第4章热喷涂技术-石油大学

1、表面工程表面工程机电工程学院材料系机电工程学院材料系韩彬韩彬20122012年年3 3月月韩彬韩彬: 86983306Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum表面工程表面工程教学内容教学内容（上课（上课28 + 28 + 实验实验4 4）第一章：绪论第一章：绪论 2 2学时学时第二章：表面科学基础第二章：表面科学基础 4 4学时学时 第三章：表面热处理与化学热处理第三章：表面热处理与化学热处理 2 2学时学时第四章：热喷涂技术第四章：热喷涂技术 6 6学时学时

2、第五章：电镀与化学镀第五章：电镀与化学镀 2 2学时学时 第六章：化学转化膜第六章：化学转化膜 2 2学时学时第七章：涂料及涂装第七章：涂料及涂装 2 2学时学时第八章：气相沉积第八章：气相沉积 2 2学时学时第九章：高能束表面改性第九章：高能束表面改性 4 4学时学时第十章：表面分析与测试第十章：表面分析与测试 2 2学时学时第四章 热喷涂技术表面工程表面工程Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum第四章第四章 热喷涂技术热喷涂技术4.1 概述概述4.2 热喷涂的基础理论热喷涂的基础

3、理论4.3 热喷涂方法热喷涂方法4.4 热喷涂材料热喷涂材料4.5 涂层的选择和涂层系统的设计涂层的选择和涂层系统的设计Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum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返回Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum4.1 概述

4、概述n采用采用热源热源n将将粉状或丝状粉状或丝状固体材料加热到固体材料加热到熔融或半熔融熔融或半熔融状态，状态，n通过通过高速气流高速气流使其使其雾化雾化，n然后然后喷射、沉积喷射、沉积到经过到经过预处理预处理的工件表面，从而形的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。成附着牢固的表面层的加工方法。n重熔重熔冶金结合。冶金结合。1 1、热喷涂热喷涂( (Thermal Spray)Thermal Spray)Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum2 2、热喷涂的分类、热喷涂的分

5、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、喷熔Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（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

6、高能束类：高能束类：激光激光、电子束喷涂、电子束喷涂Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum3 3热喷涂特点热喷涂特点 取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

7、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；保护内孔也可大型构件；可大面积也可局部；保护性气氛也可现场作业性气氛也可现场作业Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum工效高、操作程序少、速度快工效高、操作程序少、速度快几几几十几十 kg/h涂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

8、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：结合力低；结合力低；孔隙率高；孔隙率高；均匀性差均匀性差Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum4.2 热喷涂的基本理论热喷涂的基本理论一、喷涂层形成过程一、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Han Bin表面

9、工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum2. 2. 涂层的形成过程涂层的形成过程u由不断飞向基体表

10、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/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完成完成涂层粒子之间互不影响热传导涂层粒子之间互不影响热传导Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China Un

11、iversity of Petroleum二、飞行中的粒子流二、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，先加速后减速先加速后减速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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum2. 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

12、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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum4. 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

13、应影响涂层质量、结合强度响涂层质量、结合强度Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum三、涂层的成分和结构三、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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学Chin

14、a University of Petroleum2 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：组成：氧化物夹杂、小区域熔合、不完全熔融粒子、孔洞氧化物夹杂、小区域熔合、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 Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumCrB粉芯丝材电弧喷涂涂层Han Bin表面工

15、程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum四、涂层结合机理四、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，扁平状并随基体表面的凹凸不粒子碰撞，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，在平而起伏，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。冷却凝固时收缩咬住凸出点而形成机械结合。n与粗糙度有关与粗糙度有关喷砂、粗车、车螺纹、酸洗喷砂、粗车、车螺纹、酸洗n主要结合方式主要结合方式 涂层与基体的结合涂层与基体的结合Han

16、Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（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Han Bin表面工程表面工程Surfac

17、e Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum. .涂层间的结合涂层间的结合机械机械结合为主，结合为主，扩散扩散结合、结合、物理物理结合、结合、冶金冶金结合等也起一定作用。结合等也起一定作用。Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum五、涂层残余应力五、涂层残余应力涂层的外层涂层的外层受拉应力受拉应力基体、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

