表面处理第十一讲-热喷涂课件

1、第一节热喷涂技术一、 热喷涂技术的原理与特点1 热喷涂原理 利用热能将喷涂材料熔化，再借助高速气流将其雾化，并在高速气流的带动下粒子撞击基材表面，冷凝后形成具有某种功能的涂层。第十一讲 热喷涂、喷焊与堆焊技术（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。2 涂层形成过程 涂层性能具有方向性，垂直和平行涂层方向上的性能不一致。 涂层中伴有氧化物等夹杂，存在部分孔隙，孔隙率420。3 涂层结构（1） 涂层是由无数变形粒子互相交错堆叠在一起

2、，形成一层堆积而成的层状结构。 涂层内有一定比例的孔隙，产生原因是：（1） 喷涂角度不同造成的遮蔽效应；（2） 涂层材料凝固收缩时形成的空隙。 孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。 涂层内的氧化夹杂物含量及涂层的致密度取决于加热源、喷涂材料及喷涂工艺。 涂层结构（4） 涂层冷凝收缩时，涂层外层的拉应力、涂层内层的压应力、组织转变产生的微观应力，结果使涂层产生残余张应力，应力大小与涂层厚度成正比，当张应力超过涂层与基材之间结合强度时，涂层就会发生破坏。4 涂层应力（1） 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

3、用梯度过渡层缓和涂层内应力。涂层应力（2） 包括涂层与基材之间、涂层中颗粒与颗粒之间的结合，结合形式有：（1） 机械结合：撞成扁平状的颗粒和凸凹不平的基材表面互相嵌合(即抛锚效应)而结合在一起。5 涂层的结合强度（1）（2） 物理结合：熔融粒子的原子与基材表面原子之间距离达到晶格常数范围时，产生范德华力，形成物理结合。（3） 冶金-化学结合：熔融粒子撞击基材表面时释放出的能量使喷涂材料与基材之间发生局部扩散和焊合，形成冶金结合。如喷涂镍包铝复合粉末时的放热反应。 热喷涂的涂层与基材的结合主要以机械结合为主，结合强度较差(70MPa)。涂层的结合强度（2）1 热喷涂技术的分类 按热源分类，各喷涂

4、方法的焰流温度和粒子速度不同。二、热喷涂技术的分类及其特点（1） 可在各种基材上制备各种涂层；（2） 基材温度低（30 200），热影响区浅，变形小；（3） 涂层厚度范围宽（0.5 5mm） ；（4） 操作灵活，可在不同尺寸和形状的工件上喷涂；（5） 加热效率低，喷涂材料利用率低，（6） 涂层与基体结合强度低。 热喷涂技术的特点1 喷涂材料的分类和要求 热喷涂材料按材料的形态分线材、棒材和粉末三大类。三、热喷涂材料热喷涂材料分类（金属类，表1-3）热喷涂材料分类（非金属类，表1-3）（1）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。（

5、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（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。2 热喷涂材料的选材原则 质量控制要素（4M）：设备（Machine）、材料（Materials）、工艺（Methods）和人员（Man）。 热喷涂工

6、艺流程包括基材表面预处理、热喷涂、后处理和精加工等过程。四、热喷涂工艺流程和质量控制热喷涂工艺流程（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。1 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（1）2） 开槽；粗化处理的方法（2）粗化处理的方法（3）4） 喷涂粘结底层。3） 电火花拉毛； 封孔处理的目的：（1） 防止或阻止涂层界面处的腐蚀；（2） 在某些机械部件中防止液体和压力的密封泄露；（3） 防止

7、污染或研磨碎屑碎片进入涂层；（4） 保持陶瓷涂层的绝缘强度。 封孔处理是在喷涂之后、机加工之前进行。2 涂层的后处理（封孔处理）常用封孔剂1 火焰喷涂 用氧乙炔气体作为加热源，用燃气或惰性压缩气体雾化并加速喷涂材料，在基材表面沉积形成涂层。 火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。五、热喷涂方法常用的火焰喷涂材料及用途线材火焰喷涂设备示意图和喷涂枪。（1）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 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

8、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（1）b) 喷涂 需打底层时，可在喷涂工作层之前用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1） 航空发动机钛合金风扇叶片阻尼台上用爆炸喷涂0.

