热喷涂(1)讲课稿

1、热喷涂(1)加热熔化、雾化、加热熔化、雾化、飞行、喷涂飞行、喷涂粒子粒子速度速度、温度温度、尺寸、反应尺寸、反应机械结合机械结合热喷涂热喷涂层状组织结构层状组织结构预处理预处理一一 概述概述n定义：采用各种定义：采用各种热源热源将将粉状或丝状粉状或丝状固体材固体材料加热到料加热到熔融或半熔融熔融或半熔融状态，通过状态，通过高速气高速气流流使其使其雾化雾化，然后高速，然后高速喷射、沉积喷射、沉积到经过到经过预处理预处理的工件表面，从而形成附着牢固的的工件表面，从而形成附着牢固的表面层。表面层。1 1、热喷涂、热喷涂(Thermal Spray)(Thermal Spray)2 2、热喷涂的分类、

2、热喷涂的分类 （1 1）喷涂材料的形态：）喷涂材料的形态：丝材、粉末丝材、粉末（2 2）涂层的功能：）涂层的功能：耐蚀、耐磨、隔热、抗氧化耐蚀、耐磨、隔热、抗氧化（3 3）加热和结合方式：）加热和结合方式：喷涂、喷熔（喷涂喷涂、喷熔（喷涂+ +熔化，冶金结合）熔化，冶金结合）（4 4）按照热源种类：）按照热源种类：l火焰类：火焰类：包括包括火焰火焰、爆炸、爆炸、超音速喷涂超音速喷涂l电弧类：电弧类：电弧电弧和和等离子喷涂等离子喷涂l电热类：电热类：电爆、感应和电容放电喷涂电爆、感应和电容放电喷涂l高能束类：高能束类：激光激光、电子束喷涂、电子束喷涂3 3热喷涂特点热喷涂特点 涂层材料涂层材料取

3、材范围广取材范围广 金属、合金、陶瓷、塑料、尼龙、复合材料等。金属、合金、陶瓷、塑料、尼龙、复合材料等。可用于各种基体可用于各种基体金属、陶瓷、玻璃、石膏、布、纸、木材等固体金属、陶瓷、玻璃、石膏、布、纸、木材等固体可使基体保持较低温度、基材变形小可使基体保持较低温度、基材变形小冷工艺冷工艺303020000、不变形、不弱化、不变形、不弱化工艺灵活工艺灵活可可10mm10mm内孔，也可大型构件；可大面积，也可局部；内孔，也可大型构件；可大面积，也可局部；保护性气氛，也可现场作业保护性气氛，也可现场作业工效高、操作程序少、速度快工效高、操作程序少、速度快每小时几公斤每小时几公斤几十公斤几十公斤涂

4、层厚度可调范围大涂层厚度可调范围大几十微米几十微米几毫米几毫米可得到特殊的表面性能可得到特殊的表面性能耐磨、抗氧化、耐热、导电、绝缘耐磨、抗氧化、耐热、导电、绝缘成本低、经济效益显著成本低、经济效益显著l缺点：缺点：结合强度低；结合强度低；材料利用率低材料利用率低；热效率低热效率低；均匀性差均匀性差；孔隙率高孔隙率高。4、涂层材料的要求、涂层材料的要求n（1）较宽的液相区；）较宽的液相区；n（2）形状、尺寸有要求，线材、粉末。）形状、尺寸有要求，线材、粉末。二二 热喷涂的基本理论热喷涂的基本理论喷涂层形成过程喷涂层形成过程1.1.喷涂过程喷涂过程喷涂材料的加热熔化喷涂材料的加热熔化熔化或软化熔

5、化或软化熔滴的雾化熔滴的雾化粉末无，线材粉末无，线材, ,外加压缩气流或热源自身射流外加压缩气流或热源自身射流粒子的飞行粒子的飞行先加速、后减速先加速、后减速粒子的喷涂粒子的喷涂尺寸尺寸，几十微米，几十微米几百微米；几百微米； 速度速度，几十，几十几百米几百米/秒；秒； 温度温度，熔点，熔点 碰撞，碰撞，动能动能热能热能； 变形变形成扁平状粒子，凝固成扁平状粒子，凝固2. 2. 涂层的形成过程涂层的形成过程u由不断飞向基体表面的粒子撞击基体或涂层表面由不断飞向基体表面的粒子撞击基体或涂层表面堆积而成堆积而成 即，即，粒子的碰撞粒子的碰撞变形变形冷凝收缩冷凝收缩冷速极高：冷速极高：106108/

