热喷涂、喷焊与堆焊

第一节热喷涂技术一、喷涂技术的原理与特点1热喷涂原理

利用热能将喷涂材料熔化，再借助高速气流将其雾化，并在高速气流的带动下粒子撞击基材表面，冷凝后形成具有某种功能的涂层。第六章热喷涂、喷焊与堆焊技术ParticleorDropletgenerationAcceleratingHeatingSplatformation:Impact,flatteningSolidification热喷涂原理典型热喷涂系统（1）可在各种基材上制备各种涂层；（2）基材温度低（30～200℃），热影响区浅，变形小；（3）涂层厚度范围宽（0.5～5mm）；（4）操作灵活，可在不同尺寸和形状的工件上喷涂；（5）加热效率低，喷涂材料利用率低，（6）涂层与基体结合强度低。2热喷涂技术的特点1喷涂材料的分类和要求热喷涂材料按材料的形态分线材、棒材和粉末三大类。3、热喷涂材料热喷涂材料分类（金属类）热喷涂材料分类（非金属类）（1）热稳定性好，在高温焰流中不升华，不分解。（2）有较宽的液相区，使熔滴在较长时间内保持液相。（3）与基材有相近的热膨胀系数，以防止因膨胀系数相差过大产生较大的热应力。（4）喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的浸润性，以保证涂层与基材之间有良好的结合性能。（5）一定的形状与尺寸（线材φ1—3mm,粉末φ1—100um)热喷涂材料的要求（1）喷涂材料被加热到熔融状态。（2）喷涂材料被雾化成微小熔滴并高速撞击基体表面，撞击基体的颗粒动能越大和冲击变形越大，形成的涂层结合越好。（3）熔融的高速粒子在冲击基材表面后发生变形，冷凝后形成涂层。4涂层形成过程

式中：Ｓ为粉末在焰流中的运动距离；l为平均边界层的热导率；DＴ为平均边界层的温度梯度；Ｖ为平均焰流速度；Ｌ为粉末材料的熔化潜热；Ｄ为粉末的平均直径；m为平均焰流黏度；Ｐ为粉末密度。

在涂层粉末熔化过程中，将材料参数及有关变量，如热导率、熔化温度等，统一纳入到加热条件及气流动力学方程中，可得到以下不等式。

如右图所示是等离子喷涂钼涂层显微结构形貌图，大小不一的扁平颗粒、未熔化的球形颗粒、夹杂和孔隙组成。5.

涂层结构涂层性能具有方向性，垂直和平行涂层方向上的性能不一致。涂层中伴有氧化物等夹杂，存在部分孔隙，孔隙率4％－20％。

涂层是由无数变形粒子互相交错堆叠在一起，形成一层堆积而成的层状结构。涂层内有一定比例的孔隙，产生原因是：(1)未熔化颗粒的低冲击功能；（1）喷涂角度不同造成的遮蔽效应；（2）凝固收缩和应力释放效应

缺点：孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。优点：但孔隙可以储存润滑剂，提高涂层的隔热性能，减小内应力并因此增加涂层厚度，提高涂层抗热震性能，提高涂层的可磨耗性能。

6热喷涂中的相变相对基体来说，熔滴尺寸非常小，冷却速度可达10∧6K/s,冷却后会形成非晶态或亚稳相，完全不同于同样材料在轧制态或铸态的组织结构。

涂层冷却凝固时，会伴随着收缩过程，颗粒内部会产生张应力而在基体表面产生压应力。结果使涂层内部产生残余张应力，应力大小与涂层厚度成正比，当张应力超过涂层与基材之间结合强度时，涂层就会发生破坏。7

涂层应力

涂层应力由于涂层应力与厚度的关系，热喷涂层的最佳厚度一般不超过0.5mm

残余应力：致密涂层>疏松涂层涂层应力大小可通过调整工艺参数而部分控制，但更有效的方法是采用梯度过渡层缓和涂层应力

减少涂层残余应力措施：（1）减小涂层厚度；（2）调整喷涂工艺参数；（3）采用较疏松涂层；（4）采用梯度过渡层缓和涂层内应力

包括涂层与基材之间、涂层中颗粒与颗粒之间的结合，结合形式有：（1）机械结合：撞成扁平状的颗粒和凸凹不平的基材表面互相嵌合(即抛锚效应)而结合在一起。8涂层的结合强度（2）物理结合：熔融粒子的原子与基材表面原子之间距离达到晶格常数范围时，产生范德华力，形成物理结合。（3）冶金结合：熔融粒子撞击基材表面时释放出的能量使喷涂材料与基材之间发生局部扩散和焊合，形成冶金结合。如喷涂镍包铝复合粉末时的放热反应。热喷涂的涂层与基材的结合主要以机械结合为主，结合强度较差(<70MPa)。

