（材料学专业论文）高温涂料保护熔覆技术的研究.pdf

l 青岛科技人学研究生学f t 论文 高温涂料保护熔覆技术的研究 摘要 熔覆技术是一种新的会属表1 日i 处理技术，在一i ：, l k 技术领域有管广阔的j 澎用d 订 景。镍基合会具有i 刚磨、刷蚀、俐热等优异的综合性能，是一种应用广泛的熔覆 材料。但要研究一种i 岛效 ji j 匕j l 能达至0 零稀释率的熔覆技术是： 程技术人员的最 新课题。 本文捧f “了种新的熔役力法高温涂料保护熔覆技术，方法足在低碳钢 的表玎先依次预涂一一层镍肇1 7 i 熔性合金粉术和一层高温保护涂料，然后将烘干后 的试样放入高温电m 炉内加热，在高温涂料的保护下，一旦加热至自熔性合盒粉 木的熔点，1 7 j 熔汁合会粉木就会4 ：试样表嘶自行钔展丌，最后取出试样冷至室温 即可获得表1 6 f 、r 整、组织致密、结合年刚的熔覆层。 论文首先埘高温涂料保护熔覆技术所需用的粘结荆和高温涂料的配方进行 了优化选择，接管通过人量实验确定出最佳的熔覆工艺参数，同时借助于一些先 进的分析仪器和分析方法，如会相显微镜( o m ) 、场发射扫描电镜( s e m ) 、x 射 线衍射仪( x r d ) 、i 乜了探钳1 ( e p m a ) 、显微硬度计等对熔覆层的会柑组织、微观 结构、合会兀素分嘶j 和表面硬度等进行了系统的研究。 研究结果表明：在高温涂料保护熔覆过程中，高温保护涂料能够对皋体和熔 覆层起到很好的防氧化保护和熔覆层成形的作用，熔覆层表面平整、组织致密， 熔覆层，t 要山y - f e ，i 、c r 幔。f e 。i n i 。1 相和一些硬质碳化物c r i c ；和c r c 。组 成。在高温作i t jf ，熔覆层! j 瑟体之问发生了原子相互扩散，证明了熔覆层与皋 体之f h j 足七有岑稀释率特缸的冶会结合。通过对高温涂料保护熔覆后的试样进行 正火处理，呵以改善鉴体的约【织和一陀能，消除凶高温熔覆对基体材料带来的小利 影响。通过商珏 涂料保护熔覆与感应熔覆的比较，发现商温涂料保护熔覆层质最 好，熔覆设备投资少，一叮以埘符种形状零件表面进行熔覆处理，是一种高效节能 的熔覆处理新技术。 关键词： 冶金结合 n j6 0 臼熔性合金粉术高温保护涂层熔覆层性能零稀释率熔覆 i 青岛科技人学彬究q j 学何论文 s t u d y0 ft h ec l a d d i n gt e c h n o l o g yb yt h e p r o t e c t i o no fh l g h t e m p e r a t u r ec o a t i n g a b s t r a c t c l a d d i n gi sw i d e l ya p p l i e di n t h ei n d u s t r ya san e wm e t a ls u r f a c et r e a t m e n tt e c h n o l o g y n i b a s e da l l o yi sac o m m o nu s e dc l a d d i n gm a t e r i a ld u et oi t sg o o dp e r f o m a n c e ，s u c ha sw e a r r e s i s t a n c e ，h e a tr e s i s t a n c ea n de o o r r s i o nr e s i s t a n c e b u tt h er e s e a r c h e r , sn e ws t u d yi s h o wt o d e v e l o pah i g hc l a d d i n gq u a l i t ya n dn o n d i l u t i o nc l a d d i n g t h i sp a p e rr e p o r t so nan e wc l a d d i n gm e t h o du n d e rt h ep r o t e c t i o no fh i g h t e m p e r a t u r ec o a t i n g f i r s t ，al a y e ro fs t e l i t en i 6 0a l l o yp o w d e rw a sp r e p a r e do nt h es u b s t r a t es t e e la n dt h ea l l o yl a y e r w a sc o v e r e dw i t hal a y e ro fh i g h t e m p e r a t u r ep r o t e c t i v ec o a t i n g a f t e rd r y i n gt h es a m p l ew h i c h w a sh e a t e dt ot h em e l t i n gp