热喷涂喷焊与堆焊技术

1、会计学1热喷涂喷焊与堆焊技术热喷涂喷焊与堆焊技术 各喷涂方法的焰流温度和粒子速度不同。 热喷涂材料按材料的形态分线材、棒材和粉末三大类。热喷涂线材和棒材分类 类别 分 类 品 种 金属 线材 有色金属 (1)纯金属：Zn、A1、Cu、Ni、Mo (2)合金：Zn-A1，Pb-Sn、Cu 合金、巴氏合金、Ni 合金 普通钢及 低合金钢 碳钢、低合金钢 高合金钢 不锈钢、耐热钢 棒材 陶瓷棒材 A12O3，TiO2，Cr2O3、ZrO2、A12O3+MgO、A12O3+SiO2 复合 线材 金属包金属 铝包镍、镍包合金 金属包陶瓷 金属包碳化物、金属包氧化物 塑料包覆 塑料包金属、塑料包陶瓷 （1

2、）热稳定性好，在高温焰流中不升华，不分解(复合粉末）。（2） 有较宽的液相区，使熔滴在较长时间内保持液相。（3）与基材有相近的热膨胀系数，以防止因膨胀系数相差过大产生较大的热应力。（4） 喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的浸润性，以保证涂层与基材之间有良好的结合性能。热喷涂材料的要求热喷涂材料的要求（1） 要把实用性、工艺性和经济性结合起来考虑，尽量选择合理的喷涂材料。（2） 对于重要的部件以获得最优涂层性能为准则；不十分重要的部件则以获得最大的经济效益为准则。（3） 根据工件的工作环境选择合适的工作涂层。（4） 为满足喷涂工件的使用要求，可采用复合涂层和梯度涂层。热喷涂材料的选材原则热喷涂

3、材料的选材原则（1） 喷涂材料被加热到熔融状态。（2） 喷涂材料被雾化成微小熔滴并高速撞击基体表面，撞击基体的颗粒动能越大和冲击变形越大，形成的涂层结合越好。（3） 熔融的高速粒子在冲击基材表面后发生变形，冷凝后形成涂层。涂层形成过程涂层形成过程热喷涂涂层结构示意图热喷涂涂层结构示意图1-涂层涂层;2-氧化物夹杂氧化物夹杂;3-孔隙或空洞孔隙或空洞;4-颗粒间颗粒间的粘接的粘接;5-变形颗粒变形颗粒;6-基体粗糙度基体粗糙度;7-涂层与涂层与基体结合面基体结合面 残余应力限制了涂层的厚度。减少涂层残余应力措施：（1） 调整喷涂工艺参数；（2）致密涂层的残余应力要比疏松涂层大；（3） 采用梯度过

4、渡层缓和涂层内应力。（1） 净化处理：清除表面污垢。（2） 粗化处理：提高涂层与基体之间的结合牢度。 基材表面预处理基材表面预处理 粗化处理可提高涂层结合强度的理由是：1） 提供表面压应力；2） 提供与涂层颗粒互锁机会；3） 增大结合面积；4） 净化表面。 1） 表面喷砂，使其粗糙度为Ra3.212.5m；粗化处理的方法粗化处理的方法表 61 达到所要求粗糙度的喷砂条件 磨料粒度 /目 磨料材质 喷砂压力 /kPa 喷嘴孔径 /mm 设备类型 基体材质 粗糙度 /m 24 60 80 氧化铝 氧化铝 碳化硅 氧化铝 414 414 414 7.9 7.9 7.9 压力式 虹吸式 压力式 钢 不

5、锈钢 塑料 12.5 6.3 6.3 2） 开槽；粘结底层材料及最高使用温度 涂层（质量分数） 温度/ 钼 80Ni20Al 95Ni5Al 80Ni20Cr 94Ni6A1 Ni(Co)CrY 315 620 1010 1260 980 1316 4） 喷涂粘结底层。3） 电火花拉毛；封孔处理是在喷涂之后、机加工之前进行。“两步法两步法”热喷热喷焊焊 质量控制要素（4M）：设备（Machine）、材料（Materials）、工艺（Methods）和人员（Man）。 质量控制质量控制涂层材料受热涂层材料受热后的温度和加后的温度和加速后的速度是速后的速度是决定热喷涂层决定热喷涂层结合强度的两结合

