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热喷涂 热喷涂技术是采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、 激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、 塑料以及它们的复合材料等喷涂材料加热到熔融或半熔融状态 ，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工 件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。如果将喷涂 层在加热重熔，则产生冶金结合。这种方法称为热喷涂方法。 发展 热喷涂技术从本世纪初出现至今已有几十年的历史， 热喷涂工艺、设备、喷涂材料及施工都有了突飞猛进的发展 ： 从早期制备一般装饰性和防护性表面制备各种功能 性涂层；旧件的修复工艺新品的强化工艺；单一涂层多 层的包括产品失效分析、涂层设计、工艺设计和施工，以及 质量检测和控制在内的系统工程，成为像铸、锻、焊、热处 理一样的独立的热加工工艺。 一、热喷涂原理 1、喷涂涂层形成过程和涂层形成原理 喷涂时，首先是喷涂材料被加热达到熔化或半熔化 状态；紧接着是熔滴雾化阶段；然后是被气流或热源辐射流 推动向前喷射的飞行阶段；最后以一定的动能冲击基体表面 ，产生强烈碰撞展平成扁平状涂层并瞬间凝固（图5-3a）。 在凝固冷却的0.1s中，此扁平状涂层继续受环境和热气流影 响（图5-3b）。每隔0.1s第二层薄片形成，通过已形成的薄 片向基体或涂层进行热传导，逐渐形成层状结构的涂层. 2、涂层结构 喷涂层的形成过程决定了涂层的结构。喷涂层是 由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起的层状组 织结构。图5-4是涂层结构的示意图。图5-5则给出了典 型的热喷涂层的金相组织照片。 图55 nicrbsi火焰喷涂组织 从图5-5中可以看出，涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地 存在一部分孔隙或空洞，其孔隙率一般在420之间。涂 层中伴有氧化物等夹杂。采用等离子弧等高温热源、超音速喷 涂以及低压或保护气氛喷涂，可减少以上缺陷，改善涂层结构 和性能。 3.涂层结合机理 涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。 涂层与基体表面的结合强度称为结合力；涂层内部的结合强 度称为内聚力。 涂层中颗粒与基体表面之间的结合以及颗粒之间的结合方式： 机械结合。碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒，由于凸凹 不平的表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合。一般说来，涂层与 基体表面的结合以机械结合为主。 冶金-化学结合。这是当涂层和基体表面出现扩散和合金化时的 一种结合类型，包括在结合面上生成金属间化合物或固溶体。当 喷涂后进行重熔即喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结合 。 物理结合。颗粒对基体表面的结合，是由范德华力或次价键形 成的结合。 4.涂层残余应力 当熔融颗粒碰撞基体表面时，在产生变形 的同时受到激冷而凝固，从而产生微观收缩应力 ，涂层的外层受拉应力；基体有时也包括涂层的 内层则产生压应力。