現(xiàn)代表面技術-第四部分-熱噴涂.ppt

現(xiàn)代表面技術第四部分 熱噴涂 高原2010 2 28 8 熱噴涂它是將金屬 合金 金屬陶瓷材料加熱到熔融或部分熔融 以高的動能使其霧化成微粒并噴至工件表面 形成牢固的涂覆層 熱噴涂的方法有多種 按熱源可分為火焰噴涂 電弧噴涂 等離子噴涂 超音速噴涂 和爆炸噴涂等 經(jīng)熱噴涂的工件具有耐磨 耐熱 耐蝕等功能 熱噴涂技術是采用氣體 液體燃料或電弧 等離子弧 激光等作熱源 使金屬 合金 金屬陶瓷 氧化物 碳化物 塑料以及它們的復合材料等噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài) 通過高速氣流使其霧化 然后噴射 沉積到經(jīng)過預處理的工件表面 從而形成附著牢固的表面層的加工方法 如果將噴涂層再加熱重熔 則產(chǎn)生冶金結合 這種方法稱為熱噴涂方法 采用熱噴涂技術不僅能使零件表面獲得各種不同的性能 如耐磨 耐熱 耐腐蝕 抗氧化和潤滑等性能 而且在許多材料 金屬 合金 陶瓷 水泥 塑料 石膏 木材等 表面上都能進行噴涂 噴涂工藝靈活 噴涂層厚度達0 5mm 5mm 而且對基體材料的組織和性能的影響很小 目前 熱噴涂技術已廣泛應用于宇航 國防 機械 冶金 石油 化工 機車車輛和電力等部門 一 熱噴涂原理1 噴涂涂層形成過程和涂層形成原理 噴涂時 首先是噴涂材料被加熱達到熔化或半熔化狀態(tài) 緊接著是熔滴霧化階段 然后是被氣流或熱源射流推動向前噴射的飛行階段 最后以一定的動能沖擊基體表面 產(chǎn)生強烈碰撞展平成扁平狀涂層并瞬間凝固 圖5 3a 在凝固冷卻的0 1s中 此扁平狀涂層繼續(xù)受環(huán)境和熱氣流影響 圖5 3b 每隔0 1s第二層薄片形成 通過已形成的薄片向基體或涂層進行熱傳導 逐漸形成層狀結構的涂層 圖5 3c 2 涂層結構噴涂層的形成過程決定了涂層的結構 噴涂層是由無數(shù)變形粒子互相交錯呈波浪式堆疊在一起的層狀組織結構 如圖5 4所示 顆粒與顆粒之間不可避免存在一部分孔隙或空洞 其孔隙率一般在4 20 之間 涂層中伴有氧化物和夾雜 采用等離子弧等高溫熱源 超音速噴涂以及低壓或保護氣氛噴涂 可減少以上缺陷 改善涂層結構和性能 由于涂層是層狀結構 是一層一層堆積而成 所以涂層的性能具有方向性 垂直和平行涂層方向上的性能是不一致的 涂層經(jīng)適當處理后 結構會發(fā)生變化 如涂層經(jīng)重熔處理 可消除涂層中氧化物夾雜和孔隙 層狀結構變?yōu)榫|(zhì)結構 與基體表面的結合狀態(tài)也發(fā)生變化 3 涂層結合機理涂層的結合包括涂層與基體表面的結合和涂層內(nèi)部的結合 涂層與基體表面的結合強度稱為結合力 涂層內(nèi)部的結合強度稱為內(nèi)聚力 涂層中顆粒與基體表面之間的結合以及顆粒之間的結合機理目前尚無定論 通常認為有以下幾種方式 1 機械結合 碰撞成扁平狀并隨基體表面起伏的顆粒 由于和凹凸不平的表面互相嵌合 形成機械釘扎而結合 一般說來 涂層與基體表面的結合以機械結合為主 2 冶金 化學結合 這是當涂層和基體表面出現(xiàn)擴散和合金化時的一種結合類型 包括在結合面上生成金屬間化合物或固溶體 當噴涂后進行重熔即噴焊時 噴焊層與基體的結合主要是冶金結合 3 物理結合 顆粒對基體表面的結合 是由范德華力或次價鍵形成的結合 4 涂層殘余應力當熔融顆粒碰撞基體表面時 在產(chǎn)生變形的同時受到激冷而凝固 從而產(chǎn)生微觀收縮應力 涂層的外層受拉應力 基體 有時也包括涂層的內(nèi)層則產(chǎn)生壓應力 涂層中的這種殘余直力是由噴涂熱條件及噴涂材料與基體材料物理性質(zhì)的差異所造成的 它影響涂層質(zhì)量 限制涂層的厚度 工藝上要采取措施以消除和減少涂層殘余應力 二 熱噴涂的種類和特點1 熱噴涂種類按涂層加熱和結合方式 熱噴涂有噴涂和噴熔兩種 前者是基體不熔化 涂層與基體形成機械結合 后者則是涂層經(jīng)再加熱重熔 涂層與基體互溶并擴散形成冶金結合 它們與堆焊的根本區(qū)別都在于母材基體不熔化或極少溶化 熱噴涂技術按照加熱噴涂材料的熱源種類分為 火焰噴涂 電弧噴涂 