表面工程学第六章-热喷涂、喷焊与堆焊技术

1、第六章 热喷涂、喷焊与堆焊技术热喷涂技术热喷焊工艺与特点堆焊工艺与特点 第一节 热喷涂技术一、热喷涂技术原理与特点1.热喷涂原理 热喷涂是采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。其原理示意图如右图所示。 热喷涂技术是瑞士肖普博士于1910年发明的；1920年出现了电弧喷涂技术；20世纪50年代后期出现了爆炸喷涂和等离子喷涂；20世纪80年代以来，低压等离子喷涂和超音速火焰喷涂相继问世。热喷涂工艺的分类：2.热喷涂技术的特点热喷涂技术的优点：可以在各种基体上制备各种材质的涂层基体温度低：基材温度一般都在30200之间操作灵活

2、涂层厚度范围宽热喷涂技术的局限性：热效率低材料利用率低，浪费大涂层与基材结合强度较低3.涂层材料 尽管涂层材料的选材非常广泛，但是为了确保涂层的工艺 质量，对热喷涂用材料仍有一定要求：热喷涂材料最好有较宽的液相区。这是因为涂层材料需要熔化后才能喷涂到基体上去，而较宽的液相区可以使熔滴在较长时间内保持液相。对喷涂材料的形状与尺寸也有要求。一般喷涂用材料必须是线材或粉末材料，线材直径一般为13mm，而粉末直径一般为1100um之间。4.涂层形成过程 涂层形成的大致过程是：涂层材料经加热熔化和加速撞击基体冷却凝固形成涂层。其中最重要的三个方面是涂层材料的加热、加速和凝固过程。加热熔化：我们一般希望所

3、有涂层材料都完全熔化并一直保持到撞击基体表面之前，并且不产生挥发。为达到完全熔化，存在一个临界粉末滞留时间和临界粉末尺寸。熔滴的滞留时间主要取决于焰流速度、能量和喷涂距离。耐熔氧化物的临界尺寸一般为545um，熔点低于2200K的金属粉末为45160um。加速过程：涂层材料的喷涂速度主要由焰流速度决定，同时也与材料的粒径有关。喷涂材料在飞行速度最大时撞击基体的颗粒动能与冲击变形最大，形成的涂层结合较好。因此，调整喷嘴和工件的距离到最佳位置非常重要。凝固过程：熔滴撞击基材后扩展成薄膜，撞击时的高速度有助于熔滴的扩展，但会因为表面张力或凝固过程而停止扩展，并凝固成一种扁平的薄饼状结构。如果颗粒有部

4、分未熔，则未熔部分会从基板反弹出来，留下空洞或包裹在涂层中形成类似于“夹杂”的组织。如果熔滴过热，即撞击基体时温度过高，会造成“喷溅”现象，即熔滴扩展后不会立刻凝固，而是边缘变厚，趋于破裂，脱离中心液滴并收缩、凝固成许多小球状液滴。因为，未熔和过热都应该是喷涂所避免的。5.涂层结构 右图为等离子喷涂钼涂层微观结构形貌图。涂层由大小不一的扁平颗粒、未熔化的球形颗粒、夹杂和孔隙组成。几乎所有的热喷涂层都有上述特征，差别只在于尺寸的大小和数量的多少。夹杂一般来说会损害涂层的结合强度，但是也有部分夹杂有有利的一面，比如含钼涂层中形成的氧化钼具有减摩的作用。热喷涂涂层中孔隙的产生原因及其影响：孔隙产生原

5、因： （1）未熔化颗粒的低冲击动能； （2）喷涂角度不同时造成的遮蔽效应； （3）凝固收缩和应力释放效应。孔隙的害处：将损坏涂层的耐腐蚀性能，增加涂层表面加工后的粗糙度，降低涂层的结合强度、硬度、耐磨性。孔隙的优点：可以存储润滑剂，提高涂层的隔热性能，减小内应力并因此增加涂层厚度，以及提高涂层抗热震性能。此外，孔隙还有助于提高涂层的可磨耗性能，特别适用于可磨耗严涂层中。 在喷涂过程中，相对于基体来说，熔滴非常小，冷却速度可以达到106K/s，冷却后形成非晶态或亚稳相，完全不同于同样材料在轧制态或铸态的组织结构。在高温环境下使用时，涂层的这些稳态结构会向稳定相转变，或发生分解。有些相变会发生相变

