厦门大学材料表面工程第五.ppt

第五章 热喷涂,5.1 概述 5-2 热喷涂的一般原理 5-3 火焰喷涂 5-4 等离子喷涂 5-5 爆炸喷涂和超音速喷涂 5-6 热喷涂用材 5-7 热喷涂涂层的特性 5-8 涂层设计,5-1 概述 热喷涂 用专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上，形成一特制薄层，以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能。,分类：,热喷涂技术的特点 ： 取材范围广：金属、合金、陶瓷 、有机高分子材料等。 (2) 可用于各种基体：金属、陶瓷器具、玻璃、石膏、木材、布、纸等。 (3) 可使基体保持较低温度：在30200之间，保证基体不变形、不弱化。 (4) 工效高：同样厚度的膜层，时间要比电镀短得多。,(5) 工件大小般不受限制： (6) 涂层厚度较易控制：薄者可为几十微米，厚者可为几毫米。 (7) 可赋予普通材料以特殊的表面性能：耐磨、耐蚀、抗高温氧化、隔热、高温强度、密封、减磨、耐辐射、导电、绝缘等 。 (8) 经济效益显著。,5-2 热喷涂的一般原理 热喷涂过程中，喷涂材料大致经过如下过程： 加热一加速一熔化一再加速一撞击基体一冷却凝固一形成涂层。 喷涂材料经过喷枪被加热、加速、形成粒子流射到基体上，整体过程 可近似地分成三个阶段： (1) 喷涂材料被加热、熔化； (2) 熔化的材料被热气流雾化，进一步加速形成粒子流； (3) 粒子在基体表面上发生碰撞、变形、凝固和堆积。,涂层的形成 ： 熔融的粒子以一定的速度与 基体表面相碰撞产生变形， 与此同时，冷的基体会把其 热量迅速传走，粒子在变形 中凝固，从而形成圆盘状组 织，接之而来的粒子在其上 堆积，形成了热喷涂层。,喷涂粒子与基体的结合强度： 机械结合：热喷涂粒子与基体的结合主要是机械结合，即“抛锚效应”。 若基体不进行毛化预处理，而进行抛光处理，热喷涂层的结合力是十分微弱的。,化学结合(包括冶金结合)：基体经过预热，热喷涂粉末 有高的熔化潜热，或热喷涂粉末本身会发生放热反应(如 Ni/Al)，化学结合也可以在某些局部发生，形成所谓“焊 点”。 当熔融粒子开始碰到基体表面时，仅是物理接触，即机械 结合；若基体原子得到足够的活化能，基体原子将同粒子 的原子发生化学相互作用，对粒子与基体的结合及粒子与 粒子间的结合有很大的增强作用。,5-3 火焰喷涂 利用气体燃烧放出的热进行的热喷涂称火焰喷涂。 线材火焰喷涂： 线材通过由压缩空气驱动的送丝轮进入气体火焰中，尖端被熔化，熔化的材料被喷嘴周围的压缩空气雾化并加速，然后沉积于预处理过的工件表面上。,粉末火焰喷涂 ： 粉末装在料斗内，工作时以少量气体运载粉末进入氧燃料气体中，火焰使粉末熔化并喷射到基体表面。,基体表面预处理： 涂层的粘结强度直接与基体表面的清洁度和粗糙度有关。 1基体表面清洗：除去工件表面的污垢，如氧化皮、油 脂、油漆和尘埃。 2基体表面粗化：提供表面压应力；改善残余应力的分 布；增大结合面积；净化表面。 粗化后的新鲜表面极易被氧化或受环境污染，要及时进行喷涂。 间隔最长不应超过4h，若时间过长就要重新粗化处理。,火焰喷涂的应用：成本低廉，使用方便 1用于长效防腐蚀涂层：如Zn，Al，Cd等金属或合金涂层，可用于铁桥、铁塔、水闸、船体、水处理设备等多种钢结构件。 