第二章 熱噴涂技術(shù)

1第二章熱噴涂技術(shù)

定義：熱噴涂—是將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，用高速氣流將其霧化、加速，使其高速噴射到工件表面形成具有特殊性能的涂層。2熱噴涂TiC3第一節(jié)熱噴涂的原理及分類1.1熱噴涂的基本原理一、基本過程加熱、加速、熔化（顆粒狀）霧化（10-100μm

），再加速---形成高速粒子流。熔融與半熔融的高速粒子流撞擊到基材，變形、凝固，形成涂層。4涂層的形成5二、涂層與基體間的結(jié)合強度

1機械結(jié)合：高速粒子—撞擊—粒子微變形—咬合

可見，表面粗化有利于結(jié)合強度提高。

2金屬鍵結(jié)合：當顆粒與基體表面達到原子間距時，會產(chǎn)生金屬鍵結(jié)合。----理論上的確存在，實際上作用極小

3微擴散結(jié)合：高速、高溫、熔融或半熔融的粒子撞擊到基體表面，在界面上會造成微小的擴散，使結(jié)合力增加。

但，此結(jié)合力貢獻不大，因為基體溫度只有200℃左右。機械結(jié)合-----為主金屬鍵結(jié)合—很小一般而言，熱噴涂涂層結(jié)合強度較低！微擴散結(jié)合—很小只相當于其母體材料的5~30%。

4冶金結(jié)合：Ni-Al粉，T=660℃時自反應(yīng)放熱—基體表面T↑↑—形成冶金結(jié)合—結(jié)合力最好。特指中間過渡層??！總之，熱噴涂涂層結(jié)合力↓↓，但工藝簡單。61.2熱噴涂涂層的質(zhì)量及影響因素一、熱噴涂涂層常見的缺陷及預(yù)防措施涂層剝落原因：冷卻時涂層與基體收縮不一致，涂層中產(chǎn)生拉應(yīng)力。結(jié)合強度低于涂層拉應(yīng)力時，剝落。措施：工件表面--清潔、粗糙噴涂顆?！俣取?/p>

T↑

工件預(yù)熱--↓涂層應(yīng)力涂層保護點—在工件邊緣預(yù)置小槽，或堆焊一周。7裂紋原因：同上，涂層中拉應(yīng)力小于膜基結(jié)合強度而又大于涂層的抗拉強度時，涂層開裂。措施：每次噴涂，薄而均勻(﹤0.15mm)。太厚，收縮應(yīng)力↑↑涂層T不要太高，否則收縮應(yīng)力↑↑

(矛盾！因T↓，結(jié)合力↓，涂層易剝落。)

工件預(yù)熱，緩慢冷卻，收縮應(yīng)力↓多孔疏松原因：孔隙率：2-20%。--是噴涂難題之一措施：↑粉末T，全熔最好—但應(yīng)力又↑垂直噴射—事實上不可能8二、影響熱噴涂涂層質(zhì)量的主要因素噴涂工藝的影響①工藝方法：②粉體在加熱介質(zhì)中的運行時間t----t↑，T↑③粉體在加速介質(zhì)中的運行時間t----t↑，v↑②、③都取決于工件與噴嘴間的距離s，總而言之，噴涂工藝問題就是T、v問題火焰等離子電弧爆炸超音速T~3000℃~16000℃7400℃5000℃2900℃v50-200m/s350m/s200m/s720m/s986m/sS近距中距遠距T加熱不充分，T↓~100mm左右T、v最高遠離熱源，冷卻，T↓v加速不充分，v↓空氣阻力，v↓92.噴涂材料的影響①材料成分----決定材料的熱擴散系數(shù)DrDmax=3.65(Dr×t)1/2

其中Dmax為粉末在噴涂過程中能達到距表面90%深度處于熔融狀態(tài)（半熔融）時的最大直徑；t為加熱時間顯然，若粉末直徑相同時，Dmax越大，粉末熔融程度越高。②幾種典型材料的Dr及Dmax