o i n to fn i 6 0a l l o yp o w d e ri nah i g h t e m p e r a t u r er e s i s t a n c ef u r n a c e t h e nt h es a m p l ew a st a k e no u to ft h ef u m a c ea n dc o o l e dd o w n au n i f o r i l l ，a d h e r e n ta n d n o n d i l u t i o nc l a dc o a t i n gc a nb eo b t a i n e da f t e ro p t i m i z i n gt h ec l a d d i n gp a r a m e t e r s i nt h i sp a p e r , a tt h ef i r s t ，t h eh i g h t e m p e r a t u r ep r o t e c t i v ec o a t i n gp o w e ra n db i n d e rw a ss e l e c t e d t h e n ，t h eo p t i m u mc l a d d i n gp a r a m e t e r sw a sd e t e r m i n e da f t e ras e r i e so fe x p e r i m e n t s f i n a l l y , t h e c l a d d i n gm o r p h o l o g i e s ，m i c r o s t r n c t u r e s ，p h a s es t r u c t u r e ，e l e m e n tc o m p o n e n t a n dt h e m i c r o h a r d n e s sw e r eo b s e r v e da n da n a l y z e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，f i e l de m i s s i o ns c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，e p m as c a n n e ra n dm i c r o h a r d n e s st e s t e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh i g h t e m p e r a t u r ep r o t e c t i v ec o a t i n gc l a d d i n gc a np r e v e n t t h en i 6 0a l l o yp o w d e ra n dm a t r i xf r o mo x i d i z i n ga n dau n i f o r m ，a d h e r e n ta n dn o n d i l u t i o n c l a d d i n gl a y e rc a nb eo b t a i n e d a c c o r d i n gt ox r d ，y 一 f e , n i 】s o l i ds o l u t i o n ，c r o19 f e o 7 n i oi 1 p h a s e ，c r 7 c 3a n dc r 2 3 c 6c a r b i d ew e r ef o r m e d a tt h es a m et i m e ，t h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ec l a d c o a t i n ga n dm a t r i xb e l o n g st ot h em e t a l l u r g i c a lb o n dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fn o n d i l u t i o n t h e a d v e r s ee f f e c t so fh i g ht e m p e r a t u r eo nt h em a t r i xm a t e r i a lc a nb eo v e r c o m eb ym e a n so ft h e n o r m a l i z i n gt r e a t m e n ta f t e rt h eh i g h t e m p e r a t u r ep r o t e c t i v ec o a t i n gc l a d d i n g f i n a l l y , c o m p a r e d w i t ht h