6、强度的两个关键因素。个关键因素。火焰喷涂主火焰喷涂主要用于低熔要用于低熔点金属和塑点金属和塑料的喷涂。料的喷涂。线材火焰喷涂设备示意图和喷涂枪。（1）线材火焰喷涂）线材火焰喷涂（1）线材火焰喷涂 线材火焰喷涂原理图。（2）粉末火焰喷涂 粉末火焰喷涂的基本原理和喷涂枪。（2）粉末火焰喷涂）粉末火焰喷涂 工艺流程工件表面预处理预热喷涂打底层喷涂工作层后处理。 a) 预热目的：1） 去除工件表面的水分；2） 提高工件表面与熔粒的接触温度；3） 降低涂层冷却速度，减小涂层内应力。 预热温度一般控制在150300为宜。可直接用喷枪预热。火焰喷涂工艺火焰喷涂工艺b) 喷涂 需打底层时，可在喷涂工作层之前用

7、钼或放热型的镍包铝、铝包镍粉末先喷涂一层厚度约0.100.15mm的打底层。 严格控制喷涂材料的供给速度、喷涂距离（100150mm）、每道涂层的厚度（0.10.15mm）、喷枪与工件的移动速度（718mmin）和层间温度（85MPa）。2） 涂层致密（最高密度可达99.9）。3） 工件表面温度低。4） 效率非常低，运行成本高，只用于含碳化物涂层的喷涂。（3）爆炸喷涂特点）爆炸喷涂特点1） 航空发动机钛合金风扇叶片阻尼台上用爆炸喷涂0.25mn厚的WC，寿命提高10倍；2） 燃烧室的定位卡环上喷一层0.12mm厚Cr3C2，寿命提高7倍。（4）爆炸喷涂应用）爆炸喷涂应用（1）超音速火焰喷涂原理

8、 超音速火焰喷涂原理图。5. 超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂(High Velocity Oxygen Fuel，简称，简称HVOF)1） 焰流速度高但温度相对较低，适合喷涂含碳化物材料。2） 涂层致密（99.9），表面粗糙度低。3） 结合强度略低于爆炸喷涂，达70MPa以上。4） 喷涂效率高，但燃料消耗大，喷涂成本比较高。；5） 噪音大(120dB)，需有隔音和防护装置。（3）超音速喷涂的特点）超音速喷涂的特点超音速喷涂的涂层质量优于等离子喷涂的涂层。（4）涂层性能及应用）涂层性能及应用各种热喷涂方法比较各种热喷涂方法比较1 对涂层结合力要求不高，喷涂材料熔点2500，可采用火焰喷涂。2 对涂

9、层性能要求较高，喷涂高熔点材料时时，应采用等离子喷涂。3 工程量大的金属喷涂施工最好采用电弧喷涂。4 要求高结合力、低孔隙度的金属、合金及以某些金属陶瓷涂层可采用超音速火焰喷涂。5 对于批量大的工件，宜采用自动喷涂。喷涂工艺的选择原则喷涂工艺的选择原则表表66表表67表表68表表691 喷涂耐腐蚀涂层(1) 铝、锌及其合金涂层：锌、铝的腐蚀电极电位高于铁，涂层有保护作用，可用于桥梁、铁塔等大型部件的防腐处理(在锌中加铝可提高涂层的耐蚀性能，若铝的质量分数为30，则耐蚀性最佳) 。(2) 不锈钢涂层：不锈钢电极电位比铁高，易在涂层孔隙处产生电化学腐蚀，所以喷涂后必须封孔处理。(3) 塑料涂层：用