顯然，TaC最易噴涂----實際上仍是Dr所決定③材料的粒徑：D↓--T↑、v↑--結(jié)合力↑，涂層質(zhì)量↑

D太小--價格↑，且易被氣流帶走。MaterialsZrO2TiCTiNTaCDr,cm2/s0.0050.040.070.09Dmax,μm

267296110101.3熱噴涂技術(shù)的特點可在各種基體上制備各種材質(zhì)的涂層：金屬、陶瓷、金屬陶瓷以及工程塑料等都可用作熱噴涂的材料；幾乎所有固體材料都可以作為熱噴涂的基材?；w溫度低：基材溫度一般在30~200℃之間，因此變形小。操作靈活：可噴涂各種規(guī)格和形狀的物體，特別適合于大面積涂層，并可在野外作業(yè)。涂層厚度可控,范圍寬：從幾十微米到幾毫米的涂層都能制備。噴涂效率高、成本低：生產(chǎn)效率為每小時數(shù)公斤到數(shù)十公斤。局限性：主要體現(xiàn)在熱效率低，材料利用率低、浪費大和涂層與基材結(jié)合強度較低三個方面。盡管如此，熱噴涂技術(shù)仍然以其獨特的優(yōu)點獲得了廣泛的應(yīng)用。111.4熱噴涂的一般工藝流程一、表面預(yù)處理去油、脫脂、除銹、去塵----↑結(jié)合力二、表面粗化噴砂----增大接觸面積開槽----增加結(jié)合點↑結(jié)合力三、預(yù)熱↑微擴散，↓熱應(yīng)力----↑結(jié)合力除去表面冷凝物、潮氣----↓氣孔率四、噴涂噴底層(Ni包Al，Al包Ni)--粗化，↑結(jié)合力噴涂層----0.15-0.2mm/次，總厚度﹤2mm五、封孔工件加熱到~95℃，涂上石蠟----防腐蝕表面預(yù)處理表面粗化預(yù)熱噴涂封孔12熱噴涂基體表面預(yù)處理基體金屬表面的預(yù)處理狀況，決定著熱噴涂涂層與基體的結(jié)合性能，因此對其使用壽命有決定性的影響。表面預(yù)處理包括表面凈化，除去金屬表面的油脂、其他污物、銹、氧化皮、舊涂層、焊接熔粒，以及對表面的粗化處理。噴砂、車螺紋、滾花和電拉毛。

13涂層后處理和后加工涂層后處理包括后熱處理（重熔處理和擴散處理）及封孔處理。涂層后加工包括切削和磨削，切削熱噴涂涂層較好的刀具有以下3類：（1）添加碳化鉭、碳化鈮的超細晶粒硬質(zhì)合金；（2）陶瓷刀具材料；（3）立方氮化硼（CBN）。熱噴涂涂層的精加工通常采用磨削方法，因為它可以獲得更高的精度與更好的表面粗糙度。

14第二節(jié)典型熱噴涂簡介常用熱噴涂的工藝分類152.1火焰噴涂

火焰噴涂的基本原理是通過乙炔、氧氣噴嘴出口處產(chǎn)生的火焰，將線材（棒材）或粉末材料加熱熔化，借助壓縮空氣使其霧化成微細顆粒，噴向經(jīng)預(yù)先處理的粗糙工件表面使之形成涂層。燃燒氣體還可以用丙烷、氫氣或天然氣等。粉末火焰噴涂的原理示意圖161.中心火焰最高可達3000℃2.霧化顆粒速度可達10-20m/s3.適用于熔點低于2500℃材料4.設(shè)備簡單,投資低火焰噴涂特點17常用的火焰噴涂涂層及作用涂層應(yīng)用鋅、鋁鋼結(jié)構(gòu)的防腐涂層鎳/鋁粘結(jié)底層鉬粘結(jié)底層，優(yōu)異的抗粘著磨損性能高鉻鋼耐磨保護涂層青銅，巴氏合金軸承修復(fù)不銹鋼、鎳、塑料耐腐蝕涂層鋁、鎳/鋁抗熱氧化涂層182.2等離子噴涂

等離子噴涂法是利用等離子焰的熱能將引入的噴涂粉末加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并在高速等離子焰的作用下，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(jié)合主要是機械結(jié)合.等離子噴涂原理圖等離子噴焊原理圖192.2等離子噴涂原理：等離子噴槍的作用是產(chǎn)生等離子火焰并噴射出高速氣流。等離子噴槍由銅陽極嘴和鎢陰極頭組成。氣體從陰極流向陽極，經(jīng)壓縮、離化后從陽極噴射出去。壓縮后的等離子電弧，通過陽極孔道噴出后，離子氣發(fā)生急劇膨脹，將壓縮氣流加速到亞音速甚至超音速水平，粉末被迅速加熱、加速，并噴涂到基體表面。優(yōu)點：等離子噴涂的最大優(yōu)勢是焰流溫度高，噴涂材料適應(yīng)面廣，特別適合噴涂高熔點材料。等離子噴涂層的密度可達理論密度的

