表面工程论文 热喷涂技术

1、热喷涂技术原理及其应用材料学院无机10-1班常静学号：1001130402摘要：对于一些超薄零件，在其表面喷涂具有高强度、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。在本文中本人就热喷涂工艺的特点、喷涂方法的种类及其技 术以及热喷涂技术的应用进行简单的介绍与学习。关键字：热喷涂涂层表面工程火焰喷涂1绪论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，发达国 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

2、现代科学技术和现代工业发展，对各种设备零件的表面性能提 出了更高的要求，特别是在一些特殊条件下工作的零件表面的耐磨性、耐蚀性及 高温氧化性等。因此改善材料表面性能，不仅可以有效地延长零件的使用寿命、 节约资源，更有利于社会的发展IL表面技术分为表面改性技术、薄膜技术和涂层技术三大类，而热喷涂技术是 表面工程领域中十分重要的技术，约占表面工程技术的1/3，是国外50年代发 展起来的一项机械零件修复和预保护的新技术。它可以使各种机械设备车辆的零 部件使用寿命延长。使报废的零部件“起死回生”。从学科上讲，热喷涂技术是 一个涉及金属学、高分子学、表面物理、表面化学、流体力学、传热学、等离子 物理及计算

3、机等学科的交叉边缘科学。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100-260C，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 迅速发展。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表面涂层或其他表面改性和处理的方法，要知道表面要求的 功能、服务环境、基材（合金、热处理等）所处理表面的性能，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成本

4、。涂层可以对材料表面性能（耐磨性、耐蚀性、耐热性等）进行强化或再生， 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行修复。同时， 还可以赋予材料表面以特殊性能（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。2热喷涂技术热喷涂技术是材料科学领域内表面工程学的重要组成部分，它是一种表面强 化和表面改性技术。热喷涂是粉末或线杆经热源（火焰或电弧）加热至融化或半 融化态，用高压气流令其雾化并喷

5、射于工件上，塑态雾化金属粒子以很高速度打 到工件表面成片层状结构堆积成涂层。通过金属基体表面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。涂层与基体的结合机理通常认为有以下几种：机械结合；物理结合；微扩散 结合；冶金结合4。机械结合飞向基材的熔融粒子撞击基材表面形，铺展成扁平状的液态薄片覆盖并紧贴 基材表面的凸凹点上，在冷凝时收缩咬住凸点，形成机械结合。物理结合当高温、高速的熔融粒子撞击基材表面后，紧密接触的距离达到原子品格常 数范围时，就会产生范德华力而形成物理结合。扩散结合当熔融的喷涂材料高速撞击基材表面形成紧密接触时，由于变形、高温等作 用，在涂层

6、与基体间有可能产生微小的扩散，增加涂层与基材间的结合强度。冶金结合在喷涂放热型喷涂材料时，基材表面的微区内接触温度可达基材的熔点，就 有可能使熔融粒子与基材间形成微区的冶金结合。2.1热喷涂材料的发展热喷涂材料的发展大致经历了三个阶段。以金属和合金为主的粉末和线材， 主要包括铝、锌、竦、钻和铁等到自熔合金粉末，并先后发展了耐磨、耐高温、 抗燃气腐蚀及隔离热等陶瓷和金属陶瓷涂层材料，使热喷涂技术开始从简易维修 车间步入宇航和飞机等高技术产业领域。70年代中期出现的一系列的复合粉 和自粘结喷涂粉，80年代又出现了用于电弧喷涂的夹芯焊丝，其特征是材料成 分与结构的复合，从而改进了喷涂工艺和涂层的性能

