现代表面技术表面涂覆技术

现代表面技术表面涂覆技术1第一页，共九十八页，编辑于2023年，星期日第一节涂料与涂装

涂料，以前通称为“油漆”，但是在现代应用中实际已经远远超过油漆的使用范围。涂装，涂料的施工称为涂装。在国民经济的发展过程中，涂料的研发和涂装技术得到了迅猛发展，发挥越来越重要的作用。一、涂料的组成涂料产品有数千种，包括油脂涂料、过氯乙烯涂料、橡胶涂料等18大类，但其物质组成一般分为成膜物质、颜料、溶剂、助剂四个部分，见下图所示。

2第二页，共九十八页，编辑于2023年，星期日涂料成膜物质天然树脂天然油脂合成树脂颜料（着色颜料、防锈颜料等）溶剂（有机或水）助剂（固化剂、催干剂等）图.涂料组成3第三页，共九十八页，编辑于2023年，星期日二、涂料的分类涂料种类多达几千种，用途各异，存在着多种分类方法。一般有以下两种。1.根据成膜干燥机理分类根据成膜干燥机理可将涂料分为两大类：

(1)溶剂挥发类涂料在成膜过程中不发生化学反应，只是溶剂挥发使涂料干燥成膜。这类涂料一般为自然干燥型涂料，容易重新涂装，如硝基漆、乙烯漆类。

(2)固化干燥类这类涂料的成膜物质一般是相对分子量较低的线性聚合物，可溶解于特定的溶剂中，经涂装后，待溶剂挥发后，就可通过化学反应交联固化成膜。4第四页，共九十八页，编辑于2023年，星期日2.以涂料中的主要成膜物质为基础分类

按照国家规定，目前我国涂料产品是以涂料中的主要成膜物质为基础来分类的。按此方法，将成膜物质分为17大类，相应的涂料产品也分为17大类。

5第五页，共九十八页，编辑于2023年，星期日表5.1成膜物质分类及命名代号序号成膜物质类别命名代号主要成膜物质1油脂Y天然植物油、鱼油、合成油等2天然树脂T松香及其衍生物、虫胶、乳酪素动物胶、大漆及其衍生物等3酚醛树脂F酚醛树脂、改性酚醛树脂、二甲苯树脂4沥青L天然沥青、煤焦沥青、硬脂酸沥青、石油沥青5醇酸树脂C甘油醇酸树脂、改性醇酸树脂、季戊四醇及其它醇类的醇酸树脂等6氨基树脂A脲醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂7硝基纤维素Q硝基纤维素、改性硝基纤维素8纤维酯、纤维醚M乙酸纤维、苄基纤维、乙基纤维、羟甲基纤维、乙酸丁酸纤维等9过氯乙烯树脂G过氯乙烯树脂、改性过氯乙烯树脂10烯类树脂X聚二乙烯基乙炔树脂、聚乙烯共聚树脂、聚醋酸乙烯及其共聚物、聚乙烯醇缩醛树脂、聚苯乙烯树脂、含氟树脂等11丙烯酸树脂B丙烯酸树脂、丙烯酸共聚树脂及其改性树脂12聚酯树脂Z饱和聚酯树脂、不饱和聚酯树脂13环氧树脂H环氧树脂、改性环氧树脂14聚氨基甲酸酯S聚氨基甲酸酯15元素有机聚合物W有机硅、有机钛、有机铝16橡胶J天然橡胶及其衍生物、合成橡胶及其衍生物17其它E以上16类以外的成膜物质，如无机高分子材料（请见课本老书P107页表5－1

