re第六章热喷涂、喷焊及堆焊技术

1、第六章 热喷涂、喷焊与堆焊热喷涂、喷焊与堆焊技术的共同点就是利用喷枪或者焊枪将涂层材料熔化以后涂敷在工件上的技术。共同特点：涂层较厚，0.1-10 mm.因此经常用来修复零件。 徐滨士院士徐滨士 （1931.3.12）。装备维修工程、表面工程和再制造工程领域知名专家，教授，博导。哈尔滨市人。1954年毕业于哈尔滨工业大学。 我国表面工程学科和再制造工程学科的倡导者和开拓者之一。在国内率先将等离子喷涂技术用于解决车辆薄壁磨损零件修复的重大难题；研制的电刷镀设备、各种镀液及纳米电刷镀技术，为现场修复大型设备及关键零件提供先进技术；近年开发的高效能超音速等离子喷涂技术，为制备高温热障涂层提供了关键技

2、术；开发研究新型履带板换代材料并推广应用，获得2003年国家技术发明二等奖；研究纳米自修复添加剂新技术，解决了重载荷、极端苛刻环境下的润滑、抗磨、防腐等重大难题。先后获得国家科技进步一等奖1项、二等奖3项、三等奖1项，国家技术发明二等奖1项，军队科技进步一等奖6项、二等奖5项，获国家发明专利11项。发表学术论文300多篇，出版著作17部。1996年获得中国机械工程学会科技成就奖，2004年6月获中国工程院光华工程科技工程奖，2004年10月获得国际表面工程与热处理联合会最高学术成就奖。 1995年当选中国工程院院士。 第一节 热喷涂技术热喷涂技术是一种用专用设备-喷枪，把某种材料熔化并加速喷射

3、到工件表面，形成一特制薄层。以提高工件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的一种新兴材料科学技术。热喷涂技术发展史 瑞士的肖普（Schoop)博士于1910年发明了第一台金属喷涂设备，它是将低熔点金属熔液注入到经过加热的压缩空气气流中，使金属溶液雾化并喷射到基体表面形成涂层。该设备体积庞大，效率不高，涂层质量很差，但它开创了热喷涂技术领域。 1912年肖普博士制成了线材火焰喷枪，1916年制成了实用型的电弧喷枪，开始了铝锌线材的火焰喷涂和电弧喷涂，涂层用于表面装饰。30年代英国首先研制出粉末火焰喷枪，而火焰线材喷涂和电弧线材喷涂的设备和工艺不断完善，热喷涂技术从表面装饰应用发展到用于钢铁构件的表面防护以及

4、机械零件的的尺寸恢复，热喷涂技术得到了广泛的应用。 50年代末期美国联合碳化物公司研制成功爆炸喷涂和等离子喷涂，克服了火焰和电弧温度和能量密度低的缺点，获得了高质量的陶瓷涂层和难熔金属涂层，解决了空间技术发展中航天飞机制造中耐高温和绝热层的制备问题。20世纪80年代以来，新喷涂技术如低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂等(HVOF)的出现和计算机的应用，使热喷涂层向高质量和精密化方向发展。HVOF喷涂技术一出现，就在要求非常苛刻的航空发动机制造领域获得重要的应用，而且应用领域迅速扩展，表明了它的竞争能力。十多年来，它一直是热喷涂领域的最受重视技术。这是热喷涂技术的最重要新进展。到本世纪末，HVOF可

5、能发展成为仅次于等离子的重要方法。 热喷涂工艺分为燃烧法和电热法两大类燃烧法： 火焰喷涂、爆炸喷涂。电加热法：电弧喷涂和等离子喷涂。目前常用的是粉末火焰喷涂、线材火焰喷涂、电弧喷涂等技术。一、热喷涂的技术原理与特点1.原理 热喷涂是采用各种热源使涂层材料加热熔化或者半熔化，然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。喷涂过程:（1）喷涂材料的加热熔化阶段 粉末或者线材在热源产生的高温区被加热熔化成液滴。（2）熔滴的雾化阶段 熔滴在外加压缩气流或者热源自身射流的作用下，被雾化成细小的熔粒随射流向前喷射。（3）粒子的飞行阶段 这些粒子在飞行的过程中，飞行速度从小变大，到达一定