18、，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消除和减少预热或粗化表面消除和减少Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum 六、热喷涂预处理六、热喷涂预处理n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、加碱洗法、溶剂洗涤法、蒸气清洗法、加热热n去除氧化膜、去除氧化膜、表面粗糙化：表面粗糙化：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 200300Han B

19、in表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum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； 表面洁净并粗化；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。Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum4.3 热喷涂方法热喷涂方法1

20、1、丝材火焰喷涂、丝材火焰喷涂（Wire Flame Spray,最早，1910）2.粉末Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering

21、中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum2 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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum3.爆炸粉末火焰喷涂的装置图粉末火焰喷涂的装置图 Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum 氧一乙炔火焰喷枪氧一乙炔火焰喷枪 两部分：氧

22、、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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum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、涂层结合颗粒速度小、火焰温度低、涂层结合 强度低、气孔率高强度低、气孔率高改善：改善：提高气流速度提高气流速度 使用

23、惰性气体使用惰性气体Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum3 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

24、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4.HVOFHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum粉末在高速枪中被输送的长度远大于等离子枪粉末在高速枪中被输送的长度远大于等离子枪粒子速度高的原因粒子速度高的原因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；结合强度高；涂层致密、气孔率很低；涂层致密、气孔率很低；涂层表面加工后粗糙度低；涂层表面加工后粗糙度低；工件表面温度低工件表面温度低l缺点：缺点：设备价格高、噪音大、

25、氧化性气氛设备价格高、噪音大、氧化性气氛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）、一般火焰）、一般火焰30003000Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum4 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. Brow

26、ning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) 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N2Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Pe

27、troleum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，到达工件，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5.电弧Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum其中，其中，S管器截面积，管器截面积，M=V/V声声（马赫数），（马赫数），V流速流速 当当VV声声，即，即MV声声，即，即M1时，则时，则dv与与ds符号相同，

28、截面增大，流速增大符号相同，截面增大，流速增大 流体在低速时，经过足够压缩即可在管器某一截面达到流体在低速时，经过足够压缩即可在管器某一截面达到声速，过了这截面将获得超音速声速，过了这截面将获得超音速vdvMsds/) 1(/2原理：原理：喷嘴喷嘴Laval管管的膨胀管的膨胀管 流体力学原理，对一维可压缩流体流体力学原理，对一维可压缩流体Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum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

29、粉末运动速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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学Chin

30、a University of Petroleum5 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。高速Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum1 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

31、机Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petrole

32、um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：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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 电弧喷涂材料电弧喷涂材料包括两

33、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：一是有色金属丝材。主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、镍等金属及其合金；二是黑色金要包括铝、锌、铜、钼、镍等金属及其合金；二是黑色金属丝材。主要是碳钢、不锈钢等。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。 Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 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

34、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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum高速电弧喷涂原理示意图高速电弧喷涂原理示意图雾化气体雾化气体送丝机构送丝机构丝材丝材基基体体熔滴熔滴+ +- -涂层涂层喷嘴喷嘴电弧电弧 根据气体动力学的有关原理，采用雾化空气通过根据气体动力学的有关原理，采用雾化空气通过缩缩- -放放喷管喷管的方案来提高雾化气流的速度，实现高速的方案来提高雾化气流的速度，实现高速电弧喷涂。电弧喷涂。l 高速

35、电弧喷涂技术高速电弧喷涂技术等离子喷涂Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleuml 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%Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum特点特点1：粒子速度显著提高：粒子速度显著提高 工作喷涂距离内（工作喷涂距离内（150150300mm300mm）粒子飞

36、行的平均速度高于）粒子飞行的平均速度高于350350m/sm/s 。 雾化粒子平均直径为普通枪的雾化粒子平均直径为普通枪的1 1/3/31/81/8。Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum特点特点2：涂层的结合强度显著提高：涂层的结合强度显著提高 用于防腐的铝涂层和用于耐磨的用于防腐的铝涂层和用于耐磨的3Cr133Cr13涂层的结合涂层的结合强度分别达到强度分别达到35MPa35MPa和和43MPa43MPa，分别是普通电弧喷涂的，分别是普通电弧喷涂的2.22.2倍和倍和1.51.5