高頻噴涂 等離子弧噴涂 超音速噴涂 爆炸噴涂 激光噴涂和重熔 電子束噴涂 2 熱噴涂特點 1 適用范圍廣 涂層材料可以是金屬和非金屬 如聚乙烯 尼龍等塑料 氧化物 氮化硅 氮化硼等陶瓷 以及復合材料 被噴涂工件也可以是金屬和非金屬 如木材 用復合粉末噴成的復合涂層可以把金屬和塑料或陶瓷結合起來 獲得良好的綜合性能 其他方法難以達到 2 工藝靈活 施工對象小到10mm內(nèi)孔 大到鐵塔 橋梁等大型結構 噴涂既可在整體表面上進行 也可在指定區(qū)域內(nèi)涂敷 既可在真空或控制氣氛中噴涂活性材料 也可在野外現(xiàn)場作業(yè) 3 噴涂層的厚度可調(diào)范圍大 涂層厚度可從幾十微米到幾毫米 表面光滑 加工量少 用特細粉末噴涂時 不加研磨即可使用 4 工件受熱程度可以控制 除噴熔外 熱噴涂是一種冷工藝 例如氧 乙炔焰噴涂 等離子噴涂或爆炸噴涂 工件受熱程度均不超過250 工件不會發(fā)生畸變 不改變工件的金相組織 5 生產(chǎn)率高 大多數(shù)工藝方法的生產(chǎn)率可達到每小時噴涂數(shù)千克噴涂材料 有些工藝方法可高達50kg h以上 三 熱噴涂預處理為了提高涂層與基體表面的結合強度 在噴涂前 對基體表面進行清洗 脫脂和表面粗糙化等預處理 是噴涂工藝中一個重要工序 1 基體表面的清洗 脫脂 1 堿洗法 堿洗法是將基體表面放到氫氧化鈉或碳酸鈉等堿性溶液中 待基體表面的油脂溶解后 再用水沖洗干凈 2 溶液洗滌法 溶液洗滌法是采用揮發(fā)性溶液 如丙酮 汽油 三氯乙烯和過氯乙烷乙烯等 它們的主要作用是把基體表面的礦物油溶解掉 再加以清除 3 蒸氣清洗法 蒸氣清洗法是采用三氯乙烯蒸氣進行清洗 盡管這種方法的清洗效果很好 但是對人體有一定的危害 4 對疏松表面的清洗 脫脂 對疏松表面 如鑄鐵件 的清洗 脫脂是比較困難的 盡管油脂不在工件表面 但在噴涂時 由于基體表面的溫度升高 疏松孔中的油脂就會滲透到基體表面 對涂層與基體的結合極為不利 因此 對疏松基體表面 經(jīng)過清洗 脫脂后 還需要將其表面加熱到250 左右 盡量將油脂滲透到表面 然后再加以清洗 2 基體表面氧化膜的處理一般采用機械方法 如切削加工方法和人工除銹法 也可以采用硫酸或鹽酸進行酸洗 3 基體表面的粗化處理基體表面的粗化處理是提高涂層與基體表面機械結合強度的一個重要措施 噴涂前4h 8h內(nèi)必須對工件表面進行粗糙化處理 并帶手套搬動粗糙化處理后的工件 常用的表面粗化處理方法如下 1 噴砂法 噴砂是最常用的粗糙化工藝方法 砂粒有冷硬鐵砂 氧化鋁砂 碳化硅砂等多種 可根據(jù)工件表面的硬度選擇使用 若基體材料硬度低于360HV 則選用白口冷硬鐵砂等 若基體材料硬度高于360HV 則選用氧化鋁剛玉或碳化硅砂等 噴砂前工件表面要清洗 脫脂 噴砂用的壓縮空氣應去油和水 用專用噴砂機進行噴砂 砂粒應清潔銳利 污染和磨損的砂粒不能使用 用白口冷硬鐵砂時 空氣壓力為0 3MPa 0 7MPa 用氧化鋁砂時 砂粒尺寸在0 5mm 1mm之間 空氣壓力為0 15MPa 0 4MPa 若工件表面硬度在510HV以上又不容許去除硬表面層時 噴砂后還需先涂敷結合層以增加噴涂層與基體的結合強度 結合層材料主要有鉬 鎳 鋁和鋁青銅等 選用時應注意結合層材料的適用范圍 如鉬不適用于銅 銅合金和氮化層表面 鎳鋁合金不適用于銅及銅合金工件表面 鋁青銅不適用于氮化層表面 噴砂時要有良好的通風吸塵裝置 必要時 需作比較性試驗 以選擇具有最佳涂層附著力的工藝參數(shù) 噴砂后除極硬的材料表面外 不應出現(xiàn)光亮表面 噴砂表面粗化完成后 工件表面要保持清潔 并盡快 一般不超過2h 轉入噴涂工序 2 機械加工法 對軸 套類零件表面的粗化處理 可采用挑扣 開槽 滾花等簡便切削加工方法 這樣它可限制涂層的收縮應力 增加涂層與基體表面的接觸面積 提高涂層與基體以及涂層間的結合強度 對承受靜載荷為主的工件 表面邊緣應倒90 135 圓弧 其根部半徑應大于涂層厚度的一半 至少為0 75mm 對承受動載荷為主的工件 表面邊緣和端部應加工成較大半徑的圓角或與表面成小于30 的斜面 以適應噴涂需要 對涂層結合力要求不高的軸類工件 可在要求修復的區(qū)域內(nèi)進行車螺紋和滾壓處理 