6、距离后飞行速度逐渐变小。这些具有一定温度和飞行速度的粒子到达基体表面就进入喷涂阶段（4）粒子的喷涂阶段 到达基体的粒子具有一定的温度和速度，粒子尺寸范围为几十-几百um,速度高达几十-几百m/s，未碰撞前粒子温度为熔点温度。碰撞瞬间，粒子将动能转化成热能传给基体，粒子变形，变形成扁平状粒子，并在基体表面迅速凝固而形成涂层。 涂层的形成过程： 粒子在基体或者已形成的涂层表面不断地发生着碰撞变形冷凝收缩的过程，变形的颗粒与基体或涂层之间互相交错而结合在一起 2. 涂层结构 涂层由扁平颗粒、未熔化的球形颗粒、夹杂和孔隙组成。 孔隙（0.025%50%），产生原因：未熔化颗粒的低冲击动能，没有很好展开

7、。喷涂角度不同的遮蔽效应，凝固收缩和应力释放效应。害处：损坏耐蚀性，降低涂层结合强度、硬度耐磨性。好处就是能储存润滑剂。 附图:热喷涂涂层结构示意图 1-涂层;2-氧化物夹杂;3-孔隙或空洞;4-颗粒间的粘接;5-变形颗粒;6-基体粗糙度;7-涂层与基体结合面 3. 热喷涂中的相变 熔滴撞击基体冷却凝固形成涂层，冷却速度很快，实际上就是有点象制非晶、纳米晶的甩带，所以热喷涂后会形成非晶态或亚稳态，不同于常规铸造组织。 4. 涂层应力 熔滴撞击基体并快速冷却、凝固后，颗粒内部会产生张应力而在基体表面产生压应力。涂层内的张应力很有害处，如果超过和基体的结合强度，就会涂层就会剥落。薄涂层应力较小，所

8、以热喷涂层的厚度一般不超过0.5mm。 5涂层的结合强度 热喷涂层的形成是液滴与基体撞击后变形与基体不平处咬合在一起，后来的颗粒是一层层镶嵌在一起的，因此，结合属于机械结合。结合力较低，只能达到母体材料的30%以下，最高能达到70MPa.6热喷涂的技术特点（1）可以制备各种材质的涂层（2）基体温度低 基体温度在30-200，变形小。（3）操作灵活（4）涂层厚度范围广 几十个um到几个mm都能喷涂，另外效率高，成本低。 7. 热喷涂的工艺流程 基体表面预处理（清洗、粗化3.2-12.5um， 粘结底层，就是选择容易喷涂的材料打底，然后再喷涂涂层材料，底层材料有Ni-Al Ni-Cr合金等）热喷涂

9、封孔（就是用一些树脂类物质把孔隙填充。提高抗腐蚀能力）机加工。二、热喷涂工艺热喷涂技术的发展多是围绕提高加热温度和颗粒速度进行的，这两项提高后就能够提高涂层的结合强度。(1) 火焰喷涂工艺 用乙炔-氧作为热源， 包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。线材火焰喷涂：线丝通过送丝滚轮通过喷嘴中心孔而送入火焰，在火焰中加热熔化，压缩气体将涂层材料雾化，在火焰和气流的共同推动下，喷射到基体表面形成涂层。 粉末火焰喷涂与线材喷涂原理是一致，只不过送入喷嘴的是粉末。 相对比较而言，粉末喷涂选材容易，因为制粉比制线材容易多了。火焰喷涂适用于金属材料和塑料，因为焰流温度比较低（800-2000） (2)电弧喷涂 是