涂层中的这种残余应力是由 于喷涂热条件及基体材料物理性质的差异所造成 的。 1.热喷涂的种类 一般按照热源的种类，喷涂材料的形态及涂层的功能 来分。如按涂层的功能分为耐腐，耐磨，隔热等涂层，按 加热和结合方式可分为喷涂和喷熔：前者是基体不熔化， 涂层与基体形成机械结合；后者则是涂层再加热重熔，涂 层与基体互溶并扩散形成冶金结合。热喷涂与堆焊的根本 区别在于母材基体不熔化或极少熔化。 二、热喷涂的种类和特点 根据热喷涂使用的热源不同和喷涂材料状态的不 同，可分为三大类八种方法。 气体火焰喷涂气体火焰丝喷涂、气体火焰粉末 喷涂、气体火焰爆炸喷涂、气体火焰喷焊 等离子喷涂等离子丝喷涂、等离子粉末喷涂、 等离子粉末喷焊 电弧喷涂电弧丝喷涂 2.特点： 与其它表面处理技术比较，热喷涂技术具有下述一些突 出的特点： 适用范围广，取材范围广:几乎所有的金属,合金,陶瓷都可 以作为喷涂材料,塑料、尼龙等有机高分子材料也可以作为喷 涂料。可用于各种基体:在金属,陶瓷器具,玻璃,石膏,甚至布, 纸等固体都可以进行喷涂。 工艺灵活：被喷涂物件的大小一般不受限制 喷涂层的厚度可调范围大：薄者可为几十微米，厚者可为 几毫米。 工件受热程度可以控制：可使基体保持较低温度,基材变形 小，一般温度可控制在30200,从而保证基体不变形、不 改变金相组织。 生产效率高：操作程序少,速度快,如对同样厚度的膜层,时 间比电镀用的少得多。成本低,经济效益显著。 缺点： 1、对于较小的制品，喷涂效率（实际沉积在 制品表面的量与喷涂材料的使用量之比）低，也 不经济； 2、要求有较高的防护措施，喷砂及喷涂操作 过程中，均有颗粒粉末飞散及浮游在空气中； 3、涂层组织一般都有间隙，能吸油，提高润 滑性能，但易受腐蚀； 4、操作主要由人工进行，质量的稳定性和可 靠性较差。 三、热喷涂预处理 为了提高涂层与基体表面的结合强度，在 喷涂前，对基体表面进行清洗、脱脂和表面粗糙 化等预处理，是喷涂工艺中一个重要工序。 基体表面清洗、脱脂：碱洗法、挥发溶液洗涤 法、三氯乙烯蒸气清洗法、对疏松表面的清洗脱 脂（清洗后将其加热到250 ，使油渗透到表面 ，再清洗。） 基体表面氧化膜的处理：机械加工法及酸洗 基体表面的粗糙化处理，以提高涂层与基体 表面的机械结合强度：喷砂（砂粒有冷硬铁砂 360 hv，sic al2o3 ）喷砂后还需涂敷结合层 ；机械加工，如开槽、滚花等；化学腐蚀法，晶 粒各晶面的腐蚀速度不同；电弧法，电极与基体 表面局部熔合，产生粗糙表面。 基体表面的预热处理，以减少涂层与基体表 面的温度差使涂层产生的收缩应力，避免涂层开 裂和剥落。预热温度不宜过高，以防基体表面氧 化，影响结合强度，一般在200 -300之间。 非喷涂表面的保护 四、热喷涂材料 热喷涂材料按形状可分为： 线材：喷涂设备简单，操作方便，耗能 少，成本低，工艺因素影响小，涂层质量稳定。 粉末：不受线材成型工艺的限制，成本 低，来源广，组元间可按任意比例调配，组成各 种组合粉、复合粉，从而得到相图上存在或不存 在的相组织，获得某些特殊性能。 但无论是线材还是粉末，必须具有下述特点，才 有实用价值： 热稳定性好：热喷涂材料在喷涂过程中，必须能 耐高温，即在高温下不改变性能。 使用性能好：根据工件要求，所得涂层应该满 足各种使用要求，即喷涂材料也必须具有相应性能。 润湿性好：润湿性好，则得到的涂层与基体的结 合强度高，自身密度好，且涂层也平整。 固态流动性好（粉末）：流动性（与粉末形状 ， 粒度有关）好，才能保证送粉的均匀性。 热膨胀系数合适：若涂层与工件热膨胀系数相 差甚远，则可能导致工件在喷涂后冷却过程中引起涂层 龟裂。 1、热喷涂线材 （1）非复合线材 非复合喷涂线材是只含一种金属或合金的材料制成的线 材。