热喷涂技术制备减摩耐磨膜层及其摩擦磨损机理

热喷涂技术制备减摩耐磨膜层及其摩擦磨损机理1先扯点别的，比如：234什么样的“战衣”才叫热喷涂？怎么才能穿上“战衣”呢？“战衣”到底有什么神奇功能？一、什么才叫热喷涂5热喷涂，就是利用一种热源（如电弧、离子弧或燃烧的火焰等），将粉末状或丝状的金属或非金属喷涂材料加热熔融或软化，并用热源自身的动力或外加高速气雾化，使喷涂材料的熔滴以一定的速度喷向经过预处理的基体表面形成涂层的工艺方法。1.1涂层形成过程及原理6这个过程可以简单理解为“贴饼子”1.2涂层结构7热喷涂涂层的微观结构喷涂层结构示意图1.3热喷涂家族分类8热喷涂电弧类电弧喷涂火焰类激光类超声速火焰喷涂爆炸喷涂火焰喷涂等离子喷涂激光喷焊激光喷涂

直流电弧喷涂交流电弧喷涂粉末火焰喷涂丝材火焰喷涂棒材火焰喷涂大气（常压）等离子喷涂低压等离子喷涂（低真空）可控气氛等离子喷涂（充惰性保护气体）水下等离子喷涂高速等离子喷涂1.4热喷涂特点9可以喷涂各种材料，如金属、陶瓷、金属陶瓷、玻璃、有机化合物等零件的尺寸大小及形状不受限制涂层厚度可以控制被涂层的零件受热的影响小，不易变形工艺操作程序简单，效率高被喷涂零件的材质广泛，可以是金属、陶瓷、其他非金属等热喷涂特点二、如何“穿上战衣”2.1热喷涂流程101表面预处理2预热3喷涂4涂层的后处理表面预处理11净化处理的目的除去工件表面所有的污垢，如氧化皮、油渍、油漆及其它污物。常用的方法有:溶剂清洗、蒸气清洗、碱液清洗和加热脱脂等。粗化处理的目的增加涂层和基材表面之间的接触面，提高涂层的结合强度，还可以改变涂层中残余应力的分布。常用的粗化处理方法有:喷砂、机械加工法、喷涂自粘结材料作结合底层等。预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气、提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度、减少因工件热膨胀造成的涂层应力。预热的温度一般控制在60~120℃之间。预热的方法可以采用氧-乙炔加热、电炉或高频炉加热等预热制备好的工件表面要在尽量短的时间内进行喷涂。喷涂工艺参数要根据涂层种类、喷枪性能和工件的具体情况决定。控制喷涂参数的目的是为了提高喷涂速率，增加涂层的致密度，提高涂层的结合强度，得到高质量的涂层。喷涂喷涂后得到的涂层有时不能直接使用。例如，对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件，要对喷涂层进行重熔处理，使疏松多孔的与基体主要靠机械结合的涂层变为与基体冶金结合的致密喷熔层。此外有尺寸精度要求的工件要进行机械加工涂层的后处理122.2热喷涂方法13火焰喷涂等离子喷涂超声速火焰喷涂爆炸喷涂电弧喷涂2.2.1火焰喷涂14火焰喷涂是利用燃气（乙炔、丙烷等）及助燃气体（氧）混合燃烧作为热源，将金属与非金属材料加热到熔融状态，在高速气流的推动下形成雾流，喷射到基体上，喷射的微小熔融颗粒撞击在基体上时，产生塑性变形，成为片状叠加沉积涂层。火焰中心最高温度为3000℃，多为氧化性气氛定义可以喷涂各种金属，陶瓷及塑料，尼龙等材料，应用广泛。设备轻便，简单，可移动，价格相对较低经济性好。优点喷涂原理15

线材及棒材火焰喷涂原理示意图1-涂层2-燃烧火焰3-空气帽4-气体喷嘴5-线材或棒材6-氧气7-乙炔8-压缩空气9-喷涂射流10-基体

粉末火焰喷涂原理示意图1-氧-乙炔混合气；2-送粉气；3-喷涂粉末；4-喷嘴；5-燃烧火焰；6-涂层；7-基体对喷涂材料的加热熔化和雾化是通过线材火焰喷枪实现的。喷枪通过气阀分别引入乙炔、氧气和压缩空气，乙炔和氧气混合后在喷嘴出口处产生燃烧火焰。喷枪内的驱动机构通过送丝滚轮带动线材连续地通过喷嘴中心孔送入火焰，在火焰中被加热熔化。压缩空气通过空气帽呈锥形的高速气流，使熔化的材料从线材端部脱离，并雾化成细微的颗粒，在火焰及气流的推动下，喷射到经过预处理的基材表面形成涂层粉末火焰喷枪通过气阀分别引入乙炔和氧气，经混合后，从喷嘴喷出，产生燃烧火焰。喷枪上设有粉斗，利用送粉气流产生的负压，抽吸粉斗中的粉末，使粉末随气流从喷嘴中心喷出迸入火焰，被加热熔化或软化，焰流推动熔粒以一定速度喷射到工件上2.2.2电弧喷涂16