10、利用两个电极之间产生的放电作为热源的。两根丝材接在直流电源的正负极上，在离开导嘴后短接，产生电弧，电弧就会稳定的燃烧，不断熔化喷涂材料，在压缩空气的作用下雾化，并喷涂在基体表面上。电弧喷涂比火焰喷涂质量要好，涂层致密度高，结合强度高。但是只能用于导电的金属线材。通常用来喷涂防腐的锌铝涂层。(3) 等离子喷涂 等离子体通常由氩、氮等气体组成。 等离子体就是气体电离后的状态就叫等离子体，包括原子、离子和自由 电子。 离解，成为单原子 N2+UDN+N UD：离解能。 电离，成为离子， N+UIN+e UI：电离能。 等离子体火焰的温度可以达到20000K.远高于所有材料的熔点。 工作原理：在阴极和

11、喷嘴之间产生等离子体，有很高的温度和速度，粉 末进入等离子体射流后，被迅速加热成熔融状态，并被等离子体射流加速飞向基体，形成涂层。 特点：等离子喷涂层组织细密，氧化物夹杂少，结合强度高（35-70MPa)，喷涂质量 远高于火焰喷涂。能够喷涂多种材料，尤其是高熔点的难熔材料，如难熔金属、陶瓷等。 等离子喷涂机 三、热喷涂材料 1. 金属热喷涂材料 几乎所有的金属材料都可以作为热喷涂材料，铁基的。主要采用电弧、火焰喷涂。 2. 陶瓷材料 主要是氧化物陶瓷材料，因为非氧化物陶瓷材料在喷涂过程中容易挥发或者分解。氧化铝（耐磨涂层）和氧化锆（热障涂层）较多。 3. 塑料 4. 复合材料 比如喷涂钴包碳化

12、钨、镍包碳化钨复合材料是现在喷涂复合材料的主流。四、热喷涂技术的应用 1.喷涂耐腐蚀涂层 比如说喷涂锌、铝保护层，也可以陶瓷、不锈钢、青铜。但是首先把孔隙封住。锌、铝保护层就好多了，电极电位比钢高，能起到保护作用。 2.喷涂耐磨涂层 比如喷涂铁基或者镍基耐磨涂层，氧化铝陶瓷涂层，或者镍包碳化钨。据说美国的一家公司承担小浪底水库的水轮机耐冲蚀涂层的任务，用了13吨涂料，预计水轮机叶轮寿命会从三年提高到几十年。3.喷涂热障涂层 可以隔离金属与高温环境，比如可以喷涂氧化铝进行隔热，还可以喷涂氧化锆,保护活塞发动机活塞顶、航空发动机叶片、燃烧室内壁。锅炉水冷壁超音速电弧喷涂 高速火焰与等离子喷涂WC/

13、Co涂层的性能比较WC/Co 涂层用途：飞机起落架、主旋翼轴涂层（可代替镀铬层）；冷轧生产线的加工辊；造纸、包装和印刷工业：网纹辊、瓦楞辊、光泽压光辊；等离子喷涂：13000K,WC易于脱碳分解高速火焰喷涂：3000K ，可以控制WC脱碳分解涂层的制作材料：美国TAFA公司的WC/12Co粉末；HVOF：300目，等离子：200目。试验结果第二节 热喷焊工艺与特点 一、热喷焊工艺的特点 热喷涂涂层内的颗粒靠机械结合，结合强度较低，另外孔隙率较高。热喷焊技术与热喷涂不同，它是使涂层材料在基体表面熔化并且凝固结晶，实现涂层与基体间冶金结合的技术。 热喷焊技术：分类： 氧-乙炔火焰喷焊 等离子喷焊

