刘旭华热喷涂表面科学与技术.ppt

表面科学与技术,热喷涂,姓名：刘旭华 学号：S11040625 时间：2012.3.15,表面科学与技术,中国石油大学（华东）,热喷涂概述,热喷涂,常见的热喷涂方法,热喷涂的性能测试与质量检验,热喷涂工艺过程,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,热喷涂技术是指利用某种热源将喷涂材料迅速加热到熔融或半熔融状态，再经过高速气流或焰流将其雾化加速喷射到经预处理的工件表面上，形成喷涂层的一种表面加工方法。,热喷涂的定义,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,喷涂材料的熔化,熔滴雾化,与基体表面的碰撞变形及淬冷凝固,热喷涂过程,粒子的飞行阶段,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,喷涂材料的熔化,粉末喷涂材料进入热源高温区域，被加热到熔化态或软化态；线材喷涂材料的端部在热源高温区加热熔化，熔化的材料以熔滴形式存在于线材端部,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,熔滴雾化,对于线材喷涂时，端部的熔滴在外加压缩气流或热源自身射流的作用下脱离线材端部，并雾化成细小熔滴向前喷射；在粉末喷涂时，不存在粉末的细化和雾化过程，直接在压缩气流或热源射流推动下发生喷射。,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,粒子的飞行阶段,熔化或软化的微细颗粒首先被气流或射流加速，当飞行一定距离后速度又减小。,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,与基体表面的碰撞变形及淬冷凝固,具有一定速度和温度的微细粒子到达基材表面，发生强烈的碰撞。粒子在碰撞基体表面或撞击已经形成的涂层的瞬间，把动能转化为热能后传给基体，同时粒子在凹凸不平的表面发生变形，形成扁平状粒子，并且迅速凝固成涂层。喷涂的粒子不断飞向基体表面，产生碰撞-变形-冷凝的过程，变形粒子与基材之间及粒子与粒子之间相互交叠在一起，形成涂层。,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,涂层的结合机理,涂层的结合包括涂层与基材的结合及涂层之间的结合。前者的结合 强度称为结合力，后者的结合强度称为内聚力 。,涂层与基体间的结合机理,机械结合：熔融态的粒子撞击到基材表面后铺展成扁平状的液态薄层， 嵌合在起伏不平的表面形成机械结合，又称为抛锚效应。,涂层间的结合机理,喷涂粒子间的结合是以机械结合为主。,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,涂层与基体间的结合机理,物理结合：当高速运动的熔融粒子撞击基体表面后，若界面两侧紧密 接触的距离达到原子晶格常数范围内时，产生范德华力，提高基体与 涂层间的结合强度。,扩散结合：当熔融的喷涂粒子高速撞击基体表面形成紧密接触时，由于 变形和高温的作用，基体表面的原子得到足够的能量，使涂层与基体之 间产生原子扩散，形成扩散结合。扩散的结果使界面两侧微小范围内形 成一层固溶体或金属间化合物，增加了涂层与基体之间的结合强度。,冶金结合：当基体预热，或喷涂粒子有高的熔化潜热，或喷涂粒子本身 发生放热化反应时，熔融态的粒子与局部熔化的基体之间发生“焊合” 现象，产生“焊点”，形成微区冶金结合。,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,线材火焰喷涂、棒材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、超音速火焰喷涂、粉末火焰喷熔,电容放电喷涂、感应加热喷涂,激光喷涂、激光喷焊,热喷涂 方法,气体燃烧热源,电热热源,激光热源,燃气重复爆炸喷涂、线材电爆喷涂,爆炸热源,电弧喷涂、等离子喷涂、等离子喷焊,气体放电热源,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,（1）热喷涂方法多：热喷涂具体方法有十几种，可以选择合适的方法对零件进行热喷涂。 （2）热喷涂材料种类广泛：金属及其合金、陶瓷、塑料、尼龙以及它们的复合材料等都可以作为喷涂材料。 （3）机体材料使用范围广：几乎所有的固体材料表面都可以热喷涂，一般也不受零件尺寸及场地限制，既可以大面积喷涂，也可以进行局部喷涂。 （4）基体材料受影响小：喷涂时可使集体控制在较低温度，所以基体变形小、组织和性能变化小，保证了基体质量基本不受影响。 （5）涂层厚度可以控制：涂层厚度从几十微米到几微米，可以根据要求确定。 （6）操作环境差：存在粉尘、烟雾和噪音等问题，因此需要加强防护措施。,热喷涂的特点,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,热喷涂材料按其使用形式的不同可分为粉末材料和线丝材料两大类，按使用功能和制造方式可分为非复合材料和复合材料；按组成成分可分为金属及合金、自熔性合金、复合材料、陶瓷和有机塑料等几种，目前热喷涂材料已有60种以上的线材和200种以上的粉末。,热喷涂材料,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,热喷涂线材,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,热喷涂线材,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,非复合型热喷涂粉末,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,非复合型热喷涂粉末,热喷涂概述,中国石油大学（华东）,复合型热喷涂粉末,1包覆型粉末（Clad Powder）：由一种或几种成分作为外壳，均匀连续或星点间断地包覆由一种或几种成分组成的核心的粉体。 1）制造方式：气相沉积法和液相沉积法； 2）类型：Ni/Al，Al/Ni，Ni/石墨，Ni/硅藻土，Ni/MoS2，Ni/Al2O3，Ni/WC，Ni/Cr3C2，Ni/Cu，Ni/Cr，Ni/Cr2O3，Ni/尼龙，Ni/聚四氟乙烯，Co/WC，Cu/石墨，Cu/Cr，NiCu/Cr3C2。 2组合型粉末(Combination Powder)：把几种金属粉末、合金粉末、陶瓷粉末等按不同比例混合起来，使之成为一种成分均匀、不产生偏析的混合物。 1）制造方式：热扩散法、共还原法、烧结破碎法、混合团聚法。其中广泛应用的是混合团聚法； 2）类型：Ni-Cr-Al，AlSi-聚苯酯，Ni/Al， Co/WC，NiCr/Cr2O3，NiCr-Al，Al-Mo-不锈钢及Al-Mo-合金钢等粉末。,表面科学与技术,中国石油大学（华东）,热喷涂概述,热喷涂,常见的热喷涂方法,热喷涂的性能测试与质量检验,热喷涂工艺过程,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,线材火焰喷涂,基本原理: 如图所示，喷枪通过气阀分别引入乙炔、氧气和压缩空气，乙炔和氧气混合后在喷咀出口处燃烧，不断送进的丝材被氧-乙炔火焰加热熔化，然后，由通过气帽的压缩空气将其雾化成粒子，并被喷射到基体表面形成涂层。,1-涂层；2-燃烧火焰；3-空气帽； 4-气体喷嘴；5-线材或棒材； 6-氧气；7-乙炔；8-压缩空气；9-喷涂射流；10-基体,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,线材火焰喷涂的涂层特性,1) 涂层结构为明显的层状结构; 2) 涂层中含有明显的气孔和氧化物夹渣; 3) 涂层结合强度为1030MPa; 4) 涂层气孔隙为1015%。,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,线材火焰喷涂设备的组成,线材火焰喷涂典型装置示意图 1-燃料气；2-氧气；3-气体流量计；4-压缩空气；5-空气过滤器； 6-空气控制器；7-线材控制装置；8-线材喷枪,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,线材火焰喷涂设备的组成,氧气及乙炔供给系统：由气源、压力及流量调节装置，回火防止管及输氧管道等组成； 压缩空气供给系统：由空气压缩机和空气净化装置（冷凝器和油水分离器组成）构成； 线材盘架； 气喷枪：它主要由机动部分、混合头部分及手柄部分组成，国产SQP-1型气喷枪分高速、中速两种规格，前者用喷涂镁、铝等低熔点金属，后者用于喷涂钼、钢等高熔点金属。,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,线材火焰喷涂的特点及应用,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,粉末火焰喷涂,1-氧、乙炔混合气； 2-送粉气； 3-喷涂粉末； 4-喷嘴； 5-火焰； 6-涂层； 7-基体,基本原理: 如图所示，喷枪通过气阀分别引入燃料气（主要采用乙炔）和氧气，经混合后从喷咀喷出，产生燃烧火焰。