7、。在各种新型、优质热喷涂技术不断涌现的情况下，热喷涂材料已成为制约热 喷涂技术应用和发展的关键。通常按材料形态有喷涂粉、丝材、粉芯丝材等；按 材料种类有金属及特殊金属材料、有机聚合物材料、陶瓷材料、生物材料；按涂 层结构有纳米涂层材料、合金涂层材料、非晶态涂层材料以及由这些材料复合构 成的复合涂层材料。目前，为了满足对材料多功能、高性能等的要求，多种材料的 复合、纳米材料、新型合金或非晶材料的使用成为热喷涂材料发展的主要趋势。 陶瓷材料因其优异的高温性能而成为热喷涂技术中常用的一种喷涂材料。陶瓷材 料因其优异的高温性能而成为热喷涂技术中常用的一种喷涂材料。2.2热喷涂技术分类与特点热喷涂是利用

8、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表面形成 涂层的工艺方法。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方法。（1）火焰喷涂火焰喷涂是最早得到应用的一种喷涂方法。它以氧气一燃气火焰作为热源， 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

9、、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。（2）电弧喷涂电弧喷涂是高效率、高质量、低成本的一项工艺，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，喷射到基体材料表面形成涂层。电弧喷 涂的优点有：热效率高、对工件的热影响小、可获得优异的涂层性能、生产率高、 经济性好。（3）等离子喷涂等离子喷涂是热源为等离子

10、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，高速撞击到工件表面形 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。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。（4）高速火焰喷涂（HVOF）高速火焰喷涂目前主要指超音速火焰喷涂7,有时人们也将爆炸喷涂认为是 高速火焰喷涂的一种。高速火焰喷涂技术，将燃气（丙烷、丙稀

11、或氢气）和氧气 输入并引燃于燃烧室，借助于气体燃烧时产生的高温和高压形成的高速气流，加 热熔化喷涂粉末并形成一束高速喷涂射流，在工件上形成喷涂层。高速火焰喷涂 的特点：气体燃烧膨胀形成的热气流使喷涂粒子达到极高的飞行速度。火焰喷射 速度为音速的2倍以上，而喷涂熔粒的速度可达3001000m - s-i；喷涂粉粒在 火焰中加热时间长，受热均匀，能形成良好的微小熔滴；喷涂粉粒主要在喷涂枪 中加热，离开喷枪后飞行距离短，因而和周围大气接触时间短，在喷涂过程中几 乎不和大气发生反应，喷涂材料不受损害，微观组织变化小，这对喷涂碳化物材 料特别有利，可避免分解和脱炭。高速火焰喷涂获得的涂层光滑，致密性好，

12、结 合强度高。基于以上特点，高速火焰喷涂获得的涂层光滑，致密性好，结合强度高。涂 层空隙率可小于0.5%，结合力可达100MPa以上。被广泛用于制备高致密性、高 结合强度、低孔隙率要求的涂层。例如喷涂WC-12%Co，涂层几乎没有气孔，而 且硬度高，加工后可达镜面。但是，由于高速火焰喷涂的设备及喷涂材料等成本 太高，不适合我国国情，限制了其在我国的应用。3涂层设计和制备方案3.1涂层的设计基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、 大小及其应用环境、服役条件等存在很大差别，要想成功采用热喷涂

13、涂层来解决 所面临的问题，必须遵循特定的过程8。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）合理进行涂层设计，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。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。有些设备的表面形状和表面光洁度要求非常严，喷涂后必须 进行表面精磨处理。如果粉末粒度太细，难以喷涂，粒度太粗，则喷涂后精密加 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

14、。这样，涂层在精磨后的表面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基本要求：必须满足热喷涂涂层耐磨、耐蚀等的性能的要求；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，不会发生有害的品型转变；不会与基体发生有害的化学反应；与基体材料或底层涂层有良好的匹配适应关系；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，粉末应该十 燥、清洁；热喷涂材料的毒性、易燃性、爆炸性等必须符合安全卫生和环境保护的要求。3.3粘

15、结底层（打底层的选择）当需要在基体上喷涂陶瓷涂层工作层时，由于晶体结构和热物理性能等方面 与金属材料存在相当大的差别，有必要先在基体上喷涂一层合金粘结底层，提高 表面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 差别。因此喷涂前选择合适的打底层是非常必要的。在进行涂层设计时，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谨慎选择。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。 3.4涂层制备3.4.1表面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，涂层与基体 的结合质量与基体表面清洁度和粗糙度有直接相关。

