03.3-現(xiàn)代表面工程學導論—— 熱噴涂篇-電弧噴涂

1、3.5 電弧噴涂電弧噴涂 Arc Wire Thermal Spray Process 電弧噴涂是利用燃燒于兩根連續(xù)送進的金屬絲之間的電弧來電弧噴涂是利用燃燒于兩根連續(xù)送進的金屬絲之間的電弧來 熔化金屬，用高速氣流把熔化的金屬霧化，并對霧化的金屬熔化金屬，用高速氣流把熔化的金屬霧化，并對霧化的金屬 粒子加速使它們噴向工件形成涂層的技術。粒子加速使它們噴向工件形成涂層的技術。 噴嘴端部成一定角度的連續(xù)送進的兩根金屬絲分別與直流的噴嘴端部成一定角度的連續(xù)送進的兩根金屬絲分別與直流的 正負極相連接正負極相連接- - 使兩根金屬絲間產(chǎn)生電弧，將兩根金屬使兩根金屬絲間產(chǎn)生電弧，將兩根金屬 絲端部同時熔化

2、，在電源作用下，維持電弧穩(wěn)定燃燒；絲端部同時熔化，在電源作用下，維持電弧穩(wěn)定燃燒； 在電弧發(fā)射點的背后由噴嘴噴射出的高速壓縮空氣使熔化的在電弧發(fā)射點的背后由噴嘴噴射出的高速壓縮空氣使熔化的 金屬脫離金屬絲并霧化成微粒金屬脫離金屬絲并霧化成微粒 在高速氣流作用下噴射到基材表面而形成涂層。在高速氣流作用下噴射到基材表面而形成涂層。 電弧噴涂時，金屬絲的電弧噴涂時，金屬絲的 短路僅發(fā)生在開始的瞬短路僅發(fā)生在開始的瞬 間，而噴涂過程中發(fā)生間，而噴涂過程中發(fā)生 的是在電弧作用下金屬的是在電弧作用下金屬 絲端部頻繁地產(chǎn)生熔絲端部頻繁地產(chǎn)生熔 化化脫離一霧化的過脫離一霧化的過 程。程。 3.5.2電弧噴涂的

3、特點電弧噴涂的特點 (1)(1)熱效率高熱效率高 (2)(2)生產(chǎn)率高生產(chǎn)率高 (3)(3)噴涂成本低噴涂成本低 (4)(4)涂層結(jié)合強度高涂層結(jié)合強度高 (5)(5)可方便地制備偽合金涂層可方便地制備偽合金涂層 3.5.3電弧噴涂設備與工藝電弧噴涂設備與工藝 設備由：整流電源、控制裝置、噴槍、送絲裝置和 壓縮空氣供給系統(tǒng)組成。 電弧噴涂的主要工藝參數(shù)有： 電弧電壓、電弧電壓、 電弧電流、電弧電流、 絲材直徑、絲材直徑、 送絲速度、送絲速度、 壓縮空氣壓力、壓縮空氣壓力、 噴涂距離等。噴涂距離等。 增強的電弧噴涂涂層 提高電弧噴涂的速度提高電弧噴涂的速度 集中噴涂射流集中噴涂射流 加速粒子飛行

4、加速粒子飛行,獲得獲得. 高達高達1200 fps (365 mps)1200 fps (365 mps)的粒子的粒子 速度速度 微結(jié)構(gòu)滿足航空質(zhì)量標準微結(jié)構(gòu)滿足航空質(zhì)量標準 較窄的噴涂模式較窄的噴涂模式 更致密涂層更致密涂層 涂層比普通火焰噴涂致密，結(jié)合強度高，適合大面積噴涂。涂層比普通火焰噴涂致密，結(jié)合強度高，適合大面積噴涂。 需要專門的預熱設備，只能噴涂導電的線材。需要專門的預熱設備，只能噴涂導電的線材。 典型應用：鋅鋁復合噴涂長效防腐。典型應用：鋅鋁復合噴涂長效防腐。 Arc Sprayed Coatings Arc Wire Sprayed 13Cr Steel Coating. A

5、rc Sprayed Coatings Arc Wire Sprayed 13Cr Steel Coating Arc Sprayed Coatings Arc Wire Sprayed High Chromium High Carbon Iron Coating Arc Spray Coatings Arc Wire Sprayed 13Cr Steel Coating on Aluminium Substrate. Note Vickers Microhardness indentations in substrate and coating. Arc Wire Sprayed 13Cr