形成粗糙表面 一般為每厘米10條紋左右 需高結合力時 則可車20條左右 車削形狀為階梯狀 階梯的尖角最好加工成圓角 噴涂后不易產(chǎn)生缺陷 工件有裂紋時 應在裂紋處開槽 其寬度約為裂紋寬度的3 4倍 槽的側面深0 6mm左右 并與基體呈略小于90 的銳角 凹面修復的預加工也可采用類似方法 即在磨損部位邊緣加工成深0 6mm略小于90 的銳角 但凹面深度大于0 75mm時 則采用預埋釘?shù)姆椒ㄒ栽黾油繉咏Y合力 工件上的氣孔應加工全部敞開 側面深0 6mm 并與孔基面成小于90 的銳角 平面修復可采用開槽法增加涂層結合力 槽長10mm 15mm 槽深度和寬度均應小于1 5mm 槽間距約10mm 15mm 3 化學腐蝕法 基體表面進行化學腐蝕 由于晶粒上各個晶面的腐蝕速度不同 可形成粗糙的表面 4 電弧法 又稱電火花拉毛法 是將直徑比較細的鎳 或鋁 絲作為電極 在電弧作用下 電極材料與基體表面局部熔合 產(chǎn)生粗糙的表面 這種方法適用于硬度比較高的基體表面 但不適用于比較薄的零件表面 4 基體表面的預熱處理涂層與基體表面的溫度差會使涂層產(chǎn)生收縮應力 從而引起涂層開裂和剝落 基體表面的預熱可降低和防止上述不利影響 但預熱溫度不宜過高 以免引起基體表面氧化而影響涂層與基體表面的結合強度 一般基體表面的預熱溫度在200 300 之間 預熱可直接用噴槍進行 如用中性氧 乙炔焰對工件直接加熱 預熱也可在電爐 高頻爐等中進行 具體用什么方法可根據(jù)生產(chǎn)條件選擇 5 非噴涂表面的保護在噴砂和噴涂前 必須對基體的非噴涂表面進行保護 其保護方法可根據(jù)非噴涂表面的形狀和特點 設計一些簡易的保護罩 保護罩材料可采用薄銅皮或鐵皮 對基體表面上的鍵槽和小孔等不允許外物進入的部位 噴砂前可以用金屬 橡膠或石棉繩等堵塞 噴砂后換上炭素物或石棉等 以防止熔融的熱噴涂材料進入 四 熱噴涂材料 一 熱噴涂線材 1 碳鋼及低合金鋼絲 最常用的是85優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼絲和T8A碳素工具鋼絲 一般采用電弧噴涂 用于噴涂曲軸 柱塞 機床導軌等常溫工作的機械零件滑動表面耐磨涂層及磨損部位的修復 2 不銹鋼絲 lCrl3 2Crl3 3Crl3等馬氏體不銹鋼絲主要用于強度和硬度較高 耐蝕性要求不太高的場合 其涂層不易開裂 lCrl7在氧化性酸類 多數(shù)有機酸 有機酸鹽水溶液中有良好的耐蝕性 lCrl8Ni9Ti等奧氏體不銹鋼絲有良好的工藝性能 在多數(shù)氧化性介質(zhì)和某些還原性介質(zhì)中都有較好的耐蝕性 用于噴涂水泵軸等 由于不銹鋼涂層收縮率大 易開裂 適于噴涂薄層 3 鋁絲 鋁和氧有很強的親和力 鋁在室溫下大氣中就能形成致密而堅固的AL203氧化膜 能防止鋁進一步氧化 純鋁噴涂除大量用于鋼鐵保護涂層外 還可作為鋼的抗高溫氧化涂層 導電涂層和改善電接觸的涂層 鋁絲雜質(zhì)含量的增加 會影響到鋁在氧化時形成氧化膜的連續(xù)性 特別在含有鐵 硅和銅等元素時 耐腐蝕性降低 所以 一般鋁絲純度 質(zhì)量分數(shù) 應大于99 7 鋁絲直徑2mm 3mm 噴涂時 表面不得有油污和氧化膜 4 鋅絲 在鋼鐵件上 只要噴涂0 2mm的鋅層 就可在大氣 淡水 海水中保持幾年至幾十年不銹蝕 為了避免有害元素對鋅涂層耐蝕性的影響 最好使用純度 質(zhì)量分數(shù) 在99 85 以上的純鋅絲 在鋅中加鋁可提高涂層的耐蝕性能 若鋁的質(zhì)量分數(shù)為30 則耐蝕性最佳 但由于拉拔困難 各國使用鋁的質(zhì)量分數(shù)在16 以下的鋅鋁合金 鋅噴涂廣泛用于大型橋梁 鐵路配件 鋼窗 電視臺天線 水閘門和容器等 5 鉬絲 鉬與氫不產(chǎn)生反應 可用于氫氣保護或真空條件下的高溫涂層 鉬是一種自粘結材料 可與碳鋼 不銹鋼 鑄鐵 蒙乃爾合金 鎳及鎳合金 鎂及鎂合金 鋁及鋁合金等形成牢固的結合 鉬可在光滑的工件表面上形成1 m的冶金結合層 常用作打底層材料 如機床導軌噴涂鋼時 用鉬作為打底層可增加鋼噴涂層與基體的結合強度 鉬的摩擦系數(shù)小 適用于噴涂活塞環(huán)和摩擦片 