ei n d u c t i o nm e l t i n g ，t h eh i g h t e m p e r a t u r ep r o t e c t i v ec o a t i n gc l a d d i n gh a sm a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha sh i g hc l a d d i n gq u a l i t y , l o wc l a d d i n gc o s t ，a n dv a r i o u ss h a p ec l a d d i n g k e yw o r d s ：n i 6 0a l l o yp o w d e rh i g h t e m p e r a t u r ep r o t e c t i v ec o a t i n gc o a t i n gp r o p e r t i e s n o l l d i l u t i o nc l a d d i n g m e t a l l u r g i c a lb o n d i n g 青岛科技人。学 究，i - j 何论文 目录 1 绪论”“一”“”1 1 1 选题彳 景l 1 2 表血处理技术2 1 2 1 表l f i j 处理技术概论2 】2 2 表埘处理技术的分类4 1 3 热喷涂、堆焊、喷焊及熔覆工艺5 1 3 1 热喷涂5 1 3 2 堆焊9 1 3 3 喷焊13 1 3 4 熔覆l5 1 4 熔覆j j 1 熔性合会粉木1 8 1 4 1 | ，j 熔性合会粉术的特点l8 1 4 2 i 熔性合会粉术l9 1 5 选题创新意义及其可j j _ 陛2 0 2 熔覆用粘结剂的研究2 3 2 1 实验目的2 3 2 2 实验材料2 3 2 3 实验设备2 4 2 4 实验过程2 7 2 5 实验结果2 7 2 6 本章小结2 8 3 熔覆用高温涂料的研究2 9 4 高温涂料保护下熔覆工艺的研究”3 6 0 0 l ，2 5 2 j 3 3 3 3 3 一 一 果果 一 一 一 日 士口 一 厶，厶， 料备程验验结材设过实实小验验验步终章实实实仞最本 ， 2 3 4 5 6 1 j 3 3 3 3 3 南温涂料保护熔覆技术的 l j f 究 4 1 实验材料及实验方法3 6 4 1 1 实验材料3 6 4 1 2 实验设备3 7 4 1 3 实验过程3 7 4 2 实验结果及分析讨论3 8 4 2 1 熔覆温度对熔覆层致密度的影响3 8 4 2 2 保温时川刈熔覆层形貌的影响3 9 4 2 3 不同冷却方式对熔覆层性能的影响4 1 4 2 4f f 火处理提i 葛基体性能一4 3 4 3 本章小结4 3 5 高温涂料保护下熔覆层性能的研究4 4 5 1 实验材料实验方法4 4 5 1 1 实验材术： 4 4 5 1 2 实验过样4 4 5 2 实验结果及分析讨论。4 5 5 2 1 熔凌层及界l 面的娃微分析一4 5 5 2 2 熔役层的物桐分析4 5 5 2 3 熔薇7 z ；的界面成分分析4 6 5 2 4 - i 点微硬度分析4 7 5 3 零稀释率熔覆处理工艺机理j 4 7 5 4 本章小结4 9 6 与感应熔覆制备的熔覆层性能的比较”5 1 6 1 实验材料及实验方法5 l 6 1 ，1 实验材料5l 6 1 2 高温涂料保护熔覆5l 6 1 3 感j 啦熔覆5l 6 1 4 4 ) - n 测试5 2 6 2 实验结果土j 分析讨论5 2 6 2 1 熔褴层及其界血i 的湿微分析5 2 6 2 2 熔攫j z ：的物梢分析5 4 6 2 3 显微硬度分析5 4 6 3 本章小结5 5 7 总结5 6 l v 青岛科技人。z j j 究l i z f ； ：i ：论文 参考文献5 8 致谢6 2 结束语”5 7 攻读硕士期间已发表( 录用) 论文“6 3 独特性声明”6 4 【一 1 1 选题背景 1 绪论 现代化工业的发展对各种机械设备的零部件表面性能的要求越来越高，特别 是在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等条件下，零部件材料的破坏往往自表 面开始，如磨损、腐蚀、高温氧化等，还有那些因承受扭转或弯曲载荷引起疲劳 断裂而失效的零件，其裂纹往往也是从应力最大的表面开始，逐渐向内部发展导 致整个零件失效。在美国，1 9 8 0 年由于磨损造成的损失估计达2 0 0 亿美元，若把 磨损和腐蚀造成的损失算在一起估计达2 0 0 0 亿美元【1 1 。在德国，根据相关统计， 大约每年由于磨损和腐蚀造成的损失约占社会生产总值的百分之五。1 9 9 5 年石化 系统调查统计，我国每年因零部件磨损而造成的损失约为1 8 0 0 亿元【2 1 。因此，为 了提高机械设备的耐磨性能，延长零件的使用寿命，材料科学和机械工程领域都 在提高机械零件表面性能方面进行了大量的研究和探索。 