6、Steel/Aluminium bronze Psuedo-alloy Coating Made possible by feeding two different wires into the arc. Arc Spray Coatings Arc Wire Sprayed Nickel Aluminium Alloy Coating FeCr- Fe基涂基涂 層層 3.6. 3.6. 等離子噴涂工藝等離子噴涂工藝 兩固定電極間的電弧使兩固定電極間的電弧使 氣體電離，加熱加速材氣體電離，加熱加速材 料（通常是粉末）飛向料（通常是粉末）飛向 工件。工件。 Requirements for a

7、Typical Plasma Spray System 等離子工藝特點等離子工藝特點 等離子噴涂工藝 電和燃燒能量電和燃燒能量 使用氬氣使用氬氣,氦氦, 氫氫, 氮或者組合氮或者組合 各種類型的高性能涂層各種類型的高性能涂層 熱障涂層熱障涂層 (TBC)(TBC) 最復雜的熱噴涂工藝最復雜的熱噴涂工藝 最高熱能最高熱能 優(yōu)點優(yōu)點 可噴涂材料廣泛可噴涂材料廣泛 工藝成本低工藝成本低 沉積效率高沉積效率高 操作簡單操作簡單 涂層致密涂層致密 噴涂效率高噴涂效率高 應用應用 耐磨涂層耐磨涂層 耐熱涂層耐熱涂層 防腐蝕涂層防腐蝕涂層 電絕緣與導電電絕緣與導電 涂層涂層 恢復尺寸涂層恢復尺寸涂層 熱障涂

8、層熱障涂層 Plasma Spray Coating Photomicrographs Plasma sprayed Molybdenum coating Plasma sprayed grey alumina coating showing unmelted particles Plasma Spray Chromium Oxide Coating The microstructure shows a very dense coating with microhardness values in excess of 1500 HV/1kg Plasma Spray Chromium Oxid

9、e Coatings 2. Plasma Sprayed Chromium Oxide Coatings with base coatings of Hastelloy C for use in very corrosive environments. Plasma Spray Chromium Oxide Coatings 3. Plasma Sprayed Chromium Coating The substrate is glass fibre reinforced polymer. The coating shows slight lamination faults caused by

10、 an excessive deposition rate per pass. Plasma Sprayed Chromium Coating The microstructure shows a very dense coating with microhardness values in excess of 1500 HV/1kg Plasma Sprayed Tungsten Carbide Plasma Sprayed Tungsten Carbide / 12% Cobalt Plasma Spray Coating Microstructure Ceramic Coatings P

11、lasma sprayed Zirconia Titania Yttria Ceramic Composite Coating over a Nickel Aluminium Bond Coat Coating sectioned from a piston ring Plasma sprayed 60/40 Alumina / Titania Coating Carbon fibre reinforced polymer tubes thermal spray coated with: - WC/10Co/4Cr - NiCrBSi - Chromium oxide - Alumina /3

12、% titania Glass fibre reinforced polymer plasma sprayed with chromium oxide Carbon fibre reinforced polymer plasma sprayed with grey alumina Plasma Spray Tungsten Carbide / Cobalt Chromium Coating on Carbon Fibre Reinforced Polymer Composite Substrate Plasma sprayed zirconia yttria ceramic thermal b

13、arrier coating showing delamination problem due to excessive deposit thickness per pass 3.7 熱噴涂預處理 是噴涂工藝中一個重要工序 為了提高涂層與基體表面的結(jié)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 （l）堿洗法：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：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， 把基體表面的礦物油溶解掉，再加以清除。 （3）蒸

14、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(jié)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 一般采用機械方法去氧化膜： 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 是提高涂層與基體表面機械結(jié)合強度的一

15、個重 要措施。 噴涂前4h8h內(nèi)必須對工件表面進行粗糙化處 理。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。 （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(jié)合強度。 對涂層結(jié)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(jié)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

16、角，噴涂后不易 產(chǎn)生缺陷。 （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(jié)合強度。 一般基體表面的預熱溫度在200 300之間 5非噴涂表面的

17、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。 6、熱噴涂涂層后處理和涂層性能的檢驗 （1）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。 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。 （