但鉬不能作為銅及銅合金 鍍鉻表面和硅鐵表面的涂層 6 錫及錫合金絲 錫涂層具有很高的耐腐蝕性能 常用作食品器具的保護涂層 但錫中砷的質(zhì)量分數(shù)不得大于0 015 含銻和鋁的錫合金絲具有摩擦系數(shù)低 韌性好 耐蝕性和導熱性良好等特性 在機械工業(yè)中 廣泛應用于軸承 軸瓦和其他滑動摩擦部件的耐磨涂層 此外 錫可在熟石膏等材料上噴涂制成低熔點模具 7 鉛及鉛合金絲 鉛具有很好的防X射線輻射的性能 在原子能工業(yè)中廣泛用于防輻射涂層 含銻和銅的鉛合金絲材料的涂層具有耐磨和耐蝕等特性 用于軸承 軸瓦和其他滑動摩擦部件的耐磨涂層 但涂層較疏松 用于耐腐蝕時需經(jīng)封閉處理 由于鉛蒸氣對人體危害較大 噴涂時應加強防護措施 8 銅及銅合金絲 銅主要用于電器開關的導電涂層 塑料和水泥等建筑表面的裝飾涂層 黃銅涂層則用于修復磨損及超差的工件 如修補有鑄造砂眼 氣孔的黃銅鑄件 也可作裝飾涂層 黃銅中加入質(zhì)量分數(shù)為1 左右的錫 可改善耐海水腐蝕性能 鋁青銅的強度比一般黃銅高 耐海水 硫酸和鹽酸的腐蝕 有良好的耐磨性和抗腐蝕疲勞性能 采用電弧噴涂時與基體結合強度高 可作為打底涂層 常用于水泵葉片 氣閘活門 活塞及軸瓦等的噴涂 磷青銅涂層比其他青銅涂層更為致密 有良好的耐磨性 可用來修復軸類和軸承等的磨損部位 也可用于美術工藝品的裝飾涂層 9 鎳及鎳合金絲 蒙乃爾合金對氨水 海水 照相用藥劑 酚醛 甲酚 汽油 礦物油 酒精 碳酸鹽水溶液及熔鹽 脂肪酸以及其他有機酸的耐蝕性優(yōu)良 對硫酸 醋酸 磷酸和干燥氯氣等介質(zhì)的耐蝕性較好 但對鹽酸 硝酸 鉻酸等介質(zhì)不耐蝕 常用于水泵軸 活塞軸 耐蝕容器的噴涂 80Ni20cr在高溫下幾乎不氧化 是最好的耐熱耐蝕材料 常用于高溫耐腐蝕涂層 鎳鉻耐熱合金絲涂層致密 與母材金屬的結合性好 常用于A12O3 Zr2等陶瓷涂層的打底層 但不能用于硫化氫 亞硫酸氣體以及硝酸和鹽酸介質(zhì)中 10 復合噴涂絲 用機械方法將兩種或更多種材料復合壓制成噴涂線材稱復合噴涂絲 不銹鋼 鎳 鋁等組成的復合噴涂絲 利用鎳 鋁的放熱反應使涂層與多種基體 母材 金屬結合牢固 而且因復合了多種強化元素 改善了涂層的綜合性能 涂層致密 噴涂參數(shù)易于控制 便于火焰噴涂 因此 它是目前正在擴大使用的噴涂材料 主要用于油泵轉子 軸承 汽缸襯里和機械導軌表面的噴涂 也可用于碳鋼和耐蝕鋼磨損件的修補 二 熱噴涂粉末熱噴涂材料應用最早的是一些線材 而只有塑性好的材料才能做成線材 隨著科學技術的發(fā)展 發(fā)現(xiàn)任何固體材料都可以制成粉末 所以粉末噴涂材料越來越得到廣泛應用 粉末材料可分為金屬及合金粉末 陶瓷材料粉末和復合材料粉末 1 金屬及合金粉末 1 噴涂合金粉末 又稱冷噴合金粉末 這種粉末不需或不能進行重熔處理 按其用途分為打底層粉末和工作層粉末 打底層粉末用來增加涂層與基體的結合強度 工作層粉末保證涂層具有所要求的使用性能 放熱型自粘結復合粉末是最常用的打底層粉末 工作層粉末熔點要低 具有較高的伸長率 以避免涂層開裂 氧 乙炔焰噴涂工作層粉末 最常用的是鎳包鋁復合粉末與自熔性合金的混合粉末 2 噴熔合金粉末 又稱自熔性合金粉末 因合金中加入了強烈的脫氧元素如Si B等 在重熔過程中它們優(yōu)先與合金粉末中氧和工件表面的氧化物作用 生成低熔點的硼硅酸鹽覆蓋在表面 防止液態(tài)金屬氧化 改善對基體的潤濕能力 起到良好的自熔劑作用 所以稱之為自熔性合金粉末 噴熔用的自熔性合金粉末有鎳基 鈷基 鐵基及碳化鎢等四種系列 2 陶瓷材料粉末陶瓷屬高溫無機材料 是金屬氧化物 碳化物 硼化物 硅化物等的總稱 其硬度高 熔點高 但脆性大 常用的陶瓷粉末有 1 氧化物 它是使用最廣泛的高溫材料 氧化物陶瓷粉末涂層與其他耐熱材料涂層相比 絕緣性能好 熱導率低 高溫強度高 特別適合作熱屏蔽和電絕緣涂層 2 碳化物 它包括碳化鎢 碳化鉻 碳化硅等 很少單獨使用 往往采用鈷包碳化鎢或鎳包碳化鎢 以防止噴涂時產(chǎn)生嚴重失碳現(xiàn)象 為保證涂層質(zhì)量 須嚴格控制噴涂工藝參數(shù) 或在含碳的保護氣氛中噴涂 