表面技术就是为解决机械零部件由于腐蚀、磨损、氧化、裂纹等问题而发展 起来的，方法是将欲处理工件表面预处理后，通过表面改性或多种表面工程技术 复合处理，以改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应 力状态，以获得所需要表面性能的系统工程，是现代材料工程中的一个重要发展 方向。 目前成功制备的各种性能的涂层有耐磨涂层、耐腐蚀涂层、耐氧化涂层、抗 疲劳涂层、热障涂层、密封涂层、绝缘涂层、导电涂层和装饰涂层等。涂层采用 的粉末合金大多为c o 基、n i 基和f e 基合金粉末，添加的硬质相有氧化物 ( a 1 2 0 3 、t i 0 2 、s i 0 2 ) ，碳化物( s i c 、c r 2 c 3 、w c 、t i c ) ，固体润滑剂( p t f e 、 石墨、m o s 2 1 等；制备的工艺也多种多样，如喷涂、等离子喷涂( p l a s m as p r a y ) 、 物理气相沉积( p v d ) 、化学气相沉积( c v d ) 、超音速喷涂( h o v f ) 等工艺【3 1 。其应 用范围也极为广泛，几乎包括所有的高新技术领域和工业、民用领域，如航天、 航空、航海、计算机、电子、信息、交通、石油、化工、建筑、水利、机械等。 研究表明，与表面技术相关的产业创造的产值己占国民经济总产值的7 。通过 薄膜和涂层材料可以赋予基体材料表面不同的性能，表面冶金强化能使钢材表面 获得高耐磨性的硬化层，从而能提高零部件使用寿命，能很大程度上降低原材料 的消耗，节约钢材和贵重合金材料的使用。 熔覆技术是近年来发展起来的一种新的表面改性方法，它是通过在基材表面 先预涂熔覆材料，然后利用热源快速加热，使熔覆材料和基体材料表层发生熔化， 高温涂料保护熔覆技术的研究 并通过不同的冷却方法凝固，从而形成与基体材料达到牢固冶金结合的表面涂 层，具有较高的表面性能【4 1 。 目前熔覆的方法主要有：真空熔覆【5 1 、激光熔覆【6 1 、高频感应熔覆h 、氧一乙 炔焰熔覆【8 1 、氩弧熔覆【9 】和等离子熔覆f 1 0 1 等。其中真空熔覆制备的涂层具有许多优 点，例如涂层厚度可调，而且在自熔性合金中加入不同种类和不同比例的碳化物 硬质相，能得到不同性能的复合涂层，涂层与基体之间是牢固的冶金结合，在冲 击载荷作用下不易剥落，但由于真空环境很难应用于实际生产中，所以该工艺应 用局限性很大。而激光熔覆技术使用的激光设备造价高，且设备功率大、效率低， 熔覆过程的自动化控制程度低，熔覆层的表面不够平整，后续加工余量大，熔覆 层易出现裂纹和孔洞等缺陷，因此激光熔覆至今也未在工业上得到广泛的应用。 所以，开发一种高效、节能的熔覆技术成为当前的迫切问题。高温涂料保护熔覆 技术就是在这一背景下提出的。 1 2 表面处理技术 1 2 1 表面处理技术概述 表面技术的应用可以追溯到远古，我国早在战国时代已进行了钢的表面淬火 技术，使钢的表面获得了坚硬层。欧洲使用类似的技术也有很长的历史，伴随着 十九世纪的工业革命，表面技术得到了迅速发展，尤其是最近3 0 多年发展更为 迅速。现代表面工程技术种类繁多，曾分属于不同的学科。如化学热处理、表面 淬火技术曾属于金属材料学，电镀与电刷镀、涂装技术属于应用化学或化工工程 学，而真空镀膜、离子镀等常归类于物理电子学等。随着科学技术的发展，人们 逐渐将表面工程技术的内涵限定于结构材料的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗菌、抗 氧化等相关知识的研究【1 1 】。 表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来的一门新兴学科，它以“表面” 为研究核心，在有关学科理论的基础上根据零件表面的失效机制，以应用各种表 面工程技术及其复合处理技术为特色，逐步形成了与其它学科密切相关的表面工 程基础理论。表面工程技术是通过使用各种物理、化学或机械工艺过程来改变基 材的表面状态、组织结构、化学成分或形成特殊熔覆层，使基体表面具有不同于 基体内部的某种特殊性能，从而达到特定的使用要求【1 2 】。表面技术不仅应用于维 修业，还用于制造业，是先进制造技术的重要组成部分。表面工程的最大优势是 能够以多种方法制各出优于基体材料性能的表面功能涂覆层，赋予零件耐高温、 耐腐蚀、耐磨损、抗疲劳防辐射等性能，这层表面材料与工件的整体材料相比， 2 青岛科技大学研究生学位论文 厚度薄、面积小，但却承担着工作部件的主要功能。 表面技术的特点是可以在不改变基体材料组成的前提下，投入费用较 少，而且能大幅度提高材料性能，经济效益显著，在发展新型材料上起着重 大作用。表面技术的原理是通过表面改性或多种复合表面处理技术，改变固体金 属表面或非金属的表面形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需表面 性能的系统工程。 