2用于抗高温氧化涂层：加热器、燃烧室等易受高温氧化的钢铁件。 3用于耐磨涂层：承受磨损的零件，如吸风机叶片、活塞环等。 4用于机件修复：因磨损超差或腐蚀失效的机件，如轴颈、机床导轨等。,5-4 等离子喷涂 等离子的形成及其特点： 在0 K时，气体分子的两个原子成哑铃形， 仅在x ，y ，z方向上做平动图5-8(a) ； 当温度上升到10000K以上时，原子间产生 了振动图5-8(b)，由于分子之间的相互撞 击，则发生离解图5-8(c)，变为单原子。 N2 + UD N + N 温度进一步升高，电子从原子中飞出而 发生电离图5-8(d)。 N + UI N+ + e 气体电离后，在空间不仅有原子，还有自由电子和正离子，这种 状态叫做等离子体。,等离子体可分为三大类： 高压高温等离子体，电离度100，温度可达几亿度，用于核聚变的研究； 低温低压等离子体，电离度不足1，温度仅为50250； 高温低压等离子体，约有1以上的气体被电离，具有几万度的温度。离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于热平衡。热喷涂所利用的是这类等离子体。,等离子喷涂原理： 在阴极和阳极(喷嘴)之间产生一直流电弧，该电弧把导入的工作气体(氩气或氮气)加热电离成高温等离子体，并从喷嘴喷出形成等离子焰。粉末由送粉气体送入火焰中被熔化、加速、喷射到基体材料上形成膜。,等离子喷涂设备 等离子喷涂设备主要包括：喷枪、送粉器、整流电源、供 气系统、水冷系统及控制系统。,等离子喷涂工艺 1等离子气体的选择：根据可用性和经济性，较多用N2和Ar气。 2输入功率和电参数：采用较高的功率，确保粉末熔化良好。功率定后，尽可能选用较高电压和较低电流。 3供粉：供粉速率与输入功率相适应，使喷涂粉末送至焰心 。,4喷涂距离和喷涂角：金属粉末喷距取75130 mm；陶瓷粉末取50100 mm。焰流轴线与被喷涂工件表面之间的喷涂角不能小于45。 5喷枪与工件的相对运动速度：一般移枪速度以较快为好。 6基体温度控制：喷涂前把工件预热到喷涂过程中要达到的温度，然后在喷涂过程中对工件采用喷气冷却的措施，使其保持原来的温度。,等离子喷涂的应用： 耐磨、减磨、固体润滑涂层； 动密封、造隙滑配涂层； 耐蚀涂层； 抗高温氧化、抗高温气流冲刷涂层； 热障涂层；, 抗表面疲劳涂层； 红外线辐射、太阳能吸收和其它光学薄膜涂层； 导电、绝缘涂层； 磁性涂层、超导涂层； 催化用涂层、热中心吸收涂层、 制造金属、陶瓷类高熔点复合材料等。,5-5 爆炸喷涂和超音速喷涂 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，释放出热能和冲击波。热能使喷涂的粉末熔融，冲击波使熔融粉末以约800m/s的速率喷射到零件表面上形成涂层。,工作时氧气和乙炔的混合气体随同一定量的粉末进人流管，然后利用火花塞把气体点燃，发生爆炸。当乙炔含量为45时，氧乙炔混合气产生高的自由燃烧温度，约为3141，在爆炸条件下超出4200，因而可熔化绝大多数粉末。当粉末射出流管以后，用一般氮气流清洗枪管。,超音速喷涂 超音速喷涂是通过一个喷嘴实现的，这个喷嘴按流体动力 学的原理设计。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。