熔射(热喷涂工艺)

第五章热喷涂技术 2 1热喷涂的定义与特点2热喷涂的基本原理3热喷涂工艺4热喷涂材料的工艺性能及分类5热喷涂层的后处理 主要内容 3 1 热喷涂的定义与特点 定义采用一定的热源 将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态 通过高速气流使其雾化 然后喷射 沉积到工件表面 形成喷涂沉积层的一种表面覆盖方法 4 1 热喷涂的定义与特点 特点 适用范围广 工艺灵活 设备结构简单 有利于现场作业 涂层厚度可调范围广 基体材料性能不受影响 喷涂面积小时经济性差 5 喷涂 2 热喷涂的形成过程2 1热喷涂的沉积过程和原理 6 热喷涂层的形成过程 2 热喷涂的形成过程2 1热喷涂的沉积过程和原理 冲击碰撞变形凝固 收缩 喷涂材料被加热 达到熔化或半熔化状态 熔化的喷涂材料被雾化 熔融或软化的微细颗粒向前喷射的飞行阶段 粒子在基材表面发生碰撞 变形 凝固和堆积 7 黄铜 钼及锌的线材气体火焰喷涂时 在粒子的飞行距离为100mm处 三种粒子的平均飞行速度分别为120 65 140m s 爆炸喷涂时粒子的飞行速度更大 可高达1000m s 粒子流的特点 1 粒子的飞行速度喷涂过程中粒子的飞行速度与喷涂方法 喷涂材料的密度和形状 粒子的尺寸 粒子的飞行距离等因素有关 飞行速度的大小影响粒子与基体表面碰撞时转换能量的大小 粒子的变形程度以及结合强度 8 2 粒子的温度 线状喷涂材料 粉末喷涂材料 被加热到熔化或熔融状态 若不考虑粒子与基体碰撞时动能转换为热能所引起的粒子自身温度的升高 那么粒子到达基体时的温度为其熔点 粉末的热物理性能和粉末粒度所决定的粉末尺寸影响着加热和飞行中粒子内部的温度高低 为了获得高结合强度和高质量的涂层 粉末内部离表面90 的深度处应处于熔融状态 粒子流的特点 9 3 喷涂粒子的最小尺寸 在一定的喷涂条件下 喷涂粒子的尺寸存在着最小的临界尺寸 粒子质量越小 则其轨迹偏离初始流速直线方向就越多 小颗粒被气流卷走 粒子流的特点 10 涂层组织结构 涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构 颗粒之间存在孔隙或空洞 孔隙率一般在4 20 之间 2 1热喷涂的沉积原理 11 超音速喷涂Ni Cr Fe Ta Mo Ti合金涂层的表面形貌 12 2 热喷涂的形成过程2 2飞行中熔融粒子的表面反应 粉末火焰喷涂和等离子弧喷涂时 粒子虽在设定气氛中飞行 但该气氛中不可避免地卷入空气 电弧喷涂时 因采用压缩空气输送粒子 使粒子在飞行中不断与O2和N2发生反应 喷涂不同材质的金属或合金时 虽然抗氧化性有差异但在熔融粒子表面都发生了氧化反应和其他反应产物 并使其随粒子一起夹杂在涂层中 13 2 热喷涂的形成过程2 3涂层成分与结构 一般情况下 涂层成分中的合金元素含量与原喷涂材料是有所差异的 其原因在于 粒子在高温下蒸发 粒子在高温下烧损 粒子在高温下表面发生反应 14 2 4热喷涂层的结合机理 热喷涂的结合方式可分为 机械结合和冶金化学结合1 机械结合熔化或接近熔化的粒子在喷涂时撞击到基体表面产生变形 镶嵌 咬合和填塞 最后冷凝收缩 形成机械的结合 这是涂层结合的主要形态 2 冶金 化学结合涂层结合的次要形态 当涂层与基体表面出现扩散和合金化时的一种结合类型 但其结合力比机械结合大的多 由三部分组成 范德华力 化学键力 微扩散力 15 3 热喷涂工艺 工艺流程 工件的表面准备 表面净化 宏观粗化 喷砂 预热 喷打底层 喷工作层 喷涂后处理 热喷涂 预处理 后处理 清洗 粗糙化 对不喷涂部位的保护 表面精加工 改善涂层质量 16 4 热喷涂材料的工艺性能及分类 4 1工艺性能 热稳定性 涂层的热膨胀系数应尽可能与基体材料一致 粉末材料应具有良好的流动性 良好的湿润性 17 4 热喷涂材料的工艺性能及分类 4 2热喷涂材料分类热喷涂材料按形态可分为 粉末 等离子喷涂 爆炸喷涂和气体火焰喷涂 线材及棒材 