新书P149页表7－1）6第六页，共九十八页，编辑于2023年，星期日三、涂料产品的命名

根据我国标准局颁布的《涂料产品分类命名和型号》（GB2705）的有关规定，全命＝颜料或颜色名称＋成膜物质名称＋基本名称例如，红醇酸磁漆、锌黄酚醛防锈漆。7第七页，共九十八页，编辑于2023年，星期日四、常用涂料的性能1.酚醛树脂涂料本类涂料可分为两类：(1)改性酚醛树脂涂料以松香改性酚醛树脂涂料为主，特点是干得快，耐水、耐久，价格低廉，广泛用作建筑和家用涂料。(2)纯酚醛树脂涂料由纯酚醛树脂和植物油熬制而成，耐水性、耐化学腐蚀性、耐候性、绝缘性都非常优异，多用于船舶、机电产品等。2.醇酸树脂涂料由多元醇、多元酸和脂肪酸经缩聚而得到的一种特殊的聚酯树脂。此涂料成膜后具有良好的柔韧性、附着力和强度，颜料、填料能均匀分散，颜色均匀，遮盖力好等优点。缺点是耐水性较差。这类涂料的产量在我国涂料中居首位，使用面极广。8第八页，共九十八页，编辑于2023年，星期日3.氨基树脂涂料主要有以下四种涂料：(1)氨基醇酸烘漆目前应用最广的工业用漆。其成膜温度低，时间短，具有良好的耐化学药品性，不易燃烧，绝缘好。(2)酸固化型氨基树脂涂料常温下能固化成膜，光泽好，外观丰满，但是耐温度和耐水性较差，主要用于木材、家具等涂装。(3)氨基树脂改性的硝化纤维素涂料氨基树脂增强了硝基透明涂料的耐候、保光等性能，提高了固体分含量。(4)水溶性氨基树脂涂料其物化性能优于溶剂型氨基醇酸树脂，但耐老化性不及溶剂型的好。9第九页，共九十八页，编辑于2023年，星期日4.丙烯酸树脂涂料丙烯酸树脂是由丙烯酸或其酯类或（和）甲基丙烯酸酯单体经加聚反应而成，有时还用其它乙烯系单体共聚而成。这类涂料可分热塑性和热固性两类。共同点是：涂膜高光泽，耐紫外线照射，长期保持色泽和光亮，耐化学药品和耐污性较好。它们用途广泛，如轿车、冰箱、仪器仪表等。5.聚氨基甲酸酯涂料这类涂料成膜后坚硬耐磨，附着力好，防腐性能特别好。广泛用于化工、石油、航空、机车、木器、建筑等，兼作防护与装饰之用。10第十页，共九十八页，编辑于2023年，星期日五、紫外光固化涂料1、特点紫外光固化涂料是在250nm～450nm波长紫外光的作用下进行固化的一类涂料。固化温度低；速度快；固化时间可小于1s至10s；成膜能力强，可一次施涂达到膜厚要求，操作管理简单，可靠性好，不需要预热和保温，适宜于自动流水线作业，消耗能源约为热固化的1/10;涂膜性能好，固化时几乎无溶剂挥发。体积收缩很小，真空状态下性能优良。由于大多数着色颜料对紫外光的透过率低，难于制成色漆，所以目前已工业化的光固化涂料多为清漆。2、组成光固化涂料主要由光敏剂、光敏树脂和活性稀释剂等组成，此外还加入流平剂、稳定剂、促进剂、染料、颜料等。11第十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期日六、涂装工艺使涂料在被涂的表面形成涂膜的全部工艺过程成为涂装工艺。具体的涂装工艺主要根据工件的材质、形状、使用要求、涂装用工具、涂装时的环境、生产成本等加以合理选用。涂装工艺的一般工序是：涂前表面处理→涂布→干燥固化涂前表面处理：清洗、粗化等；涂布：手工涂布；喷涂法、静电涂布法、电泳涂布法、粉末涂布法、辊涂法等等。干燥固化：即成膜机理。见下页。12第十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期日七、涂料成膜机理

涂料首先是一种流动的液体，在基材表面涂布完成之后形成一层坚韧的薄膜，这个过程是玻璃化温度不断升高的过程。不同形态和组成的涂料有不同的成膜机理，这由涂料中的成膜物质性质决定。根据涂料成膜物质的性质，涂料成膜方式可以分为两大类：由非转化型成膜物质组成的涂料以物理方式成膜；由转化型成膜物质组成的涂料以化学方式成膜。1.物理成膜方式依靠涂料内的溶剂或分散剂的直接挥发或聚合物粒子凝聚得到涂膜的过程称为物理成膜方式。物理成膜方式具体包括溶剂挥发成膜方式和聚合物凝聚成膜方式两种。13第十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期日2.化学成膜方式

化学成膜指在加热或其它条件下，使涂敷在基材表面上的低分子量聚合物成膜物质发生交联反应，生成高聚物，获得坚韧涂膜的过程。为了使涂膜中的结构交联，将未交联的线型聚合物，或者轻度支链化的聚合物溶于溶剂中配成涂料，然后在涂敷成膜后发生交联。另外可以用简单的低分子化合物配成涂料，待涂成膜后再令其发生交联反应。因此，根据不同的过程将化学成膜机理分为两类：

漆膜的直接氧化，即涂料在空气中的氧化交联或与水蒸气反应；涂料组分之间发生化学反应的交联固化。14第十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期日涂装线示例15第十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期日第二节粘结与粘涂一、粘结粘结或粘合－用胶粘剂将各种材料或制件连接成为一个牢固整体的方法。1、粘结剂的组成粘结剂又称粘合剂，俗称胶。它由基料、固化剂、填料和辅助材料配合而成。2、粘结剂的分类按照不同的分类标准，粘结剂有不同的类型。粘结剂具体分类如图7.2所示16第十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期日胶粘剂的分类按基料分无机粘结剂有机粘结剂天然粘结剂合成粘结剂按物理形态分胶液（包括溶液、乳液、无溶剂液体）胶糊（糊状）胶粉胶棒胶膜其它形态的胶按固化方式分水基蒸发型溶剂挥发型热熔型化学反应型压敏型按受力情况分结构粘结剂（能传递较大的力）非结构粘结剂（不能传递较大的力）按用途分（包括各种材料、制件、产品以及特种功能用胶）粘结剂17第十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期日二、粘结原理

粘结是一个复杂的过程，主要包括表面润湿、粘结剂分子向被粘物工件表面移动、扩散和渗透、粘结剂与被粘物形成物理和机械结合等。有关粘结的理论很多，如机械结合理论、溶解度参数理论、吸附理论、扩散理论、静电理论、化学键理论、抛锚理论等。

