热喷涂、喷焊与堆焊技术课件

热喷涂、喷焊与堆焊技术第五章第一节：热喷涂技术1.1、热喷涂技术原理与特点1.热喷涂原理利用各种不同的热源，将欲喷涂的各种材料(如金属、合金、陶瓷、塑料及其各类复合材料)加热至熔化或熔融状态，借助气流高速雾化形成“微粒雾流”沉积在已经预处理的工件表面形成堆积状，与基体紧密结合形成喷涂层。而将某些喷涂层进行重熔处理形成的冶金结合特征的涂层称之为喷熔层或重熔层。２.热喷涂技术的特点(1)可在各种基体上制备各种材质的涂层金属、陶瓷、金属陶瓷以及工程塑料等都可用作热喷涂的材料；而金属、陶瓷、金属陶瓷、工程塑料、玻璃、石膏、木材、布、纸等几乎所有固体材料都可以作为热喷涂的基材；(2)基体温度低基材温度一般在30~200oC之间，因此变形小，热影响区浅；(3)操作灵活可喷涂各种规格和形状的物体．特别适合于大面积涂层，并可在野外作业；(4)涂层厚度范围宽从几十微米到几毫米的涂层都能制备，且容易控制；（5）喷涂效率高，成本低．喷涂时生产效率为每小时数公斤到数十公斤。（6）热喷涂技术的局限性主要体现在热效率低，材料利用率低、浪费大和涂层与基材结合强度较低三个方面。尽管如此，热喷涂技术仍然以其独特的优点获得了广泛的应用。３.涂层材料热喷涂材料最好有较宽的液相区；

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；一般是线材或粉末材料。线材的规格一般在φ1~3mm，而粉末1~100μm之间。5.涂层结构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。6.热喷涂中的相变熔滴尺寸小，冷却速度快，可达到106K/s，冷却后会形成非晶态或亚稳相，在高温使用时，涂层的亚稳态结构会向稳定相转变，产生相变应力。7.涂层应力涂层材料的冷却凝固伴随着收缩过程，从而在基体表面产生压应力。热喷涂层的最佳厚度一般不超过0.5mm.表面预处理清洗粗化粘结底层热喷涂热能产生热能与喷涂材料交互作用后处理封孔密实化机加工车削磨削抛光热喷涂工艺流程9．热喷涂工艺流程和质量控制1.2、热喷涂工艺方法①熔体金属注入喷涂主要是喷涂低熔点的金属。用电阻加热的方法．使熔化金属漏入雾化罐内，喷射到基体表面形成涂层．②线材火焰喷涂主要喷涂铝、锌、锌铝合金材料，用于大型钢结构件和各类钢丝的耐腐涂层。通过调节压紧滚轮的旋转速度，调节线材进入氧—乙炔火焰的速度，在环状压缩空气的作用下将熔化的线材雾化成金属熔滴沉积到工件表面上．③粉末火焰喷涂喷涂粉末从火焰中央喷出后被火焰加热至熔融态喷射到基体表面，可以喷涂各种金属及合金粉末，并可以喷涂熔点低于2600˚C陶瓷粉末和塑料粉末。火焰粉末喷涂设备④爆炸喷涂这是一种将燃气和助燃气按一定比例进行混合后，送入燃爆室内点燃爆炸，产生的高温、高速气流将粉末喷射到工作表面形成涂层的方法

