表面工程-06 热喷涂课件

1、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 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。,第六章 热喷涂、喷焊与堆焊技术,1,PPT学习交流,（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。,2 涂层形成过程,2,PPT学习交流,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420。,3 涂层结构（

2、1）,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。,3,PPT学习交流,涂层内有一定比例的孔隙，产生原因是： （1） 喷涂角度不同造成的遮蔽效应； （2） 涂层材料凝固收缩时形成的空隙。 孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。 涂层内的氧化夹杂物含量及涂层的致密度取决于加热源、喷涂材料及喷涂工艺。,涂层结构（4）,4,PPT学习交流,涂层冷凝收缩时，涂层外层的拉应力、涂层内层的压应力、组织转变产生的微观应力，结果使涂层产生残余张应力，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。,4 涂层应力（1）,5,PPT学习交流,残余应力限制了

3、涂层的厚度。减少涂层残余应力措施： （1） 调整喷涂工艺参数； （2）致密涂层的残余应力要比疏松涂层大； （3） 采用梯度过渡层缓和涂层内应力。,涂层应力（2）,6,PPT学习交流,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。,5 涂层的结合强度（1）,7,PPT学习交流,（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-化学结合：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

4、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(120dB)，需有隔音和防护装置。,（3）超音速喷涂的特点,47,PPT学习交流,超音速喷涂的涂层质量优于等离子喷涂的涂层。,（4）涂层性能及应用,48,PPT学习交流,各种热喷涂方法比较,49,PPT学习交流,1 对涂层结合力要求不高，喷涂材料熔点2500，可采用火焰喷涂。 2 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。 3 工程量大的金属喷涂施工最好采用电弧喷涂。 4 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。 5 对于批量大的工件，宜采用自动喷涂。

5、,六、喷涂工艺的选择原则,50,PPT学习交流,1 喷涂耐腐蚀涂层 (1) 铝、锌及其合金涂层：锌、铝的腐蚀电极电位高于铁，涂层有保护作用，可用于桥梁、铁塔等大型部件的防腐处理(在锌中加铝可提高涂层的耐蚀性能，若铝的质量分数为30，则耐蚀性最佳) 。 (2) 不锈钢涂层：不锈钢电极电位比铁高，易在涂层孔隙处产生电化学腐蚀，所以喷涂后必须封孔处理。 (3) 塑料涂层：用于化工、食品等行业。,七、热喷涂技术的应用,51,PPT学习交流,(1) 用于耐磨的涂层： 1) 涂层硬度超过磨料硬度：如氧化铝陶瓷涂层或镍基、钴基碳化钨涂层。用于轧辊、螺旋送料器等部件。 (2) 用于修复的涂层：喷涂铁基或镍基耐

6、磨合金涂层 。,2 喷涂耐磨涂层,52,PPT学习交流,3 喷涂耐高温涂层 (1) 抗高温氧化的涂层：如超音速火焰喷涂Cr2C3-NiCr涂层；用等离子喷涂氧化铝陶瓷涂层。 (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。,3 喷涂耐高温涂层,53,PPT学习交流,（1）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。,4 喷涂功能涂层,54,PPT学习交流,5 装饰,55,PPT学习交流,6 汽车制造,56,PPT学习交流,6 航空航天,57,PPT学习交流,热喷涂技术的应用领域

7、和市场,58,PPT学习交流,1 外观 涂层应无剥离、裂纹、大的变形等宏观缺陷。 2 涂层的硬度 用布氏、洛氏、维氏和显微硬度法测量涂层硬度。,八、热喷涂的涂层质量评定,59,PPT学习交流,（1） 直接测量法：用卡尺或在显微镜下测量。 （2） 测厚仪测量法： 1） 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） 磁性法：根据非磁性涂层对探头磁通量的变化值来测量。,3 涂层的厚度,60,PPT学习交流,（1）涂层拉伸结合强度：制备试样，涂层厚度大于0.38mm。用粘结剂把试样粘结在一起，然后将其拉断，拉伸结合强度： b FA0 式中

8、，b 为涂层结合强度；F为试样断裂载荷；A0为试样涂层面积。,4 涂层结合强度（1）,61,PPT学习交流,（2）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F： 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。,涂层结合强度（2）,62,PPT学习交流,（3）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。,涂层结合强度（3）,63,PPT学习交流,式中，m涂层材料密度（m可从相关手册中查得）。,4 涂层的孔隙度（1）,（