这些线材是用普通的拉拔方法制造的，常用的有： al丝：主要用于腐蚀保护，抗高温氧化。 zn丝：主要用于大气及水中的腐蚀防护，加入30的al可 提高耐蚀性。 cu及cu合金：主要用于修复、耐磨、装饰,铝青铜用于酸 性介质中的耐蚀涂层。 ni及ni合金：主要用于耐蚀、耐磨、耐高温氧化。 sn及sn合金：主要用于轴承，轴瓦等滑动部件的耐磨涂 层。 fe及fe合金：普通碳钢丝，低合金钢丝等主要用于修复和 耐磨；不锈钢丝用于防腐蚀，fe-cr-al丝主要用于抗高温氧 化。 （2）复合喷涂线材 复合喷涂线材就是把两种或两种以上的材料 复合而制成的喷涂线材。 复合喷涂线材中大部分是增效复合喷涂线材 ，即在喷涂过程中不同组元相互发生放热反应生成 化合物，反应热与火焰热相叠加，提高了熔滴温度 ，达到基体后会使基体局部熔化产生短时高温扩散 ，形成显微冶金结合，从而提高结合强度。 目前发现143组“组元对”有放热反应。 常用的有：ni-al复合丝、al-cr、 al-b、 al -ni-wc、al-ni-cr、al-ni-al2o3等线材。 2、热喷涂粉末 （1）非复合喷涂粉末：简单粉末，每个粉粒仅由 单一的成分组成。 金属及合金粉末 喷涂合金粉末（也称冷喷合金粉末）：这种粉末 不需要或不能进行重熔处理。按其用途分为打底层粉末 和工作层粉末。打底层粉末用来增加涂层与基体的结合 强度；工作层粉末熔点低，具有较高伸长率，保证涂层 具有所要求的性能。 喷熔合金粉末（又称自熔性合金粉末）：因合金 中加入了强烈的脱氧元素（如si、b），在重熔过程中 它们优先与合金粉末中的氧和工件表面的氧化物作用， 生成低熔点的硼硅酸盐覆盖在表面，防止液态金属氧化 ，改善对基体的润湿能力，起到良好的自熔剂作用。如 镍基、钴基、铁基及碳化钨基等四种系列。 陶瓷材料粉末：热喷涂陶瓷粉末主要包括金 属氧化物（如al2o3、tio2等） 碳化物（如wc、sic等） 硼化物（如zrb2、crb2等） 硅化物（如mosi2 等） 氮化物（如vn、tin等）。 塑料粉末：塑料涂层具有美观、耐蚀的性能 ，有热塑性（受热熔化或冷却时凝固，如聚乙烯 ，尼龙粉等）和热固性（受热产生化学变化，固 化成型，环氧树脂，酚醛树脂等）两类。 （ 2）复合喷涂粉末 由两种或更多种金属和非金属（陶瓷、塑 料、非金属矿物）固体粉末混和而成。 复合粉技术和产品的发展是热喷涂技术的 重要突破，为涂层性能的提高和优化设计开辟了 宽广的领域。 复合喷涂粉末的分类 按照复合粉末的结构分为： 包覆型粉：由一种或几种成分作为外壳，均匀 连续或星点间断地包覆由一种或几种成分组成的核心的 粉体，包覆层与核心的重量比可从1%99%，包覆层的 宏观厚度最低可为23微米。 组合型粉：由不同相混杂而成的颗粒，没有核 壳之分。 按照复合粉末形成涂层的机理可分为自粘结（增 强或自放热）复合粉末（常为打底层粉末，放热反应有 利于涂层与基体的结合，形成致密而粗糙的过渡层，有 效改善涂敷性能）和工作层复合粉末。 图56 复合型粉末结构示意图（ni/al为ni包al，余同 ） 五、热喷涂装置和设备 1.氧-乙炔焰喷涂装置 喷枪主要由两部份组成：产生火焰的氧、乙炔供 给装置和喷涂粉末供给系统。 进行喷涂时，氧气和乙炔在喷嘴燃烧，同时粉末 随氧气输送至喷嘴，粉末被喷嘴的高温火焰加热熔化或 半熔化后喷射到工件表面形成涂层。 图57 粉末火焰喷涂的原理示意图 图58 粉末火焰喷涂的典型装置 对喷涂后涂层材料的 外形进行观测，可发现一 个圆锥形轮廓，即射流中 心区域浓集，而边缘则稀 疏，喷涂材料高度浓集于 狭窄的中心部位。 多孔的喷涂层的密度 取决于喷涂过程的热源温 度及喷涂颗粒的飞行速度 。 2.