碳化鎢是一種超硬耐磨材料 由于溫度和均勻度等因數(shù) 其組織及性能很難達到燒結碳化鎢硬質(zhì)合金的性能 碳化鉻 碳化硅也可用作耐磨或耐熱涂層 3 復合材料粉末復合材料粉末是由兩種或更多種金屬和非金屬 陶瓷 塑料 非金屬礦物 固體粉末混合而成 其特點是 1 復合粉的粉粒是非均相體 在熱噴涂作用下形成廣泛的材料組合 從而使涂層具有多功能性 2 復合材料之間在噴涂時可發(fā)生某些希望的有利反應 改善噴涂工藝 提高涂層質(zhì)量 例如 可制成放熱型復合粉 使涂層與基體除機械結合外 還有冶金結合 提高涂層結合強度 3 包覆型復合粉的外殼 在噴涂時可對核心物質(zhì)提供保護 使其免于氧化和受熱分解 按照復合粉末的結構 一般分為包覆型 非包覆型和燒結型 包覆型復合粉末的芯核被包覆材料完整地包覆著 非包覆型粉末的芯核被包覆材料包覆程度是不均勻和不完整的 按照復合粉末形成涂層的機理可分為自粘結 增效或自放熱 復合粉末和工作層粉末 工作層復合粉末品種較多 自粘結復合粉末多用作基體與工作層間的過渡層 即打底層粉末 它在噴涂時產(chǎn)生放熱反應 有助于涂層與基體的結合 形成致密而又粗糙的過渡層 有效地改善涂敷性能 按照涂層功能 復合粉末有硬質(zhì)耐磨復合粉末 耐高溫和隔熱復合粉末 耐腐蝕和抗氧化復合粉末 絕緣和導電復合粉末以及減摩潤滑復合粉末等多種 硬質(zhì)耐磨復合粉末的芯核材料為各種碳化物硬質(zhì)合金顆粒 包覆材料為金屬和合金 如Co WC Ni WC Fe WC NiCr WC NiCr Cr3C2 Ni TiC2 Co Cr3C2等 加入有自粘結作用的鎳包鉬復合粉末后 可增加涂層與基體的結合強度 提高涂層的致密性和抗氧化性 減摩潤滑復合粉末的芯核材料是固體潤滑劑顆粒 如石墨 MoS 硅藻土 WS2 NbS2 聚四氟乙烯等 它們的摩擦系數(shù)和硬度低 并有自潤滑性能 是一種多孔的軟質(zhì)材料 其包覆材料為金屬Co Ni Ag Fe Cr W Mo Ti 青銅等 耐高溫和隔熱復合粉末分為金屬型 陶瓷型和金屬陶瓷型三類 金屬型復合粉末主要有Ni AL NiCr AL NiCr Co NiCr ALY CoCr ALY等 涂層致密性好 導熱快 是良好的耐高溫涂層 陶瓷型復合粉末主要有Zr02 A1203 Cr2O3 TiO2 MgO NiO Y203等 其涂層孔隙多 傳熱和散熱均緩慢 是良好的高溫隔熱涂層 金屬陶瓷型復合粉末由金屬型和陶瓷型兩種復合粉末按不同組成和配比復合而成 涂層性能介于前兩者之間 是良好的耐高溫和隔熱涂層 耐腐蝕和抗氧化復合粉末也分為金屬型 陶瓷型和金屬陶瓷型三類 導電復合粉末是在鎳粉上涂敷Cu Ag Pb Pt和Au等制成 噴涂在絕緣體上制備導電涂層 絕緣復合粉末由陶瓷氧化物組成 如富鋁紅柱石 質(zhì)量分數(shù)為71 8 的A12O3及質(zhì)量分數(shù)為28 2 的Si02 鈦酸鈣 CaO Ti02 灰色氧化鋁 質(zhì)量分數(shù)為2 5 的Ti02的AL2O3 等都有極好的電絕緣性能 用熱噴涂方法可在導體表面制備電絕緣性能優(yōu)異的涂層紅外線輻射和防輻射復合粉末有 AL2O3 Ti02 A12O3 Ti02 Zr02 NiO Cr2O3 AL2O3 FeO Ti02等 這些復合粉末涂層在較低溫度下有很好的熱輻射特性 同時吸收熱輻射能力弱 遠紅外輻射復合粉末主要有鈦鋯系 鈦鐵系 硅鐵系材料按不同配比制成 該涂層在受熱時能輻射出波長6 m 50 m的遠紅外波 含稀土和鉛的復合粉末涂層具有防x射線等的輻射能力 含BN B6Si等復合粉末可用作中子吸收裝置的涂層 4 塑料塑料具有良好的防粘 低摩擦系數(shù)和特殊的物理化學性能 五 熱噴涂裝置和設備1 氧 乙炔焰噴涂裝置圖5 5是典型的氧 乙炔噴槍示意圖 噴槍主要由兩部分組成 產(chǎn)生火焰的氧 乙炔供給系統(tǒng)和噴涂粉末供給系統(tǒng) 進行熱噴涂時 氧氣和乙炔在噴嘴燃燒 同時粉末隨氧氣輸送到噴嘴 粉末被噴嘴的高溫火焰加熱熔化或半熔化后噴射到工件表面形成所需要的涂層 2 等離子噴涂裝置等離子噴涂裝置包括電源 控制系統(tǒng) 噴槍 冷卻系統(tǒng)和供氣系統(tǒng) 圖5 