⑥电弧喷涂二根送入的通电金属丝相交时产生电弧，由电弧热溶化的金属丝被压缩空气雾化成颗粒，喷射到工件表面形成涂层．这种喷涂方法比线材火焰喷涂具有更高的喷涂效率和好的涂层质量．电弧喷涂效率可达50kg/h。电弧喷涂设备⑦等离子喷涂采用氮气、氩气、氢气作为离子气、经电离产生等离子高温射流，将输入的材料熔化或熔融喷射到工作表面形成涂层的方法。主要用于制备金属陶瓷，金属相陶瓷涂层。在其基础上发展了超音速等离子喷涂．它的等离子焰流能量密度更高、焰流速度更快、提高了涂层质量。超音速喷涂设备⑧激光喷涂将从激光器发出的激光束聚焦在喷枪喷嘴近旁，喷涂粉末由压缩气体从喷嘴喷出，由激光束加热熔化，压缩气体将熔粒雾化、加速，喷射到基材表面形成涂层。热喷涂涂层材料分类热喷涂涂层材料分类1.4、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900oＣ以下是非常好的耐磨涂层，温度在900oＣ以上，则可以采用大气等离子喷涂氧化锆涂层。喷涂氧化铝—氧化钛等陶瓷涂层可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。5)喷涂成型采用热喷涂制造机械零件。快速成型。1.5、热喷涂涂层质量评定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3.结合强度测定采用拉伸法，见右图4．涂层显微结构观察第二节：热喷焊工艺与特点2.1、热喷焊工艺的一般特点采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙、这就是热喷焊技术。根据采用的热源不同，热喷焊技术有：氧—乙炔火焰喷焊和等离子喷焊两种。基本特点a)热喷焊组织致密，冶金缺陷很少，与基材结合强度高;b)热喷焊材料必须与基材相匹配，喷焊材料和基材比热喷涂窄得多；原因1）喷焊材料需能够润湿基材；2）必须与基材相容，即它们在液相和固相下必须有一定的溶解度；3）基材的熔点应高于喷焊材料的熔点，否则易导致基材塌陷或损坏；4）喷焊材料在凝固结晶过程中应不会产生热裂纹，或使基材热影响区产生裂纹。因此，热喷焊工艺只能适合于一些特定的金属材料（包括基材和粉末）C)热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多；温度高，导致基材变形大。因此，对于一些形状复杂、易热变形的零件，无法使用热喷焊技术。d)热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有一定差别；由于基体表面会少量熔化，并与喷焊材料形成合金，导致成分差异。一般将基材熔入喷焊层中的重量百分含量称为喷焊层的稀释率。2.2、氧—乙炔火焰喷焊采用氧乙炔火焰作为喷焊热源的工艺。2.3、等离子喷焊等离子喷焊技术是采用等离子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中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半熔化状态，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。等离子喷焊技术的主要特点：(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；即稀释率低；5％(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0.25—8mm之间任意厚度的喷焊层。2.4、常用热喷焊材料第三节：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。堆焊的物理本质与一般的熔焊工艺无区别。只是堆焊的目的不是为了起连接作用，而是为了发挥堆焊层的优良性能。热喷焊也属于堆焊技术的范畴，只是热喷焊采用的是粉末填充材料，而常规堆焊一般采用线材或焊条。堆焊的优势在于熔敷效率比热喷焊要高，但是稀释率比热喷焊大得多。3.1、堆焊层的形成和控制１.堆焊层的形成由于堆焊材料与基材成分不同，必定会产生一层性能和组织与基材和堆焊层都不相同的过渡层。该过渡层如果是脆性的，将使性能恶化。２.相容性取决于互溶性及是否产生脆性金属间化合物；还需考虑两者之间的熔化温度、膨胀系数、热导率和比电阻等物理性能的差异。3.熔合区的成分、组织与性能熔合区即堆焊层与基体之间的分界区，一般包括熔合线和结晶过渡区段。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，如在低碳钢上堆焊合金钢焊层，经回火后过渡层中的含碳量大大增加，形成大量脆性金属化合物，导致焊层开裂。堆焊过程中应尽量避免或控制过渡层的产生和长大。尽量采用能抑制脆性相产生的元素。如选用含有大量的奥氏体形成元素的奥氏体堆焊材料。4.稀释率稀释率强烈地影响堆焊层的成分和性能。稀释率主要通过控制堆焊工艺参数，如堆焊功率、堆焊速度、焊道间距等来控制。另外，在堆焊过程中向熔池中补加填充金属，也可以降低稀释率。5.内应力堆焊耐磨层通常不做消除应力处理，所以在堆焊过程中由于热膨胀或收缩引起的残余应力可能是难以克服的。这些应力是否引起变形或开裂，在很大程度上取决于堆焊金属和基材的强度和塑性。对工件进行焊前预热和焊后缓冷以及采用堆焊底层方法，可以减少堆焊层内应力。3.2、堆焊技术的应用特性结合强度高，抗冲击性能好；1通过正确设计堆焊层的合金体系，可以获得抗磨损、冲击、腐蚀、擦伤和气蚀等多种性能的堆焊层，成分和性能调节方便；2堆焊层厚度大，2-30mm；3手弧焊：3kg/h;双带极埋弧焊：68kg/h；设备简单，与焊接设备通用；5熔敷效率高；4加热不均匀，薄壁、细长构件要注意变形。63.3、堆焊工艺方法各种焊接方法都可以用来进行堆焊.常用堆焊的工艺方法可分为氧—乙炔焰堆焊、手工电弧堆焊、钨极氩弧堆焊、熔化极气体保护电弧堆焊、埋弧堆焊、等离子弧堆焊和电渣堆焊等。堆焊材料通常呈棒状、管状、带状，焊剂可以装在管芯内或作为焊条药皮包覆在外层使用。3.4、堆焊材料1．类型包括：铁基、镍基、钴基、铜基和碳化钨复合堆焊材料等铁基合金：含C量的变化---珠光体，M，耐磨。钴基、镍基堆焊合金价格较高，由于高温性能好，耐腐蚀，主要在要求高温磨损、高温腐蚀的场合使用。铜基堆焊材料具有较好的耐大气、耐海水和耐各种酸碱溶液的腐蚀，并能减少金属间的摩擦系数。碳化钨金属陶瓷堆焊层在耐严重磨料磨损和工具堆焊中占有