9、1）计算法：按图351加工涂层试样并称重，涂层密度c： 式中G试样重量；s 基材密度；Vs基材体积；Vc涂层体积。 根据c算出涂层孔隙度 孔隙度,64,PPT学习交流,5 涂层的金相检测 用金相观察涂层的组织、涂层与基体的结合程度、涂层中的微观缺陷等。,涂层的孔隙度（2）,（2） 金相法：用金相显微镜中的栅格测定孔隙所占的格数，与总视场格数的比值即为涂层的孔隙度。 （3） 试剂法和 高压放电法。,65,PPT学习交流,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

10、术； 90年代：激光熔覆技术。,九、热喷涂技术的发展过程,66,PPT学习交流,60年代以来主要喷涂方法的应用比例,67,PPT学习交流,（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200300。 （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。,热喷涂技术主要发展动向（1）,68,PPT学习交流,（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 。,热喷涂技

11、术主要发展动向（2）,69,PPT学习交流,一、热喷焊的特点 用热源将涂层材料重熔，涂层内颗粒之间、涂层与基体之间形成无孔隙的冶金结合。,第二节 热喷焊工艺与特点,70,PPT学习交流,1）工件表面温度：喷涂时工件表面温度900。 2）结合状态：喷涂层以机械结合为主；喷焊层是冶金结合。 3）粉末材料：喷焊用自熔性合金粉末，喷涂粉末不受限制。 4）涂层结构：喷涂层有孔隙，喷焊层均匀致密无孔隙。 5）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（1）,71,PPT学习交流,越大，涂层性能与原粉末性能偏差越大。喷焊层的约510，喷涂层的几乎为零。,热喷焊工艺与热

12、喷涂工艺的区别（2）,6） 涂层稀释率 ： 式中A喷焊金属质量；B基材熔化的金属质量。,72,PPT学习交流,自熔性合金粉末：利用合金中B、Si元素的作用，获得高质量的喷焊层。B、Si的作用是： （1）降低合金熔点，扩大固液两相区（熔点9501200）。 （2）起到脱氧还原作用。 （3）起到造渣作用。 （4）利用B、Si固溶强化、弥散强化、生成的金属间化合物以及硼碳化合物等，提高合金的硬度和耐磨性。 （5）使自熔性合金有良好的喷焊工艺性能。,二、常用热喷焊材料,73,PPT学习交流,常用的热喷焊材料分为铁基、镍基、钴基和铜基四大类。,热喷焊材料分类,74,PPT学习交流,用氧乙炔火焰作为喷焊的

13、热源，把自熔合金粉末喷涂在基材表面，然后在基材不熔化的前提下加热熔化涂层，获得致密的、结合牢固的喷焊层。 1 火焰喷焊设备 喷焊枪,三、氧乙炔火焰喷焊,75,PPT学习交流,（1） 预处理：清洁、粗化被处理工件表面； （2） 预热：使工件产生适当的热膨胀，减少喷焊层应力。 （3）喷粉和重熔： 1） 一步法：边喷粉边熔化。特点是粉末沉积率高，但涂层厚度不均匀。 2） 二步法：先喷涂，然后用重熔枪将涂层熔化形成喷焊层（“镜面”反光）。 （4） 后处理：喷焊较硬涂层时，应采取喷焊后缓冷的措施。,2 火焰喷焊工艺,76,PPT学习交流,3 火焰喷焊的应用,77,PPT学习交流,1 等离子喷焊设备 一般

14、采用联合弧。 喷嘴的长度L和直径d比(称为压缩比)通常在11.4之间，以获得柔性弧。 喷焊枪要固定在机械摆动装置上左右摆动。,四、等离子喷焊,78,PPT学习交流,喷焊工艺参数有：转移弧和非转移弧电流、喷焊速度、送粉量、气体流量、喷枪摆动频率和幅度，喷嘴距工件距离等。,2 等离子喷焊工艺,（1） 转移弧电流：对喷焊层的形状、稀释率有较大的影响。 （2） 喷焊枪的摆动：摆动轨迹对喷焊层的截面有影响。,79,PPT学习交流,与其它涂层技术相比，等离子喷焊技术的主要特点： （1）生产效率高。 （2）稀释率低(5)。 （3）工艺稳定性好，易实现自动化。 （4）喷焊层平整，成分均匀，可获得0.258mm

