热喷涂修复技术的应用

1、. .- 优选机电设备维修课程机电设备维修课程技术论文论文题目：论文题目：热喷涂修复技术的应用系系 别别专业年级专业年级学生学生*学号学号日日 期期 20212021 年年 4 4 月月. . .word.zl.目录目录1 引言 12 热喷涂技术 2一热喷涂技术 2二热喷涂技术分类与特点 23：热喷涂设备 4一多电极等离子喷枪 4二单电极等离子喷枪 5三内孔 HVOF 喷枪 54.热喷涂材料 5一涂层的设计根本原理 5二材料的选择 6三粘结底层打底层的选择7四涂层制备 75 热喷涂技术在现代工业中的应用 96 结论 9参考文献 10热喷涂修复技术的应用热喷涂修复技术的应用摘要：摘要：对于一些超

2、薄零件，在其外表喷涂具有高强度、硬度较高耐磨性的陶瓷涂层，增加零件的耐磨性。热喷入技术是制备涂层的主要方法，目前正迅速应用到民用工业领域。本文主要介绍了热喷涂工艺的特点、喷涂方法的种类及其技术以及热喷涂技术的应用概况,并对热喷涂技术的开展方向给予了展望。关键字：关键字：外表工程，热喷涂，涂层，火焰喷涂。. . .word.zl.1 1 引言引言磨蚀和磨损是造成材料和零部件失效的主要原因。据有关资料介绍，兴旺国家每年由腐蚀和磨损所造成的损失约占国民经济总产值的 4%5%，而全世界每年生产的钢材约有 1/10 变成铁锈。我国每年由腐蚀和磨损造成的经济损失已达数亿人民币。随着现代科学技术和现代工业开

3、展，对各种设备零件的外表性能提出了更高的要求，特别是在一些特殊条件下工作的零件外表的耐磨性、耐蚀性及高温氧化性等。因此改善材料外表性能，不仅可以有效地延长零件的使用寿命、节约资源，更有利于社会的开展1。热喷涂技术有两大突出特征:一是喷涂粉末的成分不受限制,可根据特殊要求予以选择；二是热喷涂过程中工件温度可保持在 100-260,从而减少了变形氧化和相变等,使材料本身的性能不被破坏或损失，这些特征以及热喷涂涂层所具备的耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、绝缘、隔热等特殊功能,使热喷涂技术得到迅速开展。在选择一种涂层技术时应该考虑到涂层技术的经济性和技术性能， 要在整个系统中考虑到外表涂层或其他外表改性和处

4、理的方法，要知道外表要求的功能、 效劳环境、基材 合金、 热处理等所处理外表的性能， 必须考虑到涂层自身的技术问题和经济性，涂层的使用寿命和优点， 而不仅仅是涂层的生产本钱。 涂层可以对材料外表性能耐磨性、耐蚀性、耐热性等进展强化或再生，起到保护作用，并对因磨损腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进展修复。同时，还可以赋予材料外表以特殊性能电、光、磁等 。现在生产实际中应用比较广泛的方法主要有火焰喷涂法包括线材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂等 、等离子弧喷涂和电弧喷涂。基于热喷涂市场的巨大潜力及其社会效益和经济效益，在世界范围内，热喷涂技术受到极大关注。热喷涂技术是是外表工程的重

5、要组成局部，与其他外表技术相比，热喷涂技术具有诸多优点：1. 涂层的基体材料几乎不受限制，如金属材料、无机材料玻璃、陶瓷 、有机材料包括木材、布、纸类等；2. 基材性能不变化，除火焰喷熔工艺外，喷涂过程中基材受热温度低，不发生组织性能变化、变形小；3. 施工对象的尺寸和形状不受限制，因此适用于不同领域，小至塞规、大至钢构造. . .word.zl.桥梁；4. 喷涂厚度可在较大范围内变化。5. 涂层材料种类广泛，如金属及其合金、陶瓷、塑料以及它们的复合材料；目前，热喷涂技术已经越来越受到人们的重视。国外学者预测，在 20 世纪末全世界的热喷涂市场每年将超过 30 亿美元3。2 2 热喷涂技术热喷

