第二章-熱噴涂技術(shù)

1、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TiC,3,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（10-100 m ），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(qiáng)度 1 機(jī)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(qiáng)度提高。 2 金屬鍵結(jié)合： 當(dāng)顆粒與基體表面達(dá)到原子間距時(shí)，會(huì)產(chǎn)生金屬鍵結(jié)合。-理論上的確存在，實(shí)際上

2、作用極小 3 微擴(kuò)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(huì)造成微小的擴(kuò)散，使結(jié)合力增加。 但，此結(jié)合力貢獻(xiàn)不大，因?yàn)榛w溫度只有200左右。 機(jī)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(qiáng)度較低！ 微擴(kuò)散結(jié)合很小 只相當(dāng)于其母體材料的530%。 4 冶金結(jié)合：Ni-Al粉，T=660時(shí)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。,6,1.2 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(shí)涂層與基體收 縮不一致，涂層中產(chǎn)生拉應(yīng)力。 結(jié)合強(qiáng)度低于涂層拉 應(yīng)力時(shí)，剝落。

3、措施：工件表面-清潔、粗糙 噴涂顆粒速度、 T 工件預(yù)熱- 涂層應(yīng)力 涂層保護(hù)點(diǎn)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(qiáng)度而又大于涂層的抗 拉強(qiáng)度時(shí)，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(shí)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 工藝方法： 粉體在加熱介質(zhì)中的運(yùn)行時(shí)間t-t，T 粉體在加速介質(zhì)中的運(yùn)

4、行時(shí)間t-t，v 、 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,9,2. 噴涂材料的影響 材料成分-決定材料的熱擴(kuò)散系數(shù)Dr Dmax=3.65(Drt)1/2 其中Dmax為粉末在噴涂過程中能達(dá)到距表面90%深度處于熔融狀態(tài)（半熔融）時(shí)的最大直徑；t為加熱時(shí)間 顯然，若粉末直徑相同時(shí)，Dmax越大，粉末熔融程度越高。 幾種典型材料的Dr及Dmax 顯然，TaC最易噴涂-實(shí)際上仍是Dr所決定 材料的粒徑： D-T、v -結(jié)合力，涂層質(zhì)量 D太小-價(jià)格，且易被氣流帶走。,10,1.3 熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn) 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

5、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。 基體溫度低：基材溫度一般在30200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(shí)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(fèi)大和涂層與基材結(jié)合強(qiáng)度較低三個(gè)方面。 盡管如此，熱噴涂技術(shù)仍然以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)用。,11,1.4 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(diǎn) 結(jié)合

6、力 三、預(yù)熱 微擴(kuò)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,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(kuò)散處理）及封孔處理。 涂層后加工包括切削和磨削，切削熱噴

7、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(xì)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?yàn)樗梢垣@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,15,2.1 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(xì)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,16,1.中心火焰最高可達(dá)3000 2.霧化顆粒速度可達(dá)10-20m/s 3.適用于熔點(diǎn)低

8、于2500材料 4.設(shè)備簡單,投資低,火焰噴涂特點(diǎn),17,常用的火焰噴涂涂層及作用,18,2.2 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(jī)械結(jié)合.,等離子噴涂原理圖,等離子噴焊原理圖,19,2.2 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

9、速水平，粉末被迅速加熱、加速，并噴涂到基體表面。 優(yōu)點(diǎn)： 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(diǎn)材料。等離子噴 涂層的密度可達(dá)理論密度的 8598%，真空噴涂可達(dá)9599.5%，結(jié)合強(qiáng)度也很高(3570 Mpa)，而且涂層中夾雜較少，噴涂質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于火焰噴涂層 。,20,等離子噴涂特點(diǎn) 1.等離子體溫度可達(dá)10000以上 2.霧化顆粒速度可達(dá)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,22,2.3 電弧噴涂(Arc Spray),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