与涂装一样，工件的表面处理非常重要。主要有两个目的：

一、除去不利于粘结的各种污垢；二、改变被粘物的物理化学性质，以利于粘结；

18第十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期日

目前表面处理方法很多，最常用的有：①溶剂（包括水）擦洗；②溶剂脱脂和蒸汽脱脂；③机械打毛，如，摩擦、喷砂、喷丸等；④化学清洗和腐蚀；⑤脱脂、机械粗化和化学处理联合使用。19第十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期日三、主要粘结剂及其应用1、主要粘结剂：（老课本上的英语印刷错误！）1）环氧树脂粘结剂（epoxyadhesive）2）酚醛树脂粘结剂(phenolicresinadhesive)3）脲醛树脂粘结剂(urearesinadhesive)4）聚氨酯粘结剂(polyurethaneadhesive)5）聚酰亚胺粘结剂(polyimideadhesive)6）厌氧粘结剂(anaerobicadhesive)7）氰基丙烯酸胶粘剂(cyanoacrylateadhesive)8）橡胶型胶粘剂(rubberadhesive)9）聚硫橡胶密封胶(polysulfiderubberadhesive)10压敏胶粘剂(pressuresensitiveadhesive)11）光敏胶粘剂(photosensitiveadhesive)12）无机胶粘剂(inorganicadhesive)(各种胶粘剂的具体组成、性能、用途等请参见课本P116－118)20第二十页，共九十八页，编辑于2023年，星期日2、胶粘剂的应用领域机械工业；电子电器工业；汽车工业；航空宇航工业；纺织工业；木材工业；医疗卫生业21第二十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期日四、粘涂技术表面粘涂技术：是将加入二硫化钼、金属粉末、陶瓷粉末和纤维等特殊填料的胶粘剂，直接涂覆于材料或零件表面，使之具有耐磨、耐蚀、绝缘、导电、保温、防辐射等功能的一项新技术。粘涂技术是粘结技术的一个分支，目前主要应用于表面强化和修复。粘涂具有粘结技术的大部分优点，如应力分布均匀、容易做到密封、绝缘、耐蚀和隔热等。它的工艺简单，不需要专门设备，而是将配好的胶涂覆于清理好的零件表面，待固化后进行修复即可。22第二十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期日第三节堆焊一、堆焊

是指将具有一定使用性能的材料借助一定的热源手段熔覆在基材表面，使母材具有特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。堆焊既可用于修复材料的缺陷，亦可用于强化材料或零件的表面，使材料具有本来不存在的性能，例如高的耐磨性，良好的耐蚀性等。23第二十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期日二、堆焊层组织结构

焊缝的一次结晶组织近似于铸锭的结晶组织。由于熔池体积很小，冷却速度迅速，主要是柱状晶组织，等轴晶组织较少。如果基体是钢，在界面附近由于过热会引起基体金属晶粒的长大。基体金属或焊层金属在冷却过程中有相变发生，会发生二次结晶。二次结晶所得组织符合一般的固体相变结晶规律。

24第二十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期日三、常用堆焊材料与堆焊方法1.常用堆焊材料

常用堆焊材料有铁基、镍基、钴基、碳化钨基和铜基等。(1)铁基堆焊合金1)低合金钢堆焊材料①珠光体类的堆焊材料②马氏体类堆焊材料2)中、高合金钢及合金铸铁堆焊材料①高速钢及热作工具钢、冷作工具钢堆焊材料②高锰钢及铬锰钢堆焊材料③高铬钢及铬镍钢堆焊材料④合金铸铁堆焊材料

25第二十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期日(2)镍基堆焊材料Ni-Cr-W-SiNi-Cr-B-Si型Ni-Cr-Mo-W(3)钴基堆焊材料主要指钴铬钨堆焊材料，即通常所说的斯太利合金，含铬25%~33%，钨3%~21%。该堆焊层在650℃左右仍能保持较高的硬度。此外，堆焊层具有一定的耐腐蚀性能和优良的抗粘着磨损性能。26第二十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期日(4)铜基堆焊材料铜基堆焊材料分为紫铜、黄铜、青铜和白铜四种。形式有焊条、焊丝和堆焊用带极。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，耐气蚀和金属间磨损的性能，常用于以铁基材料为母材的双金属零件的制备或磨损工件的修补。(5)碳化钨堆焊材料碳化钨是硬质合金的重要成分。堆焊用的碳化钨分为铸造碳化钨和烧结碳化钨两类。铸造碳化钨中碳的质量分数为3.7%~4.0%，钨的质量分数为95%-96%，它是WC-W2C的混合物。这类合金硬度高，耐磨性好，但脆性大，加工过程中容易碎裂脱落。当加入质量分数为5%~15%的钴可以降低熔点，增加韧性。27第二十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期日2.常用堆焊方法氧-乙炔堆焊