9、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（1）超音速火焰喷涂原理 超音速火焰喷涂原理图。超音速火焰喷涂(High Velocity Oxygen Fuel，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涂层质量优于等离子喷涂的涂层。（4）涂层性能及应用各种热喷涂方法比较1

10、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。六、喷涂工艺的选择原则1 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

11、。(3) 塑料涂层：用于化工、食品等行业。七、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（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，与种植体形成牢固的结合。

12、4 喷涂功能涂层5 装饰6 汽车制造6 航空航天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。八、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（1）涂层拉伸结合强度：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

13、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（1）（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。涂层结合强度（2）（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。涂层结合强度（3）式中，m涂层材料密度（m可从相关手册中查得）。4 涂层的孔隙度（1）（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

14、；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。涂层的孔隙度（2）（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。九、热喷涂技术的发展过程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

15、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（1）（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 。 热喷涂技术主要发展动向（2）一、热喷焊的特点 用热源将涂层材料重熔，涂层内颗粒之间、涂层与基体之间形成无孔隙的冶金结合。第二节 热喷焊工艺与特点1）工件表面温度：喷涂时工件表面温度900。2）结合状态：喷涂层以机械结合为主；喷焊层是冶金结合。3）粉末材

16、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。1 热喷焊工艺与热喷涂工艺的区别（1） 越大，涂层性能与原粉末性能偏差越大。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（2）6） 涂层稀释率 ：式中A喷焊金属质量；B基材熔化的金属质量。 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、弥散强化、生成的金属间化合物以

17、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。二、常用热喷焊材料 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 用氧乙炔火焰作为喷焊的热源，把自熔合金粉末喷涂在基材表面，然后在基材不熔化的前提下加热熔化涂层，获得致密的、结合牢固的喷焊层。1 火焰喷焊设备 喷焊枪三、氧乙炔火焰喷焊（1） 预处理：清洁、粗化被处理工件表面；（2） 预热：使工件产生适当的热膨胀，减少喷焊层应力。（3）喷粉和重熔： 1） 一步法：边喷粉边熔化。特点是粉末沉积率高，但涂层厚度不均匀。 2） 二步法：先喷涂，然后用重熔枪将涂层熔化形成喷焊层（“镜面”反光）。（4） 后

18、处理：喷焊较硬涂层时，应采取喷焊后缓冷的措施。2 火焰喷焊工艺3 火焰喷焊的应用1 等离子喷焊设备 一般采用联合弧。 喷嘴的长度L和直径d比(称为压缩比)通常在11.4之间，以获得柔性弧。 喷焊枪要固定在机械摆动装置上左右摆动。四、等离子喷焊 喷焊工艺参数有：转移弧和非转移弧电流、喷焊速度、送粉量、气体流量、喷枪摆动频率和幅度，喷嘴距工件距离等。2 等离子喷焊工艺（1） 转移弧电流：对喷焊层的形状、稀释率有较大的影响。（2） 喷焊枪的摆动：摆动轨迹对喷焊层的截面有影响。 与其它涂层技术相比，等离子喷焊技术的主要特点：（1）生产效率高。（2）稀释率低(5)。（3）工艺稳定性好，易实现自动化。（4

19、）喷焊层平整，成分均匀，可获得0.258mm任意厚度喷焊层。3 等离子喷焊的特点4 等离子喷焊的应用（1）等离子喷焊的应用（2） 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 在金属零件表面熔敷一层性能特殊的合金层。一、影响堆焊层性能的因素(1) 堆焊层的成分 堆焊属于异种金属焊接，难度较大。第三节 堆焊工艺及特点1） 冶金相容性：堆焊材料与基体在液态和固态时的互溶性，是否出现金属间化合物。2） 物理相容性：两者之间的熔点、膨胀系数、热导率的差异将影响堆焊层的应力和结合强度。(2) 堆焊层与基材的相容性(3) 堆焊层的内应力 用焊前预热和焊后

20、缓冷，或打底层的方法减少堆焊层的内应力。避免在熔合区产生脆性相。(4) 堆焊的熔合区(5) 稀释率 一般稀释率越低越好，取决于堆焊方法和堆焊工艺参数。几种常用的堆焊方法比较。二、堆焊方法（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 堆焊材料分铁基、镍基、钴基、铜基和碳化钨基等。 常见的堆焊材料形状及适用的堆焊方法。三、常用堆焊材料及其堆焊工艺 按合金元素含量分为低合金、中合金和高合金三种。根据材料的碳当量选择最低预热温度。1 铁基堆焊材料及堆焊工艺1) 珠光体钢堆焊材料：c0.5，堆焊层为珠光体组织，硬度2038HRC。可

21、焊性好，有一定的耐磨性、韧性和切削加工性能，价格便宜，可用于不要求高硬度零件表面的堆焊和打过渡层的堆焊。用手工电弧堆焊和熔化极自动堆焊，焊前不预热。2) 马氏体钢：堆焊层组织为马氏体，硬度2565HRC。堆焊层韧性、强度和耐磨性都好，是最经济的堆焊材料。堆焊方法有手工电弧堆焊和熔化极自动堆焊，预热温度150350。（1）低合金钢堆焊材料1) 工、模具钢堆焊时需预热200600 。可用手工电弧堆焊、气保堆焊和埋弧焊。母材碳当量较高时可先用30HRC珠光体钢堆焊一、二层，然后再堆焊耐磨层。焊后应缓冷。（2） 中、高合金钢堆焊材料（1）2) 高锰钢（奥氏体锰钢）：硬度约200HB，受强烈冲击后转变成