85~98%，真空噴涂可達95~99.5%，結(jié)合強度也很高(35~70Mpa)，而且涂層中夾雜較少，噴涂質(zhì)量遠優(yōu)于火焰噴涂層。20等離子噴涂特點1.等離子體溫度可達10000℃以上2.霧化顆粒速度可達600m/s以上3.適用于各種材料4.設(shè)備投資高21火焰噴涂(左)和大氣等離子噴涂(右)Ni80Cr20涂層的金相組織222.3電弧噴涂(ArcSpray)原理：電弧噴涂的基本原理是將兩根被噴涂的金屬絲作自耗性電極，連續(xù)送進的兩根金屬絲分別與直流的正負極相連接。在金屬絲端部短接的瞬間，由于高電流密度，使兩根金屬絲間產(chǎn)生電弧，將兩根金屬絲端部同時熔化，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。23特點：電弧噴涂只能用于具有導電性能的金屬線材。電弧噴涂的涂層密度可達70~90%，比火焰噴涂涂層要致密、結(jié)合強度(10~40MPa)高。且運行費用較低，沉積效率高。電弧溫度可達5000℃，霧化顆粒速度可達180—335m/s。應(yīng)用：是噴涂大面積涂層尤其是長效防腐鋅、鋁涂層的最佳選擇。242.4爆炸噴涂原理：氧氣、燃料(如乙炔)和粉末輸送到槍管內(nèi)，點燃混合氣體產(chǎn)生爆炸，使粉末加熱、加速，以超音速噴出，沉積在基體表面。每次噴射后通入氮氣流清洗槍管。目前，爆炸噴涂的頻率達60Hz。特點：噴射速度快、結(jié)合強度高(85Mpa)；涂層密度可達99.9%。焰流溫度不太高，不適合噴涂陶瓷等高熔點材料，但可解決碳化物高溫分解難題。一般專用于噴涂碳化物或金屬陶瓷涂層。缺點：噴涂效率非常低，運行成本相對較高。252.5超音速噴涂(HighVelocityOxygenFuel，簡稱HVOF)

原理：采用高壓水冷的反應(yīng)腔和細長的噴射管，燃料(煤油、乙炔、丙烯和氫氣)和氧氣送入反應(yīng)腔，燃燒產(chǎn)生高壓火焰。燃燒火焰被噴射管壓縮并加速噴射出去。噴涂粉末可以用高壓軸向送入或從噴射管側(cè)面送入。特點：速度高而溫度相對較低。密度可達99.9%，結(jié)合強度達70Mpa以上。殘余應(yīng)力小，甚至可以得到殘余壓應(yīng)力，故可噴涂更厚的涂層（最大厚度為12.7mm）。同樣適合噴涂含碳化物涂層。缺點：燃料消耗大，噴涂效率比爆炸噴涂高，但成本仍然比較高。26現(xiàn)代熱噴涂槍從上至下：超音速火焰噴槍，等離子噴槍，火焰噴槍，電弧噴槍27常用熱噴涂技術(shù)的工藝特性比較項目火焰噴涂電弧噴涂等離子噴涂爆炸噴涂超音速火焰噴涂熱源O2+C2H4電弧加熱電弧產(chǎn)生高溫低壓等離子體O2+C2H2煤油、乙烯、丙烯、氫氣焰流溫度(oC)850~200020,00020,000未知1400~2500焰流速度(m/s)50~10030~500200~1200800~1200300~1200顆粒速度(m/s)20~8020~30030~800~800100~1000熱效率60~80%90%35~55%未知50~70%沉積效率50~80%70~90%50~80%未知70~90%噴涂材料形態(tài)粉末,線材線材粉末粉末粉末結(jié)合強度(Mpa)>7>10>35>85>70最小孔隙率<12%<10%<2%<0.1%<0.1%最大涂層厚度0.2~1.00.1~3.00.05~0.50.05~0.10.1~1.2mm噴涂成本低低高高較高設(shè)備特點簡單,可現(xiàn)場施工簡單,可現(xiàn)場施工復(fù)雜,但適合高熔點材料較復(fù)雜,效率低,應(yīng)用面窄一般,可現(xiàn)場施工28第三節(jié)熱噴涂材料的基本成分與特點3.1熱噴涂材料應(yīng)具有的工藝性能一、熱穩(wěn)定性，否則氧化燒損----如木材蒸發(fā)升華----如乙醚二、熱膨脹系數(shù)匹配結(jié)合強度↑矛盾使用性能↓三、良好的固態(tài)流動性----順利送粉，涂層均勻四、良好的濕潤性結(jié)合強度↓，孔隙率↑