合金粉末在高速氧气流的带动下由喷嘴射出，穿过燃烧火焰时被加热到熔化或半熔化状态，并高速撞击在已预处理的基体表面上，沉积为喷涂层。,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,粉末火焰喷涂涂层的特征,1）涂层中含有一定量的氧化物及气孔，并有少量变形不充分的颗粒； 2）涂层结合强度10-30MPa； 3）涂层80-95%,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,粉末火焰喷涂设备的组成,1）粉末火焰喷涂的典型设备主要由氧气及乙炔供给系统和喷枪组成，粉末可以装在与喷枪构成一体的粉斗内，也可由送粉器通过管道送入。 2）目前国内常用的火焰喷涂枪有：SPH-E型两用枪、SPH-E2000型喷涂枪、Cp-1000型亚音速喷涂枪、Cp-3000型亚音速喷涂枪。,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,粉末火焰喷涂的特点及应用,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,等离子弧喷涂,基本原理: 等离子喷涂原理如图所示，在阴极和阳极（喷咀）之间产生一直流电弧。该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体并从喷咀喷出形成等离子焰。粉末由送粉气体送入等离子射流后被熔化、加速、喷射到以预处理的基体材料表面形成涂层。,1-喷涂粉末； 2-工作气； 3-阴极； 4-阳极； 5-等离子射流； 6-基体； 7-喷涂层;,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,等离子弧喷涂涂层的特性,1） 组织结构为细晶的层状结构，含一些球状组织，存在细小弥散物； 2）等离子弧温度高，能量集中，焰流速度高； 3）喷涂层组织细密，氧化物夹渣和气孔率都低，气孔率可控制到2-5%； 4）涂层与基体的结合及粒子之间的结合除以机械结合为主外，可以产生微区冶金结合和物理结合；结合强度可达35-70MPa。,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,等离子弧喷涂设备的组成,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,等离子弧喷涂设备的组成,1）喷枪：喷枪实际上是一个非转移型等离子弧发生器，是最关键的部件，它集整个系统的电气、粉、水于一体，主要由阴极、喷咀（阳极）、进气道与气室、送粉道、水冷密封与绝缘以及枪体所组成。 2）送粉器：送粉器是用来贮存喷涂粉末和按工艺要求向喷枪输送粉末的一种装置，主要有自重式送粉器、刮板式送粉器、雾化式送粉器、电磁振动式送粉器、鼓轮式送粉器等。 3）整流电源：等离子喷涂采用的整流电源有饱和电抗器式或硅整流电源、可控硅型电源、直流发动机电源。 4）供气系统。 5）水冷系统及控制系统。,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,等离子弧喷涂的特点及应用,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,电弧喷涂,基本原理: 电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，利用其端面产生的电弧作热源来熔化金属丝材，用压缩空气进行雾化的热喷涂方法，喷涂原理如图所示。,1-直流电源； 2-金属丝； 3-送丝滚轮； 4-导电块； 5-导电嘴； 6-空气喷嘴； 7-电弧； 8-喷涂射流； 9-涂层； 10-基体,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,电弧喷涂涂层的特性,1) 涂层为典型的层状组织结构，但组织结构较粗大，并且大小不均； 2) 结合强度较高：由于熔粒温度高，粒子变形量大，而提高了涂层的结合强度； 3) 元素含量减少：涂层中C及合金元素的烧损量大，因而涂层硬度降低；,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,电弧喷涂设备的组成,1）整流电源：电弧外特性应是平特性或略带上升的外特性，动特性应有足够大的电流上升速率；为适应不同材料喷涂的需要，电源上要求有输出电压调节装置。 