表面涂敷技术-6

第六章表面涂敷技术第六章表面涂敷技术表面涂装6.1热喷涂6.2堆焊6.3

其它涂敷技术6.46.1表面涂装1.涂装相关概念涂装：用有机涂料通过一定的方法涂覆于材料或制件表面，形成涂膜的全部工艺过程。油漆：植物油涂料：合成树脂涂料：概念广泛，传统涂料、水性涂料、粉末涂料等涂料的组成溶剂挥发类：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，一般为自然干燥型涂料，容易重新涂装。固化干燥类：成膜物质一般是相对分子质量较低的线性聚合物，可溶解于特定的溶剂中，经涂装、溶剂挥发后，就可通过化学反应交联固化成膜。气干型、烘烤型、两罐型、辐射型。涂料种类涂料名由颜色或颜料名称+成膜物质名称+基本名称组成。例如：白色丙烯酸磁漆，铁红环氧底漆。在涂料命名时，除了粉末涂料外仍采用“漆”一词，对涂料具体品种称为某某漆，而在统称时用“涂料”而不用“漆”一词。对于某些有专业用途及特性的产品，必要时在成膜物质后面加以说明。例如：红醇酸导电磁漆，白硝基外用磁漆。涂料产品的命名涂料编号时采用的型号由三部分组成：第一部分是成膜物质，用汉语拼音字母表示；第二部分是基本名称，用两位数字表示；第三部分是序号，用以表示同类品种间的组成、配比或用途的不同。这样组成的型号就只表示一个涂料品种，而不会重复。例如：C04-2

各色醇酸磁漆涂料产品的命名涂装预处理涂装干燥固化预处理：清除污垢、化学处理（磷化、钝化）、消除缺陷、合适粗糙度。涂布方法：各种类型干燥固化：自然干燥、人工干燥（加热、照射）涂装工艺过程在交通道路上，由醒目涂料颜色制成的各种标志牌和道路分离线，在黑夜中依然明亮清晰，可以防止各种交通事故的发生。

静电喷涂：是用静电喷枪使油漆雾化并带负电荷，与接地的工件间形成高压静电场，静电引力使漆雾均匀沉积在工件表面。涂膜均匀易于自动化油漆利用率高电泳涂装：将电泳漆用水稀释到固体分为10-15%左右，加入电泳槽内，将工件浸入作为电极，通以直流电时电泳漆中的树脂和颜料移向工件，沉积在工件表面，烘干后形成均匀的漆层。生产效率高安全环保：水涂膜均匀、附着力好粉末涂装：以粉末形态进行涂装，经熔融或交联固化形成涂膜。树脂分子量大：质量、耐久性好损失少：可回收专用设备、调色难、薄层难、单涂层无溶剂：无毒温度高、可涂厚膜缺点：优点：粉末涂装生产线静电粉末：喷涂、固化炉耐高温涂层：有机硅+玻璃陶瓷，1370℃烧蚀涂料：能够碳化、泡沸碳；美国火星的“海盗”号飞船的舱身和外露部件均涂有一层12.7ｍｍ厚的有机硅树脂中的酚醛-玻璃珠-软木的绝缘层，耐摩擦产生的温度约1482℃。示温涂料：随温度变化而变颜色，晶型转变、结构转变、脱水、分解、固相反应。伪装涂料隐身涂料：吸收电磁波，铁氧体、氧化镁等铁磁性物质荧光涂料：发光材料6.2热喷涂1.什么是热喷涂？热喷涂：采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，将粉末状或丝状的金属或非金属喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，并用热源自身的动力或外加高速气流雾化，使喷涂材料的熔滴以一定的速度喷向经过预处理的工件表面，依靠喷涂材料的物理变化和化学反应，形成附着牢固的表面层的加工方法。热喷涂原理2.热喷涂原理雾化变形凝固堆积3.热喷涂涂层结构机械结合：凸凹不平表面相互咬合冶金结合：涂层粒子和基体产生扩散微区物理结合：高速粒子撞击，晶格范围，范德华力粒子间结合：机械为主、扩散冶金也存在4.热喷涂涂层结合力的特点主要为机械结合各种基体材料：金属、玻璃、陶瓷、有机材料方法多样：有十几种之多。喷涂材料种类广泛：金属、合金、陶瓷、有机喷涂工件不受限制：大面积、小工件均可涂层厚度可控：几十微米到几毫米5.热喷涂技术的主要优点线材：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。锌丝粉末：金属及合金粉末、陶瓷粉、复合材料粉末和塑料颗粒等。镍基合金粉。6.热喷涂涂层材料的主要形式7.热喷涂各种技术的特点比较7.热喷涂各种技术的特点比较线材火焰喷涂：设备简单，价格便宜，手持操作，调节简单，工件表面温度较低，粉末火焰喷涂：颗粒由表面向内部融化，不存在破碎和雾化，粉末粒度决定喷涂粒度，存在不同部分融化不一致问题。7.热喷涂各种技术的特点比较工件表面准备：洁净、粗糙、新鲜，酸洗或喷砂除氧化皮，有机溶剂或碱水除污，车削、磨削、喷砂粗糙预热：提高工件与熔滴接触温度，有利于咬合；降低冷却速度（应力）；去除表面水分。喷涂：火焰温度、供给速度、气体压力、喷涂距离、喷涂角度、喷涂移动速度。喷后处理：有孔结构，蜡或树脂封口。8.热喷涂技术的主要工艺电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，输送直流或交流电，利用丝材端部产生的电弧作为热源来熔化金属，用压缩气流雾化熔滴并喷射在基材表面形成涂层。喷涂导电材料，喷涂颗粒大小不匀，质地不均，烧失量大但效率高，液滴变形量大，结合强度高，价格便宜电弧电压、电弧电流、送丝速度、气体压力和流量、喷涂距离，9.电弧喷涂技术等离子喷涂是以电弧放电产生等离子体作为高温热源，以喷涂粉末材料为主，将喷涂粉末加热至熔化或熔融状态，在等离子射流加速下获得很高速度，喷射到基材表面形成涂层。工作气体为氩气或氦气，工作温度高，可熔化所有金属，喷涂效率高，涂层致密结合强度高。输入功率，气体及流量，供粉速度，喷涂距离，喷涂角，移动速度。9.等离子喷涂技术等离子喷涂由于能产生特别高的温度，所以它可以喷涂任何一种可熔材料。