22、马氏体，硬度提高到450500HB。高锰钢用铬锰钢和高锰钢堆焊材料堆焊，主要用于高锰钢铸件缺陷的补焊和修复，一般用手工电弧焊。为减少裂纹，应采取以下措施：a) 焊前不预热，用小电流、断续焊、焊后快冷，使碳化物来不及析出。b) 采用短道焊、分散焊、焊后捶击等方法，以减少焊接应力。c) 旧件堆焊时，应先磨去表面冷作硬化部分后再焊。中、高合金钢堆焊材料（2）（3） 奥氏体铬镍钢：有优良的耐蚀性和抗高温氧化性，主要用于石化企业中需要耐蚀、耐热零件的堆焊。常用手工电弧焊和带极埋弧堆焊堆焊。基材是低碳（合金）钢时，先用高铬不锈钢打过渡层（图623）。多数情况下不预热，堆焊电流尽可能小。中、高合金钢堆焊材料

23、（3）(4) 高铬合金铸铁：堆焊组织中含有大量柱状高硬度的Cr7C3相（图），有很高的抗磨粒磨损、耐热、耐蚀性能，用于铲斗齿、高炉料钟等设备的堆焊。堆焊方法有手工电弧堆焊和氧一乙炔焰堆焊，堆焊层允许有一些裂纹。中、高合金钢堆焊材料（4） 常用的镍基堆焊材料Ni-Cr-B-Si型有较低的熔点（1040）、较好的润湿性和流动性，堆焊层组织是奥氏体+硼化物+碳化物，有优良的耐低应力磨料磨损和耐金属间磨损性能，以及耐高温、耐腐蚀和抗氧化性。因镍基合金脆，一般制成铸造焊丝用气焊或钨极氩弧焊（TIG焊）堆焊。可用于高温阀门、泵的柱塞等零件的堆焊。2 镍基堆焊材料及工艺 称为司太立合金。具有一定的抗粘着磨损

24、能力和较高的抗氧化、耐蚀和耐热性能，在650时仍能保持高的硬度。钴基堆焊材料价格昂贵，应采用低稀释率的氧一乙炔焰堆焊或粉末等离子堆焊，焊前预热200500。可用于高温腐蚀和高温磨损工况条件下工件的堆焊。3 钴基堆焊材料及工艺 堆焊层是含碳化钨硬质颗粒和较软的基体金属复合材料（图）。基体金属有铁基、镍基、钴基和铜基合金。碳化钨堆焊多用氧一乙炔焰手工堆焊，用中性焰，停留时间不宜过长，焊后应缓冷。碳化钨堆焊在石油钻探、冶金、矿山开采等设备上应用较普遍。4 碳化钨堆焊材料及工艺各种堆焊材料的性能比较一、涂敷原理与特点 通过电极与金属之间的火花放电，使电极材料(如WC、TiC等)熔渗进金属工件的表层，从

25、而形成含电极材料的合金熔覆层。1 电火花涂敷原理 电火花涂敷设备的示意图。其它熔覆技术（1）电极开始接近工件，电容充电（图517a）（2）当电极接近工件到某个距离时，空间被击穿电离而产生电火花，瞬时电流密度106Acm2，放电时间为数毫秒，产生几千度高温，使该区域的局部材料熔化或气化，部分电极材料和基体材料向周围介质中溅射（图517b）。2 电火花涂敷过程（1）（3）电极继续向下运动，电极和工件上熔化了的材料挤压在一起（图517c）。（4）电容放电结束，电极向上运动，工件表面熔融的材料迅速冷却而凝固（图517d）。电火花涂敷过程（2）（1）设备简单，操作方便。（2）强化效果显著。（3）涂层结合非常牢固。（4）工件变形小。（5）表面粗糙度较高。（6）涂敷效率低（0.3cm2min）。4 电火花表面涂敷的特点1 电火花涂敷工艺（1）电极材料：以提高硬度和耐磨性的电极选用YG硬质合金；以修复为目的则根据工件对硬度、厚度等的要求采用硬质合金、碳钢、合金钢、铜、铝等材料作电极。（2）电火花涂敷电规准的选择：根据要求的表面粗糙度和涂敷速度，选择电容的容量。初期用粗规准，以提高涂敷速度，然后逐渐降低电规准来减小粗糙度。二、电火花涂敷工艺及涂层特性（1）表面形貌 表面由无数密集的涂敷点和放电凹坑所构成的，宏观呈银灰色