6、应力，破坏涂层，因此在设计涂层时应引起注意。7.涂层应力 大部分涂层材料的冷却凝固伴随着收缩过程。当熔滴撞击基体并快速冷却凝固时，颗粒内部会产生张应力而在基体表面产生压应力。喷涂完成后，在涂层内部存在残余张应力，大小和涂层厚度成正比。涂层厚度过大时，涂层内的张应力超过涂层与基体的结合强度，涂层就会遭到破坏。喷涂方法和涂层结构也影响涂层的应力水平。6.热喷涂中的相变8.涂层结合强度热喷涂技术中涂层与基材的结合机理主要为机械结合或称抛锚作用，即最先形成的薄片状颗粒与基体表面凹凸不平处产生机械咬合，随后飞来的颗粒敷在先到的颗粒表面，依照次序堆放镶嵌，形成以机械结合为主的喷涂层。此外，喷涂过程中颗粒在

7、撞击到基体时释放出大量能量，使基体表面局部达到瞬时高温，导致涂层材料与基体之间发生局部扩散和焊合，形成冶金结合。又因为颗粒撞击涂层时冷却速度非常快，扩散反应过程非常短，扩散层厚度很浅，一般不超过0.5um，所以常常称其为微冶金结合。机械结合为主的结合机理决定了热喷涂涂层的结合强度比较差，只相当于其母体材料的5%30%，最高也只能达到70MPa。9.热喷涂工艺流程和质量控制热喷涂工艺流程包括基体表面预处理、热喷涂、后处理、精加工等过程。（1）表面预处理：表面预处理主要包括清洗、粗化处理，粘结底层等。清洗过程主要是清洗接替表面所有污垢；粗化处理可以使涂层和集体之间、涂层颗粒之间的结合得到强化，原因

8、是：提供表面应力；提供涂层颗粒互锁的结构；增大结合面积；净化表面。粗化处理一般采用喷砂加粘结底层的办法。下表为喷砂所应达到的粗糙度条件。 粘结底层：某些材料能够在很宽的条件下喷涂并粘结在清洁、光滑的表面上，而且这类涂层表面粗糙度适中，对随后喷涂的其他涂层有良好的粘结作用，因此称为粘结底层。粘结底层材料及使用温度见右表，当基体太薄或太硬而不适合采用喷砂处理时，采用粘结底层的方法比较好。采用喷砂加粘结底层的粗化处理方法，结合强度最佳。（2）热喷涂：无论哪种热喷涂工艺，控制喷涂层质量的总原则是一致的，即要对热能的产生、热能与喷涂材料交互作用以及颗粒与基体交互作用三个步骤进行严格控制。具体影响参数可参

9、考下图。（3）后处理：其包括两个方面，一个是封孔处理，一个是密化处理。根据不同的需要采取不同的后处理工艺。 多孔隙是热喷涂的固有缺陷，而封孔处理的目的就是填充这些孔隙，起到以下作用：防止或阻止涂层界面处的腐蚀；延长铝和锌防护涂层的寿命；在某些机械部件中防止液体和压力的密封泄漏；防止污染或研磨碎屑碎片进入涂层；保持陶瓷涂层的绝缘强度。一般来说，为了封孔良好，真空封孔是最有效地方法。封孔剂种类很多，关键是要有足够的渗透性。见下表。（4）机加工：热喷涂表面一般比较粗糙，对于特定的使用要求，涂层表面需要进行机加工以达到所要求的精度和粗糙度。但是许多涂层的机加工是非常困难的。比如，耐磨涂层材料难以磨削；

10、涂层结构式多孔的，难以达到高度反光的表面粗糙度；涂层颗粒间的结合主要是机械结合，如果切削压力过大，单个颗粒就可能脱出。所有的热喷涂过程都取决于4个基本因素，包括设备（Machine）、材料（Material）、工艺（Methods）和人员（Man），称之为4M因素。严格控制4M因素，就可以获得优良的热喷涂涂层。二、热喷涂工艺方法 在热喷涂过程中涂层材料受热后的温度和加速后的速度是决定涂层结合强度的两个关键因素。书上表6-4列出了我们常用的热喷涂技术的工艺特性。1.火焰喷涂（Flame Spray）工艺火焰喷涂是对线材火焰喷涂（Wire Flame Spray）和粉末火焰喷涂（Powder Fl

11、ame Spray）的统称。火焰喷涂原理：通过氧-乙炔气体燃烧提供热量加热熔化喷涂材料，通过压缩气体雾化并加速喷涂材料，随后在基体上沉积成涂层。线材火焰喷涂原理：喷涂用线材送入喷枪后，由喷枪内的驱动轮连续输送到喷嘴，在喷嘴前端被同轴燃烧气的火焰加热而熔化，然后被压缩空气雾化并加速，喷涂在基体表面。其喷涂材料是线材（连续的金属丝）或者棒材（约60cm长的脆性陶瓷棒）或者是带材（装有金属粉末的柔性塑料管）。其原理图如下所示：粉末火焰喷涂原理：它与线材火焰喷涂的不同之处在于喷涂材料不是线材而是粉末。它用少量气体将喷涂粉末输送到喷枪的喷嘴前端，通过燃气加热、熔化并加速喷涂到基体表面，在喷嘴前端加上空气

