并释放出大量的反应热，对基体表面起着补充加热作用，从而使涂层与基体表面产生显微冶金结合。所形成的涂层
15、表面比较粗糙，易于再喷涂其他材料，常作为打底层。涂层中的金属间化合物，其熔点高，高温强度及韧性好，化学稳定性高，使涂层具有耐高温、抗氧化、耐磨等优良综合性能，也可作为工作涂层。,2）不锈钢复合丝由不锈钢、镍、铝等几种合金元素复合而成。其特点是既有Ni-Al放热反应，又有其他强化元素改善性能，可用于“一步”喷涂，即涂层同时具有打底层和工作层功能，尤其适合火焰喷涂，主要应用于油泵转子、轴承、汽缸衬里和机械导轨的表面层。,3）Al-Cr2O3药芯管状复合丝用铝皮包覆Cr2O3药芯可制备成分为62%Al-38%Cr2O3的管状复合丝。反应热焰比Ni-Al复合丝的反应热焰要高得多。涂层组织为金属Cr基体
16、中均匀分布的Al2O3硬质颗粒相，具有耐热、耐磨及耐蚀特性。,4.2.3 热喷涂用粉末,1、喷涂合金粉末又称冷喷合金粉末，这种粉末不需要或不能进行重熔处理。打底层粉末用来增加涂层和基体的结合强度；工作层粉末保证涂层具有所要求的使用性能。主要包括铁基、镍基、钴基、铜基和铝基等合金粉末。,2、自熔性合金粉末又称喷焊合金粉末，主要用于喷焊技术，即喷涂后进行重熔处理。所谓自熔性合金是指熔点较低，重熔过程中能自行脱氧、造渣，能“润湿”基体表面而呈冶金结合的一类合金。绝大多数自熔性合金粉末都是在钴基、镍基、铁基合金中添加适量的B、Si元素而制成的。,1）Co基自熔性合金粉末主要成分是Co、Cr、W元素。C
17、o和Cr生成稳定的固溶体，在固溶体基体上弥散分布Cr、W的碳化物、硼化物，所以涂层具有很高的高温硬度、耐磨性和抗氧化性能。2）Ni基自熔性合金粉末Ni-B-Si系涂层的硬度不太高，但塑形、韧性和抗氧化性较好；Ni-Cr-B-Si系涂层应用最为广泛，具有较高的强度、耐磨性和抗氧化性。3）Fe基自熔性合金粉末不锈钢型：具有较高的耐磨、耐蚀和耐热性能；高铬铸铁型：涂层的硬度和耐磨性很高，但脆性大。,3、陶瓷粉末特点是硬度高，熔点高，脆性大。可获得耐磨、耐蚀、耐热、绝缘、磁屏蔽等优异的性能,1）氧化物绝缘性能好，热导率低，高温强度高等特点，适宜作热屏蔽和电绝缘涂层。2）碳化物：主要有WC、SiC等，往
18、往采用钴或镍包覆碳化物，以防止喷涂时产生严重的失碳现象。3）生物陶瓷：用于人工股骨头和种植体表面喷涂。,4、塑料粉末在金属和非金属表面喷涂塑料，具有美观、耐蚀的性能。若在塑料粉末中添加硬质相，还可使涂层具有一定的耐磨性。用于热喷涂的塑料颗粒要求热分解温度要远高于熔化温度，颗粒融化后黏度要低，颗粒不能过大或过小，否则会造成难熔或引起过热分解。,1）热塑性树脂特点是受热后软化、熔融，冷却后再恢复，反复多次而基本结构不变。一般具有优良的抗化学性、韧性和弯曲性。2）热固性树脂特点是受热后发生化学反应，固化成型，再加热时不可逆转。分子量较低，具有较好的流动性和润湿性3）改性树脂在塑料粉末中混入填料能改善
19、涂层的物理、化学和力学性能。,5、喷涂复合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，组元间一般为机械结合。制备复合粉末的方法主要有液相或气相沉积的包覆粉，有机黏结剂黏结的团聚粉或固相烧结破碎的复合粉。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。,1）Ni-Al复合粉末Ni/Al复合粉末是利用氢还原法将铝的表面包覆一层镍而形成的复合粉末；Al/Ni复合粉末是采用团聚法将微细铝粉均匀完整地包覆在镍粉表面而形成的复合粉末。2）自黏结一次性复合粉末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，
20、同时形成的涂层又有工作层的性能要求。优点：喷涂时不必先喷涂打底层，直接形成具有冶金结合的涂层，大大简化喷涂工艺。,3）工作复合粉不具有自黏结性，喷涂前须先喷涂打底层。a)硬质耐磨复合粉末：以各种碳化物硬质颗粒作芯核，用金属或合金做包覆材料（Co/WC）。b)减摩自润滑复合粉末：芯核材料为低摩擦系数、低硬度的自润滑软质颗粒。c)耐高温和隔热复合粉末：分为金属型、陶瓷型和金属陶瓷型三类。d)绝缘及导电复合粉末：工件同时具备导电绝缘性能。,4.3 热喷涂工艺,热喷涂工艺流程,（1）净化处理：清除表面污垢。（2）粗化处理：提高涂层与基体之间的结合牢度。,粗化处理可提高涂层结合强度的理由是：1）提供表面
21、压应力；2）提供与涂层颗粒互锁机会；3）增大结合面积；4）净化表面。,4.3.1 工件表面预处理,表面粗化一般采用车削、磨削、喷砂和拉毛等方法，最常用的方法是喷砂。在喷砂粗化时，喷砂的角度应保持6075，应避免90，以防止砂粒嵌入基体表面。喷砂后的基体表面应均匀。一般表面喷砂后使其粗糙度为Ra=3.212.5m。,粗化处理的方法,4.3.2 预热,作用：降低因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。预热处理可使用喷枪和电阻炉加热的方式。,4.3.3 喷涂,1、喷涂打底层2、喷涂工作层,1、喷涂打底层目的是提高涂层与基体的结合强度。打底层厚度一般为0.100.15mm。,2、喷涂工作层,4.3.4 后处理,1、封孔处理,封孔处理的目的：（1）防止或阻止涂层界面处的腐蚀；（2）在某些机械部件中防止液体和压力的密封泄露；（3）防止污染或研磨碎屑碎片进入涂层；（4）保持陶瓷涂层的绝缘强度。封孔处理是在喷涂之后、机加工之前进行。,常用封孔剂,2、磨光和精加工热喷涂涂层表面一般比较粗糙，对于特定的使用要求，可采用手工或者机械方法加工涂层的表面，以获得所需尺寸和表面粗糙度。,