6、涂技术一一热喷涂技术热喷涂技术热喷涂技术是材料科学领域内外表工程学的重要组成局部，它是一种外表强化和外表改性技术。通过金属基体外表喷涂一涂层使金属具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。热喷涂技术主要用于高温、耐磨、耐腐蚀等部件的预保护、功能涂层的制备及对失效部件的修复等。根据热热源来分，热喷涂有 4 种根本方法：电弧喷涂；火焰喷涂；等离子喷涂和特殊方法。火焰喷涂就是以气体火焰为热源的热喷涂。目前，火焰喷涂按火焰喷射速度分为：火焰喷涂，火焰冲击喷涂爆炸喷涂及超音速火焰喷涂 3 种。电弧喷涂是以电弧为热源的热喷涂。等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂。等离子喷涂涂层的

7、特征直接取决于到达基底的粉末颗粒的参数。因此,几年来,开展了许多不同的技术来测量颗粒尺寸、速度和温度分布。近年来，热喷涂技术取得了很大进步，热喷涂的工艺和设备以及材料也都有了很快的开展。二二热喷涂技术分类与特点热喷涂技术分类与特点热喷涂是利用热源将喷涂材料加热熔化或软化，靠热源的动力或外加的压缩气流，将熔滴雾化并推动熔粒成喷射的粒束，以一定的速度喷射到基体外表形成涂层的工艺方法7。一般认为，热喷涂过程经历 4 个阶段，即喷涂材料加热熔化阶段、熔滴雾化阶段、雾化颗粒飞行阶段和喷涂层形成阶段。根据所用的不同热源，热喷涂技术分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、高速火焰喷涂HVOF和其他喷涂技术等多种

8、方法。11火焰喷涂火焰喷涂火焰喷涂是最早得到应用的一种喷涂方法。它以氧气燃气火焰作为热源，喷涂材料以一定的传送方式送入火焰，并加热到熔融或软化状态，然后依靠气体或火焰加. . .word.zl.速喷射到基体上。火焰喷涂根据喷涂材料的不同，又可分为丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂和棒材火焰喷涂几种。火焰喷涂具有设备简单，操作容易，工艺成熟，投资少等优点。新型火焰喷涂枪可以喷涂各种金属、陶瓷、金属加陶瓷的复合材料、各种塑料粉末材料的涂层。尽管等离子和 HVOF/HVAF 超音速以及爆炸喷涂的涂层优于常规火焰喷涂，但由于投资大、操作控制系统复杂、设备笨重、无法现场施工，应用范围受到极大限制，在在防腐和维修

9、市场难以推广普及，新型火焰喷涂设备与技术和超音速电弧喷涂设备与技术在防腐和修复市场中永远是主要技术力量。22电弧喷涂电弧喷涂电弧喷涂是高效率、高质量、低本钱的一项工艺，是目前热喷涂技术中最受重视的技术之一。电弧喷涂是将 2 根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，分别接通电源的正负端，在喷枪喷嘴处，利用两金属丝短接瞬间产生的电弧为热源熔化自身，借助压缩空气雾化熔滴并使之加速，喷射到基体材料外表形成涂层。电弧喷涂具有如下优点： 热效率高、对工件的热影响小。一般火焰喷涂的热效率只有 5%15%，电弧喷涂将电能直接转化为热能熔化金属，热能利用率可高达 60% 70%。电弧喷涂时不形成火焰，因而在喷涂过程中工

10、件始终处于低温，防止了工件热变形； 可获得优异的涂层性能。电弧喷涂技术可以在不使用贵重底材的情况下得到较高的结合强度，采用适当的喷前粗化处理方法，喷涂层与根本结合强度可达普通火焰喷涂层的 2 倍以上。使用 2 根成分不同的金属丝还可以制备出假合金涂层，以获得具有独特综合性能的涂层； 生产率高。电弧喷涂的生产效率正比于喷涂电弧电流，当电弧电流为 300 A 时，喷涂锌为 30kg/h，喷涂铝为 10kg/h，喷涂不锈钢为 15kg/h，为火焰喷涂的 3 倍以上； 经济性好。电弧喷涂能源利用率高，而且电能的价格远远低于燃气价格，施工本钱为火焰喷涂的 l/10 以下，设备投资为等离子喷涂的 1/3