涂层的结合强度质量控制要素（4M）：设备（Machine）、材料（Materials）、工艺（Methods）和人员（Man）。热喷涂工艺流程包括基材表面预处理、热喷涂、后处理和精加工等过程。9热喷涂工艺流程和质量控制热喷涂工艺流程（1）净化处理：清除表面污垢。（2）粗化处理：可提高涂层结合强度，原因如下：

基材表面预处理

①

提供表面压应力；②

提供涂层颗粒互锁的结构；

③

增大结合面积；

④

净化表面。

粗化处理能够使表面粗糙度达到Ra3.2～12.5μm就够了，一般采用喷砂加粘结底层的方法：（1）表面喷砂粗化处理的方法（2）粘结底层某些材料能够在很宽的条件下喷涂并粘结在清洁、光滑的表面上，而且这类涂层表面粗糙度适中，对随后喷涂的其它涂层有良好的粘结作用，因此称为粘结底层。当基体太薄或太硬而不适合采用喷砂处理时，采用粘结底层的方法比较好。

粗化处理的方法

涂层的后处理包括两个方面，一个是封孔处理，一个是致密化处理。

多孔隙是喷涂层的固有缺陷，孔隙度可以从小于1%变到大于15%，或者更高。空隙可以互相连接，甚至可从表面延伸到基体。封孔处理的目的就是填充孔隙。

封孔处理是在喷涂之后、机加工之前进行。

涂层的后处理①防止或阻止涂层界面处的腐蚀；②在某些机械部件中防止液体和压力的密封泄露；③防止污染或研磨碎屑碎片进入涂层；④保持陶瓷涂层的绝缘强度。

封孔处理的作用：常用封孔剂

决定涂层强度的两个关键因素：

①涂层材料受热后的温度②涂层材料加速后的速度所有热喷涂工艺的设计与改进都是围绕这两点来展开的。常用热喷涂技术：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂。二、热喷涂工艺方法

火焰喷涂通过氧－乙炔气体燃烧提供热量加热熔化喷涂材料，通过压缩气体雾化并加速喷涂材料，随后在基材表面沉积形成涂层。燃烧气体的自由膨胀对喷涂材料加速效果有限。为了实现喷涂，喷嘴上

根据喷涂材料的形式不同，火焰喷涂可分为线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。

1火焰喷涂工艺喷涂用线材送入喷枪后，由喷枪内的驱动轮连续输送到喷嘴，在喷嘴前端被同轴燃烧气的火焰加热并熔化，然后被压缩空气雾化并加速，喷涂在基体表面。（1）线材火焰喷涂线材火焰喷涂原理图。线材火焰喷涂设备示意图和喷涂枪用少量气体将喷涂粉末输送到喷枪的喷嘴前端，通过燃气加热、熔化并加速喷涂到基体表面。在喷嘴前端加上空气帽，可以压缩燃烧焰流并提高喷涂速度。（2）粉末火焰喷涂线材火焰喷涂原理图粉末火焰喷涂设备示意图和喷涂枪

火焰喷涂特点焰流温度低（850-2000℃），焰流速度低（50-100m·s-1）设备投资少，操作容易设备可携带到现场施工，无电力要求沉积效率高涂层氧含量较高，孔隙较多，涂层结合强度偏低，涂层质量不高常用的火焰喷涂材料及用途

电弧喷涂原理示意图两根彼此绝缘并加有18~40V直流电压的线形电极，由送丝机构向前输送，当两极靠近时，在两线顶端产生电弧并使顶端熔化，同时吹入的压缩空气使熔融的液滴雾化并形成喷涂束流，沉积在工件表面。

2

电弧喷涂电弧喷涂设备和喷枪1）热效率高达90%2）涂层密度（70～90％）比火焰喷涂涂层致密，结合强度比火焰喷涂高。

电弧喷涂特点3）电弧喷涂可以利用两根成分不同的金属丝制备假合金涂层。4）由于电弧喷涂是两丝同时送进，所以喷涂效率高。5）运行费用较低，火焰喷涂消耗的燃料费是电弧喷涂电费的几十倍。6）只能用于具有导电性能的金属线材