14、激光熔覆 喷焊的特点：（1）涂层组织致密，缺陷少，与基体冶金结合，强度结合是热喷涂的10倍，因此，可以涂敷几个毫米厚，不会开裂，这样热喷焊可以用于修复表面磨损的零件，或者用来强化表面。（2）热喷焊时，存在一个涂层材料与基体匹配的问题。因为和基体要达到冶金结合，真要炼合金，两种材料必须能炼到一起去。实际就是涂层材料基体材料必须能够液态和固态时能够有一定的溶解度。另外，基体材料的熔点要高于涂层材料的熔点，通常基体有少量熔化，但是不容许基体塌陷。从这些条件来看，喷焊材料的选择范围比热喷涂小多了。（3）热喷焊过程中基体的变形较大，这当然是和热喷涂比。因为粉末要熔化，少量的基体也要熔化，基体的温度升高较

15、高，这样形状复杂的零件不适合采用这种技术。（4）热喷焊后，喷焊层会出现稀释，就是涂层粉末熔化时少量基体也掺和进去了，所以涂层的合金成分与设计的会出现一些偏差。稀释率 =B/(A+B) 为喷焊层的稀释率，A为喷焊的金属质量，B为基体熔化的质量。所以，稀释率不能大，否则涂层成分会严重偏离你设计的成分。 二、热喷焊工艺（1）氧-乙炔火焰喷焊 用氧-乙炔混合气体燃烧的火焰作为热源。设备就是喷焊枪、气焊的那一套，气瓶，焊枪和普通气焊枪的区别就是加了套送粉机构，一个粉斗，再加一个开关。 工艺过程：喷前预处理：表面预处理，进行喷砂。喷焊： 预热、喷粉、重熔。 预热：目的使湿气蒸发，产生适当热膨胀，减少焊层应

16、力。预热温度一般为：钢铁200-300，不锈钢和高合金钢为300-400。 喷粉和重熔：分为一步法和两步法。一步法就是边喷粉边熔化。效率高，但涂层厚度由手工掌握，不均匀，主要用于工件局部修复。两步法：就是先喷粉末后熔化。重熔温度控制在涂层材料的固相线和液相线之间，这时表面呈“镜面反光”，表明沉积粉颗粒熔化，颗粒间间隙封闭，同时保持一定的粘度，防止熔化涂层流淌。喷后处理：如果涂层与基体材料热膨胀系数相差较大，喷焊后要缓冷，防止焊层开裂。零件在喷焊后已经回火了，机械性能降下来了，所以校核时要按退火态进行，如果强度达不到要求，可适当进行热处理。氧-乙炔火焰喷焊层：表面光滑平整，厚度可在0.2-3mm

17、之间任意控制，无气孔、无氧化夹杂，喷焊层互溶区窄（约0.005mm），稀释率低，焊层性能好，这种方法简单易学，在各种工模具修复方面显示了极大的优越性. 热喷焊修复风机叶轮 （2）等离子喷焊 采用等离子弧作为热源加热基体，使表面熔化形成熔池，同时将喷焊粉末送入等离子弧中，粉末在弧中得到预热，呈熔化或半熔化状态，被焰流喷射至溶池后，充分熔化并排除气体和溶渣，喷枪移动后，合金熔池凝固，形成喷焊层。 结构特点：等离子喷焊采用的等离子弧由两部份组成，一部分是辅助电源间产生的，也就是在钨阴极和铜阳极喷嘴之间，这部分电弧称作非转移弧，另一部分是主电源产生的，作用在喷焊枪钨极和工件之间，称为转移弧，也成为主弧

18、，主要靠它加热。在工作时，先引燃非转移弧，然后借用这部分电弧引燃主弧。 等离子喷焊设备用两套电源来分别向非转移弧与转移弧供电。等离子喷焊枪与等离子喷涂枪的结构不同，在于等离子弧通道的长度和直径比比较小，这样等离子弧比较柔软，熔池小，稀释率低。等离子喷焊过程中需控制的工艺参数较多，如转移弧电流、非转移弧电流，喷焊速度，送粉量、离子气和送粉气。喷焊枪摆动频率和幅度，距工件距离。 重复性比氧-乙炔火焰喷焊要好。 等离子喷焊材料范围宽，特别是难熔的材料。主要特点：（1）生产率高，等离子喷焊温度高，传热率大，因此，喷焊速度高，生产率也比较高。（2）稀释率低，等离子弧温度高、能量集中、弧稳定性和可靠性好，