11、以下。电弧喷涂技术的应用已经在各行各业取得了显著成效。利用电弧喷涂在钢铁构件上喷涂锌、铝涂层，可对钢构件进展长效防腐防护，例如我国南海地区由于高温、高湿、高盐雾，船舶腐蚀严重，中修舰船的钢构造应用电弧喷涂铝合金涂层防腐，经 5年考核效果明显，测算预计寿命可提高到 15a 以上。*晋山煤矿、*铁王沟煤矿等井筒钢构造进展电弧喷涂防腐防护，预计寿命在 30a 以上。电弧喷涂作为一种优质的修复技术，在机械零件上喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料，用于修复已磨损或尺寸超差的部位，已在机械维修和机械制造业得以应用。采用该技术修复造纸烘缸、修复大马力发动机曲轴也已取得明显成效；制备装饰涂层和功能涂层也是电

12、弧喷涂技. . .word.zl.木应用的另一重要领域，例如在电容器上喷涂导电涂层，在塑料制品上喷涂屏蔽涂层，在内燃机零件上制备热障涂层，在石头、石膏等材料上喷涂铜、锡、铝等金属进展装饰等等。33等离子喷涂等离子喷涂等离子喷涂是热源为等离子焰流非转移等离子弧 。由放电弧产生的电弧等离子体温度可达 20000K。加热喷涂材料粉到熔融或高塑性状态，并在高速等离子焰流工作气体为氮气和氢气或氩气和氢气载引下，高速撞击到工件外表形成涂层。等离子喷涂是采用非转移弧为热源，喷涂材料为粉末的喷涂方法。近十几年来等离子喷涂开展很快，目前已开发出大气等离子喷涂、可控气氛等离子喷涂、溶液等离子喷涂、等喷涂技术，等离

13、子喷涂已成为热喷涂技术中的最重要的一项工艺方法，这些新技术在工业生产上的应用日益显示出优越性和重要性。等离子喷涂的喷涂材料范围广，涂层组织细密，氧化物夹渣含量和气孔率都较低，气孔率可控制到 2%5%，涂层结合强度较高，可达 60MPa 以上。该喷涂技术主要用于制备质量要求高的耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温和特殊功能涂层，已在航空航天、石油化工、机械制造、钢铁冶金、轻纺、电子和高新技术等领域里得到广泛应用。3 3热喷涂设备热喷涂设备一一多电极等离子喷枪多电极等离子喷枪Klaus Landes 教授于1993 年创造了三阴极等离子喷枪，目前最新型号为TriplexPro 200。Triplex 喷

14、枪构造为三阴极和单阳极，将等电弧等分成三束，三束弧的弧根起弧后在阳极上固定不动(见图2)。最高使用功率可达65 kW，一般工作参数为电压82 98 V，电流460 540 A，配件寿命超过200 h。但是，Triplex需采用Ar/He作为等离子气体，因此导致使用本钱偏高。由于其所需的等离子气体流量低于9MB 和F4 等离子喷枪，因此粉末粒子速度较低，粉末在等离子束流中停留时间延长，有利于喷涂导热差的陶瓷粉末。如喷涂氧化锆可磨耗涂层时，沉积效率约50%，而送粉量超过150 g/min，因此总的喷涂效率是9MB的3.9倍以上3。. . .word.zl.二二单电极等离子喷枪单电极等离子喷枪 多电

15、极等离子喷枪经常需要同时更换多个阴极或阳极，因此，许多公司进展了单电极(一个阴极加一个阳极) 构造等离子喷枪的改进工作。Progressive Technology 公司推出的100HE 等离子喷涂系统所用等离子喷枪是一种新型的单阴极、单阳极设计，图3所示。100HE 喷枪改进了阳极设计，有3个钨环和沟槽，这样的设计稳定了阳极上弧根的运动，同时使等离子弧被拉伸(其弧长约75 mm，F4 喷枪的弧长约5 mm)，可稳定工作在高电压、低电流条件(电压200 275 V，电流375 600A，功率25 100 kW)下，电极寿命延长到200 h 以上。推荐采用Ar/N2/H2 混合气体作为气源7。假

16、设参加He 取代H2，那么等离子焰流速度接近高速火焰喷涂，碳化钨粉末粒子能加速到527 m/s；沉积效率超过60%，喷涂碳化钨时本钱能比高速火焰喷涂最多降低约40%。因此，100HE 在等离子喷涂陶瓷市场，特别是制备氧化铬涂层方面有很好的优势3。三三内孔内孔HVOFHVOF 喷枪喷枪最近，Thermico 公司开发了商品名为ID CoolFlow的HVOF 喷枪最近，Thermico 公司开发了商品名为ID CoolFlow的HVOF喷枪(如图4所示)，喷枪火焰功率从80 120 kW 减少到5 30 kW，且喷距减小到35 55mm，如果配合采用5 15 m的碳化钨粉末，能应用于喷涂最小直径