12、帽，可以压缩燃烧焰流并提高喷涂速度。其原理图如下： 线材火焰喷涂比粉末火焰喷涂便宜，但选材要窄。火焰喷涂的焰流温度较低，一般用于金属材料和塑料的喷涂。火焰喷涂的优劣势 火焰喷涂的优势：设备投资少，操作容易，设备可携带到现场施工，无电力要求，沉积效率高等。至今仍是喷涂纯钼涂层的最好选择。 火焰喷涂的劣势：涂层氧含量较高，孔隙较多，涂层结合强度偏低，涂层质量不高。2.电弧喷涂（Arc Spray）工艺电弧喷涂的原理：两根彼此绝缘并加有1840V直流电压的线形电极，由送丝机构向前输送，当两极靠近时，在两线顶端产生电弧并使顶端熔化，同时吹入的压缩空气使熔融的液滴雾化并形成喷涂束流，沉积在工件表面。其原

13、理图如下所示：电弧喷涂只能用于具有导电性的金属线材，当前主要用于喷涂锌铝防腐蚀涂层、不锈钢涂层、高铬钢涂层，用于大型零件的修复和表面强化。电弧涂层的涂层密度比火焰喷涂涂层要致密，结合强度也较高。而且电弧喷涂的费用比较低，喷涂速度和沉积效率都很高，因此是喷涂大面积涂层尤其是长效防腐锌、铝涂层的最佳选择。3.等离子喷涂（Plasma Spray）工艺等离子喷涂的原理：它是采用等离子火焰作为热源对喷涂材料进行加热的一种技术。等离子喷枪的阳极嘴和阴极头都采用高压水冷却，它的作用是产生等离子火焰冰喷射出高速气流。离子气从阴极流向阳极，经压缩后从阳极喷射出去，压缩后的等离子电弧，通过阳极孔道喷神后，离子气

14、发生膨胀，将压缩气流加速到亚音速甚至超音速水平，焰心的最高温度可达20003000。粉末送入方式有外送式和内送式两种，外送式即喷嘴之外的区域送入等离子体焰心中；内送式即用送粉管将粉末从喷嘴内部送到等离子火焰中。然后，粉末被迅速加热、加速，并喷涂到基体表面。其工作原理图见下页：等离子体： 等离子体是由电离了的原子、分子、离子和电子组成的导电气体。它通常被称为物质的第四态，它整体呈电中性，但内部导电。根据电离程度高低，可分为三大类：高温高压等离子体，电离度100%，温度可达几亿度，用于核聚变；低温低压等离子体，电离度不足1%，温度为50250 ；高温低压等离子体，约有1%以上的气体被电离，有几万度

15、，热喷涂所用的正式这种等离子体。等离子体能提供巨大能量的一个原因是分子气体分解原子气体及电离时发生的能量变化。此外，用于等离子喷涂的等离子体通常由氩、氮、氢、氦中的一种或者几种气体混合产生，其火焰温度可达20000K。等离子喷涂设备：主要包括电源，电气控制系统、喷枪、气源和气路、供粉系统、水冷系统等，设备相当复杂，价格昂贵。等离子喷涂的优势： （1）焰流温度高 （2）喷涂材料适应面广，特别适合喷涂高熔点材料 （3）涂层的密度可达理论密度的85%98%，真空喷涂（在充满低压保护气体的真空室内进行的等离子喷涂）可达到95%99.5%，结合强度很高（3570MPa） （4）涂层中夹杂少，喷涂质量远优

16、于火焰喷涂涂层，这一点可从下图中得到证明。4.爆炸喷涂和超音速火焰喷涂工艺爆炸喷涂原理：爆炸喷涂的爆炸枪包括一个长的水冷枪筒，并开有进气门和送分粉口。氧气和燃料输送到枪管内，同时喂入一份喷涂粉末。然后点火器点燃混合气体，引起燃烧爆炸，是喷涂粉末加热和加速，并以音速的速度喷射出枪管，沉积在基体表面。粉末每喷射一次，就涌入一股脉冲氮气流清洗枪管。此过程重复多次就可以获得涂层。其原理图如下：爆炸喷涂的优势：喷射流速高，它是喷涂含碳化物金属陶瓷涂层的理想方法；爆炸涂层与基材结合强度非常高，最高可以超过85MPa；涂层的最高密度可达到理论密度的99.9%；杂质含量也较低。爆炸喷涂的劣势：喷涂效率非常低，