16、因此表面预处理成了整个热 喷涂作业中最重要的一个环节。进行表面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，应根据零件的表面状态来选 用合适的喷涂工艺，在保证涂层质量的前提下，尽可能采用简化的表面预处理工 艺，以降低涂层成本。表面净化是实施热喷涂前基体表面制备（处理）的第一步，主要用于除去所 有热喷涂表面的污垢，包括氧化皮，油渍、油脂、和油漆等。将污垢去除之后， 清洁表面要一直保持，所有喷涂表面都应小心保护。表面粗化清洗之后，可采用多种方法对表面进行粗化处理，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。正确的粗化处理与清洗过程同样重要。在 热喷

17、涂过程中，处于熔融或半熔融状态的加热粒子碰撞到基体表面后，经变形形 成薄片当他们冷却或硬化时，必然粘附到工件表面。经粗化处理的表面，有助于 涂层的机械结合。粗化可以使表面处于压应力状态，使变形粒子之间形成相互镶 嵌连锁叠层（或层次）结构。可增大结合面积，净化表面。预热处理这是表面处理工序的最后一道工序，一般在喷涂前进行，以使工件表面获得 具有一定温度、又新鲜的基体表面，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。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

18、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。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 料与涂层材料的选择与设计应以确保涂层的牢固结合为前提。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。在保证涂层基体有足够的牢固的结合条件下，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（

19、良好的红硬性）、耐磨蚀磨损性能、涂层颗 粒之间的结合强度。涂层后处理喷涂之后还必须对涂层进行精加工处理。对于耐磨涂层磨削是唯一的精加工 方法。一般来讲，喷涂粉末越细、涂层的孔隙率越低、涂层越均匀，磨削加工后 的表面粗糙度越好。考虑涂层的种类、硬度、工件的大小与形状、磨削量、表面 粗糙度要求、磨床类型等因素我们选择合适的砂轮。4热喷涂技术在现代工业中的应用4.1现代汽车工业中的应用现代汽车要求高性能、低能耗、低污染、高安全性及智能化，这就对汽车 用材料提出了更高度的要求，既要保持材料本身的高强度又要对零部件表面赋予 特殊性能。热喷涂技术的引入给汽车制造工业带来了新活力。如：活塞环是内燃 机的关键

20、零件之一，长期承受高温磨损、高温腐蚀。起初，主要采用镀铭环。镀 铭环有良好的耐磨性，但其抗熔着磨损性能很差，对污染物的处理很困难。但采 用热喷涂技术，不但解决了熔着磨损问题，而起污染小。活塞环采用火焰喷涂金 属Mo涂层，国内已建立了喷涂涂层生产线。4.2现代电力行中的应用热喷涂技术在电力行业最典型的应用是锅炉四管（水冷壁管、过热器管、再 热器管和省煤器管）的表面防护。锅炉“四管”工作在高温、高压、烟气腐蚀以 及磨粒冲蚀的恶劣环境下，管壁减薄速度约在1mm/a左右，严重者可达2mm/a 以上，极易造成泄漏爆管事故，给电厂的安全运行带来了很大的影响。目前解决 该问题的有效途径便是热喷涂技术。此外，热喷涂技术在风机、汽轮机、测温部件也获得了大量应用。如风机叶 轮采用火焰喷涂Ni60合金粉末，涂层耐磨粒磨损性能较16Mn材料提高17倍， 而采用高速火焰喷涂NiCr-Cr C涂层，涂层较等离子喷涂强化叶轮提高23倍； 3 2测温用热电偶采用等离子喷涂Ni-Al、Fe-Al金属间化合物涂层等9。4.3石化工业中的应用石化机械零部件承受着腐蚀介质和机械磨损的双重作用，加速了机械零件表 面的腐蚀磨损，因此对零部件的表面有特殊要求。采用热喷涂技术修复和强化的