各种表面技术是表面工程的技术基础，常用的表面技术有【1 3 】：堆焊技术、热 喷涂技术、化学热处理、熔覆技术、电镀技术、粘结技术、涂装技术、物理与化 学气相沉积技术、电刷镀技术、化学镀技术、激光相变硬化、激光合金化、离子 注入等。 表面工程技术可处理的基材几乎包括所有的工程材料，如金属、陶瓷、半导 体材料、高分子材料、混凝土、木材和各类复合材料等，所涉及的工艺方法数以 百计，各具特点【1 4 】。同样的工艺用于不同的材料，或相同的材料采用不同的工艺， 所得效果可能会相去甚远。有时，错误的选择了工艺或材料，不仅达不到预期的 目的和效果，甚至可能破坏零件表面，使产品报废。 概括起来，表面工程技术的特点与意义体现在如下几个方面【1 5 l ： 1 它主要作用在基材表面，对基材内部组织与性能影响不大。因此，可以 制备表面性能与基材性能相差很大的复合材料。 2 表面工程技术可以兼有装饰和防护功能，在人们的周围创造了一个五彩 缤纷的世界，推动了产品的更新换代。 3 采用表面涂( 镀) 、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材 料表面具有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅提高零部件 的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本。因此表面工程技术被广泛 应用于提高材料的耐磨、耐蚀、抗高温氧化性能，零部件的表面装饰以及各类零 件的修复等方面。 4 计算机技术与材料科学、精密机械和数控技术相结合，使二维的表面处 理技术发展成为三维零件制造技术，不仅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使 设计与生产速度成倍提高。 5 以化学气相沉积、物理气相沉积、镀膜、光科学技术的表面薄膜沉积技 术和表面微细加工技术是制作大规模集成电路、光导纤维和集成电路、太阳能薄 膜电池等元器件的基础技术。没有它们，就不可能有今天的微电子工业和光纤通 信的辉煌，当然也就没有今天高速发展的信息社会。 6 表面工程技术已经成为制备新材料的重要方法，如可以在材料表面制备 整体合金化难以做到的特殊性能合金等。 3 高温涂料保护熔覆技术的研究 总之，表面工程适合当今国际社会技术和经济发展的要求，符合可持续发展 战略，体现了科技尽快转化为生产力的要求。近年来，复合表面工程技术和纳米 表面工程技术己成为表面工程领域新的研究发展方向。 1 2 2 表面处理技术的分类 近2 0 年来，表面工程技术获得了飞速发展。表面工程涵盖的领域十分广泛， 概括的讲，可以将其分为表面改性、表面加工、表面加工三维成型、表面合成新 材料等几大类【1 6 】： 1 表面改性技术 表面改性技术主要指赋予材料表面以特定的物理、化学性能的表面工程技 术。按照工艺特点不同，又可以分为表面组织转化技术，表面涂层、镀层及堆焊 技术和表面合金化技术等三大类。 2 表面微细加工技术 表面微细加工技术主要指在材料表面区域内进行各种形状或尺寸的精密、微 细加工，使其成为具有各种功能的元器件的技术。 3 表面加工三维成型技术快速原型制造 表面加工三维成型技术主要是指通过计算机控制，在材料表面不断实现特定 形状的涂镀加工与堆积，形成三维零件的快速原型成型制造技术。 4 表面合成新材料技术 表面合成新材料技术主要指采用特定的表面工程技术，在材料表面合成常规 工艺方法无法获得的新材料，或者利用材料的表面加工过程获得全新材料的工 艺。 金属表面涂层强化技术中，依据涂层与基体金属的结合力，大致可以分为两 大类【1 刀。 一类是结合力比较弱，如电镀和化学镀，其涂层与基体之间的结合力不是很 强。再如各种喷涂方法，涂层与金属之间均属于机械结合，尽管结合力有强有弱， 但终归为物理结合，不能使用在一些要求承受较高载荷的场合。 另一类是结合力比较强，通常形成了冶金结合。在进行涂覆时，涂层材料熔 化，涂层与基体之间由于元素的相互扩散，形成了结合牢固的冶金结合。如喷焊 ( 等离子喷焊、氧乙炔喷焊) 、激光熔覆和真空熔烧均属于这一类【1 8 】。 第一类方法对工件基体的热影响程度较小，因而在强化过程中不易引起工件 变形，但由于这类涂层与基体的结合力比较弱，因而不能承受重载、磨粒磨损和 冲蚀磨损。另外，涂层也不能太厚，涂层越厚，结合力越弱，越易在使用中脱落， 4 青岛科技大学研究生学位论文 涂层厚度的这种限制使之不能满足生产中许多情况下的需要。而且，由于喷涂涂 层的孔隙率高，还使得涂层耐腐蚀性受到影响i l 引。 第二类方法当中，氧乙炔喷焊在工厂中使用最为广泛。氧乙炔火焰喷焊设 备简单，适宜现场操作。但是氧乙炔火焰喷焊也有许多不足之处。第一，氧乙 炔火焰喷焊对基体的热影响非常大，因而不能处理对组织变化和形变度要求很小 的工件，尤其不适合精密构件的磨损修复。第二，其对涂层材料的氧化烧损程度 大，大大降低了涂层的使用性能。