17、运行成本相对较高。所以一般只用于含碳化物涂层的喷涂。超音速火焰喷涂（HVOF）的原理：其喷涂实质上是和火焰喷涂一样，只是多了一个使喷涂火焰达到超音速的机构。如下图所示的HVOF枪是采用高压水冷的反应腔和细长的喷射管，燃料和氧气送入反应腔，燃烧产生高压火焰。燃烧火焰被喷射管压缩并加速喷射出去。此外，还有的是将燃料和氧气用高压喷射出去，在喷嘴外燃烧，粉末用高压气体从喷嘴内轴向送入火焰，然后通过喷嘴外空气罩中的压缩空气将燃烧火焰压缩、加速，最后喷向基板。超音速火焰喷涂优势： 射流速度高而焰流温度相对较低，可喷涂含碳化物涂层材料 采用超音速火焰喷涂获得的涂层最高密度可达理论密度的99.9%，结合强度略

18、低于爆炸喷涂，达70MPa以上 涂层杂质少，残余应力小，因此可以喷涂更厚的涂层超音速火焰喷涂劣势： 超音速火焰喷涂燃料消耗大 喷涂成本目前仍然比较高 喷涂过程中噪声大三、常用喷涂材料常用的热喷涂材料主要有以下几种：金属热喷涂材料陶瓷热喷涂材料塑料热喷涂材料热喷涂用复合粉末材料1.金属热喷涂材料：主要有线材和粉末两种形式。线材主要是用拉拔方法制造的，粉末主要是雾化法制造的。常用热喷涂材料见下图2.陶瓷热喷涂材料：主要形式是粉末，制造方法有熔融破碎、化学共沉淀、喷雾干燥等。其成本相对较高，应用较少。常用材料见下表。3.塑料热喷涂材料：成本低，投资少，涂层厚度与工作场地无限制，符合环保要求。但是，熔

19、化温度范围较宽，粘度较低，热稳定性好。常用材料见下表。4.热喷涂用复合粉末材料：一类是为适应热喷涂工艺而制备的复合材料，另一类是通过增强相增强涂层性能的复合材料。它主要可分为复合丝材和复合粉末材料。常用材料见下表。四、热喷涂技术的应用1.喷涂耐腐蚀涂层 采用热喷涂技术可以喷涂耐各种介质腐蚀的保护涂层，如锌、铝、不锈钢、镍合金、蒙乃尔合金、青铜以及氧化铝、氧化铬陶瓷涂层和塑料等。2.喷涂耐磨涂层 喷涂各种铁基或镍基耐磨合金涂层，或氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层和镍基或钴基碳化钨涂层。3.喷涂耐高温涂层 喷涂技术可用于改善机械零件的高温性能。超音速火焰喷涂Cr2C3-NiCr涂层，在900以下是非常

20、好的耐磨涂层，温度在900以上，则可以采用大气等离子喷涂氧化锆涂层。喷涂氧化铝-氧化钛等陶瓷涂层，都可以改善机械零件的抗高温氧化性能，防止熔融金属的侵蚀。4.喷涂功能涂层 广泛应用于电气工业中，如喷涂屏蔽涂层，用于消除电磁波和无线电波的干扰，同时清除静电放电火花。又如，近年来，热喷涂生物相容性涂层在生物医学方面展示了良好的前景。5.喷涂成型 它是一种采用热喷涂技术（最常用的是电弧喷涂和等离子喷涂）制造机械零件的一种特殊技术。在20实际80年代到90年代，热喷涂行业得到快速发展，每年热喷涂产值都有大幅增长。热喷涂的应用领域和市场见图6-18，热喷涂各种工艺方法应用情况见表6-10（下页）。五、热

21、喷涂涂层质量评定1.涂层厚度的测定简单几何形状可直接用游标卡尺或千分尺；复杂形状可采用磁性法和涡流法测厚仪（参考GB11374-89）2.孔隙率测定金相法：通过图像分析阿基米德方法：通过比较涂层实际密度和涂层材料理论密度的差别来确定3.结合强度测定：拉伸法（右图）4.涂层显微结构观察：与一般材料显微分析相同六、热喷涂技术的新标准等离子喷涂技术都采用了计算机控制大功率等离子喷涂技术的发明轴向送粉的三阴极等离子喷枪和高频等离子喷涂系统的发明反应喷涂技术热喷涂监控系统的发展是近年来热喷涂技术进步的重要标志热喷涂用材料也随着喷涂技术的发展而发展第二节 热喷焊工艺与特点一、热喷焊工艺的一般特点热喷焊层组