結(jié)合強度↑，孔隙率↓293.2熱噴涂材料的分類一、按形態(tài)分類-----線、棒、粉末二、按功能分類耐磨損----陶瓷，鐵基，Co基，Ni基合金和難熔金屬耐腐蝕----Zn、Al、Ni基合金和Al2O3類陶瓷抗高溫----氧化物類陶瓷、Ni-Cr合金和Co基合金三、按成分分類金屬材料陶瓷材料塑料材料復(fù)合材料303.3粉末材料一、非復(fù)合型粉末每個顆粒內(nèi)成分是均勻一致的，如金屬粉、高分子粉、陶瓷粉等。1.自熔性粉末在鐵、鈷、鎳基合金中加入強脫氧元素B、Si后，成為一種能自行脫氧、造渣的低熔點金屬。特點：⑴自熔性；B、Si是強脫氧元素，具有脫氧、造渣能力。⑵低熔點；B、Si加入—形成共晶—熔點↓↓。⑶濕潤性；B、Si使表面氧化物溶解—表面張力↓↓。⑷良好的固態(tài)流動性。2.陶瓷材料具有硬度高、熔點高、熱穩(wěn)定性及化學性能好的特點，用作涂層可有效地提高基體材料的耐磨損、耐高溫或耐腐蝕性能。Al2O3、TiO2、Cr2O3、ZrO2等氧化物為最常用的一類陶瓷噴涂材料。Al2O3、TiO2、Cr2O3常用于耐磨損零件，而ZrO2主要用作熱障涂層。313.混合粉末將金屬粉陶瓷粉按一定比例混合。陶瓷粉—硬度高，高溫性能好，但韌性差。金屬粉—硬度低，高溫性能差，但韌性好。希望：繼承兩者優(yōu)點，避免兩者弱點----有一定效果。事實：優(yōu)點弱點皆遺傳，且因比重不同常有成分偏析----不理想。32常用金屬熱噴涂材料金屬涂層材料種類材料形狀常用噴涂工藝功能鐵基合金低碳鋼材料高碳鋼材料不銹鋼材料線材，粉末線材，粉末線材，粉末電弧、火焰噴涂電弧、火焰噴涂電弧、火焰噴涂修復(fù)耐磨涂層耐腐蝕涂層鎳基合金鎳鉻合金鎳銅合金(蒙乃爾合金)鎳鉻鋁釔線材，粉末線材，粉末

粉末電弧、火焰噴涂電弧、火焰噴涂

低壓等離子噴涂耐熱耐蝕涂層耐蝕涂層

耐高溫氧化腐蝕鈷基合金鈷鉻鎢(司太立合金)鈷鉻鋁釔粉末粉末等離子、超音速火焰噴涂高溫耐磨、耐沖蝕耐高溫氧化腐蝕銅基合金純銅(紫銅)黃銅鋁青銅錫青銅銅鎳合金線材，粉末線材，粉末線材，粉末線材，粉末線材，粉末電弧、火焰噴涂導電、電磁屏蔽耐海水或汽油腐蝕耐磨、抗氣蝕涂層減摩涂層耐海水腐蝕涂層鋅、鋁合金鋅,鋁鋅鋁合金線材線材電弧、火焰噴涂耐環(huán)境腐蝕，電磁屏蔽，摩阻涂層其它金屬材料錫基巴氏合金鉛基巴氏合金鉬,鎢

線材，粉末火焰噴涂

滑動軸承涂層滑動軸承涂層耐磨,抗燒蝕涂層

33常用陶瓷熱噴涂材料陶瓷涂層材料種類材料形狀噴涂工藝功能氧化鋁基材料氧化鋁氧化鋁-氧化鈦粉末棒材等離子噴涂、火焰噴涂耐磨、絕緣涂層耐磨、耐纖維磨損、耐熔融金屬侵蝕涂層氧化鉻粉末棒材等離子噴涂耐磨涂層氧化鋯氧化鋯-氧化鈣氧化鋯-氧化鎂氧化鋯-氧化釔粉末等離子噴涂熱障涂層莫來石粉末等離子噴涂耐熔融金屬、玻璃、爐渣侵蝕涂層尖晶石粉末等離子噴涂耐熔融金屬、玻璃、爐渣侵蝕涂層鋯英石粉末等離子噴涂耐高溫磨損涂層34常用的熱噴涂塑料塑料涂層材料種類材料形式常用噴涂工藝功能聚酰胺(尼龍)尼龍66尼龍12尼龍1010粉末火焰噴涂耐蝕、絕緣、耐磨減摩、裝飾涂層聚氨脂粉末火焰噴涂耐蝕、裝飾涂層聚乙烯聚乙烯聚氯乙烯聚四氟乙烯粉末火焰噴涂耐磨、耐蝕、裝飾涂層聚苯硫醚(PPS)粉末火焰噴涂高溫耐蝕涂層PEEK粉末火焰噴涂高溫耐蝕涂層35二、復(fù)合型粉末1.包覆型復(fù)合粉末2.非包覆型復(fù)合粉末優(yōu)點：解決了混合粉的比重偏析問題。，制備工藝復(fù)雜。不足：制備難度大36TEMimagesofAg@SiO2nanostructurespreparedwithdifferentamountsof0.1mol/LTSC.(a)0,(b)0.1ml,(c)0.2ml,