电弧喷涂特点1）在钢铁构件上喷涂锌、铝涂层，对构件进行长效防护。2）在钢铁件上喷铝可防止高温氧化。3）在钢铁件上喷不锈钢或其它耐磨金属，用于耐磨蚀防护。4）在机械零件上喷涂碳钢、青铜等材料，用于修复零部件。5）在塑料制品上喷涂屏蔽涂层等。6）用电弧喷铝或喷锌生产复合钢板。

电弧喷涂的用途

利用非转移等离子弧作为热源对喷涂材料进行加热、加速、涂敷。3

等离子喷涂等离子焰流温度高、流速快，因此喷涂效率高、涂层致密、结合强度高、涂层中夹杂较少，因此喷涂质量很高。由等离子弧电源、电器控制、喷枪、气源、送粉系统、水冷系统等组成。等离子喷涂设备

粉末送入方式：外送式和内送式等离子喷涂设备

氮气：热焓高，价格低廉，是等离子喷涂主要工作气体。

氩气：易于引弧，等离子弧稳定，有很好的气体保护作用。

氢气、氦气：可作为辅助气体，起到改变等离子体能量结构的作用，其中氢气还有防氧化的作用。等离子气体的作用1）耐磨、减磨涂层；2）耐蚀涂层；3）抗高温氧化、抗高温气流冲刷、热障涂层；4）制造金属、陶瓷类高熔点复合材料。（3）等离子喷涂的应用

等离子弧焰流温度高，适合喷涂高熔点材料。涂层密度可达85~98％，结合强度高达35～70Mpa，喷涂质量远优于火焰喷涂层。主要用于：工作原理

氧-乙炔混合气输送到枪管内，同时喂入一份喷涂粉末。然后点燃气体，引起燃烧爆炸，产生3300℃高温，粉末被加热并以2倍音速以上速度喷射到工件表面，形成高结合强度和高致密度的涂层。粉末每喷射一次，就通入一股脉冲氮气流清洗枪管。4．爆炸喷涂1）涂层和基材的结合强度非常高（>85MPa）。2）涂层致密（最高密度可达99.9％）。3）工件表面温度低。4）效率非常低，运行成本高，只用于含碳化物涂层的喷涂。爆炸喷涂特点1）航空发动机钛合金风扇叶片阻尼台上用爆炸喷涂0.25mn厚的WC，寿命提高10倍；2）燃烧室的定位卡环上喷一层0.12mm厚Cr3C2，寿命提高7倍。

爆炸喷涂应用超音速火焰喷涂原理

原理与普通火焰喷涂类似，只是多了一个使喷涂火焰达到超音速的机构超音速火焰喷涂(HighVelocityOxygenFuel，简称HVOF)1）焰流速度高但温度相对较低，适合喷涂含碳化物材料。2）涂层致密（99.9％），表面粗糙度低。3）结合强度略低于爆炸喷涂，达70MPa以上。4）喷涂效率高，但燃料消耗大，喷涂成本比较高。；5）噪音大(>120dB)，需有隔音和防护装置。（3）超音速喷涂的特点6.各种热喷涂方法比较对涂层结合力要求不高，喷涂材料熔点<2500℃，可采用火焰喷涂。对涂层性能要求较高，喷涂高熔点材料时时，应采用等离子喷涂。工程量大的金属喷涂施工最好采用电弧喷涂。要求高结合力、低孔隙度的金属、合金及以某些金属陶瓷涂层可采用超音速火焰喷涂。对于批量大的工件，宜采用自动喷涂。7、喷涂工艺的选择原则三、常用热喷涂材料热喷涂材料按形状分为粉末和线材热喷涂材料按化学组成分为金属热喷涂材料、陶瓷热喷涂材料、塑料热喷涂材料、热喷涂用复合粉末材料。

热喷涂材料的选材原则（1）要把实用性、工艺性和经济性结合起来考虑，尽量选择合理的喷涂材料。（2）对于重要的部件以获得最优涂层性能为准则；不十分重要的部件则以获得最大的经济效益为准则。（3）根据工件的工作环境选择合适的工作涂层。（4）为满足喷涂工件的使用要求，可采用复合涂层和梯度涂层。1金属热喷涂材料金属热喷涂材料一般有线材和粉末两种形式。线材用拉拔法制造，而粉末一般用雾化法制造。由于粉末材料表面积大，氧化程度高，所以在方便的条件下推荐采用线材。但粉末制造方法简单、灵活，材料成分不受限制，因此小批量热喷涂时一般采用粉末材料。常用热喷涂金属材料见书P105~1062陶瓷热喷涂材料陶瓷热喷涂材料最主要形式是粉末，制造方法有熔融破碎、化学共沉淀、喷雾干燥等。另外，将陶瓷粉末烧结制成陶瓷棒可直接喷涂，但成本相对较高，因此应用较少。热喷涂用陶瓷材料主要集中在氧化物陶瓷材料上，因为非氧化物陶瓷材料在喷涂过程中易挥发或分解。常用陶瓷热喷涂材料见书P106