6為整套等離子噴涂裝置示意圖 等離子噴涂裝置的電源采用直流電源 常用的有直流發(fā)電機電源 硅整流飽和電抗器型電源以及晶閘管型電源 電源應具有陡降的外特性 具有一定的起弧空載電壓和可調(diào)的電功率 等離子噴槍分為外圓噴槍和內(nèi)圓噴槍兩大類 外圓噴槍用于零件的外表面噴涂 也可用于較大直徑的淺內(nèi)孔表面的噴涂 較深內(nèi)孔表面的噴涂則采用內(nèi)圓噴槍 六 熱噴涂工藝工件經(jīng)清整處理和預熱后 一般先在表面噴一層打底層 或稱過渡層 然后再噴涂工作層 具體噴涂工藝因噴涂方法不同而有所差異 一 氧 乙炔焰噴涂與噴熔1 氧 乙炔焰噴涂 1 氣體火焰線材噴涂 將線材或棒材送入氧 乙炔火焰區(qū)加熱熔化 借助壓縮空氣使其霧化成顆粒 噴向粗糙的工件表面形成涂層 這種噴涂設備簡單 成本低 手工操作靈活方便 廣泛應用于曲軸 柱塞 軸頸 機床導軌 橋梁 鐵塔 鋼結構防護架等 缺點是噴出的熔滴大小不均勻 導致涂層不均勻和孔隙大等缺陷 2 氣體火焰粉末噴涂 它也是以氧 乙炔焰為熱源 借助高速氣流將噴涂粉末吸入火焰區(qū) 加熱到熔融或高塑性狀態(tài)后再噴射到粗糙的工件表面 形成涂層 其工藝過程包括表面制備 噴涂打底層粉末 噴涂工作層粉末 涂層加工 打底層一般噴涂放熱型鋁包鎳復合粉末 噴涂前工件用中性焰或弱碳化焰預熱到100 一200 噴涂火焰為中性焰 噴涂距離為150mm 260mm 打底層粉末起結合作用 其厚度一般為O 10mm 0 15mm 工作層粉末不是放熱型 粉末所需熱量全部由火焰提供 噴涂火焰也采用中性焰或碳化焰 噴涂距離為180mm 200mm 噴涂時火焰功率要大些 以粉末加熱到白亮色為宜 采用間斷噴涂可防止工件過熱 火焰粉末噴涂工件受熱溫度低 主要用于保護或修復已經(jīng)精加工的或不容許變形的機械零件 如軸 軸瓦 軸套等 2 氧 乙炔焰噴熔氧 乙炔焰噴熔以氧 乙炔焰為熱源 將自熔性合金粉末噴涂到經(jīng)制備的工件表面上 然后對該涂層加熱重熔并潤濕工件 通過液態(tài)合金與固態(tài)工件表面間相互溶解和擴散 形成牢固的冶金結合 它是介于噴涂和堆焊之間的一種新工藝 粉末噴涂涂層與基體呈機械結合 結合強度低 涂層多孔不致密 堆焊層熔深大 稀釋率高 加工余量大 而經(jīng)噴熔處理的涂層 表面光滑 稀釋率極低 涂層與基體金屬結合強度高 致密無氣孔 噴熔的缺點是重熔溫度高 須達到粉末熔點溫度 工件受熱溫度高 會產(chǎn)生變形 噴熔工藝包括 工件表面制備 工件預熱 噴涂合金粉末 重熔處理 冷卻 涂層后處理 根據(jù)噴涂粉末和重熔處理的先后次序 氧 乙炔噴熔可分為一步法和二步法 一步法時 噴粉和重熔交替或幾乎同時進行 一步法要求粉末的粒度細 粉末直接噴人熔池 這種方法輸入到工件的熱量較少 工件變形較小 涂層厚度一般為0 8mm 1 2mm 涂層表面光滑平整度稍差 適合于大工件上小面積或小尺寸零件的噴熔 主要用于噴銅 鎳和不銹鋼等耐腐蝕的涂層 二步法時 先在零件表面均勻噴粉 達到一定厚度后再重熔 而且不一定使用同一熱源 二步法使用的粉末粒度較粗 輸入工件的熱量較多 工件的變形較大 二步法適用于要求表面涂層厚度均勻 光滑平整的工件 特別適用于尺寸大的零件和圓柱面的噴熔 它主要噴熔鈷基 鎳基合金等 二 電弧線材噴涂電弧線材噴涂是將金屬或合金絲制成兩個熔化電極 由電動機變速驅動 在噴槍口相交產(chǎn)生短路而引發(fā)電弧 熔化 借助壓縮空氣霧化成微粒并高速噴向經(jīng)預處理的工件表面 形成涂層 一般采用不銹鋼絲 高碳鋼絲 合金工具鋼絲 鋁絲和鋅絲等作噴涂材料 廣泛應用于軸類 導輥等負荷零件的修復 以及鋼結構防護涂層 與火焰噴涂相比 它具有以下特點 涂層與基體結合強度高 剪切強度高 以電加熱 熱能利用率高 成本低 熔敷能力大 如噴鋅線可達30kg h 40Kg h 采用兩根不同成分的金屬絲可獲得假合金涂層 如鋁青銅和Crl3鋼絲等 三 等離子噴涂等離子噴涂是利用等離子焰流 即非轉移等離子弧作熱源 將噴涂材料加熱到熔融或高塑性狀態(tài) 在高速等離子焰流引導下高速撞擊工件表面 并沉積在經(jīng)過粗糙處理的工件表面形成很薄的涂層 涂層與母材的結合主要是機械結合 