6、s 金属金属 104106/s 陶瓷陶瓷两粒子撞击时间间隔两粒子撞击时间间隔0.1s左右左右10-710-6s完成完成n涂层材料的加热、加速、凝固是三个最涂层材料的加热、加速、凝固是三个最主要方面。主要方面。n（1）希望涂层材料完全熔化，并保持到）希望涂层材料完全熔化，并保持到撞击基体前；撞击基体前；n（2）喷涂速度由焰流速度决定，与材料）喷涂速度由焰流速度决定，与材料粒径有关；粒径有关；n（3）凝固成薄饼状。部分未熔）凝固成薄饼状。部分未熔反弹反弹形成空洞和夹杂；过热形成空洞和夹杂；过热喷溅。喷溅。飞行中的粒子流飞行中的粒子流1 1、粒子的飞行速度、粒子的飞行速度喷涂方法喷涂方法喷涂材料的密

7、度和形状喷涂材料的密度和形状粒子的尺寸粒子的尺寸粒子的飞行距离粒子的飞行距离由快到慢由快到慢影响碰撞时转换能量的大小、变形程度及结合强度影响碰撞时转换能量的大小、变形程度及结合强度 有关因素有关因素2. 2. 粒子的温度粒子的温度线材线材熔化或熔融熔化或熔融熔点熔点粉末粉末 熔融熔融 表表内热传导内热传导 90%90%熔融熔融复合材料粉末复合材料粉末，可能，可能大于熔点大于熔点例：例：NiNi包包AlAl放热反应放热反应3. 3. 粒子的尺寸粒子的尺寸有一最佳临界尺寸有一最佳临界尺寸4. 4. 粒子的表面反应粒子的表面反应与与O O2 2、N N2 2反应反应氧化物、氮化物夹杂氧化物、氮化物夹

8、杂火焰喷涂火焰喷涂电弧喷涂电弧喷涂 等离子喷涂等离子喷涂粒子速度、温度、尺寸及表面发生的反应影粒子速度、温度、尺寸及表面发生的反应影响涂层质量、结合强度响涂层质量、结合强度涂层的成分和结构涂层的成分和结构喷涂材料的成分喷涂材料的成分 涂层的成分涂层的成分 氧化烧损氧化烧损与粒子和喷涂气氛之间的化学反应有关与粒子和喷涂气氛之间的化学反应有关例：例： 电弧喷涂，因温度高、气氛为空气而氧化烧损严重电弧喷涂，因温度高、气氛为空气而氧化烧损严重1. 1. 涂层的成分涂层的成分2 2涂层的结构涂层的结构 涂层是涂层是变形粒子的层状组织结构变形粒子的层状组织结构涂层的性能具有涂层的性能具有方向性方向性 组成

9、：扁平颗粒、组成：扁平颗粒、氧化物夹杂、不完全熔融粒子、孔洞氧化物夹杂、不完全熔融粒子、孔洞涂层经适当处理后，结构会发生变化。涂层经适当处理后，结构会发生变化。例：重熔，层状结构例：重熔，层状结构 均质结构均质结构 涂层结合机理涂层结合机理 （1 1）机械结合）机械结合 n抛锚效应抛锚效应：粒子碰撞、变成扁平状并随基体表面的凹粒子碰撞、变成扁平状并随基体表面的凹凸不平而起伏，这些覆盖并紧贴基体表面的液态薄片，凸不平而起伏，这些覆盖并紧贴基体表面的液态薄片，在冷却凝固时收缩咬住凸出点而形成机械结合。在冷却凝固时收缩咬住凸出点而形成机械结合。n与基体表面粗糙度有关与基体表面粗糙度有关喷砂、粗车、车