22、织致密，冶金缺陷很少，与基材结合强度高热喷焊材料必须与基材想匹配，喷焊材料和基材范围比热喷涂窄得多。其原因为：喷焊材料在液态下应该能够在基材表面铺展开；喷焊材料必须能够与基材相容；基材的熔点应该高于喷焊材料的熔点；喷焊材料在凝固结晶过程中尽量避免产生热裂纹，或者使基材热影响区产生裂纹。热喷焊工艺中基材的变形壁热喷涂大得多热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有一定差别。稀释率：=（B/A+B）*100%. 其中A为喷焊的金属质量，B为基材熔化的金属质量。根据采用的热源不同，热喷焊有：氧-乙炔火焰喷焊和等离子喷焊两种。二、氧-乙炔火焰喷焊 采用氧-乙炔火焰作为喷焊热源的一种工艺氧-乙炔火焰喷焊设备

23、：喷焊枪（上图）、氧气瓶、乙炔瓶工艺过程：焊前预处理、喷焊、后处理1.焊前预处理：保证基材表面必须清洁干净2.喷焊：主要包括预热、喷粉和重熔。预热的目的是使工件表面湿气蒸发，产生适当的热膨胀，减少焊层应力，提高喷粉沉积率。喷粉和重熔过程又分“一步法”和“二步法”。3.后处理：强度校核和一些冷却措施氧-乙炔火焰喷焊优势：在各类工模具修复方面有极大优越性；氧-乙炔火焰喷焊层与基材结合强度高，耐冲蚀磨损的性能好，在风机叶片等工件表面强化方面有很好的应用。三、等离子喷焊等离子喷焊的原理： 等离子喷焊技术是采用等离子弧（转移弧和非转移弧）作为热源加热基体，使其表面形成熔池，同时将喷焊粉末材料送入等离子弧

24、中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半溶化状态，被焰流喷射至熔池后，充分熔化并排出气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池凝固，形成喷焊层的工艺过程。如右图。等离子喷焊与其他涂层技术相比，有以下特点： （1）生产效率高。因为等离子喷焊温度高、传热率大，因此喷焊速度高，生产率也较高，并能顺利地进行难熔材料的喷焊。 （2）稀释率低。为保持喷焊层的性能，要求基体材料熔入喷焊层的比例少。等离子弧温度高、能量集中、弧稳定性和可靠性好，因此可以在保证稀释率低（控制到5%）的同时，保持较高的熔敷率。 （3）工艺稳定性好，易实现自动化。 （4）喷焊层成分、组织均匀。喷焊层平整光滑，尺寸可以得到较精确地控制，可获得在0.2

25、58mm之间任意厚度的喷焊层。等离子喷焊适宜对大批量零件的表面强化处理。它已经成为内燃机排气门表面喷焊耐磨涂层的专用工艺。四、常用热喷焊材料热喷焊常用材料一般都是以粉末的形式使用的，可分为合金粉末和金属陶瓷复合粉末。合金粉末通常用雾化制粉方法制造，金属陶瓷复合粉末采用金属与陶瓷直接混合、包覆型陶瓷粉末与合金粉末混合及喷雾国策很难过中加入陶瓷粉末雾化制造而成。常用材料见下表。一、堆焊层的形成与控制1.堆焊层的形成 由于堆焊层材料与基材成分不同，在堆焊时必定会产生一层组织和性能与基材或堆焊层都不相同的过渡层。该过渡层如果是脆性的，将恶化堆焊层性能。2.相容性 堆焊层材料和基材在冶金学上的相容性主要

26、取决于它们在液态和固态时的互溶性及在堆焊过程中是否产生金属间化合物。该相容性可以很容易的从合金相图手册中查到。此外，堆焊层材料和基材的物理相容性也很重要。3.熔合区 熔合区是指堆焊层和基体之间的分界区，一般包括熔合线和具有结晶层和扩散层的过渡区段，它与基体之间的界限称为熔合线。表面缺陷的产生：熔池结晶就是从未熔化的基体金属晶粒开始长大。因为堆焊层和基体之间晶格类型有差别，容易导致过渡层中晶格畸变，产生各种晶体缺陷。此外，由于熔焊区内各层的结晶特点不同，可能由于成分的变化形成性能不良的过渡层，影响焊层质量。另外，对于那些与基体只能有限互溶而易形成金属间化合物的堆焊层材料，也必须注意。下图所示为多层堆焊的示踪