19、因此可以在保证稀释率低（5%）的同时，保持高的熔敷率。（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，尺寸可以得到精确控制，可以获得0.25-8mm，任意厚度的喷焊层。应用： 等离子喷焊适宜对大批量零件的表面强化处理。在冶金工业中的工模具和各类阀门的表面强化方面，应用越来越广泛。 三、常用热喷焊材料 热喷焊材料是粉末形式的，分为合金粉末和金属陶瓷复合粉末，合金粉末采用雾化制粉的方法制造，金属陶瓷粉末可以是金属与陶瓷直接混合，可以是包覆型陶瓷粉末与合金粉末混合。为保证焊接性能，陶瓷含量一般不能大于50%（体积分数）。 喷焊层材料主要由自熔合金构成，NiCrBSi,C

20、oCrBSi-WC,铁基，铜基。熔点要比基体熔点低，有自脱氧造渣性能，（称为自熔性）。一般通过添加硼硅元素达到这些目的。作用就是：（1）降低熔点，扩大液固两相区，（2）脱氧还原造渣作用，（3）硬化、强化喷焊层，（4）改善喷焊工艺性能。 四、 喷焊质量评定 质量评定与喷涂层类似，包括硬度、界面结合强度、涂层显微结构、稀释率、涂层厚度等。 DPH 60 等离子喷焊机显微镜图示喷焊涂操作图示 全喷焊冲头口模 Cr-WC-Ni60热喷焊涂层的微观结构基体：Cr12MoV喷焊:未包铬的镍基碳化钨涂层，包铬的镍基碳化钨涂层WC粉末：铸造WC，粒度0.03-0.05mm.Ni60粉的成分：3.1-3.4B,

21、4.4-6.0Si,0.8-1.2C,14.0-18.0Cr,10.0-15.0Fe, 余量Ni.设备：QH/2h氧-乙炔火焰喷枪.第三节 堆焊工艺及特点 堆焊是在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。堆焊层厚度在0.8-15mm,可用于零件修复、或制造特殊表面性能的新零件。 堆焊的物理本质就是熔化焊接，只不过这里不是为了连接，而是为了堆上一层涂层。 堆焊一般采用线材或者焊条。堆焊的优势在于比热喷焊熔敷效率要高，但是稀释率比热喷焊大得多。堆焊技术比热喷涂、热喷焊技术更加成熟，已广泛应用到矿山、冶金、农机、建筑、石油、化工等各个部门的产品制造和维修上。1923 年 斯托迪

22、发明堆焊 一、堆焊的形成和控制（1）堆焊层的形成 堆焊过程中堆焊材料与基体材料的相容性非常重要，由于堆焊层材料与基体材料成分不同，在堆焊时必定会产生一层过渡层，如果是脆性的将会恶化堆焊层性能。（2）相容性 堆焊材料和基体材料是否相容取决于它们在液态和固态时的互溶性以及在堆焊过程中是否产生脆性的金属间化合物。冶金相容性可以从合金相图手册中查到。堆焊材料和基体材料的物理相容性也很重要。即两者间的熔化温度、膨胀系数、导热率和电阻等物理性能的差异尽可能小。因为这些差异将影响堆焊的热循环过程和结晶过程，增加焊接应力，降低结合质量 。（3）熔合区 熔合区就是堆焊层与基体之间的分界区，一般包括熔合线和具有结晶层和扩散层的过渡区段，它与基体间的界线称为熔合线。熔合区容易形成各种晶格缺陷