10、螺纹、酸洗喷砂、粗车、车螺纹、酸洗n这是主要的结合方式这是主要的结合方式 涂层与基体的结合涂层与基体的结合（4 4）冶金结合）冶金结合 放热型喷涂材料或高温热源喷涂放热型喷涂材料或高温热源喷涂达到熔点达到熔点焊合焊合 微区冶金结合微区冶金结合 重熔即喷焊时，主要是冶金结合重熔即喷焊时，主要是冶金结合（3 3）物理结合）物理结合由范德华力或次价键形成的结合由范德华力或次价键形成的结合( () )扩散结合扩散结合 变形和高温，足够能量原子间相互扩散变形和高温，足够能量原子间相互扩散金属化金属化合物或固溶体合物或固溶体. .涂层间的结合涂层间的结合机械结合为主，扩散结合、物理结合、冶金机械结合为主，

11、扩散结合、物理结合、冶金结合等也起一定作用。结合等也起一定作用。涂层残余应力涂层残余应力涂层的外层涂层的外层受拉应力受拉应力后冷、收缩受阻后冷、收缩受阻基体、涂层的内层则基体、涂层的内层则产生压应力产生压应力由喷涂热条件及物理性质的差异造成，影响涂由喷涂热条件及物理性质的差异造成，影响涂层质量，限制涂层的厚度层质量，限制涂层的厚度预热或粗化表面能预热或粗化表面能消除和减少消除和减少热喷涂预处理热喷涂预处理喷涂工艺中一个重要工序：喷涂工艺中一个重要工序：n清洗、脱脂：清洗、脱脂：碱洗法、溶剂洗涤法、蒸气清洗法、加热碱洗法、溶剂洗涤法、蒸气清洗法、加热n去除氧化膜、表面粗糙化：去除氧化膜、表面粗糙

12、化：机械法（机械法（喷砂喷砂、滚压、车削、车螺纹）、酸洗、滚压、车削、车螺纹）、酸洗n预热基体预热基体 200300获得良好结合涂层要求：获得良好结合涂层要求： 喷涂粒子尺寸合适，保持液态；喷涂粒子尺寸合适，保持液态； 飞行速度飞行速度足够大；足够大； 基体表面洁净并粗化；基体表面洁净并粗化； 提高接触提高接触温度温度和高温停留时间；和高温停留时间； 防止产生残余变形、开裂。防止产生残余变形、开裂。三热喷涂方法三热喷涂方法1 1、丝材火焰喷涂、丝材火焰喷涂（Wire Flame Spray,最早，1910）丝材火焰喷涂的装置示意图丝材火焰喷涂的装置示意图丝材传送：空气涡轮或电动马达丝材传送：空

13、气涡轮或电动马达气体：乙炔、氧气，压缩空气（雾化气）气体：乙炔、氧气，压缩空气（雾化气）涂层：层状结构，气孔、氧化物夹杂涂层：层状结构，气孔、氧化物夹杂用途：大型钢结构，喷涂铝锌用途：大型钢结构，喷涂铝锌粉末火焰喷涂的装置图粉末火焰喷涂的装置图 2 2、粉末火焰喷涂、粉末火焰喷涂(Powder Flame Spray)粉末火焰喷涂的原理示意图粉末火焰喷涂的原理示意图 氧一乙炔火焰喷枪氧一乙炔火焰喷枪 两部分：氧、乙炔供给系统两部分：氧、乙炔供给系统 喷涂粉末供给喷涂粉末供给气体：气体：乙炔乙炔+ +氧，也可甲基乙炔，天然气、氢气氧，也可甲基乙炔，天然气、氢气用途：用途：可喷涂金属、陶瓷、塑料等

14、可喷涂金属、陶瓷、塑料等特点：特点：应用非常灵活、设备轻便、经济、应用较广应用非常灵活、设备轻便、经济、应用较广不足：不足：颗粒速度小、火焰温度低、涂层结合强度低、颗粒速度小、火焰温度低、涂层结合强度低、 气孔率高、涂层氧含量高气孔率高、涂层氧含量高改善：改善：提高气流速度；使用惰性气体提高气流速度；使用惰性气体3 3、爆炸喷涂、爆炸喷涂(Detonation Spray) 氧气和乙炔氧气和乙炔燃烧燃烧气体膨胀、气体膨胀、爆炸爆炸热能和冲击波热能和冲击波熔熔化，化，700800m/s喷射到工件表面上形成涂层喷射到工件表面上形成涂层氮气用于清洗枪管氮气用于清洗枪管粉末在高速枪中被输送的长度远大于