17、为80 mm 的内孔，而不会产生基体过热，碳化钨涂层硬度大于1100HV3 。4.4.热喷涂材料热喷涂材料喷涂材料有粉、线、带和棒等不同形态。它们的成分是金属、合金、陶瓷、金属陶瓷及塑料等。粉末材料居重要地位，种类逾百种；线材与带材多为金属或合金复合材料尚含有陶瓷或塑料 ；棒材只有十几种，多为氧化物陶瓷。一一涂层的设计根本原理涂层的设计根本原理采用热喷涂技术提高机器设备的耐磨损性、耐磨蚀等性能使得热喷涂越来越引起人们的重视，并在各个领域获得越来越广泛的应用。但是因其材质、形状、大小及其. . .word.zl.应用环境、服役条件等存在很大差异，要想成功采用热喷涂涂层来解决所面临的问题，必须遵循

18、特定的过程15。最重要的有以下五个关键过程：1）准确分析问题所在，明确涂层性能要求。2）合理进展涂层设计，包括正确选择喷涂材料、设备、工艺、以及遵循严格的涂层质量评价体系等。3）优化涂层制备工艺。4）严格控制涂层质量。5）涂层技术的经济可行性分析。涂层设计起着承上启下的作用，是采用热喷涂技术成功解决实际问题的根底，是所有环节中最重要的环节之一。在进展喷涂设计时，主要考虑涂层所涉及到的各个环节，具有明显的系统特性。因此，为了获得满足使用性能要求的涂层，在进展喷涂前必须进展周密、合理的涂层设计。我们所研究的是在纸机涂布刮刀，涂层的主要目的是增强刮刀外表的耐磨性。由于不同的喷涂方法和喷涂材料加之国内

19、外的技术水平的差异，结合强度、硬度、厚度、孔隙、耐磨性等没有特定的限制，借此可以选择出经济、实用的喷涂方法和喷涂材料。二二材料的选择材料的选择涂层材料的选择非常关键，因为在热喷涂中粉末的粒度、形状对涂层质量也有着较大的影响。有些设备的外表形状和外表光洁度要求非常严，喷涂后必须进展外表精磨处理。如果粉末粒度太细，难以喷涂，粒度太粗，那么喷涂后精细加工困难。以 WC陶瓷涂层为例，WC 硬度极高，在精磨的过程中，陶瓷颗粒在摩擦力的作用下一粒一粒的脱落。这样，涂层在精磨后的外表粗糙度和涂层材料的粒度是相关联的，合理选择材料对于涂层的后续加工非常关键。一般热喷涂材料的选择必须满足如下根本要求：1.必须满

20、足热喷涂涂层耐磨、耐蚀等的性能的要求。2.在喷涂火焰的高温焰流中，具有良好的热稳定性或化学稳定性。不会发生氧化、挥发、升华而变质，不会发生有害的晶型转变。3.不会与基体发生有害的化学反响。4.与基体材料或底层涂层有良好的匹配适应关系。5.热喷涂材料的工艺性能满足热喷涂的工艺要求。粉末状热喷涂材料的流动性、粒. . .word.zl.度和粒度分布、松装密度等应满足粉末等离子喷涂的工艺的要求，粉末应该枯燥、清洁。6.热喷涂材料的毒性、易燃性、爆炸性等必须符合平安卫生和环境保护的要求。三三粘结底层粘结底层打底层的选择打底层的选择当需要在基体上喷涂陶瓷涂层工作层时，由于晶体构造和热物理性能等方面与金属

21、材料存在相当大的差异，有必要先在基体上喷涂一层合金粘结底层，提高外表陶瓷涂层与基体金属之间的结合强度的同时，还可以缓解两者之间物理性能差异。因此喷涂前选择适宜的打底层是非常必要的。常用的粘结底层喷涂材料有以下性能特点：与基体外表结合强度高，甚至可以产生微区冶金结合；具有抗氧化、耐腐蚀能力；涂层外表具有适宜的粗糙度；具有适宜的物理性能。在进展涂层设计时，针对粘结底层的选择，应考虑基材物理性能特点和具体工况条件下慎重选择。主要考虑以下两个方面的因素影响：粘结底层与基体材料的相容性；粘结底层的工况条件。四四涂层制备涂层制备1、外表预处理由于热喷涂涂层与基体结合的主要以物理及机械镶嵌结合为主，涂层与基