3塑料热喷涂陶瓷材料热喷涂塑料涂层特点比传统塑料涂层成本低、投资少涂层厚度与工作场地无限制，不含溶剂，符合环保要求采用的塑料涂层材料熔化温度范围应较宽、粘度较低、热稳定性应好，一般采用粉末形式常用塑料热喷涂材料见书P1074热喷涂用复合粉末材料热喷涂用复合材料分为两种一类是为适应热喷涂工艺而制备的符合材料，例如，为防止碳化钨材料在喷涂过程中氧化分解而制备的镍包碳化钨复合粉末材料，他们是当前热喷涂用复合材料的主流另一类是通过增强相增强涂层性能的复合材料，如纤维增强涂层材料，这类材料目前还在研究探索过程中常用热喷涂复合材料见书P1071喷涂耐腐蚀涂层

不锈钢涂层：不锈钢电极电位比铁高，易在涂层孔隙处形成原电池，加剧铁基体腐蚀，所以喷涂后必须封孔处理。类似的涂层材料还有镍合金、蒙乃尔合金、青铜等金属涂层。

铝、锌及其合金涂层：锌、铝的腐蚀电极电位高于铁，腐蚀介质首先腐蚀锌和铝，而使铁基体作为阴极得到保护，可用于桥梁、海洋钻井平台等。

塑料涂层：用于化工、食品等行业。（例如葡萄酒低温发酵罐内壁喷涂聚乙烯涂层，有效的防止了罐壁的点蚀，控制了酒中铁离子含量）四、热喷涂技术的应用喷涂耐磨涂层的应用：在机械零件表面喷涂耐磨涂层，延长零件的使用寿命修复磨损失效的机械零件2

喷涂耐磨涂层不同环境下的耐磨涂层纺织、造纸、和印刷等行业，机械零件与布匹、面纱、纸张等纤维制品摩擦，导致磨损。采用等离子喷涂氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层遭遇磨料磨损的机械部件如泥浆泵活塞杆、螺旋送料器等零件，要求涂层硬度超过磨料硬度，采用超音速火焰喷涂或爆炸喷涂技术喷涂镍基或钴基碳化钨涂层。对于在冲蚀和气蚀环境条件下工作的水轮机、抽风机、旋风除尘器等的零件，要求涂层硬度高、韧性好，采用等离子喷涂超细氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层，或选用超音速火焰喷涂或爆炸喷涂技术喷涂钴基碳化钨复合涂层。（4）在配合件的接触运转中可采用可磨耗涂层，可磨耗涂层能自动形成所必须的间隙，提供最佳的密封状态。可磨耗涂层一般采用等离子喷涂或火焰喷涂，涂层成分由金属基体和非金属填料组成。

(1)抗高温氧化涂层：用于改善机械零件的抗高温氧化性能。例如900℃以下，采用超音速火焰喷涂Cr2C3-NiCr涂层；900℃以上，采用大气等离子喷涂氧化锆涂层。(2)

热障涂层：使金属基体与高温环境隔离，保持金属构件的力学性能。例如美国“探险者”卫星表面喷涂了氧化铝保护涂层，由于氧化铝的隔热作用，卫星内部仪器舱温度保持在10~30°C,从而保证了灵敏电子仪器的正常工作。又如采用等离子喷涂氧化锆热障涂层保护航空发动机叶片、燃烧室内壁、活塞发动机活塞顶，通过适当设计涂层厚度，可以使发动机工作温度提高100°C以上。3喷涂耐高温涂层（1）屏蔽涂层喷涂屏蔽涂层，用于消除电磁波和无线电波的干扰（EMI/RFI）,同时消除静电放电火花；用电弧喷涂锌涂层可以提供高能级的衰减（范围达60~120dB）。屏蔽涂层的应用包括计算机终端设备、电子办公设施、药品检测装置和感光电子设备。4喷涂功能涂层（2）生物相容性涂层：在种植体(不锈钢等)表面用等离子喷涂一层生物相容性好的羟基磷灰石涂层，生物组织可以长入涂层中的孔隙中，与种植体形成牢固的结合。5喷涂成型喷涂成型常用技术：电弧喷涂、等离子喷涂电弧喷涂制造冲压塑料和皮革制品模具等离子喷涂陶瓷或耐火金属喷嘴、雷达整流罩、高温炉元件，以及纤维增强钛合金复合材料发动机部件等。用喷涂成型制造的零件孔隙度高，机械强度差，大部分需要经过热压、热等静压等后处理。6热喷涂技术的应用领域和市场