氧-乙炔火焰的温度较低（3050~3100℃），将它应用于堆焊时能得到非常小的稀释率（1%~10%）和小于1mm厚的均匀薄堆焊层。同时，该堆焊方法设备简单、使用方便、成本低。其缺点是生产率低、工人的劳动强度大。该法一般用于堆焊较小的零件，如内燃机排气阀阀面、农机零件等。(2)手工电弧堆焊

手工电弧堆焊的设备简单、机动灵活、成本低，应用实心堆焊焊条和管状焊条能获得范围较大的堆焊合金，因此应用范围广。但是，它的稀释率较高、生产率较低、堆焊层不太平整，堆焊后的加工量较大，因此通常应用于少量零件的修复和强化。28第二十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期日(3)埋弧堆焊

单丝埋弧堆焊的熔深大、稀释率高（30%~60%）、生产率中等。多丝埋弧堆焊电弧可以周期性的从一根焊丝移向另一根焊丝，熔敷率大大提高，而稀释率大为降低。带极埋弧堆焊是用金属带来代替焊丝作电极，其熔深浅、稀释率低，熔敷率很高。(4)气体保护和自保护明弧堆焊

熔化极气体保护堆焊是用CO2、Ar或混合气体作为保护气体，它有较高的熔敷率，但是稀释率也较高（大约15%~25%）。非熔化极惰性气体保护堆焊，主要以手工送进各种合金焊丝进行堆焊。这种方法的保护效果好，合金元素的过渡系数高，稀释率比熔化极气体保护堆焊低，但是生产率低，保护气体昂贵。不加保护气体的自保护药芯焊丝的明弧堆焊的设备简单、方便灵活，但是堆焊时的飞溅较大。29第二十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期日(5)震动电弧堆焊

细直焊丝相对于零件表面作一定频率和振幅的震动，使焊丝和工件间产生短路和脉冲放电，从而使焊丝可以在较低的电压（12V~22V）并以较小的熔滴稳定而均匀地过渡到工件表面，形成一层薄而均匀的堆焊层。特点是熔深浅、热影响区小、零件变形小，生产率高、劳动条件也较好等一系列优点。但是电弧区保护作用差，含氢量高，堆焊层组织和硬度不均匀等。因此常向电弧区喷射一定量的水蒸气、二氧化碳等或采用焊剂作为保护介质。(6)电渣堆焊

熔敷率最高，极板电渣堆焊的熔敷率可达150kg/h，堆焊的厚度也很大，但是稀释率不高。缺点是堆焊层严重过热，焊后需要热处理，堆焊层一般不能太薄。因此，它适用于需要较厚堆焊层、堆焊表面形状比较简单的大中型零件。30第三十页，共九十八页，编辑于2023年，星期日(7)等离子弧堆焊

由于等离子弧的温度很高，有高的堆焊速度和高的熔敷率，稀释率很低（最低可达5%左右）。缺点是设备成本高，堆焊时有很强的紫外线辐射和臭氧污染，需要有效的保护。31第三十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期日第四节热喷涂1、热喷涂技术是使用某种方式的热源，使喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，用高压气流将其雾化，并以一定速度喷射到经过预处理的零件表面，从而形成涂层的表面加工技术。32第三十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期日2.热喷涂特点

热喷涂技术作为一种对材料表面改性的重要手段，和其它表面技术相比，有其自己与众不同的特点，主要包括以下几个方面：（1）热喷涂方法多热喷涂具体方法有十几种，可以选择合适的方法对零件进行热喷涂。（2）热喷涂材料种类广泛金属及其合金、陶瓷、塑料、尼龙以及它们的复合材料等都可以作为喷涂材料。（3）基体材料使用范围广几乎所有的固体材料表面都可以热喷涂，一般也不受零件尺寸及场地限制。既可以大面积喷涂，也可以进行局部喷涂。33第三十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期日（4）基体材料受影响小喷涂时可使基体控制在较低温度，基体变形小，组织和性能变化小，保证了基体质量基本不受影响。（5）涂层厚度可以控制涂层厚度从几十微米到几微米，可以根据要求确定。（6）操作环境较差存在粉尘、烟雾和噪声等问题，因此需要加强保护措施。34第三十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期日3、热喷涂涂层的形成机理喷涂材料从进入热源到形成涂层可以划分为以下四个阶段：（1）喷涂材料的熔化粉末喷涂材料进入热源高温区域，被加热到熔化态或软化态；线材喷涂材料的端部在热源高温区加热熔化，熔化的材料以熔滴形式存在于线材端部。（2）熔化的喷涂材料的雾化对于线材喷涂时，端部的熔滴在外加压缩气流或热源自身射流的作用下脱离线材端部，并雾化成细小熔滴向前喷射；在粉末喷涂时，不存在粉末的细化和雾化过程，直接在压缩气流或热源射流推动下发生喷射。35第三十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期日3、热喷涂涂层的形成机理（3）粒子的飞行阶段熔化或软化的微细颗粒首先被气流或射流加速。（4）粒子的喷涂阶段具有一定速度和温度的粒子到达基材表面，与基材发生强烈的碰撞。粒子在碰撞的瞬间撞击基体表面或撞击已经形成的涂层，把动能转化为热能后传给基体，同时粒子在凹凸不平的表面发生变形，形成扁平状粒子，并且迅速凝固成涂层。喷涂的粒子不断飞向基材表面，产生碰撞-变形-冷凝的过程，变形粒子和基材之间及粒子和粒子之间相互交叠在一起，形成涂层。涂层形成过程如下图所示。36第三十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期日