22、体的结合质量与基体外表清洁度和粗糙度有直接相关。因此外表预处理成了整个热喷涂作业中最重要的一个环节。进展外表制备的是需要考虑两个重要因素:第一个是基体材料；第二个是喷涂材料。在生产实际中，应根据零件的外表状态来选用适宜的喷涂工艺，在保证涂层质量的前提下，尽可能采用简化的外表预处理工艺，以降低涂层本钱。外表净化是实施热喷涂前基体外表制备处理的第一步，主要用于除去所有热喷涂外表的污垢，包括氧化皮，油渍、油脂、和油漆等。将污垢去除之后，清洁外表要一直保持，所有喷涂外表都应小心保护。外表除油采用机械或化学的方法可除去待喷涂工件外表的油渍。采用溶剂法或碱性清洗剂法。溶剂法是采用溶剂汽油、三氯乙烯或四氯化

23、碳等擦洗；碱性清洗剂以氢氧化钠、磷酸钠、碳酸钠和钠的硅酸盐为主，浸洗时浓度为 5075g/L，温度为 80，浸渍时间 30min 即可脱脂、除油。侵蚀浸蚀. . .word.zl. 酸浸或碱侵蚀是一种比较强烈的外表净化过程。主要用于除去零件外表的油污、锈蚀产物、和氧化膜等。擦刷当只需要局部冲洗时，可采用用于手工金属丝或电动金属丝刷电动金属丝来完成，主要借助金属丝的划痕来到达清洁外表的效果。2、外表粗化清洗之后，可采用多种方法对外表进展粗化处理，其中最常见的有两种，即喷砂粗化处理和电火花拉毛粗化处理。我们选用喷砂粗化采用压力式喷砂法。喷砂磨料为棕刚玉，磨料粒度 0.11.5mm。正确的粗化处理与

24、清洗过程同样重要。在热喷涂过程中，处于熔融或半熔融状态的加热粒子碰撞到基体外表后，经变形形成薄片当他们冷却或硬化时，必然粘附到工件外表。经粗化处理的外表，有助于涂层的机械结合。粗化可以使外表处于压应力状态，使变形粒子之间形成相互镶嵌连锁叠层或层次构造。可增大结合面积，净化外表。3、预热处理这是外表处理工序的最后一道工序，一般在喷涂前进展，以使工件外表获得具有一定温度、又新鲜的基体外表，预处理有利于提高涂层与基体的之间的结合强度。实践证明恰当的预热处理不仅对提高结合强度有利，而且能明显的改善提高涂层工作寿命。预热方法有炉内预热和喷枪焰流预热，我们采用喷枪预热。预热时要注意焰流不能太靠近工件外表，

25、防止工件外表骤热现象，也不应产生加热不均匀的现象，这两种现象的出现不仅不会提高涂层的结合强度而且会降低涂层与基体的之间的结合强度。4、涂层制备要得到质量优良的涂层，其制备过程不仅限于喷涂工艺参数的优化与控制，还涉及到工况条件分析、基体材料的选择、基体预处理、粘结材料的选择、预处理、粘结材料的选择、喷涂材料的选择、喷涂设备的选择、涂层性能的检测及考核等环节。每个环节都会影响涂层的质量。我们所设计的涂层主要是耐磨硬涂层。采用热喷涂技术可以增大软基体的或已发生磨损的基体的耐磨损性能。耐磨涂层的性能要求:涂层结合强度要求 对耐磨涂层的首要要求就是确保涂层与基体有足够的结合强度，为此基体材料与. . .word.zl.涂层材料的选择与设计应以确保涂层的结实结合为前提。基体无变形、涂层与基体材料的弹性模量匹配性、涂层与基体材料的刚性匹配、热膨胀系数的匹配性、涂层与基体材料之间的亲和力。涂层耐磨性要求在保证涂层基体有足够的结实的结合条件下，才能进一步提出对涂层耐磨性要求如涂层硬度、耐高温磨损性能良好的红硬性 、耐磨蚀磨损性能、涂层颗粒之间的结合强度。5