10、于化工、食品等行业。四、热喷涂技术的应用四、热喷涂技术的应用(1) 用于耐磨的涂层：1) 涂层硬度超过磨料硬度：如氧化铝陶瓷涂层或镍基、钴基碳化钨涂层。用于轧辊、螺旋送料器等部件。(2) 用于修复的涂层：喷涂铁基或镍基耐磨合金涂层 。2 喷涂耐磨涂层喷涂耐磨涂层3 喷涂耐高温涂层(1) 抗高温氧化的涂层：如超音速火焰喷涂Cr2C3-NiCr涂层；用等离子喷涂氧化铝陶瓷涂层。(2) 热障涂层：使金属基体与高温环境隔离，保持金属构件的力学性能。3 喷涂耐高温涂层喷涂耐高温涂层（1）生物相容性涂层：在种植体(不锈钢等)表面用等离子喷涂一层生物相容性好的羟基磷灰石涂层，生物组织可以长入涂层中的孔隙中，

11、与种植体形成牢固的结合。4 喷涂功能涂层喷涂功能涂层5 喷涂成型喷涂成型6 汽车制造汽车制造7 航空航天航空航天热喷涂技术的应用领域和市场热喷涂技术的应用领域和市场 1 外观 涂层应无剥离、裂纹、大的变形等宏观缺陷。2 涂层的硬度 用布氏、洛氏、维氏和显微硬度法测量涂层硬度。五、热喷涂的涂层质量评定五、热喷涂的涂层质量评定（1） 直接测量法：用卡尺或在显微镜下测量。（2） 测厚仪测量法：1） 涡流法：利用高频磁场引起金属内部涡流，涡流产生的磁场又影响探头的阻抗，测量其阻抗值就可确定涂层的厚度。2） 磁性法：根据非磁性涂层对探头磁通量的变化值来测量。3 涂层的厚度涂层的厚度（1）涂层拉伸结合强度

12、：制备试样，涂层厚度大于0.38mm。用粘结剂把试样粘结在一起，然后将其拉断，拉伸结合强度： b FA0式中，b 为涂层结合强度；F为试样断裂载荷；A0为试样涂层面积。4 涂层结合强度涂层结合强度（2）涂层剪切强度：用粘结剂将涂层A粘在B上(a)，然后拉伸使涂层与基材分离；或用(b)方法在材料试验机上缓慢加压，直至涂层被剪切剥离，此时涂层的剪切强度F： 式中，P涂层剪切剥离时的载荷；D试样末喷涂前的直径；L涂层在试样上的宽度。DLPF（3）涂层的弯曲强度：将涂层试样弯曲到一定角度时，涂层开始出现龟裂的弯曲角度就是涂层的弯曲强度。式中，m涂层材料密度（m可从相关手册中查得）。csscVVG%10

13、0)1 (mc4 涂层的孔隙度涂层的孔隙度（1）计算法：按图351加工涂层试样并称重，涂层密度c： 式中G试样重量；s 基材密度；Vs基材体积；Vc涂层体积。 根据c算出涂层孔隙度 孔隙度5 涂层的金相检测 用金相观察涂层的组织、涂层与基体的结合程度、涂层中的微观缺陷等。（2） 金相法：用金相显微镜中的栅格测定孔隙所占的格数，与总视场格数的比值即为涂层的孔隙度。（3） 试剂法和 高压放电法。1910年：线材火焰喷涂技术；20年代：电弧丝喷涂技术；50年代：爆炸喷涂和等离子喷涂技术；60年代：自熔性合金粉末火焰、等离子喷涂和喷焊技术；80年代：超音速火焰喷涂技术；90年代：激光熔覆技术。六、热喷

14、涂技术的发展六、热喷涂技术的发展60年代以来主要喷涂方法的应用比例 （1） 大功率高热焓等离子喷涂，提高喷涂效率，降低成本。（2） 精密喷涂技术。（3） 用热喷涂法部分代替镀硬铬的工艺。（4） 新型热障涂层，如喷涂0.3mm的MCrAlY热障涂层可使基材温度降低200300。（5） 喷涂新材料，如纳米涂层材料、非晶态涂层材料。（6） 计算机自动控制，提高生产效率，减少工作强度。 热喷涂技术主要发展动向热喷涂技术主要发展动向（7） 在较低温度下具有高速飞行的喷涂，如脉冲放电线爆喷涂）和冷喷涂技术 。喷焊适用范围的局限性喷焊适用范围的局限性1）工件表面温度：喷涂时工件表面温度900。2）结合状态：