第三，由于其为手工操作，且操作条件差，因 而受人为因素影响大，质量不够稳定，往往发生涂层材料熔化不足、熔化不均或 是过熔产生波纹甚至流淌的现象，并且在大量生产时生产效率低下，生产环境恶 劣。第四，氧乙炔喷焊很难处理圆柱形构件上厚度在l m m 以上的涂层，在这种 情况下，效率低下且质量难以保证。这些都是氧乙炔喷焊的缺点。 激光熔覆技术是激光强化技术的一种。激光熔覆层有许多优良的性能，包括 良好的冶金结合，细晶组织以及对基体的热影响小等。但由于激光设备造价高， 且大功率设备现在还很难做到光束非常均匀和稳定。熔涂过程的自动控制程度 低。熔覆层的表面不够平整，后续加工量大。涂层易出现裂纹和孔洞等原因，使 得激光熔覆还不能在工业上形成广泛的工业应用。现在，激光熔涂主要用于一些 高成本关键性部件的小面积处理上i 冽。 真空熔烧技术与基体也具有比较强的结合力，但也存在着其对基体的热影响 大、欲处理工件受真空炉尺寸影响、代价高等问趔2 1 】。 在涂层强化当中，成本问题也很重要。如等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速火 焰喷涂、真空熔烧、激光熔涂等技术，尽管其在航空、航天等领域应用广泛，但 是其成本还未能下降到一般工业领域所能接受的程度，因而很难在一般工业领域 进行推广。而在成本较低的技术中，或是由于热影响大( 如喷焊) 、或是由于结 合力过低，很难同时满足处理费用低、对工件基体的热影响小、结合力又强、且 能处理各种尺寸工件等多方面的要求【2 2 1 。因此，近年来出于节约成本、减少维修 和提高生产效率的需要，科研工作者在不断研究能制备高质量低成本的涂层和先 进的表面处理技术。 1 3 热喷涂、堆焊、喷焊及熔覆工艺 1 3 1 热喷涂 热喷涂是一种应用比较广泛的的表面处理技术，热喷涂技术工艺是在普通材 料的表面上，制造一个特殊的工作表面，使其达到防腐、耐磨、隔热、绝缘、导 5 高温涂料保护熔覆技术的研究 电、抗高温、抗氧化、防微波辐射等一系多种功能，使其达到节约材料，节约能 源的目的。 热喷涂技术是利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将喷涂材料加 热至熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身的冲力或外加的高速气流雾化，并以 一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。热喷涂过程经历 4 个阶段，即喷涂材料加热熔化阶段、熔滴雾化阶段、雾化颗粒飞行阶段和喷涂 层形成阶段【2 3 1 。 1 ) 热濠2 ) 受热粉柬3 高速粒子 4 ) 赢平化粒子沉积在基体表面 净： 7 崎 l 图1 - 1 热喷涂原理图 f i g 1 - 1p r i n c i p l e so f t h e r m a ls p r a y i n g ) 从热喷涂技术的原理及工艺过程分析，热喷涂技术具有以下一些优点渊： 1 可喷涂的涂层材料范围广，几乎包括所有固态工程材料。 2 热喷涂工艺灵活，适应性强，不受工件尺寸和施工环境的限制。 3 基体表面受热的程度较小而且可以控制，可以在各种材料上进行喷涂， 且对基材的组织和性能几乎没有影响，工件变形小。 4 热喷涂操作的程序较少，施工时间短，效率高，比较经济。 5 可使用普通材料代替贵重材料做基体，仅使用优质涂层材料，节省费用。 但热喷涂方法也有局限性，主要表现在： 1 用一般喷涂方法制备的涂层与基体的结合主要是机械结合，结合强度较 低。 2 热喷涂手工操作时劳动条件较差，有噪声、粉尘、热和弧光辐射问题。 3 涂层中含有不同程度的孔隙，对于耐腐、抗氧化、绝缘等性能，一般不 如整体材料。 4 涂层均匀性较差，影响涂层质量的因素多。 在近2 0 多年里，热喷涂技术作为一种新的表面防护和强化工艺得到迅速的 6 青岛科技大学研究生学位论文 发展。由早期制备一般的装饰性和防护性涂层发展到各种功能性涂层。由产品的 维修发展到大批量的产品制造、产品失效分析、表面预处理、喷涂材料和设备的 选择、涂层系统设计和涂层后加工等在内的热喷涂系统工程，目前热喷涂技术己 成为材料表面科学领域中的一个十分活跃的独立学科。 热喷涂按加热源的不同可分为：火焰喷涂( 丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、超 音速火焰喷涂、爆炸喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和激光喷涂等p 】。 1 火焰喷涂：是最早发明的喷涂法。它是把金属线材以一定的速度送进喷 枪里，使端部在高温火焰中熔化，随即用压缩空气把其雾化并吹走，沉积在预处 理过的工件表面上。火焰喷涂可喷涂金属、陶瓷、塑料等材料，应用非常灵活， 喷涂设备轻便简单，可移动，价格低于其他喷涂设备，经济型好，修复速度快， 是目前喷涂技术中使用较广泛的一种方法。