主要用于气体火焰喷涂 电弧喷涂和线爆喷涂 热喷涂材料按材质可分为 金属及其合金陶瓷 金属间化合物 塑料 玻璃和陶瓷等 18 热喷涂材料按用途分类 19 热喷涂方法的种类 大气等离子喷涂真空等离子喷涂保护气氛等离子喷涂水稳等离子喷涂超音速等离子喷涂 气体燃烧热源 气体放电热源 电热热源 爆炸热源 激光热源 电弧喷涂 等离子喷涂 等离子喷焊 电容放电喷焊感应加热喷涂 燃气重复爆炸喷涂线材电爆喷涂 激光喷涂激光喷焊 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焊 20 5 热喷涂层的后处理 常用的后处理方法 封孔处理 采用封孔剂 提高耐蚀性重熔处理 加热到液 固相线附近强化处理 喷丸 滚压的机械方法扩散处理 表面薄铝层通过高温扩散的方式 形成表层冶金结合 21 由于热喷涂涂层是多孔隙的 孔隙率可从小于1 到大于15 可以储存油 在使用上具有一定的使用价值 但是对要求具有防腐蚀性能的涂层表面来说 孔隙是极为有害的 特别是那些互相连接并且从表面延伸到基体的孔隙 会使腐蚀介质透过这些孔隙腐蚀基体材料 封孔的作用A 防止或阻止腐蚀介质浸入到基材表面 B 延长锌 铝及合金涂层的防护寿命 C 用于密封的涂层防止液体和压力泄漏 D 防止污染或研磨屑碎片进入涂层 E 保持陶瓷涂层的绝缘性能 封孔处理 22 重熔处理是自熔性合金涂层的一种后处理方法 自熔性合金喷涂所形成的涂层仍有许多孔隙 重熔处理过程就是涂层重新熔化并致密涂层的过程 从而消除了大多数孔隙 这个过程的完成是通过沉积颗粒的湿润和凝聚 以及基体表面的氧化物的形成来完成的 重熔处理 含有硼和 或 硅元素的助熔剂 当加热到熔点时 合金本身就具有脱氧 造渣 除气和良好的润滑性等性能的合金粉末 喷焊 对经预热的自溶性合金粉末涂层再加热至1000 1300 使颗粒熔化 造渣上浮到涂层表面 生成的硼化物和硅化物弥散在涂层中 使颗粒间和基体表面达到良好结合 最终沉积物是致密的金属结晶组织并与基体形成约0 05 0 1mm的冶金结合层 其结合强度约400MPa 抗冲击性能较好 耐磨 耐腐蚀 外观呈镜面 23 强化处理某些金属喷涂层可以采取喷丸和滚压的方法进行机械处理 以封闭与表面连贯的气孔 提高表面平滑度 及消除涂层残余应力 改善涂层性能 活性金属涂层可以采用喷丸硬化和滚压来改善抗气蚀性能 5 热喷涂层的后处理 24 25 5 热喷涂层的后处理 扩散处理是表面合金化热处理 在一定的热处理工艺条件下 涂层金属向基材扩散 在界面上形成表面合金化的扩散层组织 提高了涂层的结合强度 同时通过热处理提高了涂层的完整性 改善了涂层的致密性 延展性 耐腐蚀性 抗氧化性以及涂层的强度 扩散处理 26 应用实例 在航天航空领域 热喷涂涂层可以抵御空气的冲击 侵蚀对发动机叶片带来的不利影响 利用在压气机叶片上喷涂碳化钨涂层后 克服了钛合金不耐磨的缺点 使钛合金叶片的寿命延长到上万小时 压缩机密封环也通常采用了热喷涂处理 热喷涂的应用 1 增强表面硬度 提高使用寿命 降低维修成本 27 应用实例 复印机的墨粉滚筒在长期反复实用下被磨薄 导致复印效果变黑或出现黑线 通常的维修方法是换整个滚筒 原部件则被遗弃 采用热喷涂工艺在原滚筒上喷一层合金 不但恢复了原滚筒的直径 还使修复后的滚筒更耐磨 使用寿命更长 而维修成本只相当于换新部件的五分之一 热喷涂的应用 2 热喷涂是恢复尺寸的一种经济有效的方法 28 3 抗腐蚀应用实例 南京长江大桥下层铁路的 上盖板 喷锌防腐处理 芜湖长江大桥的栓接面的电弧喷涂Al涂层 煤矿井筒热喷涂复合涂层 大幅提高寿命 江苏省三河闸水库的水闸门的喷锌防腐处理 大港电厂和西柏坡电厂电弧喷涂低碳马氏体 Ni Cr高温封孔剂对锅炉水冷壁进行高温防腐处理 00 热喷涂的应用 29 4 抗高温氧化应用实例 喷气式发动机燃烧室内涡轮叶片喷上特殊的涂层MCrAlY 以抵抗运行过程中的高温氧化 热喷涂的应用 30 5 热障涂层应用实例 现代航空涡轮发动机采用热喷涂技术在涡轮叶片表面喷涂陶瓷热