15、喷涂层以机械结合为主；喷焊层是冶金结合。3）粉末材料：喷焊用自熔性合金粉末，喷涂粉末不受限制。4）涂层结构：喷涂层有孔隙，喷焊层均匀致密无孔隙。5）承载能力：喷焊层可承受冲击载荷和较高的接触应力。6）稀释率：喷焊层的约510，喷涂层的几乎为零。 热喷焊工艺与热喷涂工艺的区别热喷焊工艺与热喷涂工艺的区别等离子喷焊一般采用双电源等离子喷焊一般采用双电源。等离子喷焊的应用等离子喷焊的应用 自熔性合金粉末：利用合金中B、Si元素的作用，获得高质量的喷焊层。B、Si的作用是：（1）降低合金熔点，扩大固液两相区（熔点9501200）。（2）起到脱氧还原作用。（3）起到造渣作用。（4）利用B、Si固溶强化、

16、弥散强化、生成的金属间化合物以及硼碳化合物等，提高合金的硬度和耐磨性。（5）使自熔性合金有良好的喷焊工艺性能。 常用的热喷焊材料分为铁基、镍基、钴基和铜基四大类。热喷焊材料分类热喷焊材料分类 喷焊层主要评定指标有涂层厚度、硬度、稀释率、结合强度以及界面和涂层显微结构等。五、喷焊层质量评定五、喷焊层质量评定常用堆焊方法特点 堆焊方法 特 点 氧乙炔焰堆焊 设备简单，成本低。火焰温度较低，稀释率小。堆焊层表面光滑，用于堆焊批量不大的零件。 手工电弧堆焊 设备简单，成本低，是一种主要的堆焊方法。常用于小型或复杂形状零件的全位置堆焊修复。 钨极氩弧堆焊 设备简单，堆焊层质量高。 熔化极气体 保护电弧堆

17、焊 成本低，熔覆率高。 埋弧 自动 堆焊 单丝埋弧堆焊 质量稳定，熔敷率高，劳动条件好，稀释率较大。 多丝埋弧堆焊 用双丝或多丝同时堆焊，熔敷率高，稀释率比单丝低。 带极埋弧堆焊 熔深浅，熔敷率高，堆焊层外形美观。 等离子弧堆焊 稀释率低，外形美观，堆焊零件变形小，易实现自动化。 电渣堆焊 适合大型工件厚堆焊层。 （1） 在允许的稀释率下具有最高的熔敷速度。（2） 能获得符合要求最小堆焊层厚度。（3） 经济性。选择堆焊方法的原则选择堆焊方法的原则堆焊合金性能比较 韧 性 增 加 耐磨料磨损性能增加 1 碳化钨 2 高铬舍金铸铁 3 钴基合金 4 镍基合金 5 马氏体钢 6 珠光体钢 7 奥氏体

18、钢 不锈钢 高锰钢， 耐磨料磨损性能最好，受磨面变粗糙 耐低应力磨料磨损性很好，抗氧化 抗氧化、耐腐蚀、耐热及抗蠕变 耐腐蚀，也能抗氧化和抗蠕变 兼有良好的耐磨料磨损和耐冲击性能 价廉，耐磨料磨损与抗冲击较好 可加工硬化 耐腐蚀 韧性最好，耐凿削式磨料磨损性较好 表 613 堆焊材料的形状及适用的堆焊方法 堆焊材料的形状 适用的堆焊方法 丝(dw =0.55.8mm) 熔化极气体保护电弧堆焊、震动堆焊、埋弧堆焊 带(t=0.40.8 mm，B=30300mm) 埋弧堆焊、电渣堆焊 铸棒(dw=2.28.Omm) 钨极氩弧堆焊 管状焊丝 自保护电弧堆焊、埋弧堆焊、钨极氩弧堆焊 焊条 手工电弧堆焊 1 电火花涂敷 通过电极与金属之间的火花放电，使电极材料(如WC、Ti