冲击碰撞变形凝固-收缩热喷涂涂层形成过程示意图37第三十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期日4、涂层的结合机理涂层的结合包括涂层和基材的结合及涂层之间的结合。前者的结合强度称为结合力，后者的结合强度称为内聚力。热喷涂层可能的结合机理如下：1）机械结合熔融态的粒子撞击到基材表面，铺展成扁平状的液态薄层，嵌合在起伏不平的表面形成机械结合，又称为抛锚效应。机械结合和基材表面的粗糙程度密切相关。如果对基体不进行粗化处理，而进行抛光处理，热喷涂层的结合力很弱。相反，使用喷砂、粗车、车螺纹或化学腐蚀等方法粗化基体表面，涂层和基体的结合强度提高。38第三十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期日2）物理结合当高速运动的熔融粒子撞击基体表面后，若界面两侧紧密接触的距离达到原子晶格常数范围内时，产生范德华力，提高基体和涂层间的结合强度。基体表面的干净程度直接影响界面两侧喷涂粒子和基体间的原子距离，因此要求表面非常干净且处于活化状态。喷砂可使基体表面呈现异常清洁的高活性的新鲜金属表面，然后立即喷涂能够增加物理结合程度，从而提高基体和涂层的结合强度。3）扩散结合当熔融的喷涂粒子高速撞击基体表面形成紧密接触时，由于变形和高温作用，基体表面的原子得到足够的能量，使涂层与基体之间产生原子扩散，形成扩散结合。扩散的结果使在界面两侧微小范围内形成一层固溶体或金属间化合物，增加了涂层和基体之间的结合强度。39第三十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期日4）冶金结合当基体预热，或喷涂粒子有高的熔化潜热，或喷涂粒子本身发生放热化学反应（如Ni/Al）时，熔融态的粒子和局部熔化的基体之间发生“焊合”现象，产生“焊点”，形成微区冶金结合。由于凝固时间（或化学反应时间）很短，“焊点”不可能很强，但是对粒子和基体间及粒子间都会产生增强作用。在喷涂放热型反应的粘结底层时，在基体表面微区内，特别是在喷砂后的突出尖部，接触瞬间温度可高达基体的熔点，容易产生这种结合方式。喷涂粒子间的结合是以机械结合为主，物理结合、扩散结合、冶金结合、晶体外延等综合作用也有一定效果。40第四十页，共九十八页，编辑于2023年，星期日

5、热喷涂材料热喷涂材料是涂层的原始材料，在很大程度上决定了涂层的物理和化学性能。在此主要介绍热喷涂线材、热喷涂粉末和复合材料粉末。1）.热喷涂线材线材包括碳钢丝、不锈钢丝、铝丝、铜丝、复合喷涂丝及镍、铜、铝的合金丝等。2）.热喷涂粉末粉末材料可以分为金属及合金粉末、陶瓷粉、复合材料粉末和塑料颗粒等。41第四十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期日6、热喷涂装置和设备

/Products/CylinderGases/MAXX/ThermalSpraying/thermalspraying_techpaper.htm42第四十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期日FlamesprayingPrinciple:Intheseprocesses,aconsumable(usuallyapowderorawire)isheatedandpropelledontoasubstratetoformacoating.SchematicofthepowderflamesprayprocessSchematicofthewireflamesprayprocess43第四十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期日CharacteristicsofflamesprayingFlamesprayingistheoldestofthethermalsprayingprocesses.Awidevarietyofmaterialscanbedepositedascoatingsusingthisprocessandthevastmajorityofcomponentsaresprayedmanually.Flamesprayinghasdistinctadvantages,includingeaseofapplicationandlowcost,comparedwiththeothersprayingprocesses.Thesebenefitsmakeitawidelyusedprocess.Flamesprayingusestheheatfromthecombustionofafuelgas(usuallyacetyleneorpropane)withoxygentomeltthecoatingmaterial,whichcanbefedintothesprayinggunasapowder,wireorrod.Theconsumabletypesgiverisetothetwoprocessvariants:44第四十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期日Powderflamespraying:Forthepowderflamesprayingprocess,powderisfeddirectlyintotheflamebyastreamofcompressedairorinertgas(argonornitrogen).Alternatively,Itisimportantthatthepowderisheatedsufficientlyasitpassesthroughtheflame.Thecarriergasfeedspowderintothecentreofanannularcombustionflamewhereitisheated.Asecondouterannulargasnozzlefeedsastreamofcompressedairaroundthecombustionflame,whichacceleratesthesprayparticlestowardsthesubstrateandfocusestheflame.