等离子喷涂装置 等离子喷涂装置包括电源、控制系统、喷枪、 冷却系统和供气系统。 六、热喷涂工艺 工件的表面准备（工件的表面净化、宏观粗 化、喷砂）工件的喷涂（工件的预热、喷打底 层、喷工作层）工件的喷涂后处理（封闭处理 、热处理、精加工）。 其中工件的表面准备是非常重要的环节， 因为它直接影响到涂层与基体之间的结合强度。 换言之，结合强度的提高，是靠喷涂颗粒能否与 基体表面很好地润湿，以及与微观不平的表面紧 紧地咬住。只有粗糙、洁净和新产生的活化表面 ，才能使喷涂时撞击基体表面的颗粒在塑性尚未 消失时和表面牢固嵌和。工件的表面准备一般要 达到以下三个目的：净化表面、粗化表面、活化 表面。 （一）氧乙炔焰喷涂与喷熔 氧-乙炔喷涂工艺根据喷涂材料形式的不同，可分为 氧-乙炔线丝喷涂和氧-乙炔粉末喷涂。但都是以氧-乙炔 焰为热源，并借助压缩空气将熔融的喷涂材料颗粒喷射 到工作表面上，从而形成所需涂层的工艺，一般熔点高 于2900的材料不能采用这种工艺。 特点： 由于氧-乙炔火焰喷涂的温度和喷射粒子的速度都比 较低，以致粒子在与基体撞击时变形较小，古形成的涂 层孔隙率高（10%15%），涂层本身的强度也低，涂 层与基体的粘结力同样也差。 喷熔以氧-乙炔焰为热源，将自熔性合金粉末喷 涂到经制备的工件表面，然后对涂层加热重熔并润 湿工件，通过液态合金与固体工件表面间相互溶解 和扩散，形成牢固的冶金结合，它是介于喷涂与堆 焊之间的一种新工艺。 特点：涂层光滑，结合强度高，致密无气孔。 但重熔温度高，须达到粉末熔点温度，工件受热温 度高，会产生变形。 分类：根据喷涂粉末和重熔处理的先后次序， 可分一步法和二步法。一步法：喷涂和重熔交替或 几乎同时进行，粉末粒度细，工件变形小，适合于 大工件上小面积或小尺寸零件；二步法：先喷涂到 一定厚度，后重熔，粉末粒度较粗，工件受热多， 变形大，适用于尺寸大的零件和圆柱面的喷熔。 （二）电弧线材喷涂 电弧喷涂：在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧， 因电弧产生的热使金属焊丝逐渐熔化，熔化部分被压缩空 气气流喷向基体表面而形成涂层。 电弧喷涂按电弧电源可分为直流电弧喷涂和交流电弧 喷涂。直流：操作稳定，涂层组织致密，效率高。交流： 噪音大。 一般来说，电弧喷涂比火焰喷涂粉末粒子含热量更大 一些，粒子飞行速度也较快，因此，熔融粒子打到基体上 时，形成局部微冶金结合的可能性要大的多。所以，涂层 与基体结合强度较火焰喷涂高1.52.0倍，喷涂效率也较 高。 电弧喷涂与火焰喷涂设备相似，同样具有成本低，一 次性投资少，使用也方便等优点。但是，电弧喷涂的明显 不足，喷涂材料必须是导电的焊丝，因此只能使用金属， 限制了电弧喷涂的应用范围。 （三）等离子喷涂 等离子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展 起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有 ： 超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂。 喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。 由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料 不易氧化。 气体电离后，在空间不仅有原子，还有正离 子和自由电子，这种状态就叫等离子体。 等离子喷涂原理 将金属（或非金属）粉末通入非转移型等离 子弧焰流中加热到熔化或半熔化状态，并随同等 离子弧焰流，以高速喷射并沉积到经过表面