15、任意厚度喷焊层。,3 等离子喷焊的特点,80,PPT学习交流,4 等离子喷焊的应用（1）,81,PPT学习交流,等离子喷焊的应用（2）,82,PPT学习交流,喷焊层主要评定指标有涂层厚度、硬度、稀释率、结合强度以及界面和涂层显微结构等。,五、喷焊层质量评定,83,PPT学习交流,在金属零件表面熔敷一层性能特殊的合金层。 一、影响堆焊层性能的因素 (1) 堆焊层的成分 堆焊属于异种金属焊接，难度较大。,第三节 堆焊工艺及特点,84,PPT学习交流,1） 冶金相容性：堆焊材料与基体在液态和固态时的互溶性，是否出现金属间化合物。 2） 物理相容性：两者之间的熔点、膨胀系数、热导率的差异将影响堆焊层的

16、应力和结合强度。,(2) 堆焊层与基材的相容性,(3) 堆焊层的内应力 用焊前预热和焊后缓冷，或打底层的方法减少堆焊层的内应力。,85,PPT学习交流,避免在熔合区产生脆性相。,(4) 堆焊的熔合区,(5) 稀释率 一般稀释率越低越好，取决于堆焊方法和堆焊工艺参数。,86,PPT学习交流,几种常用的堆焊方法比较。,二、堆焊方法,87,PPT学习交流,（1） 在允许的稀释率下具有最高的熔敷速度。 （2） 能获得符合要求最小堆焊层厚度。 （3） 经济性。,选择堆焊方法的原则,88,PPT学习交流,堆焊材料分铁基、镍基、钴基、铜基和碳化钨基等。 常见的堆焊材料形状及适用的堆焊方法。,三、常用堆焊材料

17、及其堆焊工艺,89,PPT学习交流,按合金元素含量分为低合金、中合金和高合金三种。根据材料的碳当量选择最低预热温度。,1 铁基堆焊材料及堆焊工艺,90,PPT学习交流,1) 珠光体钢堆焊材料：c0.5，堆焊层为珠光体组织，硬度2038HRC。可焊性好，有一定的耐磨性、韧性和切削加工性能，价格便宜，可用于不要求高硬度零件表面的堆焊和打过渡层的堆焊。用手工电弧堆焊和熔化极自动堆焊，焊前不预热。 2) 马氏体钢：堆焊层组织为马氏体，硬度2565HRC。堆焊层韧性、强度和耐磨性都好，是最经济的堆焊材料。堆焊方法有手工电弧堆焊和熔化极自动堆焊，预热温度150350。,（1）低合金钢堆焊材料,91,PPT

18、学习交流,1) 工、模具钢堆焊时需预热200600 。可用手工电弧堆焊、气保堆焊和埋弧焊。母材碳当量较高时可先用30HRC珠光体钢堆焊一、二层，然后再堆焊耐磨层。焊后应缓冷。,（2） 中、高合金钢堆焊材料（1）,92,PPT学习交流,2) 高锰钢（奥氏体锰钢）：硬度约200HB，受强烈冲击后转变成马氏体，硬度提高到450500HB。高锰钢用铬锰钢和高锰钢堆焊材料堆焊，主要用于高锰钢铸件缺陷的补焊和修复，一般用手工电弧焊。为减少裂纹，应采取以下措施： a) 焊前不预热，用小电流、断续焊、焊后快冷，使碳化物来不及析出。 b) 采用短道焊、分散焊、焊后捶击等方法，以减少焊接应力。 c) 旧件堆焊时，

19、应先磨去表面冷作硬化部分后再焊。,中、高合金钢堆焊材料（2）,93,PPT学习交流,（3） 奥氏体铬镍钢：有优良的耐蚀性和抗高温氧化性，主要用于石化企业中需要耐蚀、耐热零件的堆焊。常用手工电弧焊和带极埋弧堆焊堆焊。基材是低碳（合金）钢时，先用高铬不锈钢打过渡层（图623）。多数情况下不预热，堆焊电流尽可能小。,中、高合金钢堆焊材料（3）,94,PPT学习交流,(4) 高铬合金铸铁：堆焊组织中含有大量柱状高硬度的Cr7C3相（图），有很高的抗磨粒磨损、耐热、耐蚀性能，用于铲斗齿、高炉料钟等设备的堆焊。堆焊方法有手工电弧堆焊和氧一乙炔焰堆焊，堆焊层允许有一些裂纹。,中、高合金钢堆焊材料（4）,95