WireflamesprayingInthewireflamesprayingprocess,thewirefeedrateandflamesettingsmustbebalancedtoproducecontinuousmeltingofthewiretogiveafineparticulatespray.Theannularcompressedairflowatomisesandacceleratestheparticlestowardsthesubstrate.第四十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期日ApplicationsofflamesprayingFlamesprayingiswidelyusedwherelowercoatingcostsaredesiredandalowercoatingqualitycanbetolerated.Sometypicalapplicationsinclude:Corrosionprotectionofstructuresandcomponents(e.g.bridges,offshoreplatforms,LPGbottles)withaluminiumorzinccoatings.Aluminiumismoreexpensive,buthasresistancetoacidicgaseousatmospheres(suchasthoseassociatedwiththeproductsoffossilfuelcombustion),aswellasneutralsolutions,suchassaltwater.Zinchasresistancetoalkalinecorrosion.Flamesprayingisalsousedtospraycorrosionresistantthermoplasticpolymercoatings.

Reclamationofwornshafts,particularlyofbearingareaswithmaterialssuchasstainlesssteelorbronzealloys.Thecoatingsproducedarequiteporousandlubricantscanbeabsorbedintothecoating,enhancingtheperformanceofthebearing.46第四十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期日第四十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期日第四十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期日第四十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期日ArcsprayingPrinciple:

Arcsprayingisthehighestproductivitythermalsprayingprocess.ADCelectricarcisstruckbetweentwocontinuousconsumablewireelectrodesthatformthespraymaterial.Compressedgas(usuallyair)atomisesthemoltenspraymaterialintofinedropletsandpropelsthemtowardsthesubstrate.

50第五十页，共九十八页，编辑于2023年，星期日ArcsprayingCharacteristics:Theprocessissimpletooperateandcanbeusedeithermanuallyorinanautomatedmanner.Itispossibletosprayawiderangeofmetals,alloysandmetalmatrixcompositesinwireform.Inaddition,alimitedrangeofcermetcoatings(withtungstencarbideorotherhardmaterials)canalsobesprayedincoredwireform,wherethehardceramicphaseispackedintoametalsheathasafinepowder.Acombinationofhigharctemperatureandparticlevelocitiesgreaterthan100m.sec-1givesarcsprayedcoatingssuperiorbondstrengthsandlowerporositylevelswhencomparedwithflamesprayedcoatings.However,useofcompressedairfordropletatomisationandpropulsiongivesrisetohighcoatingoxidecontent.51第五十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期日Thetypicalperformanceofarcsprayingcomparedwithotherthermalsprayingprocesses

Particlevelocity

m.s-1Adhesion

MPaOxidecontent(inmetals)

%Porosity

%Depositionrate

kg.hr-1Typicaldepositthickness

mmFlame40<810-1510-151-100.2-10Arc10010-3010-205-106-600.2-10Plasma200-30020-701-35-101-50.2-2HVOF600-1000>701-21-21-50.2-252第五十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期日ApplicationsArcsprayinghasthehighestdepositionrateofthethermalsprayingprocessesandcanbeusedtospraylargeareasorlargenumbersofcomponentsonrepetitiveproductionlineoperations.Typicalapplicationsinclude:Sprayingoflargestructuressuchasbridgesandoffshorefabricationswithzincandaluminiumtogivecorrosionprotection.Reclamationofengineeringcomponentssuchasjournals,bearingsandshaftswithsteelandbronzealloys.Sprayingofelectroniccomponenthousingswithcopper,zincandaluminiumtogiveconductivecoatingswhichprovideshieldingfromelectromagneticinterference.Camshaftbearingrecoveredbyarcsprayingwith13%Crsteel

53第五十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期日RisksandprecautionsAswithallthethermalsprayingprocessesthereareparticularhealthandsafetyissuesthatmustbeaddressedbeforesprayingExtractionofdustandfume-Allthermalsprayingprocessesproducedustandfume.Therefore,adequateextractionorventilationtoremovethisdustandfumefromtheparticularworkingenvironmentshouldbeprovided.Inaddition,iftheoperatorisexposedtothisenvironment,thensuitablebreathingequipmentshouldbeconsidered.Arceye-ArcsprayingproduceslargeamountsofUVradiationandweldingtypeeyeprotectionisneeded.Thecorrectgradeofweldingscreenmustbeused.UsersshouldrefertoEN169whichspecifiesarangeofpermanentfiltershadesofgraduallyincreasingopticaldensitywhichlimitexposuretoradiationemittedbydifferentprocessesatdifferentcurrents.Itmustbestressedthatshadenumbersindicatedinthestandardandthecorrespondingcurrentrangesareforguidanceonly.

Fireorexplosionofdustandfume-Buildupofsomemetalsintheformofdustcanleadtofireandexplosions.Thisisofconcernforpowdersofaluminiumandzinc.Toavoidthis,adequateprovisionforextractionandfiltrationofthespraydust,alongwithregularcleaning,shouldbeprovided.Thedustshouldnotbeallowedtogetdampasthiscanleadtoevolutionofhydrogengas.Additionally,sourcesofignitionshouldbeavoidedsuchasstaticchargesfromrotatingequipment,forexamplefansintheducting.54第五十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期日第五十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期日PlasmasprayingPrinciple:TheplasmasprayingprocessusesaDCelectricarctogenerateastreamofhightemperatureionisedplasmagas,whichactsasthesprayingheatsource.Thecoatingmaterial,inpowderform,iscarriedinaninertgasstreamintotheplasmajetwhereitisheatedandpropelledtowardsthesubstrate.Becauseofthehightemperatureandhighthermalenergyoftheplasmajet,materialswithhighmeltingpointscanbesprayed.56第五十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期日Characteristicsofplasmaspraying:Plasmasprayingproducesahighqualitycoatingbyacombinationofahightemperature,highenergyheatsource,arelativelyinertsprayingmediumandhighparticlevelocities,typically200-300m.sec-1.However,someairbecomesentrainedinthespraystreamandoxidationofthespraymaterialmayoccur.Thesurroundingatmospherealsocoolsandslowsthespraystream.Vacuumplasma(VPS)orlowpressureplasmaspraying(LPPS)reducestheseproblemsbysprayinginvacuumoralowpressure,inertgasenvironment.Plasmasprayingiswidelyappliedintheproductionofhighqualitysprayedcoatings.第五十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期日ApplicationofplasmasprayingSprayingofsealringgroovesinthecompressorareaofaeroengineturbineswithtungstencarbide/cobalttoresistfrettingwear.Sprayingofzirconia-basedthermalbarriercoatings(TBCs)ontoturbinecombustionchambers.Sprayingofwearresistantaluminaandchromiumoxideceramicontoprintingrollsforsubsequentlaseranddiamondengraving/etching.Sprayingofmolybdenumalloysontodieselenginepistonrings.Biocompatiblehydroxyapatitecoatingsforprostheses.58第五十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期日ExamplesofplasmasprayingAeroengineturbineductwith

athermalbarriercoating

59第五十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期日Principle:

isbasicallythesameasthecombustionpowdersprayprocess(LVOF)exceptthatthisprocesshasbeendevelopedtoproduceextremelyhighsprayvelocity.ThereareanumberofHVOFgunswhichusedifferentmethodstoachievehighvelocityspraying.OnemethodisbasicallyahighpressurewatercooledHVOFcombustionchamberandlongnozzle.Fuel(kerosene,acetylene,propyleneandhydrogen)andoxygenarefedintothechamber,combustionproducesahothighpressureflamewhichisforceddownanozzleincreasingitsvelocity.PowdermaybefedaxiallyintotheHVOFcombustionchamberunderhighpressureorfedthroughthesideoflavaltypenozzlewherethepressureislower.

Anothermethodusesasimplersystemofahighpressurecombustionnozzleandaircap.Fuelgas(propane,propyleneorhydrogen)andoxygenaresuppliedathighpressure,combustionoccursoutsidethenozzlebutwithinanaircapsuppliedwithcompressedair.ThecompressedairpinchesandacceleratestheflameandactsasacoolantfortheHVOFgun.Powderisfedathighpressureaxiallyfromthecentreofthenozzle.HighVelocityOxygenFuelThermalSprayProcess-HVOF第六十页，共九十八页，编辑于2023年，星期日CharacteristicsofHVOFThecoatingsproducedbyHVOFaresimilartothoseproducebythedetonationprocess.HVOFcoatingsareverydense,strongandshowlowresidualtensilestressorinsomecasescompressivestress,whichenableverymuchthickercoatingstobeappliedthanpreviouslypossiblewiththeotherprocesses.

TheveryhighkineticenergyofparticlesstrikingthesubstratesurfacedonotrequiretheparticlestobefullymoltentoformhighqualityHVOFcoatings.Thisiscertainlyanadvantageforthecarbidecermettypecoatingsandiswherethisprocessreallyexcels.

HVOFcoatingsareusedinapplicationsrequiringthehighestdensityandstrengthnotfoundinmostotherthermalsprayprocesses.Newapplications,previouslynotsuitableforthermalspraycoatingsarebecomingviable.61第六十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期日Highvelocityoxyfuel(HVOF)

sprayingtheversatile,highdepositionratethermalsprayingprocessfordense,highperformancecoatings

62第六十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期日第六十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期日Principle:TheDetonationgunbasicallyconsistsofalongwatercooledbarrelwithinletvalvesforgasesandpowder.Oxygenandfuel(acetylenemostcommon)isfedintothebarrelalongwithachargeofpowder.Asparkisusedtoignitethegasmixtureandtheresultingdetonationheatsandacceleratesthepowdertosupersonicvelocitydownthebarrel.Apulseofnitrogenisusedtopurgethebarrelaftereachdetonation.Thisprocessisrepeatedmanytimesasecond.Thehighkineticenergyofthehotpowderparticlesonimpactwiththesubstrateresultinabuildupofaverydenseandstrongcoating.DetonationThermalSprayingProcess第六十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期日ColdspraycoatingprocessDrAntolliPapyrinandcolleaguesattheRussianAcademyofScienceswerethefirsttodemonstratethecoldsprayprocessinthemid-1980s.

Principle:TheColdSprayprocessbasicallyusestheenergystoredinhighpressurecompressedgastopropelfinepowderparticlesatveryhighvelocities(500-1500m/s).Compressedgas(usuallyhelium)isfedviaaheatingunittothegunwherethegasexitsthroughaspeciallydesignednozzle(lavaltypemostly)atveryhighvelocity.Compressedgasisalsofedviaahighpressurepowderfeedertointroducepowdermaterialintothehighvelocitygasjet.Thepowderparticlesareaccelerated

andmoderatelyheatedtoacertainvelocityandtemperaturewhereonimpactwithasubstratetheydeform

andbondtoformacoating.Aswiththeotherprocessesafinebalancebetweenparticlesize,density,temperatureandvelocityareimportantcriteriatoachievethedesiredcoating.第六十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期日CharacteristicsofcoldsprayprocessTheparticlesremaininthesolidstateandarerelativelycold,sothebulkreactiononimpactissolidstateonly.Theprocessimpartslittletonooxidationtothespraymaterial,sosurfacesstaycleanwhichaidsbonding.Nomeltingandrelativelylowtemperaturesresultinverylowshrinkageoncooling,pluswiththehighstraininducedonimpact,thecoatingstendtobestressedincompressionandnotintensionlikeliquid/solidstatereactionsofmostoftheotherthermalsprayprocesses.Lowtemperaturesalsoaidinretainingtheoriginalpowderchemistryandphasesinthecoating,withonlychangesduedeformationandcoldworking.Bondingreliesonsufficientenergytocausesignificantplasticdeformationoftheparticleandsubstrate.Underthehighimpactstressesandstains,interactionoftheparticleandsubstratesurfacesprobablycausedisruptionofoxidefilmspromotingcontactofchemicallycleansurfacesandhighfrictiongeneratingveryhighlocalisedheatingpromotingbondingsimilartofrictionorexplosivewelding.Coatingsatpresentarelimitedtoductilematerialslikealuminium,stainlesssteel,copper,titanium

andalloys.Hardandbrittlematerialslikeceramicscannotbesprayedinthepureform,butmaybeappliedascompositeswithaductilematrixphase.Substratematerialsarealsolimitedtothosethatcanwithstandtheaggressiveactionofthesprayparticles.Softorfriablesubstrateswilleroderatherthanbecoated.

Thecoldsprayprocessisstillprimarilyintheresearchanddevelopmentstageandonlynowbecomingcommerciallyavailable.

66第六十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期日ColdSprayProcessAdvantages:Lowtemperatureprocess,nobulkpaticlemeltingretainscomposition/phasesofinitialparticlesverylittleoxidationhighhardness,coldworkedmicrostructureeliminatessolidificationstresses,enablesthickercoatingslowdefectcoatingslowerheatinputtoworkpiecereducescoolingrequirementpossibleeliminationofgritblastsubstratepreparationNofuelgasesorextremeelectricalheatingrequiredReduceneedformasking

67第六十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期日ColdSprayProcessDisadvantagesHardbrittlematerialslikeceramicscannotbesprayedwithoutusingductilebindersNotallsubstratematerialswillacceptcoatingHighgasflows,highgasconsumption.HeliumveryexpensiveunlessrecycledStillmainlyinresearchanddevelopmentstage,littlecoatingperformance/historydata68第六十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期日PossibleUsesforColdSprayCoatingsCorrosionprotection,wheretheabsenceofprocess-inducedoxidationmayofferimprovedperformanceElectricalandthermal,wheretheabsenceofprocess-inducedoxidationmayofferimprovedconductivityPre-placementofsoldersandcoatingswherepurityisimportant69第六十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期日Insummary:ColdsprayprocessPowdercompressedgas(helium),heat70第七十页，共九十八页，编辑于2023年，星期日HardchromeplatingAdvantages:Solutionforwear,erosion,corrosionresistanceanddimensionalreclamationformanyyears.areasonablecostperunitofsurfacearea,

Disadvantages:limitationsonthicknessbuild-up,partsize,andinsomeinstancesperformanceinservice.Overthepastfewyears,costshavebeensteadilyescalatingduetothegrowingenvironmentalpressuresandlegislationimposedonthechromeplatingprocessandthedisposalofitsby-products.Alternativetechnology－Thermalsprayingtofindalternativeprocessesthatoffersimilarcharacteristicstohardchromeplating,butwithouttheconsequentrisks.Thermalsprayingtechnologyisincreasinglyofferingaviablealternativetothistechnology,andcouldprovidetheChromePlatingindustrywithcomplimentaryprocessesforpartprotectionandreclamation.71第七十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期日BenefitsofHardChromePlatingHighHardness-HardnessvalueofVickers700-1000.History-Wellknown,wellestablishedprocesswithknownpropertiesandlimitations.SurfaceCoverage-Notalineofsightprocess,willworkoninsidediameters,andoncomplexgeometry.ExcellentSurfaceFinish-Asurfacefinish.EconomicalForThinDeposits-Chromeplatingiseconomicalandreliableforverythindeposits,<25to100um(0.001-0.004”).72第七十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期日LimitationsofHardChromePlating(1)