15、等离子枪粉末在高速枪中被输送的长度远大于等离子枪原因：粒子速度高（超音速）原因：粒子速度高（超音速）l特点：特点：粒子飞行速度高，动能大粒子飞行速度高，动能大结合强度高；涂层致密、气孔率很低；结合强度高；涂层致密、气孔率很低；涂层表面加工后粗糙度低；工件表面温度低涂层表面加工后粗糙度低；工件表面温度低l缺点：效率低，缺点：效率低，成本高、噪音大成本高、噪音大l应用：应用：美国林德分公司美国林德分公司19551955专利，设备及工艺保密专利，设备及工艺保密 中国航天工业部航空材料研究所，中国航天工业部航空材料研究所，19851985 45%C45%C2 2H H2 2（42004200）、一般火

16、焰）、一般火焰30003000 用于含碳化物涂层，温度低，抑制碳化物分解。用于含碳化物涂层，温度低，抑制碳化物分解。 4 4、超音速火焰喷涂、超音速火焰喷涂(HVOF)发展：发展：与爆炸喷涂抗争，与爆炸喷涂抗争，l 60年代初美国人年代初美国人J. Browning发明，发明，Jet-Kote 1983年美国专利年美国专利l 国外：发展迅速国外：发展迅速 许多新装置许多新装置 取代传统等离子喷涂取代传统等离子喷涂l 国内：武汉材保所、北京钢院、北京钛得国内：武汉材保所、北京钢院、北京钛得气体：气体：燃气燃气(H2, C3H8, C3H4或或C2H2-CH4-C3H8)+助燃助燃 气气(O2)

17、燃烧室混合燃烧室混合 爆炸式燃烧爆炸式燃烧 高速通过膨胀管获得超音速高速通过膨胀管获得超音速 送粉气：送粉气：Ar或或N2*空气中空气中1个标准大气压个标准大气压15时，音速约为时，音速约为340米秒。米秒。 超音速火焰喷涂枪超音速火焰喷涂枪速度：速度：喷口处，音速的喷口处，音速的4倍（倍（1520m/s）,最高达最高达2400m/s 到达工件时，到达工件时，550760m/s质量：质量：与气体种类、比例、流量，粉末质量和流量等有关与气体种类、比例、流量，粉末质量和流量等有关特点：特点：粉粒温度较低、氧化轻（时间短），适于金属粉，粉粒温度较低、氧化轻（时间短），适于金属粉，Co-WC粉末运动速

18、度高粉末运动速度高粉粒尺寸小（粉粒尺寸小（1053m），分布范围窄，否则不能熔化），分布范围窄，否则不能熔化涂层结合强度、致密度高，无分层现象涂层结合强度、致密度高，无分层现象涂层表面粗糙度低涂层表面粗糙度低喷涂距离可在较大范围内变动而不影响涂层质量喷涂距离可在较大范围内变动而不影响涂层质量可得到比爆炸喷涂更厚的涂层，残余应力也得到改善可得到比爆炸喷涂更厚的涂层，残余应力也得到改善喷涂效率高，操作方便喷涂效率高，操作方便噪音大（噪音大（120dB），需有隔音和防护装置），需有隔音和防护装置 不足：成本高不足：成本高5 5、电弧喷涂、电弧喷涂(Arc Spray) 在在两根金属丝两根金属丝之间产

19、生之间产生电弧电弧，因电弧产生的热使金，因电弧产生的热使金属丝逐渐属丝逐渐熔化熔化，熔化部分被，熔化部分被压缩空气压缩空气气流喷向基体表面气流喷向基体表面而形成涂层。而形成涂层。1 电源电源 2 喷枪喷枪 3 送丝机构送丝机构 4 冷却装置冷却装置 5 油油水分离器水分离器 6 储气罐储气罐 7 空气压缩机空气压缩机电弧喷涂是一个不断重复进行熔化雾化喷电弧喷涂是一个不断重复进行熔化雾化喷射沉积的过程。射沉积的过程。熔化熔化熔化 熔化熔化 雾化雾化 喷射喷射 沉积沉积电弧温度：电弧温度：50006000优点优点（相对火焰喷涂）：（相对火焰喷涂）：含热量更大含热量更大粒子速度更快粒子速度更快应用：