但是，火焰喷涂也存在明显的不足。 如喷出的颗粒速度较小，火焰温度较低，涂层的粘结强度及涂层本身的综合强度 都比较低，且比其他方法得到的气孔率都较大，同时混有熔化不充分的颗粒，使 得涂层结合不够致密。另外火焰温度一般为2 8 0 0 ，只适用于喷涂熔点不高的金 属或合金【2 6 1 。 2 爆炸喷涂：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，热能使喷涂粉末熔化，冲击波则使熔融粉末以7 0 0 8 0 0 m s 的速度喷射到工件表面上形成涂层。爆炸喷涂的最大特点是粒子飞行速度高，动 能大，所以爆炸喷涂涂层具利2 7 】：涂层和基体的结合强度高，涂层致密， 气孔率很低，涂层表面加工后粗糙度低，工件表面温度低。 爆炸喷涂可喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷材料，但是由于该设备价格高、噪音 大等原因，国内外应用还不广泛。 3 高速火焰喷涂：高速火焰喷涂目前主要指超音速火焰喷涂( i - w o e ) ，有时 人们也将爆炸喷涂认为是高速火焰喷涂的一种。高速火焰喷涂技术是把燃气和氧 气输入并引燃于燃烧室，借助于气体燃烧时产生的高温和高压所形成的高速气 流，将喷涂粉末加热熔化并形成高速喷射流，在工件表面形成喷涂层。h v o f 的 焰流速度可达2 倍音速以上，熔化颗粒的速度可达3 0 0 7 0 0 m s ；其次，喷涂颗粒 在火焰中加热时问长，受热均匀；再次，喷涂颗粒离开喷枪后的飞行速度快，因 而和周围大气接触时间短，可避免合金粉末分解和脱碳 2 8 1 。h v o f 可得到非常致 密，结合强度高，热应力小的涂层。由于该技术工艺及涂层材料选择范围十分广 泛，操作简便灵活，特别适合于现场检修和工件局部修复。因此，超音速火焰喷 涂技术不但可以为新设备提供有效的预防汽蚀发生的保护方法，而且是现场检修 有效而经济的手段。 4 电弧喷涂：是在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧，由电弧产生的 7 高温涂料保护熔覆技术的研究 热使金属焊丝快速熔化，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。由于电弧能 量密度高、熔化粒子加热温度高、粒子变形量大，所以涂层的结合强度高于火焰 喷涂。电弧喷涂具有结合强度高、生产效率高、成本低、安全性好等优点，并且 喷涂质量稳定【2 9 1 。目前电弧喷涂的研究致力于涂层质量的提高，包括电弧的控制， 液滴形成的控制等。 5 等离子喷涂：包括大气等离子喷涂、保护气氛等离子喷涂、真空等离子 喷涂和水稳等离子喷涂。等粒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【刈：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。由于等离子喷涂火焰温度和速度极高， 几乎可以熔化并喷涂任何材料，它具有形成的涂层结合强度较高，孔隙率低、喷 涂效率高、使用范围广等很多优点，在热喷涂技术中占据着重要的地位。 热喷涂处理技术最大的特点是能够以多种方法制备出优于基体材料性能的 涂层，涂层厚度一般从几十到几百微米，仅占工件整体厚度的几十分之- n 几百 分之一，却使工件表面具有了比基体材料更优异的力学性能和物理、化学性能1 3 1 】。 采用热喷涂技术的费用，一般只占设备总价格的很小一部分，却可以大幅度地提 高产品的性能及附加值，从而获得更高的利润。采用热喷涂技术的平均回报率高 达数倍，可以使零件的性能得到了恢复，甚至提高。这与将该零件回炉变成原材 料相比，大大节约能源、资源并保护了环境，所以能够最大限度的保留产品制造 时的附加值。 热喷涂涂层虽然可以降低成本、改善表面性能，但其缺点一是涂层中含有孔 隙，造成了涂层与块材的性能不一致，一般情况下不如块材优异，如何减小甚至 消除涂层中的孔隙是一个很大的问题。由于喷涂设备差别极大、粉末类型各异等 原因，实际生产中不可能对如何降低孔隙率有通用的指导方针。二是涂层的硬度 直接影响到其耐磨性能，一般硬度较大的涂层耐磨性能较好，但硬度过大会导致 涂层脆性增加。三是涂层和基体的结合强度也是需要考虑的非常重要的方面，因 为如果涂层和基体没有可靠牢固的结合，工作过程中涂层就难免从基体脱离，也 就谈不上对工件的保护和改善。四是涂层和基体材料的物理机械性能有一定差 异，为了能够预n - - 者性能的差别对生产过程造成的影响，需要测量分析涂层的 各种性能参数，例如涂层本身的抗拉强度、涂层对基体疲劳性能、涂层的平均线 膨胀系数的影响等【3 1 】。 热喷涂技术己在航天、冶金、化工、航空、机械、石油、煤炭、纺织、交通 运输等行业获得了越来越多的应用，并取得了明显的技术、经济效益。