20、,PPT学习交流,常用的镍基堆焊材料Ni-Cr-B-Si型有较低的熔点（1040）、较好的润湿性和流动性，堆焊层组织是奥氏体+硼化物+碳化物，有优良的耐低应力磨料磨损和耐金属间磨损性能，以及耐高温、耐腐蚀和抗氧化性。因镍基合金脆，一般制成铸造焊丝用气焊或钨极氩弧焊（TIG焊）堆焊。可用于高温阀门、泵的柱塞等零件的堆焊。,2 镍基堆焊材料及工艺,96,PPT学习交流,称为司太立合金。具有一定的抗粘着磨损能力和较高的抗氧化、耐蚀和耐热性能，在650时仍能保持高的硬度。钴基堆焊材料价格昂贵，应采用低稀释率的氧一乙炔焰堆焊或粉末等离子堆焊，焊前预热200500。可用于高温腐蚀和高温磨损工况条件下工件的

21、堆焊。,3 钴基堆焊材料及工艺,97,PPT学习交流,堆焊层是含碳化钨硬质颗粒和较软的基体金属复合材料（图）。基体金属有铁基、镍基、钴基和铜基合金。碳化钨堆焊多用氧一乙炔焰手工堆焊，用中性焰，停留时间不宜过长，焊后应缓冷。碳化钨堆焊在石油钻探、冶金、矿山开采等设备上应用较普遍。,4 碳化钨堆焊材料及工艺,98,PPT学习交流,各种堆焊材料的性能比较,99,PPT学习交流,一、涂敷原理与特点 通过电极与金属之间的火花放电，使电极材料(如WC、TiC等)熔渗进金属工件的表层，从而形成含电极材料的合金熔覆层。 1 电火花涂敷原理 电火花涂敷设备的示意图。,其它熔覆技术,100,PPT学习交流,（1）

22、电极开始接近工件，电容充电（图517a） （2）当电极接近工件到某个距离时，空间被击穿电离而产生电火花，瞬时电流密度106Acm2，放电时间为数毫秒，产生几千度高温，使该区域的局部材料熔化或气化，部分电极材料和基体材料向周围介质中溅射（图517b）。,2 电火花涂敷过程（1）,101,PPT学习交流,（3）电极继续向下运动，电极和工件上熔化了的材料挤压在一起（图517c）。 （4）电容放电结束，电极向上运动，工件表面熔融的材料迅速冷却而凝固（图517d）。,电火花涂敷过程（2）,102,PPT学习交流,（1）设备简单，操作方便。 （2）强化效果显著。 （3）涂层结合非常牢固。 （4）工件变形小

23、。 （5）表面粗糙度较高。 （6）涂敷效率低（0.3cm2min）。,4 电火花表面涂敷的特点,103,PPT学习交流,1 电火花涂敷工艺 （1）电极材料：以提高硬度和耐磨性的电极选用YG硬质合金；以修复为目的则根据工件对硬度、厚度等的要求采用硬质合金、碳钢、合金钢、铜、铝等材料作电极。 （2）电火花涂敷电规准的选择：根据要求的表面粗糙度和涂敷速度，选择电容的容量。初期用粗规准，以提高涂敷速度，然后逐渐降低电规准来减小粗糙度。,二、电火花涂敷工艺及涂层特性,104,PPT学习交流,（1）表面形貌 表面由无数密集的涂敷点和放电凹坑所构成的，宏观呈银灰色的桔皮状。表面粗糙度随着脉冲能量的增加而增加。,2 电火花涂敷层的特性,（2）金相组织 涂敷层不易被硝酸酒精溶液腐蚀而显白亮色，组织主要是由一些具有特殊结构的碳化物组成。白亮层内侧为稍暗的扩散区，组织为超细马氏体中分布一些特殊的碳化物。扩散区内层是过热影响区，硝酸酒精腐蚀时呈暗色。再向内为正常的基体组织。,105,PPT学习交流,涂敷层化学成分与电极材料、基体材料和周围介质有关；元素分布与涂敷的工艺规范有关。图518是用硬