等离子喷涂层组织细密，氧化物夹渣少，气孔率低，涂层与基体结合程度高，最高可达到70MPa，其结合机理以机械结合为主，在一些微区产生了冶金结合和物理结合。与其它喷涂技术相比，等离子喷涂具有下列特点：（1）能够喷涂多种喷涂材料，尤其能喷涂熔点高的难熔材料，如难熔金属、陶瓷、金属陶瓷及其它特殊功能材料。（2）可以选择惰性气体做为工作介质，减少了喷涂粒子在飞行过程中的氧化反应。

（3）涂层的结合强度高，气孔率低。（4）能通过控制工艺参数制备精细涂层。

因此，等离子喷涂主要用于制备涂层质量要求高的耐蚀涂层；耐磨、减摩、固体润滑涂层；导电、绝缘涂层；隔热涂层、抗高温涂层和特殊涂层，在机械制造、石油化工、航天航空、交通运输、能源及电子工业中得到应用。（1）大功率在高热能的条件下，配合高速喷嘴，使粉末微粒速度增大，而获得高的动能，于是粉末微粒在喷向基体表面时的热能和动能转化为涂层的结合能就高，从而提高了涂层的结合强度和涂层的致密度。等离子喷涂的新进展（2）LowPressurePlasmaSprayingVacuumPlasmaSpraying（a）涂层受氧化污染小，含杂质也少，故涂层的质量优于大气环境下喷涂涂层。尤以对于氧敏感的材料如钛、钽、铌等材料是理想的喷涂环境。（b）在真空室内进行，所以减少了对周围环境的污染；且噪音小，对操作者的健康是有利的。（c）由于是计算机程控自动操作，故涂层的工艺参数重复性好，涂层生产性能稳定；且能通过数理统计选出最佳工艺参数，提高了涂层质量。（3）新设备①AxialIII型等离子喷涂设备

加拿大Mettech----三阴极轴向送粉等离子喷涂系统。传统的枪外送粉方式是将粉末从径向送入等子焰流，这样就会有部分粉末穿过或没有进入等离子焰，降低了粉末的沉积效率，又影响了涂层质量。而AxialIII则可完全避免这些缺点。AxialIII轴向送粉喷枪包括3对相互独立的阳极和阴极，从而实现真正意义上的轴向送粉。高沉积效率、高送粉速率低孔隙率、较高的涂层硬度对粉末粒度分布要求不高。喷涂WC-Co，AxialIII可以比HVOF节省75%～80%的时间。目前，采用热喷涂工艺代替电镀铬成为新的研究方向，AxialIII已经在许多领域替代了电镀铬，材料方面包括WC-Co，Cr-NiCr，Ti，NiCrBSi。此外，AxialIII在制备要求较高的涂层方面，如网纹传墨辊涂层、报纸印刷辊涂层等也具有明显的优势。（3）新设备②Multicoat型等离子喷涂设备Multicoat为全球最大的热喷涂公司—瑞士SulzerMetco公司研制的最新型的等离子喷涂设备。Multicoat的设计基于“平台”概念，即使用相同的主平台，配备不同的软硬件及相应组件，可以实现不同的喷涂工艺。（3）新设备②Multicoat型等离子喷涂设备Multicoat可以进行大气等离子喷涂（APS）、真空等离子喷涂（VPS）和超音速火焰喷涂（HVOF）。与以前的等离子喷涂设备相比，Multicoat将气体部分独立出来，这样既可以避免其他电路对质量流量计的干扰，又可以避免氢气泄漏发生危险，提高了系统的安全性。（3）新设备③5500-2000型等离子喷涂设备

美国PRAXAIR-TAFA公司开发的等离子喷涂系统。采用专有软件实时控制和监测等离子弧的实际能量，即净能量。操作者键入优化参数后，控制模块控制整个工艺过程，监测和实时显示喷枪效率，使系统参数根据喷枪条件而反应，并作出相应调节以维护目标等离子体能量，提供稳定的能量输出水平。（3）新设备③5500-2000型等离子喷涂设备

PRAXAIR-TAFA公司还开发出了类似Multicoat的多功能喷涂系统GTS，和大功率等离子喷涂系统PlazJet（喷涂功率可以达到200kW），其中GTS可以进行等离子喷涂、超音速火焰喷涂和电弧喷涂。PlazJet在国内已有数家用户。（3）新设备④水稳等离子喷涂水稳等离子喷涂是一种高功率和高速等离子喷涂方法,它是在由高速旋转的水形成的隧道里产生的弧中,水蒸气分解形成O2和H2的等离子工作气的喷涂方法。与气体等离子喷涂方法相比,其焰流温度更高体积更大更长,特别是能量更高,因而特别适合于高熔点氧化物陶瓷的大量喷涂。（3）新设备④水稳等离子喷涂优点：输出功率大(150-200kw),涂层结合强度是气体等离子喷涂涂层的2-3倍,并且涂层致密,其硬度、耐磨性和耐热冲击性能也有很大提高；喷涂效率高,喷涂能力最大为50kg/h；涂层厚度可达20mm；只需水和空气,运行成本低,比其他喷涂方法经济。缺点：焰流为氧化焰,不适喷涂容易氧化的材料。此外,喷涂枪体积较大,比较笨重。60年代----美国Browining----JetKote法1983年----美国专利在设备工艺上必须提供足够高的气体压力，以产生高达5倍于音速的焰流（1830m／s）。气体的消耗量也很大，所以需要庞大的供气系统，就氧气而言，通常是一般火焰喷涂的10倍。超音速火焰喷涂（一）超音速火焰喷涂原理超音速喷涂是通过一个喷嘴实现的，这个喷嘴是按流体动力学的原理设计的。喷嘴的流道是由细的喉管和逐渐加粗到某一尺寸的锥形管组成，这种结构被称为Laval喷嘴。喷涂时，燃料气体和助燃剂（O2）以一定的比例导入燃烧室内混合，爆炸式燃烧，高温燃气经燃烧室上部燃烧头内的四根倾斜喷管进入铜喷嘴，粉末由送粉气（Ar或N2）定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃气中。由高温高速燃气带出喷嘴，直接喷在件上。整个喷枪由循环水冷却。超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂

在国内,武汉材料保护研究所,北京钢铁研究总院,北京钛得新工艺材料有限公司等也在进行这方面研究,并生产出有自己特色的超音速喷涂装置。

（二）超音速喷涂的特点（1）粉粒温度较低，氧化较轻，但只适于喷涂金属粉末、Co－WC粉末以及低熔点TiO2陶瓷粉末。（2）粉粒运动速度高，喷涂效率高，涂层表面粗糙度低。（3）粉粒尺寸小（10～53μm）、分布范围窄，否则不能熔化。（4）涂层结合强度、致密度高，无分层现象。（5）喷涂距离可在较大范围内变动，而不影响喷涂质量。（6）噪音大（＞120dB），需有隔音和防护装置。超音速火焰喷涂（三）涂层性能及应用粉粒速度高，温度低，因而涂层的质量明显优于常用的等离子涂层。美国最大的喷涂公司Akron公司自1982年以来一直用Jet－Kote法为美国各火力发电站的过热蒸气发生器管路系统涂316、420不锈钢防腐涂层，取得很好的经济效益。超音速火焰喷涂（三）涂层性能及应用美国通用飞机公司对喷气发动机易受磨粒磨损、粘着磨损和冲蚀磨损的主要部件用Jet－Kote法和等离子法喷涂钴基耐磨合金后的涂层进行了系统的对比研究，结果表明：Jet－Kote法所得涂层性能明显优于等离子涂层，而且涂层的结合强度，氧化物含量少。超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂（一）爆炸喷涂的工作原理美国联合碳化物公司的专利，其设备及工艺参数至今仍然保密。（1955年）原苏联乌克兰科学院材料问题研究所--其喷涂性能与美国联合碳化物公司有差距（1968年）。我国于1985年左右,由中国航天工业部航空材料研究所研制成功爆炸喷涂设备,就Co/WC涂层性能来看，喷涂性能与美国联合碳化物公司的水平接近。DetonationFlameSpraying爆炸喷涂爆炸喷涂是利用氧气和乙炔气点火燃烧，造成气体膨胀而产生爆炸，释放热能和冲击波。热能使喷涂的粉末熔融，冲击波使熔融粉末以约800m/s速度喷射到零件表面上形成涂层。爆炸喷涂爆炸喷涂“第聂泊-3”型爆炸喷涂设备爆炸喷涂（二）爆炸喷涂涂层的特点（1）结合强度高，Co-WC粉末，涂层结合强度可达100MPa以上，而等离子喷涂30MPa。可以喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷材料。（2）涂层致密，气孔率很低（1%～2%），表面平整；涂层表面加工后粗糙度低，工件表面温度低。（3）设备价格高、噪音大；由于氧化性气氛等原因，国内外使用还不广泛。爆炸喷涂（三）爆炸喷涂的应用在零件的磨损面上用爆炸喷涂工艺喷上耐磨涂层可使零件耐磨寿命延长数倍至数十倍。例如在航空发动机的一、二级钛合金风扇叶片的中间阻尼台上，用爆炸喷涂涂上一层0.25mm厚的WC层，寿命可以从100h延长到10000h。在燃烧室的定位卡环上喷上一层0.12mm厚的Cr3C2涂层。零件的寿命可从4000h延长到28000h以上。在国外、爆炸喷涂已成功地应用于50多种航空产品的零件上。如低压压气机叶片、涡轮叶片。轮壳封严增、齿轮轴、火焰筒外壁、衬套、副翼、制动装置等。航空发动机叶片喷涂0.25mm的氧化锆-氧化钇涂层，耐高温、高速，燃气腐蚀的寿命提高了4倍，冷却空气减少50%。涡轮发动机内温度要达到1400-1500℃，高温合金的极限1200多℃，可热喷涂抗氧化合金底层和熔点高、导热低的氧化锆陶瓷热障涂层，外壁温度明显降低。钢铁工业的铸造模一直采用镀铬处理，但表面强度下降很快，采用喷涂高温强度下降不显著的镍合金，增强基体结合的同时提高寿命。冷轧辊WC-Co涂层人工关节、人工骨：不锈钢中Cr、Ni元素表面喷涂Ti和羟基磷灰石涂层，可提高抗腐蚀、增加相容性。释放热量，红外辐射涂层发动机活塞：氧化铝、氧化锆涂层激光喷涂LaserSpraying其工艺过程是把高强度能量的激光束朝着接近于零件基体表面的方向直射，基体同时被一个辅助的激光加热器加热，这时细微的粉末以倾斜的角度被吹送到激光束中熔化粘结到基体表面，形成了一层薄的表面涂层，与基体之间形成良好的结合。喷涂环境的气氛可以选择在大气气氛下也可在惰性气氛或真空状态下进行喷涂。激光喷涂的特点是：喷涂所获得的涂层结构与原始粉末相同；可以喷涂大多数材料，范围从低熔点的涂层材料到超高熔点的涂层材料，如制备固体氧化物燃料电池陶瓷涂层、制备高超导薄膜等。