37、倍。倍。Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum特点特点3：涂层的孔隙率低、耐磨耐蚀性好：涂层的孔隙率低、耐磨耐蚀性好 高速电弧喷涂高速电弧喷涂3Cr133Cr13涂层孔隙率涂层孔隙率2%(150m/s6 6、等离子喷涂、等离子喷涂(Plasma Spray)Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum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

38、收缩、磁收缩返回Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum返回Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum等离子焰流温度分布等离子焰流温度分布 Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum等离子喷涂原理等离子喷涂原理 激光熔覆Han Bin表面工程表面工程Surface Engi

39、neering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum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：超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂；超高温特性，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；喷枪；电源；电源；送粉器；送粉器；热交换器；热交换器；供气系统；供气系统；控制柜控制柜Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学Ch

40、ina University of Petroleum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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum7 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H

41、VOF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/mm0.21.00.13.00.050.50.050.10.11.2喷涂成本低低高

42、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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum 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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石

43、油大学中国石油大学China University of Petroleum4.4 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Han Bin表面工程表面工程Surface Engineeri

44、ng中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumNiNi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H

45、an Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum、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 组组“组元对组元对”有放热反应有放热反应常用：常用：Ni-Al、Al-Cr、Al-Nb、Al-Ta、Al-B、Al-Ni-WC、Al-Ni-Cr、Al-Ni-Al2O3打低层、工作层如不锈钢打低层、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；丝丝复合法；丝管复合法；丝管复合法；粉管复合法

46、；粉管复合法；粉皮压结复合法；粉皮压结复合法；粉粘合剂复合法粉粘合剂复合法二、热喷涂粉末二、热喷涂粉末1.粉末的测量与表征粉末的测量与表征2.非复合喷涂粉末非复合喷涂粉末3.复合喷涂粉末复合喷涂粉末4.粉末的制备粉末的制备Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum颗粒颗粒粉粉体体颗粒（颗粒（ParticleParticle）、粉体（）、粉体（PowderPowder）、粉末）、粉末 二、热喷涂粉末二、热喷涂粉末Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大

47、学中国石油大学China University of Petroleuml粉体粉体l颗粒颗粒大小大小 形状形状测量：测量：表征：表征：测量：测量：图像分析法图像分析法表征：表征：定性、定量定性、定量网目值、定向径、轴径、当量径网目值、定向径、轴径、当量径1. 粉末的测量与表征粉末的测量与表征筛分、显微镜、光衍射筛分、显微镜、光衍射25.4a d（200-200-，300+300+）通过通过200200目而未通过目而未通过300300目目Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum金属及合金

48、粉末：金属及合金粉末：Ni、Fe、Co、Cu粉末粉末喷涂合金粉末（冷喷合金粉末）不能重熔处理喷涂合金粉末（冷喷合金粉末）不能重熔处理喷熔合金粉末（喷熔合金粉末（自熔性合金粉末自熔性合金粉末） 合金中加入了强烈的脱氧元素如合金中加入了强烈的脱氧元素如 SiSi、B B等，在重等，在重熔过程中它们优先与合金粉末中氧和工件表面的氧化熔过程中它们优先与合金粉末中氧和工件表面的氧化物作用，生成物作用，生成低熔点的硼硅酸盐低熔点的硼硅酸盐覆盖在表面，防止液覆盖在表面，防止液态金属氧化，改善对基体的润湿能力，起到良好的态金属氧化，改善对基体的润湿能力，起到良好的自自熔剂作用熔剂作用。Ni基、基、Co基、基、

49、Fe基及基及WC等四种系列。等四种系列。 2. 非复合喷涂粉末（单一组成）非复合喷涂粉末（单一组成）Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumNi35粉DL55粉Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum(1) G314(1) G314粉末粉末(2) G302(2) G302粉末粉末(3) (3) 钼铁粉末钼铁粉末Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering

50、中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum陶瓷粉末：陶瓷粉末：氧化物氧化物 Al2O3、ZrO2、TiO2碳化物碳化物 WC、SiC、TiC硼化物硼化物 ZrB2、CrB2硅化物硅化物 MoSi2氮化物氮化物 VN、TiN塑料粉末：塑料粉末：美观、耐蚀美观、耐蚀热塑性塑料聚乙烯、聚酰胺热塑性塑料聚乙烯、聚酰胺热固性塑料环氧树脂热固性塑料环氧树脂Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum3. 复合喷涂粉末复合喷涂粉末包覆型粉：包覆型粉：由一种或几种成

51、分作为外壳，均匀连续或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星点间断地包覆由一种或几种成分组成的核心的粉体重量比重量比199、厚度最低、厚度最低23m组合型粉：组合型粉：由不同相混杂而成的颗粒，没有核壳之分由不同相混杂而成的颗粒，没有核壳之分Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum微米铝包镍复合粉末颗粒形貌微米铝包镍复合粉末颗粒形貌Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China Univ

52、ersity of Petroleum复合型粉意义：复合型粉意义：非均相体、广泛材料组合，多种功能；非均相体、广泛材料组合，多种功能；可发生某些希望的有利反应改善工艺提高涂层质量可发生某些希望的有利反应改善工艺提高涂层质量外壳保护作用外壳保护作用Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum团聚包覆法制取的团聚包覆法制取的NiCrNiCr5%Al5%Al粉末粉末 Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of

53、 Petroleum高压氢还原法制取的高压氢还原法制取的AlAl80%Ni80%Ni粉末粉末Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum4. 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 粉粉 末 的 制 备机械制粉、物理制粉、化学制粉机械制粉、物理制粉、化学制粉Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China Univers

54、ity of Petroleuml实质：利用动能破坏材料的内结合力，使材料分裂产生新 的界面。l过程：受力弹性变形塑性变形,硬化,内应力断裂 重复发生、逐级破碎(1)(1)制粉原理制粉原理l物料还会发生物质结构及表面物理化学性质的变化物料还会发生物质结构及表面物理化学性质的变化l 机械制粉机械制粉Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum（1 1）体积粉碎）体积粉碎（2 2）表面粉碎）表面粉碎（3 3）均一粉碎）均一粉碎（2 2）粉碎模型）粉碎模型Han Bin表面工程表面工程Surfa

55、ce Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum1.动能准则：提高磨球的动能2.碰撞几率准则：提高磨球的有效碰撞几率l基本原则基本原则滚筒式行星式振动式搅动式l基本方式基本方式球磨制粉球磨制粉l基本要素基本要素：球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介质Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petrol

56、eumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petrol

57、eumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum定义：定义：通过通过高压雾化介质高压雾化介质，如气体或水强烈，如气体或水强烈冲击冲击液流液流，或通过，或通过离心力离心力使之破碎、冷却凝固使之破碎、冷却凝固来实现。来实现。 雾化制粉法雾化制粉法l 物理制粉法物理制粉法 雾化法、雾化法、 蒸发凝聚法蒸发凝聚法Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum雾化雾化聚并聚并凝固凝固1 1、能量

58、交换准则、能量交换准则2 2、快速凝固准则、快速凝固准则 l 提高雾化制粉效率基本准则Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum 双流雾化法双流雾化法气雾化水雾化注：适合于金属粉末制备 双流雾化：液体流双流雾化：液体流-2、水或气流、水或气流-1Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum雾化过程的四种作用：雾化过程的四种作用：动能交换动能交换热量交换热量交换流变特性变化流变特性变化

59、化学反应化学反应Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum 离心雾化法离心雾化法旋转电极法旋转电极法旋转锭模旋转锭模旋转园盘旋转园盘Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum旋转电极法：旋转电极法：Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Sur

60、face Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum旋转锭模法旋转锭模法（又称旋转坩埚法）（又称旋转坩埚法）：Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum旋转盘法：旋转盘法：Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中国石油大学中国石油大学China University of Petroleum旋转轮法旋转轮法旋转杯旋转杯旋转网旋转网Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering