第二章 热喷涂技术

1第二章热喷涂技术

定义：热喷涂—是将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，用高速气流将其雾化、加速，使其高速喷射到工件表面形成具有特殊性能的涂层。2热喷涂TiC3第一节热喷涂的原理及分类1.1热喷涂的基本原理一、基本过程加热、加速、熔化（颗粒状）雾化（10-100μm

），再加速---形成高速粒子流。熔融与半熔融的高速粒子流撞击到基材，变形、凝固，形成涂层。4涂层的形成5二、涂层与基体间的结合强度

1机械结合：高速粒子—撞击—粒子微变形—咬合

可见，表面粗化有利于结合强度提高。

2金属键结合：当颗粒与基体表面达到原子间距时，会产生金属键结合。----理论上的确存在，实际上作用极小

3微扩散结合：高速、高温、熔融或半熔融的粒子撞击到基体表面，在界面上会造成微小的扩散，使结合力增加。

但，此结合力贡献不大，因为基体温度只有200℃左右。机械结合-----为主金属键结合—很小一般而言，热喷涂涂层结合强度较低！微扩散结合—很小只相当于其母体材料的5~30%。

4冶金结合：Ni-Al粉，T=660℃时自反应放热—基体表面T↑↑—形成冶金结合—结合力最好。特指中间过渡层！！总之，热喷涂涂层结合力↓↓，但工艺简单。61.2热喷涂涂层的质量及影响因素一、热喷涂涂层常见的缺陷及预防措施涂层剥落原因：冷却时涂层与基体收缩不一致，涂层中产生拉应力。结合强度低于涂层拉应力时，剥落。措施：工件表面--清洁、粗糙喷涂颗粒—速度↑、

T↑

工件预热--↓涂层应力涂层保护点—在工件边缘预置小槽，或堆焊一周。7裂纹原因：同上，涂层中拉应力小于膜基结合强度而又大于涂层的抗拉强度时，涂层开裂。措施：每次喷涂，薄而均匀(﹤0.15mm)。太厚，收缩应力↑↑涂层T不要太高，否则收缩应力↑↑

(矛盾！因T↓，结合力↓，涂层易剥落。)

工件预热，缓慢冷却，收缩应力↓多孔疏松原因：孔隙率：2-20%。--是喷涂难题之一措施：↑粉末T，全熔最好—但应力又↑垂直喷射—事实上不可能8二、影响热喷涂涂层质量的主要因素喷涂工艺的影响①工艺方法：②粉体在加热介质中的运行时间t----t↑，T↑③粉体在加速介质中的运行时间t----t↑，v↑②、③都取决于工件与喷嘴间的距离s，总而言之，喷涂工艺问题就是T、v问题火焰等离子电弧爆炸超音速T~3000℃~16000℃7400℃5000℃2900℃v50-200m/s350m/s200m/s720m/s986m/sS近距中距远距T加热不充分，T↓~100mm左右T、v最高远离热源，冷却，T↓v加速不充分，v↓空气阻力，v↓92.喷涂材料的影响①材料成分----决定材料的热扩散系数DrDmax=3.65(Dr×t)1/2

其中Dmax为粉末在喷涂过程中能达到距表面90%深度处于熔融状态（半熔融）时的最大直径；t为加热时间显然，若粉末直径相同时，Dmax越大，粉末熔融程度越高。②几种典型材料的Dr及Dmax

显然，TaC最易喷涂----实际上仍是Dr所决定③材料的粒径：D↓--T↑、v↑--结合力↑，涂层质量↑

D太小--价格↑，且易被气流带走。MaterialsZrO2TiCTiNTaCDr,cm2/s0.0050.040.070.09Dmax,μm

267296110101.3热喷涂技术的特点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；几乎所有固体材料都可以作为热喷涂的基材。基体温度低：基材温度一般在30~200℃之间，因此变形小。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。涂层厚度可控,范围宽：从几十微米到几毫米的涂层都能制备。喷涂效率高、成本低：生产效率为每小时数公斤到数十公斤。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。111.4热喷涂的一般工艺流程一、表面预处理去油、脱脂、除锈、去尘----↑结合力二、表面粗化喷砂----增大接触面积开槽----增加结合点↑结合力三、预热↑微扩散，↓热应力----↑结合力除去表面冷凝物、潮气----↓气孔率四、喷涂喷底层(Ni包Al，Al包Ni)--粗化，↑结合力喷涂层----0.15-0.2mm/次，总厚度﹤2mm五、封孔工件加热到~95℃，涂上石蜡----防腐蚀表面预处理表面粗化预热喷涂封孔12热喷涂基体表面预处理基体金属表面的预处理状况，决定着热喷涂涂层与基体的结合性能，因此对其使用寿命有决定性的影响。表面预处理包括表面净化，除去金属表面的油脂、其他污物、锈、氧化皮、旧涂层、焊接熔粒，以及对表面的粗化处理。喷砂、车螺纹、滚花和电拉毛。

13涂层后处理和后加工涂层后处理包括后热处理（重熔处理和扩散处理）及封孔处理。涂层后加工包括切削和磨削，切削热喷涂涂层较好的刀具有以下3类：（1）添加碳化钽、碳化铌的超细晶粒硬质合金；（2）陶瓷刀具材料；（3）立方氮化硼（CBN）。热喷涂涂层的精加工通常采用磨削方法，因为它可以获得更高的精度与更好的表面粗糙度。

14第二节典型热喷涂简介常用热喷涂的工艺分类152.1火焰喷涂

火焰喷涂的基本原理是通过乙炔、氧气喷嘴出口处产生的火焰，将线材（棒材）或粉末材料加热熔化，借助压缩空气使其雾化成微细颗粒，喷向经预先处理的粗糙工件表面使之形成涂层。燃烧气体还可以用丙烷、氢气或天然气等。粉末火焰喷涂的原理示意图161.中心火焰最高可达3000℃2.雾化颗粒速度可达10-20m/s3.适用于熔点低于2500℃材料4.设备简单,投资低火焰喷涂特点17常用的火焰喷涂涂层及作用涂层应用锌、铝钢结构的防腐涂层镍/铝粘结底层钼粘结底层，优异的抗粘着磨损性能高铬钢耐磨保护涂层青铜，巴氏合金轴承修复不锈钢、镍、塑料耐腐蚀涂层铝、镍/铝抗热氧化涂层182.2等离子喷涂

等离子喷涂法是利用等离子焰的热能将引入的喷涂粉末加热到熔融或半熔融状态，并在高速等离子焰的作用下，高速撞击工件表面，并沉积在经过粗糙处理的工件表面形成很薄的涂层。涂层与母材的结合主要是机械结合.等离子喷涂原理图等离子喷焊原理图192.2等离子喷涂原理：等离子喷枪的作用是产生等离子火焰并喷射出高速气流。等离子喷枪由铜阳极嘴和钨阴极头组成。气体从阴极流向阳极，经压缩、离化后从阳极喷射出去。压缩后的等离子电弧，通过阳极孔道喷出后，离子气发生急剧膨胀，将压缩气流加速到亚音速甚至超音速水平，粉末被迅速加热、加速，并喷涂到基体表面。优点：等离子喷涂的最大优势是焰流温度高，喷涂材料适应面广，特别适合喷涂高熔点材料。等离子喷涂层的密度可达理论密度的

85~98%，真空喷涂可达95~99.5%，结合强度也很高(35~70Mpa)，而且涂层中夹杂较少，喷涂质量远优于火焰喷涂层。20等离子喷涂特点1.等离子体温度可达10000℃以上2.雾化颗粒速度可达600m/s以上3.适用于各种材料4.设备投资高21火焰喷涂(左)和大气等离子喷涂(右)Ni80Cr20涂层的金相组织222.3电弧喷涂(ArcSpray)原理：电弧喷涂的基本原理是将两根被喷涂的金属丝作自耗性电极，连续送进的两根金属丝分别与直流的正负极相连接。在金属丝端部短接的瞬间，由于高电流密度，使两根金属丝间产生电弧，将两根金属丝端部同时熔化，在电源作用下，维持电弧稳定燃烧；在电弧发射点的背后由喷嘴喷射出的高速压缩空气使熔化的金属脱离金属丝并雾化成微粒，在高速气流作用下喷射到基材表面而形成涂层。23特点：电弧喷涂只能用于具有导电性能的金属线材。电弧喷涂的涂层密度可达70~90%，比火焰喷涂涂层要致密、结合强度(10~40MPa)高。且运行费用较低，沉积效率高。电弧温度可达5000℃，雾化颗粒速度可达180—335m/s。应用：是喷涂大面积涂层尤其是长效防腐锌、铝涂层的最佳选择。242.4爆炸喷涂原理：氧气、燃料(如乙炔)和粉末输送到枪管内，点燃混合气体产生爆炸，使粉末加热、加速，以超音速喷出，沉积在基体表面。每次喷射后通入氮气流清洗枪管。目前，爆炸喷涂的频率达60Hz。特点：喷射速度快、结合强度高(85Mpa)；涂层密度可达99.9%。焰流温度不太高，不适合喷涂陶瓷等高熔点材料，但可解决碳化物高温分解难题。一般专用于喷涂碳化物或金属陶瓷涂层。缺点：喷涂效率非常低，运行成本相对较高。252.5超音速喷涂(HighVelocityOxygenFuel，简称HVOF)

原理：采用高压水冷的反应腔和细长的喷射管，燃料(煤油、乙炔、丙烯和氢气)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。喷涂粉末可以用高压轴向送入或从喷射管侧面送入。特点：速度高而温度相对较低。密度可达99.9%，结合强度达70Mpa以上。残余应力小，甚至可以得到残余压应力，故可喷涂更厚的涂层（最大厚度为12.7mm）。同样适合喷涂含碳化物涂层。缺点：燃料消耗大，喷涂效率比爆炸喷涂高，但成本仍然比较高。26现代热喷涂枪从上至下：超音速火焰喷枪，等离子喷枪，火焰喷枪，电弧喷枪27常用热喷涂技术的工艺特性比较项目火焰喷涂电弧喷涂等离子喷涂爆炸喷涂超音速火焰喷涂热源O2+C2H4电弧加热电弧产生高温低压等离子体O2+C2H2煤油、乙烯、丙烯、氢气焰流温度(oC)850~200020,00020,000未知1400~2500焰流速度(m/s)50~10030~500200~1200800~1200300~1200颗粒速度(m/s)20~8020~30030~800~800100~1000热效率60~80%90%35~55%未知50~70%沉积效率50~80%70~90%50~80%未知70~90%喷涂材料形态粉末,线材线材粉末粉末粉末结合强度(Mpa)>7>10>35>85>70最小孔隙率<12%<10%<2%<0.1%<0.1%最大涂层厚度0.2~1.00.1~3.00.05~0.50.05~0.10.1~1.2mm喷涂成本低低高高较高设备特点简单,可现场施工简单,可现场施工复杂,但适合高熔点材料较复杂,效率低,应用面窄一般,可现场施工28第三节热喷涂材料的基本成分与特点3.1热喷涂材料应具有的工艺性能一、热稳定性，否则氧化烧损----如木材蒸发升华----如乙醚二、热膨胀系数匹配结合强度↑矛盾使用性能↓三、良好的固态流动性----顺利送粉，涂层均匀四、良好的湿润性结合强度↓，孔隙率↑

结合强度↑，孔隙率↓293.2热喷涂材料的分类一、按形态分类-----线、棒、粉末二、按功能分类耐磨损----陶瓷，铁基，Co基，Ni基合金和难熔金属耐腐蚀----Zn、Al、Ni基合金和Al2O3类陶瓷抗高温----氧化物类陶瓷、Ni-Cr合金和Co基合金三、按成分分类金属材料陶瓷材料塑料材料复合材料303.3粉末材料一、非复合型粉末每个颗粒内成分是均匀一致的，如金属粉、高分子粉、陶瓷粉等。1.自熔性粉末在铁、钴、镍基合金中加入强脱氧元素B、Si后，成为一种能自行脱氧、造渣的低熔点金属。特点：⑴自熔性；B、Si是强脱氧元素，具有脱氧、造渣能力。⑵低熔点；B、Si加入—形成共晶—熔点↓↓。⑶湿润性；B、Si使表面氧化物溶解—表面张力↓↓。⑷良好的固态流动性。2.陶瓷材料具有硬度高、熔点高、热稳定性及化学性能好的特点，用作涂层可有效地提高基体材料的耐磨损、耐高温或耐腐蚀性能。Al2O3、TiO2、Cr2O3、ZrO2等氧化物为最常用的一类陶瓷喷涂材料。Al2O3、TiO2、Cr2O3常用于耐磨损零件，而ZrO2主要用作热障涂层。313.混合粉末将金属粉陶瓷粉按一定比例混合。陶瓷粉—硬度高，高温性能好，但韧性差。金属粉—硬度低，高温性能差，但韧性好。希望：继承两者优点，避免两者弱点----有一定效果。事实：优点弱点皆遗传，且因比重不同常有成分偏析----不理想。32常用金属热喷涂材料金属涂层材料种类材料形状常用喷涂工艺功能铁基合金低碳钢材料高碳钢材料不锈钢材料线材，粉末线材，粉末线材，粉末电弧、火焰喷涂电弧、火焰喷涂电弧、火焰喷涂修复耐磨涂层耐腐蚀涂层镍基合金镍铬合金镍铜合金(蒙乃尔合金)镍铬铝钇线材，粉末线材，粉末

粉末电弧、火焰喷涂电弧、火焰喷涂

低压等离子喷涂耐热耐蚀涂层耐蚀涂层

耐高温氧化腐蚀钴基合金钴铬钨(司太立合金)钴铬铝钇粉末粉末等离子、超音速火焰喷涂高温耐磨、耐冲蚀耐高温氧化腐蚀铜基合金纯铜(紫铜)黄铜铝青铜锡青铜铜镍合金线材，粉末线材，粉末线材，粉末线材，粉末线材，粉末电弧、火焰喷涂导电、电磁屏蔽耐海水或汽油腐蚀耐磨、抗气蚀涂层减摩涂层耐海水腐蚀涂层锌、铝合金锌,铝锌铝合金线材线材电弧、火焰喷涂耐环境腐蚀，电磁屏蔽，摩阻涂层其它金属材料锡基巴氏合金铅基巴氏合金钼,钨

线材，粉末火焰喷涂

滑动轴承涂层滑动轴承涂层耐磨,抗烧蚀涂层

33常用陶瓷热喷涂材料陶瓷涂层材料种类材料形状喷涂工艺功能氧化铝基材料氧化铝氧化铝-氧化钛粉末棒材等离子喷涂、火焰喷涂耐磨、绝缘涂层耐磨、耐纤维磨损、耐熔融金属侵蚀涂层氧化铬粉末棒材等离子喷涂耐磨涂层氧化锆氧化锆-氧化钙氧化锆-氧化镁氧化锆-氧化钇粉末等离子喷涂热障涂层莫来石粉末等离子喷涂耐熔融金属、玻璃、炉渣侵蚀涂层尖晶石粉末等离子喷涂耐熔融金属、玻璃、炉渣侵蚀涂层锆英石粉末等离子喷涂耐高温磨损涂层34常用的热喷涂塑料塑料涂层材料种类材料形式常用喷涂工艺功能聚酰胺(尼龙)尼龙66尼龙12尼龙1010粉末火焰喷涂耐蚀、绝缘、耐磨减摩、装饰涂层聚氨脂粉末火焰喷涂耐蚀、装饰涂层聚乙烯聚乙烯聚氯乙烯聚四氟乙烯粉末火焰喷涂耐磨、耐蚀、装饰涂层聚苯硫醚(PPS)粉末火焰喷涂高温耐蚀涂层PEEK粉末火焰喷涂高温耐蚀涂层35二、复合型粉末1.包覆型复合粉末2.非包覆型复合粉末优点：解决了混合粉的比重偏析问题。，制备工艺复杂。不足：制备难度大36TEMimagesofAg@SiO2nanostructurespreparedwithdifferentamountsof0.1mol/LTSC.(a)0,(b)0.1ml,(c)0.2ml,