10、性電極，連續(xù)送進(jìn)的兩根金屬絲分別與直流的正負(fù)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(shí)熔化，在電源作用下，維持電弧穩(wěn)定燃燒；在電弧發(fā)射點(diǎn)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(diǎn)：電弧噴涂只能用于具有導(dǎo)電性能的金屬線材。 電弧噴 涂的涂層密度可達(dá)7090%，比火焰噴涂涂層要致密、結(jié)合強(qiáng)度(1040 MPa)高。且運(yùn)行費(fèi)用較低，沉積效率高。電弧溫度可達(dá)5000， 霧化顆粒速度可達(dá)180335m/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。,24

11、,2.4 爆炸噴涂,原理：氧氣、燃料(如乙炔)和粉末輸送到槍管內(nèi)，點(diǎn)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?dú)饬髑逑礃尮堋Ｄ壳?，爆炸噴涂的頻率達(dá)60Hz。 特點(diǎn)：噴射速度快、結(jié)合強(qiáng)度高(85Mpa)；涂層密度可達(dá)99.9%。焰流溫度不太高，不適合噴涂陶瓷等高熔點(diǎn)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(diǎn)：噴涂效率非常低，運(yùn)行成本相對較高 。,25,2.5 超音速噴涂(High Velocity Oxygen Fuel，簡稱HVOF),原理：采用高壓水冷的反應(yīng)腔和細(xì)長的噴射管，燃料(煤油、乙炔、丙烯和氫氣)和氧氣送

12、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(diǎn)：速度高而溫度相對較低。密度可達(dá)99.9%，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)70 Mpa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(diǎn)：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,28,第三節(jié) 熱噴涂材料的基本成分與特點(diǎn),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

13、華-如乙醚 二、熱膨脹系數(shù)匹配 結(jié)合強(qiáng)度 矛盾 使用性能 三、良好的固態(tài)流動(dòng)性-順利送粉，涂層均勻 四、良好的濕潤性 結(jié)合強(qiáng)度，孔隙率 結(jié)合強(qiáng)度，孔隙率,29,3.2 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,30,3.3 粉末材料,一、非復(fù)合型粉末 每個(gè)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(qiáng)脫氧元素B、Si

14、后，成為一種能自行脫氧、造渣的低熔點(diǎn)金屬。 特點(diǎn)： 自熔性； B、Si是強(qiáng)脫氧元素，具有脫氧、造渣能力。 低熔點(diǎn)； B、Si加入形成共晶熔點(diǎn)。 濕潤性； B、Si使表面氧化物溶解表面張力。 良好的固態(tài)流動(dòng)性。 2. 陶瓷材料 具有硬度高、熔點(diǎn)高、熱穩(wěn)定性及化學(xué)性能好的特 點(diǎn)，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。,31,3. 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

15、低，高溫性能差，但韌性好。 希望：繼承兩者優(yōu)點(diǎn)，避免兩者弱點(diǎn)-有一定效果。 事實(shí)：優(yōu)點(diǎn)弱點(diǎn)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,33,常用陶瓷熱噴涂材料,34,常用的熱噴涂塑料,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(diǎn)：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,36,TEM images of AgSiO2 nanostructures prepared with different amounts of 0.1mol/L TSC. (a)0, (b)0.1ml, (c)0.2ml, (d)1ml,37,常

16、用熱噴涂用復(fù)合材料,38,第四節(jié) 熱噴涂的應(yīng)用,就熱噴涂的應(yīng)用領(lǐng)域而言應(yīng)相當(dāng)廣泛，以下就長效防腐及在航空、汽車、鋼鐵、能源等領(lǐng)域的典型應(yīng)用作以介紹。,39,長效防腐的應(yīng)用,傳統(tǒng)的防腐蝕方法是油漆涂裝、電鍍鋅、熱浸鋅等工藝，這些方法的防腐壽命均不夠理想，而電弧噴涂層的使用壽命則可達(dá)30年，這是用于防腐的其他工藝所無法比擬的。,40,熱噴涂長效復(fù)合涂層防腐的優(yōu)點(diǎn)：,（1）噴涂結(jié)構(gòu)的壽命延長； （2）節(jié)省了維修費(fèi)用； （3）減少了結(jié)構(gòu)的停工時(shí)間； （4）一次性投資大些，但從長期看節(jié)省了大量資金。 熱噴涂復(fù)合防護(hù)涂層是一種長效、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的防腐措施。,41,熱噴涂技術(shù)在汽車工業(yè)上的應(yīng)用,汽車工業(yè)是現(xiàn)代