20、应用：大型金属构件，成本低，一次性投资少，使用方便。大型金属构件，成本低，一次性投资少，使用方便。适合大面积长效防腐锌、铝涂层。适合大面积长效防腐锌、铝涂层。不足：不足：喷涂材料是导电的金属丝、氧化烧损严重喷涂材料是导电的金属丝、氧化烧损严重措施措施：降低雾化气含氧量：降低雾化气含氧量结合强度高结合强度高1.52.0倍，喷涂效率高倍，喷涂效率高l 电弧喷涂材料电弧喷涂材料包括两类，实芯丝材，粉芯丝材包括两类，实芯丝材，粉芯丝材实芯丝材按材质可分为两种：实芯丝材按材质可分为两种：一是有色金属丝材。主要包括铝、锌、铜、钼、镍等一是有色金属丝材。主要包括铝、锌、铜、钼、镍等金属及其合金；金属及其合金

21、；1.1. 二是黑色金属丝材。主要是碳钢、不锈钢等。二是黑色金属丝材。主要是碳钢、不锈钢等。粉芯丝材：包括外皮和粉芯两部分。粉芯丝材：包括外皮和粉芯两部分。 l 电弧喷涂工艺电弧喷涂工艺 预处理工艺预处理工艺 表面清洗、预加工、粗糙化表面清洗、预加工、粗糙化 喷涂工艺喷涂工艺 电流、电压、压缩空气压力、喷涂距离电流、电压、压缩空气压力、喷涂距离l 电弧喷涂火焰比较电弧喷涂火焰比较雾化气流雾化气流600mm/s600mm/s以上以上结合强度高约结合强度高约2 2倍倍孔隙率孔隙率2%2%l喷涂原理：采用等离子火焰作为热源对喷涂材料喷涂原理：采用等离子火焰作为热源对喷涂材料进行加热。进行加热。等离子

22、弧等离子弧压缩电弧压缩电弧，弧柱细、电流密度大、电离度高，弧柱细、电流密度大、电离度高 温度高、能量集中、弧稳定性好温度高、能量集中、弧稳定性好三种形式三种形式： 非转移弧非转移弧 阴极和喷嘴之间，工件不带电阴极和喷嘴之间，工件不带电喷涂喷涂 转移弧转移弧 工件接正极工件接正极焊接、切割焊接、切割 联合弧联合弧 喷嘴、工件均接正极喷嘴、工件均接正极温度温度 中心中心30000K，出口，出口15000-20000K速度速度 出口出口10002000m/s，工件，工件150m/s6 6、等离子喷涂、等离子喷涂(Plasma Spray)n等离子弧：对自由电弧的弧柱进行强迫等离子弧：对自由电弧的弧柱

23、进行强迫“压缩压缩”，从而使能量更加集中，弧柱，从而使能量更加集中，弧柱中气体充分电离，这样的电弧称为中气体充分电离，这样的电弧称为等离等离子弧子弧。 等离子弧又称等离子弧又称压缩电弧压缩电弧。n一般电弧焊所产生的电弧，因不受外界一般电弧焊所产生的电弧，因不受外界的约束，故也称为的约束，故也称为自由电弧自由电弧。等离子弧三种压缩作用：机械压缩、热收缩、磁收缩等离子弧三种压缩作用：机械压缩、热收缩、磁收缩等离子焰流温度分布等离子焰流温度分布 等离子喷涂原理等离子喷涂原理 分类：分类：大气、保护气氛、真空和水稳等离子喷涂大气、保护气氛、真空和水稳等离子喷涂特点：特点：超高温，便于进行高熔点材料的喷

24、涂；超高温，便于进行高熔点材料的喷涂；喷涂粒子的速度高、涂层致密、结合强度高；喷涂粒子的速度高、涂层致密、结合强度高；喷涂材料不易氧化喷涂材料不易氧化等离子喷涂设备：等离子喷涂设备：喷枪；电源；送粉器；热交换器；供气系喷枪；电源；送粉器；热交换器；供气系统；控制柜统；控制柜等离子喷涂工艺：等离子喷涂工艺：等离子气体等离子气体 可用性、经济性可用性、经济性 N2、Ar电弧的功率电弧的功率 合适合适供粉供粉 供粉速度与输入功率相适应，送至焰心供粉速度与输入功率相适应，送至焰心喷涂距离和喷涂角度喷涂距离和喷涂角度 适当适当 45喷枪与工件的相对运动速度喷枪与工件的相对运动速度基体温度控制基体温度控制