尤其在航 8 一 【lllllllll【llllllllllllllllli-llllll_l_i_-_iiiiii卜 青岛科技大学研究生学位论文 空发动机制造和维修中起着重要的作用，例如制备热障涂层和密封涂层。目前几 乎所有的飞机均应用了这些涂层，如美国的波音7 3 7 、7 4 7 、7 7 7 、f l l l 、f 2 3 等。 可以预见，随着我国的工业进步，热喷涂技术会发挥越来越大的作用，可以解决 过去传统加工方法无法解决的问题，己经成为我国现代化工业中不可缺少的一种 加工技术。 1 3 2 堆焊 堆焊是用焊接方法在零件表面堆覆一层具有一定性能材料的工艺过程。其作 为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应用于各个工业部 门零件的制造修复中。区别于其它表面处理技术，堆焊在使基体表面获得耐磨性 能的同时，覆层材料与基体间形成牢固的冶金结台，用堆焊方法将耐磨材料覆盖 在基体材料上，既提高了耐磨性、延长零件使用寿命，又节省了贵重材料，降低 成本。它不是为了连接零件，其目的在于增加零件表面的耐磨、耐热、耐蚀等方 面的性能。 堆焊是焊接领域中的一个重要分支，它在冶金、矿山、农机、石油化工、车 辆、航天等工业部门的零件制造和修复中获得了广泛应用【3 2 j 。 堆焊主要应用在制造新零件和修复旧零件两个方面。制造新零件主要是用堆 焊工艺制造双金属零件。零件的基体和堆焊表层可采用不同性能的材料，能分别 满足两者的不同技术要求。修复旧零件主要是修复轧辊、轴类、工模具、农机零 件、采掘机件等易磨损零件。修复费用很低，而使用寿命往往比新零件还高。 堆焊的最大优点在于能充分发挥表面堆焊合金的性能，达到节约用材和延长 零部件使用寿命等目的。堆焊的物理本质、冶金过程和热过程的基本规律，与一 般焊接过程没有本质区别。由于堆焊合金层与母材大多属于异种材料，并且还要 求充分发挥表面堆焊合金的性能，所以堆修复焊技术有如下特点1 3 3 】。 1 堆焊层的合金成分是决定堆焊效果的主要因素。用于堆焊的材料种类繁 多，工作环境复杂，基体材料几乎包括了所有类型的金属。针对不同的工作条件 和磨损类型，只有采用合适的堆焊合金才能达到预期的使用要求。必须针对具体 情况，合理选择堆焊层的合金体系，这样才能使堆焊零件具有较高的使用寿命。 2 尽量降低稀释率是制定堆焊工艺的重要出发点。稀释率是表示堆焊焊缝 中，含有母材金属的百分率，例如稀释率1 0 ，表示堆焊合金中含有母材金属 1 0 ，含有堆焊合金9 0 。堆焊层一般含有较多的合金元素，而零件的基体往往 采用普通碳钢或低合金钢。因此，为了获得具有理想使用性能的表面堆焊层成分， 必须尽量减少母材在堆焊金属中的熔入量，即降低稀释率。 9 i f ；i 】温涂料保护熔覆技术的研究 3 提高堆焊生产率。堆焊零部件往往数量很大、工件尺寸较大( 如各类阀门) ， 堆焊时所需要的合金粉末量大，应选用和研制生产率较高的堆焊方法和堆焊工 艺。 4 堆焊合金与基体材料之间的匹配问题。堆焊层合金成分与母材成分往往 相差较为悬殊。为防止堆焊时或焊后热处理以及零件使用过程中，堆焊接头产生 过大的热应力和组织应力，从而使堆焊层开裂甚至产生剥离现象，往往要求堆焊 合金和基体金属最好有相近的线膨胀系数和相变温度等热物理性能。 目前堆焊合金按形状分有丝状和带状堆焊合金、铸条状堆焊合金、粉粒状堆 焊合金和块状堆焊合金等【蚓。 1 丝状和带状堆焊合金：由可轧制和拉拔的堆焊材料制成。它们均可做成 实芯和药芯堆焊材料，便于实现堆焊的机械化和自动化。丝状堆焊合金可用于气 焊、埋弧堆焊、气体保护堆焊和电渣堆焊等；带状堆焊合金尺寸较大，主要用于 埋弧堆焊和电渣堆焊，熔覆效率高。 2 铸条状堆焊合金：当堆焊材料的轧制和拉拔加工性较差，如钴基、镍基 合金和合金铸铁等，一般做成铸条状，可以直接供气焊、气体保护堆焊和等离子 弧堆焊时用作熔覆金属材料。铸条、光焊丝和药芯焊丝等外涂药皮即可制成堆焊 焊条，专供手工电弧堆焊使用，适应性强、灵活方便，可以全位置施焊，应用较 为广泛。 3 粉粒状堆焊合金：将堆焊材料中所需的各种合金制成粉末，按一定配比 混合成合会粉末、供等离子弧或氧乙炔火焰堆焊和喷涂使用。其最大优点是方便 了对堆焊层成分的调整，拓宽了堆焊材料的使用范围。 4 块状堆焊合金：将粉料加黏结剂压制而成，可用于碳弧或其他热源进行 熔化堆焊。堆焊层成分调整也比较方便。 我国堆焊合金粉末的研制是从国外引进的钴基、镍基合金粉末开始的。然后， 根据我国的资源情况研制、改进了钴基、镍基合金系统，并研制了一批铁基、铜 基及复合粉末材料。这些材料的研制及应用对于提高材料的使用寿命、降低合金 粉末的制造成本、推动堆焊技术的进步起了巨大的推动作用。按合金体系分类， 耐磨堆焊合金粉末可分为铁基合金粉末、钴基合金粉末、镍基合金粉末、铜基合 金粉末及复合粉末。其中的复合粉末是在自熔性合金中加入自熔性较差的硬质化 合物，虽然其自熔性不及铁基、钴基、镍基等自熔性合金粉末，但在硬度及耐磨 性方面可按需要调节【鲫。 堆焊金属的分类方法很多，可按堆焊层硬度、用途、合