2）控制装置； 3）喷枪： a. 在喷枪中由导电咀、空气喷咀、绝缘块和弧光罩等组成的雾化头是喷枪的关键部分； b. 按驱动金属丝的动力源分为：电动式、空气马达式及气动蜗轮式; 按推动金属丝的方式不同分为：推式、拉式及推拉式 4）金属丝盘架或送丝装置； 5）压缩空气供给系统等组成。,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,电弧喷涂的特点,1) 热效率高：热能利用率高达60-70%；火焰喷涂热能利用率为5-15%；等离子喷涂为12%左右； 2) 生产率高：一般为火焰喷涂的3倍以上，如电流为300A时，钢材喷涂速率15kg/h； 3) 喷涂成本低：电弧喷涂的施工成本比火焰喷涂要降低30%以上； 4) 结合强度高：粒子温度高、动能大结合强度一般要比火焰喷涂高50%以上； 5) 可以方便地制备假合金涂层：铜-钢假合金涂层就具有良好的耐磨、减磨和导热性能。,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,电弧喷涂的应用,1) 钢铁构件上制备Zn、Al长效防护涂层； 2) 钢铁喷铝，通过产生渗铝层，制备抗高温氧化涂层，工作温度可达870； 3) 在钢铁件上喷涂不锈钢或其它耐磨金属，用于耐磨蚀防护； 4) 喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料，用于修复零件已磨损或尺寸超差的部位； 5) 在电容器上喷涂导电涂层，在塑料制品上喷涂屏蔽涂层等。,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,爆炸喷涂,基本原理: 将一定比例和流量的乙炔和氧气引入内径为25mm的水冷枪筒内，与同时引入的喷涂粉末混合，通过火花塞瞬间引爆，枪筒内的温度突然上升到3300以上,气体燃烧的速度超过音速的十倍，形成冲击波, 爆炸的热能将喷涂粉末加热到熔融或半熔融状态，并使熔粒加速到2倍音速喷出，撞击到基体表面形成涂层，此后将氮气引入枪筒内置换，直到下一个爆炸过程开始，喷涂频率可达每秒48次。,1-氮气； 2-粉末； 3-火花塞； 4-喷涂射流； 5-涂层； 6-基体； 7-氧气； 8-乙炔,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,爆炸喷涂的特点及应用,（1）涂层结合强度高：它与基材的结合力比等离子喷涂高，尤其是WC-Co涂层比等离子喷涂高2倍以上； （2）涂层硬度高：喷涂WC-Co涂层的断面硬度比等离子喷涂高50%以上； （3）气孔率低：喷涂WC-Co涂层气孔率一般只有0.5%； （4）目前爆炸喷涂主要用于制备优质耐磨涂层。,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,超音速火焰喷涂,基本原理: Jet-Kote超音速粉末火焰枪原理如图所示。燃料气体（氢气、丙烷、丙烯或MAPP）和助燃剂（O2)以一定的比例导入燃烧室内混合，爆炸式燃烧，高温燃气经燃烧室上部燃烧头内的四根倾斜喷管进入铜喷咀，粉末由送粉气（Ar或N2）定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃气中，由高温高速燃气带出喷咀，高速喷射到工件上形成涂层，整个喷枪由循环水冷却。 目前超音速喷涂发展很快，新发展的喷枪不仅在结构上不同于Jet-Kote，而且可以使用液体燃料（如：煤油, JP-5000、 JP-8000）和压缩空气助燃剂 (HVAF)，大大降低了涂层的制造成本。,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,超音速火焰喷涂,1-粉末及送粉气； 2-冷却水； 3-冷却水； 4-氧气； 5-燃料气；,常见的热喷涂方法,中国石油大学（华东）,超音速火焰喷涂的特点及应用,（1）火焰及喷涂粒子速度极高：燃气流速可达1500-2000m/s，粉粒撞击到工件表面的速度为550800 m/s； （2）粉粒在火焰中加热时间长：喷涂粉末以中心轴式方法供给，这种供粉方式使粉末在火焰中停留时间长，能均匀地受热熔融，产生集中的喷射束流； （3）熔粒与周围大气接触时间短：这可避免碳化物材料分解和脱碳； （4）喷涂粉末细微，涂层光滑：粉末粒度为5-45m，可获得表面光滑的涂层； （5）涂层致密，结合强度高：涂层的孔隙率可小于0.1%，结合力可大于100N/mm2； （6）气体耗量大、喷涂噪声大：目前喷枪所消耗的气体远大于一般火焰喷涂； （7）被广泛使用来制备碳化物（WC-Co、NiCr-Cr3C2）涂层和耐蚀涂层。