17、文明社會(huì)的支柱產(chǎn)業(yè)，要求高性能、低污染、高舒適性、高安全性、智能化等等。 選擇高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，但是由于零部件表面的特殊要求，還要保持鐵基材料或原設(shè)計(jì)材料的性能； 加強(qiáng)燃?xì)庑实谋O(jiān)測和控制件的功能； 開發(fā)特種涂層； 開發(fā)生產(chǎn)過程中的復(fù)合工藝（含熱噴涂工藝）的應(yīng)用等等。,42,熱噴涂的汽車部件,43,熱噴涂技術(shù)在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用,1）爐內(nèi)輥與高達(dá)1100爐內(nèi)氣氛發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且會(huì)發(fā)生嚴(yán)重粘著磨損和磨粒磨損。還有一個(gè)主要問題就是發(fā)生熔渣和氧化物結(jié)瘤在輥?zhàn)颖砻嫔希绊懏a(chǎn)品的表面質(zhì)量。 2）在鋼帶連續(xù)熱浸鍍鋅生產(chǎn)線中，浸沒在鋅液槽中的導(dǎo)輥發(fā)生嚴(yán)重的液態(tài)鋅侵蝕。 3）輸送輥、導(dǎo)向輥、轉(zhuǎn)向輥、定位輥在工作

18、中既承受較高的熱應(yīng)力又承受較高的機(jī)械應(yīng)力，產(chǎn)生嚴(yán)重的熱疲勞和機(jī)械磨損。,44,1）爐內(nèi)輥：采用等離子噴涂STS5070系列材料涂層，具有較高的硬度和耐熱性，以及抗熱沖擊性能，適合于爐內(nèi)氣氛（通常N2/H2）和溫度。 2）熱浸鋅輥：采用火焰超音速（HVOF）噴涂STS5050系列材料涂層，對熔融鋅和鋅鋁有較低的潤濕性，不形成脆性的金屬間化合物相，具有較高的耐磨性。 3）輸送輥：采用火焰噴焊STS2100系列材料涂層，硬度HRC5560，涂層與基體間為冶金結(jié)合，能承受沖擊載荷和具有較高的耐磨和耐蝕性。,45,連鑄模具有承受鋼水的作用，以前有人采用噴焊Ni基合金的方法，它與傳統(tǒng)的鎳板壽命相比提高35倍，目前一種新型的帶有碳化鉻顆粒擴(kuò)散強(qiáng)化的鎳基自熔合金已開始應(yīng)用于噴涂連鑄模涂層。 熱噴涂在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用的另一個(gè)實(shí)例是在高爐風(fēng)、渣口上的應(yīng)用。高爐風(fēng)、渣口為紫銅制成，由于工作條件十分惡劣，其使用壽命很短，用熱噴涂方法解決此問題采用的是首先噴涂打底層（鎳包鋁，鎳鉻鋁），再噴涂過渡層（金屬陶瓷）及表層（陶瓷材料）的工藝方法。平均延長使用壽命2.53倍。,46,在航空燃汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用,包括熱障涂層、封嚴(yán)涂層及耐磨涂層。 熱障涂層簡稱“TBC” 涂層，通常由金屬（合金）粘結(jié)及耐蝕底層和低導(dǎo)熱率的氧化物陶瓷面層組成，粘結(jié)