,燃料气体和助燃剂(O2)以一定的比例导入燃烧室内混合，粉末由送粉气 (Ar或N2)定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送人高温燃气中，由高温高速燃 气带出喷嘴，直接喷在工件上。,5-6 热喷涂用材 热喷涂技术的发展除了设备和工艺外就是材料的开发， 而且设备、工艺、材料三者的发展总是交错前进、互为 前提的。 线材喷涂： 设备简单，操作方便，耗能少，效率高，成本低，工艺因素影响小，涂层质量稳定，目前仍是热喷涂普及最广的方法之一。,粉末喷涂： 不受线材成型工艺的限制，生产成本低、来源广，各组元间可按任何比例进行调配，组成各种组合粉、复合，从而得到相图上存在或者不存在的相组织，获得某些特殊性能。,5-6-1 金属、合金及陶瓷喷涂线材 非复合喷涂线材：只用含一种金属或合金的材料制成的喷 涂线材。 (1) 铝及铝合金喷涂丝，主要用于腐蚀保护。 (2) 锌及锌合金喷涂丝，用于腐蚀保护。 (3) 铜及铜合金喷涂丝，主要用于修复、耐磨、装饰。,(4) 锡及锡合金喷涂丝，用于轴承、轴瓦等滑动部件耐磨涂层。 (5) 铅及铅合金喷涂丝，主要用于滑动耐磨涂层及防护涂层。 (6) 镍及镍合金喷涂丝，主要用于耐蚀、耐磨、耐高温涂层。 (7) 钼喷涂丝，主要用于打底层和耐浓盐酸涂层。 (8)铁合金喷涂丝，包括普通碳钢丝、低合金钢丝等多种喷涂丝，主要用于修复和耐磨。不锈钢丝主要用于防腐。铁铬铝合金有良好的抗高温氧化性能。,复合喷涂线材：把两种或两种以上的材料复合而成的喷涂 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。,常用的复合方法有5种： 丝-丝复合法将多种不同组分的丝绞、轧成一股。 丝-管复合法将一种或多种金属丝穿人某种金属管中压轧而成。 粉-管复合法将一种或多种粉末装入某种金属管中加工成丝。 粉-皮压结复合法将粉末包覆在金属壳内加工成丝。 粉-粘合剂复合法把多种粉末用粘合剂混合挤压成丝。,5-6-2 非复合型热喷涂用粉末 非复合型粉末属简单粉末，每个粉粒仅由单一的成分组成。 金属及合金粉末：主要是Ni基、Fe基、Co基、Cu基合金粉 末。 热喷涂陶瓷粉：主要是指氧化物、氮化物、硼化物、碳化物 和硅化物粉。 其中Al2O3，ZrO2，TiO2，WC，Cr3C2喷涂粉用量最大。,混合粉：金属、合金、陶瓷喷涂粉以不同的比例相互混合 起来，可得到各种混合粉。其中金属或合金与陶瓷组成的 混合粉也称为金属陶瓷粉。 高聚物粉：高聚物涂层具有美观、耐蚀的性能。 其粉末有热塑性和热固性两类。 热塑性的有聚乙烯粉和尼龙粉； 热固性的应用最广的是氧树脂粉末。,5-6-3 复合型热喷涂用粉末 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。 复合粉的分类：包覆型粉和组合型粉。,1. 包覆型：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不足1至99，包覆层的宏观厚度 最低可为23。 2. 组合型：由不同相混杂而成的颗粒，没有核壳之分。,复合粉的特点： (1)复合粉组元或相成分之间在喷涂过程中能发生某些希望得到的反应，这些反应会明显改善涂层的性质。如Ni/A1粉在喷涂时会发生热反应，实现了和基层的显微冶金结合，增大了结合力。 (2)包覆型复合粉的外壳在喷涂时可对核心物质提供保护，使其避免氧化或受热分解。,(3) 可把放热型自粘粉和某些工作层粉复合起来制成一步 涂层粉。 一步涂层粉省去打底层工序，结合强度可达2542 MPa，涂层自身强度可达127183 MPa。 一步涂层表面光滑、容易加工，具有低的膨胀系数，在冷 却期间具有低的收缩率，喷涂厚涂层时不易开裂。,5-7 热喷涂涂层的特性 热喷涂涂层的特性随着喷涂材料和喷涂工艺的不同可以千变 万化。 包括：结合强度；金相组织；化学成分；涂层密度； 孔隙的大小、多少及分布；硬度；耐磨性；耐蚀性； 自身强度和塑性；热胀及收缩性；耐热冲击；热循环性； 抗高温氧化性；热传导性；气体吸收性；抗疲劳性； 电特性等。,5-7-1 热喷涂涂层的基本特点 1涂层组成 由于喷涂材料经过火焰时会发生气化、氧化和飞散，所以 涂层的组成并不能与喷涂前的材料完全相同，或多或少总存 在着一些差异。 例如用Zn-13A1-87合金进行喷涂，喷涂层的组成将 变成Zn-15/Al-81，同时还含有-A12O3。,2涂层组织 到目前为止，无论哪一种热喷涂法，所得到的热喷涂层都是 类似鱼鳞片状的积层组织。后来的粒子由于不能与已凝固的 粒子完全粘附，不可避免地造成孔隙。 图5-15是三个涂层纵剖的金相组织图，体现了上述特征，而 且陶瓷涂层往往比金属涂层孔隙更多。,多孔的涂层对于抗磨损一般影响不大，而且对于有润滑的滑动摩擦，由于有良好的储油能力会使抗磨寿命大大提高。但在腐蚀环境中，多孔往往是有害的，必须进行封闭处理。 喷涂层由许多微粒构成，表面较粗糙，粗糙程度受喷涂方法的影响。,熔融的粒子冲击到母材上之后，急剧冷却并发生收缩，但 冷却过程中由于相变有时会膨胀。 粒子的冲击、收缩或膨胀的结果造成了涂层的残余应力。 残余应力随涂层的加厚而增大，是造成涂层开裂和脱落的 原因之，因此必须根据不同的喷涂材料确定合适的膜 厚。,3涂层的硬度 通常用硬度来评价材料的耐磨性。由于金属热喷涂涂层是 扁平粒子的积层组织，又有氧化物含于其中，因此其硬度 较喷涂前的材料高得多。,5-7-2 防锈防蚀性能 作为腐蚀防护涂层，一般喷涂材料的电极电位应较基材低。这是因为许多涂层的防腐蚀效果是靠牺牲阳极自身来实现的，例如Zn，Al或Zn-A1合金是用于钢铁最多的涂层。由于是牺牲性的，防腐蚀寿命由喷涂层的厚度决定。,5-7-3 耐磨性能 热喷涂涂层有广泛的选择范围，可根据具体情况设计不同的涂层以适应各种服役条件。 软轴承用的涂层用于抗粘着磨损，允许颗粒嵌入其中，允许涂层变形以调整表面需要的润滑，此类涂层可选用铝青铜、磷青铜、巴氏合金以及锡等； 硬轴承用的涂层可选择各种硬质合金、难熔金属、氧化物陶瓷、碳化物等，这些喷涂层都具有高硬度、高抗粘着磨损性能；,耐磨粒磨损涂层可选用铁基、镍基、钴基涂层以及耐磨粒 磨损的氧化物陶瓷涂层，这些涂层的硬度可超过外来磨料 颗粒的硬度； 耐硬面磨损涂层可选用某些合金、有色金属及陶瓷； 耐微振磨损涂层、耐气蚀涂层、耐冲蚀磨损涂层都有相应 的涂层材料可以选择。,5-7-4 耐高温性能 陶瓷材料A2O3和ZrO2都有优良的耐热和绝热性能。 纯ZrO2在1100会有以下相变： ZrO2(单斜晶) ZrO2 (正方晶) 在加热和冷却过程中会引起膨胀和收缩 (图5-19)。