电弧喷涂原理示意图1-电源；2-金属丝；3-送丝滚轮；4-导电块；5-导电嘴；6-空气喷嘴；7-电弧；8-喷涂射流；9-工件；10-涂层电弧喷涂是将两根金属丝端部送到电弧区，在两丝端部施加电压维持直流电弧（或交流电弧），使丝材熔化，再用压缩空气穿过电弧和熔化的液滴使之雾化，以一定的速度喷向基体表面而形成连续的涂层。在电弧喷涂过程中，雾化的颗粒速度最高达180m/s-335m/s，电弧最高温度可达5000℃。17涂层具有高强度和优异的涂层性能电弧喷涂的效率高电弧喷涂的节能效果突出，能源利用率高电弧喷涂费用低，十分经济仅使用电和压缩空气，不用氧、乙炔等易燃气体，安全性高电弧喷涂特点2.2.3等离子喷涂18等离子喷涂示意图等离子喷涂是以等离子弧为热源，粉末材料被等离子焰流熔化后迅速喷射到预先处理好的零件表面上形成涂层。这种喷涂方法的焰流温度高，速度大，制备的涂层孔隙率和结合强度均优于常规火焰喷涂，尤其对制备高熔点的金属涂层和陶瓷涂层有很大的优越性。19焰流温度高，喷涂材料广泛，可得到各种性能的喷涂层涂层平整光滑，可精确控制厚度，可以制备精细涂层零件变形小，集体金属的组织和性能不发生变化，可对高强度钢、薄壁零件、细长零件进行喷涂涂层结合强度高，孔隙率低，氧化物夹杂少等离子喷涂特点焰流温度高，喷涂材料广泛，可得到各种性能的喷涂层涂层平整光滑，可精确控制厚度，可以制备精细涂层零件变形小，集体金属的组织和性能不发生变化，可对高强度钢、薄壁零件、细长零件进行喷涂涂层结合强度高，孔隙率低，氧化物夹杂少等离子喷涂特点2.2.4几种喷涂方法的工艺特性比较20三、有什么功能3.1涂层的应用21隔热涂层可以降低两件表面的工作温度10-65℃，提高工作效率。常用于发动机燃烧室、火箭喷口、核装置的隔热屏等高温工作部位。涂层原材料使用氧化物、碳化物、难熔金属等。根据工作条件，可以为单层、双层或者三层。隔热涂层这类涂层在氧化介质温度120-870℃下对零件进行保护。燃气轮机叶片、轧钢机械等均用这种涂层。抗高温氧化涂层用于表面有磨损的转动零部件，如阀门、柱塞、轴颈、导轨、叶片等。可以是高温磨损，也可以是低温磨损。耐磨涂层22常用于具有低摩擦系数的可动密封零部件，涂层的自润滑性能好，并有较好的结合强度和间隙控制能力。自润滑减磨涂层常用于海上船舶、卫星塔架、桥梁、化工石油机械、铁路车辆等。涂层在喷涂后大多需要封孔之后使用。抗腐蚀涂层能与光滑或经粗化处理的基体表面形成良好的结合。所需涂层薄，目的是增加面层的黏结力，尤以面层为陶瓷脆性材料，基体为金属材料的情况效果更为明显，此时目的是防止涂层在热应力作用下被破坏。粘结底材料广泛用于电子工业，制造稳定电阻器、传感器、电加热板、大型闸刀开关的接触面、印刷电路板等。常用涂层材料有Al，Cu，Ag，Al2O3（绝缘层）。导电、绝缘涂层简单介绍一下热喷涂的摩擦磨损机理23241表面磨损25微点蚀当界面润滑膜很薄时，对摩副材料之间的直接接触和磨粒不断聚集导致的磨粒磨损及粘着磨损，将诱发较大面积微点蚀的发生，这可能是AT40涂层发生表面磨损失效的重要原因。2剥落26剥落坑呈近似圆形，剥落坑的前缘(Leadingedge)较平滑，并存在未熔颗粒，其底部靠近后缘部分呈海滩条带形状，这是疲劳裂纹扩展的典型微观形貌，而其后缘(Trailingedge)附近存在大量的阶梯状分布的环形裂纹(Annularcrack)27涂层在承受交变的接触应力时，其次表面发生的塑性变形更容易诱发微观裂纹在微缺陷、未熔颗粒和层状结构界面处萌生并随机扩展，当裂纹扩展连接到一定程度的时候，则会产生主裂纹(Maincrack)，主裂纹处极易发生断裂失稳产生剥