,表面科学与技术,中国石油大学（华东）,热喷涂概述,热喷涂,常见的热喷涂方法,热喷涂的性能测试与质量检验,热喷涂工艺过程,热喷涂工艺过程,中国石油大学（华东）,喷涂工艺,表面 预处理,涂层 后处理,预热,喷涂,热喷涂工艺过程,中国石油大学（华东）,（1）溶剂清洗法: 常用的溶剂有汽油、煤油、柴油、丙酮、酒精、三氯乙烯、四氯化碳等。清洗的方法有浸泡和擦刷法、喷淋脱脂法。 （2）蒸气清洗法：常用的溶剂一般为三氯乙烯、四氯化碳等。 （3）碱洗法：碱洗法是将工件表面放到氢氧化钠或碳酸钠等碱性溶液中，待工件表面的油脂溶解后，再用水冲洗干净。 （4）加热脱脂法：将疏松工件表面加热到250450的温度，使油脂渗出表面，挥发烧掉，然后再加以清除。,表面预处理,净化处理,净化处理,净化处理,净化处理,净化处理,热喷涂工艺过程,中国石油大学（华东）,表面预处理,目的： （1） 增加涂层和基材表面之间的接触面; （2）使净化处理的表面更加活化，提高涂层的结合强度; （3）改变涂层中残余应力的分布。 方法： 喷砂、机械加工法、电拉毛及喷涂自粘结材料作结合底层等。,粗化处理,热喷涂工艺过程,中国石油大学（华东）,表面粗化处理,目的： （1） 清除表面的污物; （2） 使表面获得一定的粗糙度; （3）能使工件表面产生残余压应力，可提高工件表面的疲劳强度; （4）能使工件表面活化，有助于提高喷涂层的结合强度。 常用的磨料及粒度: 刚玉砂、激冷铁砂、带棱角的钢砂、碳化硅砂、金刚砂等。喷砂粗化时砂粒粒度多是将粗（20目左右）、细（40目左右）两种砂粒混合使用。 喷砂的方式： 射吸式、压力式、离心式三种。,喷砂处理,热喷涂工艺过程,中国石油大学（华东）,表面粗化处理,原理: 采用机械切削和凿、滚压等方法对喷涂表面进行粗化预处理，多用于轴类零件。对于平面部件，也采用开槽处理。 粗化方法: 车毛螺纹、车沟槽-滚花及平面开槽等，但对于承受疲劳载荷的轴类零件不宜采用车螺纹粗化。 应用： 适用于可进行切削加工的钢材和有色金属基材。在需要制备较厚的涂层或需要适应较苛刻的载荷条件时，采用先机械加工粗化，然后，再喷砂的方法能获得良好的效果。,机械加工法,热喷涂工艺过程,中国石油大学（华东）,表面粗化处理,原理: 电拉毛是采用镍条作电极接在电源的一端，工件接另一端，当作为电极的镍条在工件上划擦时，在接触处产生电火花，因电热造成局部熔化，镍条熔粘在工件表面。这样反复划擦，便在工件上形成覆盖有熔化金属层的粗糙表面。 应用： 电拉毛适用于工件硬度较高又不能采用喷砂或机械加工的工件表面的粗化处理。由于电拉毛产生了放电痕对基材的切割作用，工件的疲劳寿命会下降。,电拉毛粗化,热喷涂工艺过程,中国石油大学（华东）,表面粗化处理,原理： 某些材料能在光滑表面上形成具有一定粘结强度、洁净、粗糙、活性高的涂层，再在其上面喷涂其它性能的涂层，这种作为过渡层的涂层一般称为粘结底层，喷涂粘结底层用的材料称为自粘结材料。 常用的自粘结材料： Ni-Al和Mo； Ni-Cr、NiCrAl合金或MCrAlY (M: Ni、 Co、Fe)。 底层厚度： 一般在0.080.12mm范围内较合适。,喷涂粘结底层,热喷涂工艺过程,中国石油大学（华东）,预热,目的: （1） 消除工作表面的水分和湿气； （2） 提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度； （3） 减少因工件热膨胀造成的涂层应力，避免涂层开裂，提高涂层与基材的结合强度。 预热温度: 取决于工件的大小、形状和材质及喷涂材料的热膨胀系数。一般情况下预热温度控制在60120之间。 预热的方法: 采用氧乙炔火焰加热，也可以用电炉、高频炉加热。,热喷涂工艺过程,中国石油大学（华东）,喷涂,1. 制备好的工件表面要在尽量短的时间 (2h-4h) 内进行喷涂。 2. 喷涂工艺参数要根据涂层种类、喷枪性能和工件的具体情况而定, 对于不同的喷涂方法都有相应的喷涂参数。 3. 控制喷涂参数的目的是为了提高喷涂速率，增加涂层的致密度，提高涂层的结合强度，得到高质量的涂层。,热喷涂工艺过程,中国石油大学（华东）,涂层的后处理,1. 喷涂后得到的涂层有时不能直接使用。 2. 对于防腐涂层，为了防止介质进入涂层到达基材需进行封孔处理。封孔剂应根据工作环境介质的性质、成本等因素来考虑。 3. 对