6.3堆焊堆焊：用焊接的方法把填充金属熔敷在基材金属表面以满足特定性能和尺寸要求的工艺过程，即可修复又可表面处理。熔融–结晶过程。熔合区：焊接金属和基体金属组成的合金。熔合区边界和基体之间存在过渡区--焊缝。堆焊SurfacingSurfacing几乎任何一种焊接方法都能用于堆焊火焰堆焊手弧堆焊埋弧自动堆焊等离子弧堆焊气体保护堆焊堆焊方法火焰堆焊用气体火焰作热源使填充金属熔敷在基材表面的一种堆焊方法。火焰是氧－乙炔焰。深度小易控制：0.1mm小面积堆焊：沟槽堆焊材料：各种形状设备简单、价格便宜火焰堆焊火焰堆焊手工电弧堆焊：同一般的手工电弧焊相同，是手工操纵焊条，用焊条和基材表面之间产生的电弧作热源，使填充金属熔敷在基材表面的一种堆焊方法。灵活性大成本低设备简单、使用方便形状不规则更适合劳动条件差、生产率低生产小批量难焊件和修复已磨损的零件手工电弧堆焊SubmersedArcSurfacing用焊剂层下连续送进的可熔化焊丝和基体之间产生的电弧作热源，使填充金属熔敷在基体表面的一种堆焊方法。焊剂成熔渣：保护缓冷保温：成分性能均匀表面光洁平直连续送丝易自动化劳动条件好，生产率高，适于堆焊修补面较大、形状不复杂的工件。SubmersedArcSurfacingSubmersedArcSurfacingSubmersedArcSurfacing焊丝在送进的同时按一定频率振动，造成焊丝与工件周期性地短路、放电，使焊丝在较低电压下熔化并稳定均匀地堆焊到工件表面。熔深小、薄而均匀受热少、变形小生产率高、成本低小批量生产或修补焊振动电弧堆焊用某种保护性气体在焊接的熔池周围造成一个厚的气体层，以屏蔽大气对熔化金属的浸蚀，通常采用二氧化碳或氩气。焊层氧化轻质量高、效率高明弧便于施工观察热影响区较小气体保护堆焊利用等离子弧作热源，使填充金属熔敷在基材表面的堆焊方法平整光滑尺寸精确控制成分组织均匀工件变形小温度高，能量集中等离子弧堆焊粉末等离子堆焊------耐磨堆焊填丝等离子堆焊-----包覆层堆焊。PlasmaArcSurfacing粉末等离子弧堆焊的主要优点能堆焊的材料种类多；铁基、镍基、钴基合金甚至难熔合金都能堆焊；碳化钨颗粒可以加入其他合金粉中，也可以直接加到焊接熔池中进行堆焊；适合在低熔点材质的工件上进行堆焊；堆焊过程完全机械化，特别适合于大批量、高效率地堆焊新的零件。PlasmaArcSurfacing典型的应用如高压阀门密封面、发动机气阀阀面、钻具接头、工程机械刃具、轧机导辊以及模具等零件的堆焊。热丝等离子弧堆焊的主要优点是工件变形很小；熔敷速度很高，适用于大面积自动堆焊，如压力容器内壁包覆层堆焊。堆焊材料为各种可拔成焊丝的材料，如不锈钢、镍基合金、铜基合金等。而填加冷丝的由于熔敷速度较低，主要用于各种阀门堆焊及小面积堆焊耐磨、耐腐蚀的零件。PlasmaArcSurfacing等离子弧堆焊设备比较复杂，不利于现场堆焊；设备价格比气体保护堆焊贵得多，工艺参数的调节匹配较复杂；此外，等离子堆焊枪的喷嘴寿命较短，消耗的氢气量也比钨极氩弧堆焊多，所以堆焊成本较高。PlasmaArcSurfacing缺点：电站阀门：耐高温、耐磨损，等离子弧堆焊Ni-Cr-B-Si合金，可大大提高其寿命。PlasmaArcSurfacing轧钢用的轧棍：耐高温、耐腐蚀堆焊的应用武钢连铸堆焊辊子堆焊的应用特殊耐磨材料堆焊的专用眼睛板，切割环，经久耐用堆焊的应用在铬钼钢上堆焊不锈钢堆焊的应用中速磨煤机堆焊磨辊套堆焊的应用6.4其它涂敷技术电火花涂敷：通过电极材料与金属零件表面的火花放电作用，把作为火花放电电极的导电材料（WC、TiC）熔渗进金属工件的表层，形成含电极材料的合金化的表面涂敷层。高频振动5秒内8000-25000℃电极融化扩散工件表面白亮层：电极材料及其碳化物、氮化物、氧化物，硬质合金、石墨、合金钢电火花涂敷刀具：可提高1-3倍电火花涂敷模具：可提高1-2倍热浸镀热浸镀简称热镀，是将被镀金属材料浸于熔点较低的其他液态金属或合金中进行镀覆的方法，形成合金层，多用于防腐蚀和抗氧化。能发生溶解、反应和扩散钢、铁、铜为基材锌、铝、铅、锡等热浸镀热浸镀热镀锡：最早发展，16世纪，欧洲用镀锡板作为食品包装器具，锡短缺，逐渐被取代。热镀铝：伴随上世纪五十年代汽车工业的发展而发展，镀铝层优异的抗大气腐蚀性能，铁铝合金耐热性好。热镀锌：价廉而耐蚀性好，