五热喷涂涂层质量评定在GE,P&W以及RR等航空发动机公司建立的热喷涂涂层最终质量标准中，常用的指标为显微硬度和（或）宏观硬度、结合强度、界面和涂层显微结构以及涂层厚度。1涂层厚度的测定简单几何形状基体表面，可直接用游标卡尺或千分尺测量形状较复杂的零件，可采用磁性法和涡流法测厚仪测量磁性法：以探头对磁性基体磁通量或互感电流为基准，利用非磁性涂层的厚度不同，以探头磁通量或互感电流的变化值来测量覆盖层厚度。涡流法：利用高频磁场引起金属内部涡流，涡流产生的磁场又影响探头的阻抗，测量其阻抗值就可确定涂层的厚度。2孔隙率测定涂层中的孔隙率可以采用阿基米德方法和金相法，前者是通过比较涂层实际密度和涂层材料理论密度的差别来确定，后者是通过图像分析确定。涂层封孔处理后的残余穿孔测定可以采用试剂试验方法和高压放电试验方法。（1）计算法：按图3－51加工涂层试样并称重，涂层密度ρc：

式中G－试样重量；ρs－基材密度；Vs－基材体积；Vc－涂层体积。根据ρc算出涂层孔隙度孔隙度＝式中，ρm－涂层材料密度（ρm可从相关手册中查得）。3结合强度测定热喷涂层结合强度的测定一般采用拉伸法，其原理见书P111所示。将胶粘好的试样，装在试验机上，在规定的条件下，均匀、连续地施加载荷，至试样断裂，记录最大断裂强度，用下式计算涂层结合强度：

σb＝F／A0

式中，σb为涂层结合强度；F为试样断裂载荷；A0为试样涂层面积。涂层剪切强度：用粘结剂将涂层A粘在B上(a)，然后拉伸使涂层与基材分离；或用(b)方法在材料试验机上缓慢加压，直至涂层被剪切剥离，此时涂层的剪切强度Fτ：

式中，P－涂层剪切剥离时的载荷；D－试样末喷涂前的直径；L－涂层在试样上的宽度。涂层的弯曲强度：将涂层试样弯曲到一定角度时，涂层开始出现龟裂的弯曲角度就是涂层的弯曲强度。4涂层显微结构观察涂层显微结构分析手段：金相分析、SEM、TEM等。但是对涂层进行涂层截面分析时，试样制作非常关键。因为涂层薄而脆，所以对试样的切割、镶样以及研磨抛光都有特殊要求。

1910年：线材火焰喷涂技术；20年代：电弧丝喷涂技术；50年代：爆炸喷涂和等离子喷涂技术；60年代：自熔性合金粉末火焰、等离子喷涂和喷焊技术；80年代：超音速火焰喷涂技术；90年代：激光熔覆技术。六热喷涂技术的发展过程60年代以来主要喷涂方法的应用比例

（1）大功率高热焓等离子喷涂，提高喷涂效率，降低成本。（2）精密喷涂技术。（3）用热喷涂法部分代替镀硬铬的工艺。（4）新型热障涂层，如喷涂0.3mm的MCrAlY热障涂层可使基材温度降低200～300℃。（5）喷涂新材料，如纳米涂层材料、非晶态涂层材料。（6）计算机自动控制，提高生产效率，减少工作强度。

七热喷涂技术主要发展动向（7）在较低温度下具有高速飞行的喷涂（如脉冲放电线爆喷涂和冷喷涂技术

）热喷焊

用热源将涂层材料重熔，使涂层内颗粒之间、涂层与基体之间形成无孔隙的冶金结合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第二节热喷焊工艺与特点

工件表面温度：喷涂时工件表面温度<250℃；喷焊要>900℃。

结合状态：喷涂层以机械结合为主；喷焊层是冶金结合。

粉末材料：喷焊用自熔性合金粉末，喷涂粉末不受限制。

涂层结构：喷涂层有孔隙，喷焊层均匀致密无孔隙。

承载能力：喷焊层可承受冲击载荷和较高的接触应力。1、热喷焊工艺与热喷涂工艺的区别

一、热喷焊的特点（6）涂层成分：热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有一定差别

2稀释率热喷焊过程中基体表面会少量熔