若在ZrO2粉末中添加约5的 CaO，熔融之后变成立方晶，再冷却之 后，不再恢复单斜晶，仍然是立方晶， 这时的ZrO2称为稳定性ZrO2。MgO， Y2O3都可以用作ZrO2的稳定剂。没稳定 的ZrO2会因为加热、冷却而引起开裂和 剥离，而稳定之后则具有耐热冲击性。,5-7-5 热喷涂涂层的改质 为了增加结合力，减少孔隙率，缩小喷涂层和喷涂材料的差别，可使用各种方法对涂层进行改质，诸如减压热喷涂法、用高频把涂层加热熔融法以及把热喷涂与其它表面处理相结合的方法。 用激光束或电子束照射热喷涂层是有效得的涂层改质方法，经过照射的涂层可以完全消除孔隙。,5-8 涂层设计 实际生产中由于机件的形状、大小、材质及施工条件、使用环境、服役条件千差万别，因而对涂层性能的要求也不一样，所以要选择最佳的喷涂方案，力争得到最佳的喷涂效果 。 优化设计方案主要包括： 工件的预处理方法，粘结层、过渡层、工作层的种类、厚度及各层应采用的喷涂设备和工艺参数，涂层的可靠性、可重现性、均匀性、质量控制方法及可加工性、涂层的经济性等。,进行涂层设计时，首先要对工件使用情况和工件表面应具备 的性能有透彻的了解，准确判定工件的失效原因。 例如工件工作的介质、温度、受力的性质和大小、工件的材质、组织、尺寸等，从而确定对涂层的要求，包括结合强度、硬度、厚度、孔隙的多少及大小、表面精度、耐磨、耐蚀、耐热或其它性能。,5-8-1 喷涂工艺的选择原则 若涂层结合力要求不是很高，采用的喷涂材料的熔点不超过2500C时，可采用设备简单、成本低的火焰喷涂。 (2) 对涂层性能要求较高或某些比较贵重的机件，应采用等离子喷涂。等离子喷涂材料熔点不受限制，热源具有非氧化性，涂层结合强度高、孔隙率低(可低于1)。 (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气体火焰超音速喷涂；要求高结合力、低孔隙度的金属或陶瓷涂层则可采用加保护气的低压等离子喷涂。爆炸喷涂所得涂层结合强度最高，可达170MPa，孔隙率更低，可用于某些重要部件的强化。 (5) 对于批量大的工件，宜采用自动喷涂。 (6) 对于安全性要求特高的机件，喷涂工艺及材料的选择必须经过充分的试验论证。,5-8-2 根据使用条件设计热喷涂层 热喷涂技术的应用领域十分广泛，从尖端工业到普通工业，从 民用到军工，几乎所有的工矿企业和产业部门均可采用。 1耐腐蚀涂层 处于室外工业气氛中的钢件，若大气呈碱性采用Zn涂层；若大气中硫或硫化物含量高，可用Al涂层，并用铝乙烯树脂封孔。如钢结构件、桥梁、输电塔架等。 处于盐类气氛中的钢件，可用Al，Zn并加一层铝乙烯树脂涂料。如：海岸附近金属构件、船的上层结构、海上吊桥等。,(3)耐饮用水的涂层可用Zn，不封闭。如：淡水器、水输送器等。 (4)耐热淡水涂层可用Al，但要封孔。如：热交换器、蒸气净化设备、暴露于蒸气中的零部件等。 (5)耐盐水腐蚀镀层可喷0.076 mm厚的Al，再加一层底漆和两层铝乙烯树脂涂料。如：钢体河桩及桥墩、船体等。 (6)耐化学(石油类、燃料或溶剂等)和食品的侵蚀涂层可用0.152 mm Al层，加密封剂封孔。如：汽油、二甲苯等药剂贮器，乳品及制酪 业设备等。,2耐磨涂层 (1) 软支承用的涂层： 这类涂层允许磨粒嵌入，也允许变形以调整轴承表面。喷涂材料多为有色金属，如铝青铜、磷青铜、巴氏合金和锡等。 (2) 硬支承用的涂层： 硬支承表面工作时通常承受高载荷和低速度。