其原理見圖5 7 等離子焰溫度高達10000 以上 可噴涂幾乎所有固態(tài)工程材料 包括各種金屬和合金 陶瓷 非金屬礦物及復合粉末材料等 等離子焰流速達1000m s以上 噴出的粉粒速度可達180m s 600m s 得到的涂層致密性和結合強度均比火焰噴涂及電弧噴涂高 等離子噴涂工件不帶電 受熱少 表面溫度不超過250 母材組織性能無變化 涂層厚度可嚴格控制在幾微米到1mm左右 若等離子弧功率過低 則粉末熔化不良 從而降低涂層的結合強度和沉積效率 若功率過大 粉末過熱蒸發(fā)大 沉積率低 功率大小取決于粉末種類 性質(zhì)和送粉量的大小 氮氣等離子弧電流一般為250A 400A 氬氣等離子弧電流一般為400A 600A 電弧電壓與噴槍結構 工作氣種類及流量有關 氮氣等離子弧電壓為70V 90V 氬氣等離子弧電壓則為20V 40V 目前 工業(yè)上應用的功率范圍為25kW 40kW 工作氣一般推薦采用氮氣或氮一氬混合氣 成本低 對易氧化或涂層質(zhì)量要求高的可選用氬氣或氦氣 送粉氣一般與工作氣相同 其流量與送粉氣種類及送粉量大小有關 一般為工作氣流量的1 3 1 5 送粉量過大 粉末熔化不良 過小 則粉末易過熱 噴涂距離小 則噴涂效率高 噴涂距離大 噴涂效率會明顯下降 涂層氣孔率增加 但噴涂距離過小 則又導致工件受熱產(chǎn)生大的變形 對金屬粉末來說 噴涂距離為100mm 150mm 噴嘴與工件的夾角以10 45 為宜 噴槍移動速度以一次噴涂厚度不超過0 25mm為宜 四 爆炸噴涂爆炸噴涂是氧 乙炔焰噴涂技術中最復雜的一種方法 它是將一定量的粉末注入噴槍的的同時 引入一定量的氧 乙炔混合氣體 將混合氣體點燃引爆產(chǎn)生高溫 可達3300 使粉末加熱到高塑性或熔融狀態(tài) 以每秒4 8次的頻率高速 可達700m s 760m s 射向工件表面 形成高結合強度和高致密度的涂層 爆炸噴涂主要用于金屬陶瓷 氧化物及特種金屬合金 如91WC9Co 86WC4Cr10Co 60AL2O340TiO2 65Cr3C2 35NiCr 55Cu41Ni4In等 被噴涂的基體材料為金屬和陶瓷材料 基體表面的溫度不超過205 為宜 涂層厚度一般為0 025mm 0 30mm 涂層粗糙度可小于Ra1 60 經(jīng)磨削加工后可達Ra0 025 涂層與基體的結合為機械結合 結合強度可達70MPa以上 爆炸噴涂在航空產(chǎn)品零件上已經(jīng)得到廣泛應用 例如高低壓壓氣葉片 渦輪葉片 輪轂密封槽 齒輪軸 火焰筒外壁 襯套 副翼 襟翼滑軌等零件 爆炸噴涂后的零件使用效果也是十分明顯的 在航空發(fā)動機一 二級鈦合金風扇葉片的中間阻尼臺上 爆炸噴涂一層O 25mm厚的碳化鎢涂層后 其使用壽命可從100h延長到l000h以上 在燃燒室的定位卡環(huán)上噴涂一層O 12mm厚的碳化鎢涂層后 零件壽命從4000h延長到28000h以上 氧 乙炔焰爆炸噴涂技術為美國聯(lián)合碳化物公司專利 爆炸噴涂設備包括爆炸噴槍 氧氣和乙炔供給裝置等 操作時噪音極大 需在隔音室內(nèi)遙控操作 七 熱噴涂涂層后處理和涂層性能的檢驗 一 熱噴涂涂層后處理熱噴涂后 工件因溫升不高 一般可直接空冷 對于細長 薄壁等零件 為防止變形 可采取緩冷方法 涂層應盡快進行后處理 如鎳基或鈷基自熔性粉末噴涂后 應在1050 1300 進行熔融處理 較小的工件可在氫保護氣氛爐內(nèi)加熱熔融 有的涂層在噴涂后可迅速加熱到規(guī)定的溫度 保溫15min 然后在靜止空氣中冷卻 涂層表面需封閉的工件應在噴涂后立即進行 根據(jù)工件使用狀態(tài)選擇涂層封閉劑 常用封閉劑有 高熔點蠟類 耐蝕 減摩的不溶于潤滑油的合成樹脂 如烘干酚醛 環(huán)氧 環(huán)氧酚醛 水解乙基硅酸鹽等 涂層精加工時 為避免涂層局部過熱 可采用冷卻劑冷卻 切削刀具必須鋒利 二 熱噴涂涂層性能的一般檢驗在生產(chǎn)現(xiàn)場 常采用簡便方法對涂層進行初步質(zhì)量檢驗 用肉眼觀察涂層是否均勻 有無明顯隆起現(xiàn)象 表面粗糙度是否符合要求等 檢驗涂層與基體結合力時 可用鋼棒輕敲涂層和未噴涂的工件表面 如發(fā)出的聲音相似 