25、7 7、激光喷涂、激光喷涂比较项目火焰喷涂电弧喷涂等离子喷涂爆炸喷涂HVOF热源O2+C2H2电弧加热高温低压等离子体O2+C2H2煤油、乙烯、丙烯、氢气焰流温度/8502000电弧5000,熔滴600380020000-14002500焰流速度/m/s5010030500200120080012003001200颗粒速度/m/s208020300308008001001000热效率/%6080903555-5070沉积效率/%508070905080-7090喷涂材料形态粉末、线材线材粉末粉末粉末结合强度/MPa710358570最小孔隙率/%121020.10.1最大涂层厚度/mm0.21

26、.00.13.00.050.50.050.10.11.2喷涂成本低低高高较高设备特点简单，可现场施工简单，可现场施工复杂，适合高熔点材料效率低，应用面窄一般，可现场施工常用热喷涂技术的工艺特性常用热喷涂技术的工艺特性 热喷涂涂层后处理：热喷涂涂层后处理： 重熔重熔，自熔性粉末，自熔性粉末封孔处理封孔处理（根据工件使用状态选择封孔剂）（根据工件使用状态选择封孔剂） 常用：高熔点蜡类，常用：高熔点蜡类， 合成树脂合成树脂 精加工精加工，磨削，磨削4 热喷涂材料热喷涂材料 AlAl及及AlAl合金合金纯铝或纯铝或Al-Si 腐蚀防护，抗高温氧化腐蚀防护，抗高温氧化ZnZn及及ZnZn合金合金Zn或或

27、Zn-Al 大气及水中的腐蚀防护大气及水中的腐蚀防护CuCu及及CuCu合金合金纯纯Cu 导电及塑像工艺品导电及塑像工艺品黄铜黄铜 修复、耐磨、装饰修复、耐磨、装饰铝青铜铝青铜 酸性介质中耐蚀涂层酸性介质中耐蚀涂层线材、粉末线材、粉末一、热喷涂线材一、热喷涂线材 1、纯金属或合金线材、纯金属或合金线材NiNi及及NiNi合金合金纯纯Ni及及Ni-Cr、Ni-30%Cu(蒙乃尔合金蒙乃尔合金)， 耐蚀、耐磨、耐高温氧化耐蚀、耐磨、耐高温氧化SnSn及及SnSn合金合金 轴承轴瓦等滑动部件的耐磨涂层轴承轴瓦等滑动部件的耐磨涂层FeFe及及FeFe合金合金 低碳钢、低合金钢丝，修复、耐磨低碳钢、低合

28、金钢丝，修复、耐磨 不锈钢不锈钢防腐蚀防腐蚀 Fe-Cr-Al抗高温氧化抗高温氧化PbPb及及PbPb合金合金 滑动耐磨涂层及辐射防护涂层滑动耐磨涂层及辐射防护涂层MoMo 打底层打底层和耐浓盐酸涂层和耐浓盐酸涂层、复合喷涂线材、复合喷涂线材增效复合喷涂线材增效复合喷涂线材，组元间放热反应，组元间放热反应，熔滴温度，熔滴温度，结合结合常用：常用：Ni-Al、Al-Cr、Al-Nb、Al-Ta、Al-B、Al-Ni-WC、Al-Ni-Cr、Al-Ni-Al2O3打底层、工作层，如不锈钢打底层、工作层，如不锈钢Ni/Al丝、丝、Ni-Al-Mo丝丝复合方法：复合方法：丝丝复合法；丝管复合法；粉管复合法；丝丝复合法；丝管复合法；粉管复合法；粉皮压结复合法；粉粘合剂复合法粉皮压结复合法；粉粘合剂复合法3. 粉末的制备粉末的制备机 械 研 磨气 流 研 磨机 械 制 粉液 体 雾 化蒸 发 凝 聚物 理 制 粉气 相 沉 积还 原 化 合电 化 学 法化 学 制