喷涂材料可用镍基、铁基自熔合金、氧化物和碳化物陶瓷(如A12O3-TiO2，Co-WC等)。,(3) 耐磨粒磨损涂层：涂层材料可选用自熔合金加Mo或NiA1混合粉、高铬不锈钢、NiA1丝、自熔合金加Co-WC混合粉。 (4) 耐硬面磨损涂层：可采用某些铁基、镍基、钴基喷涂材料、自熔合金、氧化物陶瓷、碳化钨及某些难熔金属涂层材料。 (5) 耐微振磨损涂层：可用自熔合金、氧化物、碳化物金属陶瓷、某些Ni，Fe，Co基喷涂材料和有色金属等。,(6) 耐气蚀涂层：可用Ni基自熔合金，自熔合金加NiA1混合粉，超细A12O3，纯Cr2O3等，且所有的涂层都应该经过密封处理。 (7) 耐冲蚀磨损涂层：可采用几种Ni基自熔合金粉、超细A12O3、纯Cr2O3粉和Co-WC复合粉。,3耐高温涂层 抗氧化气氛涂层：因涂层应具有保护基体材料免受高温氧化的性能，要求涂层能阻止大气中氧的扩散，阻止涂层本身原子向基体的迅速扩散，具有比工作温度更高的熔点且在工作温度下具有低的蒸气压。 可采用A1，Ni-Cr合金，NiA1丝等。 耐腐蚀性气体涂层：因涂层要保护基体免受高温气体的腐蚀，同时也要防止高温氧化，可采用Ni-Cr合金、Ni-Cr-A1合金或Al等。,(3) 热障涂层：要求涂层热导性低，以防基体金属过热，并且可转移辐射热。因此要求涂层要有低的蒸气压、低的热传导率、低的热辐射率及高的热反射率；还要有良好的耐热疲劳性或耐热冲击性。可用高温氧化物涂层A12O3或用CaO，MgO，Y2O3稳定的ZrO2等。 (4) 耐热冲蚀涂层：这些涂层要承受高温及颗粒冲蚀，除要耐磨外，还要有良好的耐热疲劳或热冲击性。可采用纯A12O3及稳定的ZrO2涂层。 (5) 耐熔融金属涂层：涂层应能经受熔渣和熔剂的腐蚀作用，并能经受熔剂线处或其上金属蒸气和氧的侵蚀。,4控制间隙的可磨损涂层 在配合件的接触运转中，最好采用可磨损涂层，这种涂层能使配合件自动形成所必需的间隙，提供最佳的密封状态。这类涂层的设计既要考虑到可磨损性又要考虑到耐气流冲蚀性，还要保证这些涂层脱落后的粒子不是磨料。 一般来说，可磨损涂层由金属基体和非金属填料组成。填料通常是石墨、聚酯、尼龙、氮化硼等。,5绝缘、导电涂层 (1) 电阻涂层：可用A12O3超细粉及A12O3 87+TiO2 13复合粉，如加热器管道、烙铁的焊接头等。 (2) 导电涂层：可用纯Cu、纯Al、如电容器的接触器、接地联结器、避雷器等。 (3) 射频屏蔽涂层：这些涂层能拾取散射射频并使之人地，可用纯Cu，Al，Zn或Sn，如仪器仪表盒、导弹系统。,6恢复尺寸涂层 涂层应适于修复因磨损、加工不当造成尺寸有偏差的工件，要与基体有相同的或更好的性能。这些涂层选择范围很宽，但多用钢、铜合金、镍合金等。如轧机的传动齿轮、曲轴轴颈、机床导轨、超差工件等。 7其它 热喷涂技术还有其它功用，如：制造薄壳零件，制造纤维陶瓷复合材料，制造超导材料及非晶态材料，制造燃料电池及制造红外线辐射表层等。这些喷涂材料及工艺的选择与设计大都是正在研究的课题。,5-8-3 喷涂材料的选择原则 (1) 喷涂材料的选择要根据使用条件，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) 材料的选择要和工艺方法、工艺参数的选择结合起来考虑。对于某些重要部件应以获得最优的涂层性能为准则，而对于大部分