則涂層與基體結合力好 聲音低沉則不好 涂層表面微裂紋的檢查 可在有一定溫度的工件表面上涂乙醇或石油醚 在熔劑蒸發(fā)的數(shù)秒鐘內(nèi) 若看到涂層表面有暗色線條則表明涂層有微裂紋存在 熱噴涂涂層性能的檢驗技術是對涂層系統(tǒng)設計 噴涂工藝的合理性 可靠性和經(jīng)濟性等方面進行綜合評定的專門鑒定技術 目前我國尚未制定出統(tǒng)一的熱噴涂涂層檢測方法和標準 在國外 有些國家已經(jīng)制定出了各自的涂層性能檢測方法和標準 三 涂層與基體表面的結合強度試驗涂層與基體表面的結合強度是評定涂層質(zhì)量的重要指標之一 若結合強度達不到規(guī)定的要求 將會出現(xiàn)涂層的嚴重剝落和開裂現(xiàn)象 涂層其他性能就更無從談起 所以應檢測涂層與基體表面的結合強度 1 定性試驗方法定性試驗方法在噴涂后即可進行 試驗簡單 不需專用試驗設備 能迅速了解涂層與基體表面結合性能的好壞 除上述鋼棒敲涂層發(fā)聲音方法可簡單定性評定涂層與基體表面結合強度以外 還有以下方法 1 杯突試驗 又稱球面凹坑試驗 取試樣板 15mm 44mm 76mm 一塊 其一面噴涂涂層 將涂層面朝下 并置于開有34mm圓孔的金屬支承板上 再將直徑為22mm的鋼球放在試驗板的上方 并對準支承板圓孔的中心位置 以10mm min的速度將鋼球壓入 深度達7 6mm 這樣涂層表面便凸起 再同標準試驗比較來評定其結合性能 2 偏心車削試驗 在晉通車床上 對涂層進行偏心車削 觀察并分析工作涂層與過渡層 過渡層與基體表面結合交界處的結合情況 如圖5 8所示 如果涂層的粘結性能差 涂層將會 起皮 若出現(xiàn)涂層與涂層 涂層與基體表面有分離現(xiàn)象時 則表明它們之間的結合性能就更差 3 涂層彎曲強度試驗 在長方形的基體表面一側噴涂涂層 將涂層面朝下 在兩支點的中心處加壓進行彎曲 見圖5 9 觀察并分析涂層開始發(fā)生龜裂時的彎曲率和涂層剝落的面積 再與標準試樣進行比較 4 反復沖擊試驗 在沖擊試驗機上 用500g的錘 從1mm高度向試樣某一處反復沖擊 根據(jù)沖擊次數(shù)和涂層剝落過程所觀察到的現(xiàn)象來評定涂層與基體表面的結合性能 2 定量試驗方法 1 涂層與基體表面的結合強度的拉伸試驗 圖5 10為涂層與基體表面結合強度的拉伸試驗示意圖 在零件A的中心部位加工一內(nèi)孔 使活塞桿B與內(nèi)孔為間隙配合 將零件A與活塞桿B的端面處于同一平面 對此平面噴砂后進行噴涂 然后按圖示方向拉活塞桿B 拉斷后 所加最大載荷與活塞桿曰端面面積之比即為涂層與基體表面的結合強度 該試驗方法對活塞桿B與零件A的內(nèi)孔間隙配合的精度要求很高 由于圓周交界處存在應力集中 采用此法所得的強度值是偏低的 而且 涂層很薄時 將產(chǎn)生從活塞桿外周邊緣向涂層內(nèi)上方的剪切斷裂 使涂層與基體表面的拉伸試驗不能進行 2 涂層與基體表面的結合強度的剪切試驗 有兩種方法 試驗方法一 如圖5 11a所示 A和B為長方形試樣 在試樣A上噴一層涂層 隨即用環(huán)氧樹脂將試樣A涂層與試樣B粘在一起 然后對試樣A和B進行相反方向拉伸 當涂層與試樣A分離時 所加最大負荷值與接觸面積之比即為涂層與基體表面的結合強度 試樣中應確保涂層受純剪切 以準確反映涂層與基體的結合強度 試驗方法二 如圖5 11b所示 在圓柱體試樣A的柱面中部噴涂涂層 然后將它壓入與其為間隙配合的陰模中作剪切試驗 試樣和附件按有關規(guī)定加工 其剪切載荷與涂層圓柱面積之比為涂層與基體表面結合強度 四 涂層自身粘結強度試驗涂層自身粘結強度即涂層間微粒的粘結強度 它是指涂層不受基體影響時自身的抗拉強度 它反映了涂層內(nèi)聚力的大小 由于涂層垂直于基體方向 法向 和平行于基體方向 切向 的強度相差很大 因此 涂層的粘結強度分為法向強度和切向強度 1 涂層自身法向粘結強度試驗涂層自身法向粘結強度反映涂層各層間的聚合力 對確定涂層使用的最佳厚度和耐磨能力都很有意義 圖5 12為涂層自身法向粘結強度試驗簡圖 在圓柱體基體端面上 附上一層很薄的低熔點材料 如焊錫 用噴砂法對其表面進行粗化處理 然后在其表面上噴上試驗用的涂層材料 圖5 1