11.热喷涂涂层.ppt

热喷涂无机涂层 热喷涂原理 热喷涂是采用各种热源使无机涂层材料加热熔化或半熔化 然后用高速气体使无机涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面 形成无机涂层的工艺过程 热喷涂原理示意图 从喷涂材料进入热源形成无机涂层经历四个阶段 喷涂材料的加热 熔化 对于线材 当端部进入热源高温区域时 立即被加热熔化 对于粉末 进入热源高温区域 在行进的过程中被加热熔化或软化 熔化的喷涂材料被雾化 线材端部熔化形成的熔滴在外加压缩气流或热源自身射流作用下脱离线材 并雾化成微细熔滴向前喷射 粉末一般不存在熔粒被进一步破碎和雾化的过程 而是被气流或热源射流推着向前喷射 熔融或软化的微细颗粒的喷射飞行 在飞行过程中 颗粒首先被加速形成粒子流 随飞行距离增加 粒子运动速度逐渐减小 粒子与基材表面发生碰撞 变形 凝固和堆集 当具有一定温度和速度的微细颗粒与基体表面接触时 颗粒与基材表面产生强烈的碰撞 颗粒的动能转化为热能并部分传递给基材 同时微细颗粒沿凸凹不平表面产生变形 变形的颗粒迅速冷凝并产生收缩 呈扁平状黏结在基材表面 喷涂的粒子束连续不断的运动并冲击表面 产生碰撞变形冷凝收缩的过程 变形的颗粒与基材之间 以及颗粒与颗粒之间互相黏结在一起 从而形成了无机涂层 无机涂层形成过程示意图 热喷涂发展历史 热喷涂技术由瑞士科学家肖普 Schoop 博士于1910年发明 1920年后出现了电弧喷涂技术 20世纪50年代后期 为满足航空 原子能 导弹 火箭等尖端技术对于高熔点 高强度无机涂层的迫切要求 美国相继发明了爆炸喷涂和离子喷涂 20世纪80年代以来 低压等离子喷涂和超音速火焰喷涂也相继问世 热喷涂技术在自身不断发展与完善的同时 在各个应用领域也取得了很大的成就 例如美国PWA飞机发动机公司对2800多个发动机零部件的48种材料进行热喷涂 使发动机的大修期从4000小时延长到16000小时以上 热喷涂工艺分类 根据所使用的热源不同 一般将热喷涂工艺分为 燃烧法 电加热法 热喷涂工艺的分类 常用的热喷涂技术是线材火焰喷涂 粉末火焰喷涂 电弧喷涂 等离子喷涂 爆炸喷涂和超音速火焰喷涂技术 下图给出了各种热源的典型喷枪特征 热喷涂技术的特点 热喷涂可在各种基体上制备各种材质的无机涂层金属 陶瓷 金属陶瓷以及工程塑料等都可用作热喷涂的材料 而金属 陶瓷 金属陶瓷 工程塑料 玻璃 石膏 木材等几乎所有固体材料都可以作为热喷涂的基材 基体温度低基体材料温度一般在30 200 之间 因此变形小 热影响区浅 操作灵活可喷涂各种规格和形状的物体 特别适合于大面积喷涂 并可在野外作业 无机涂层厚度范围广从几十微米到几毫米的无机涂层都能制备 且容易控制 喷涂效率高 成本低 喷涂时生产效率为每小时数公斤到数十公斤 热喷涂技术的局限性 热喷涂技术的局限性主要体现在热效率低 材料利用率低 浪费大 和无机涂层与基材结合强度较低 尽管如此 热喷涂技术仍然以其独特的优点获得了广泛的应用 热喷涂材料的技术要求 热喷涂材料最好有较宽的液相区 因为无机涂层材料需要熔化后才能喷涂到基体上去 而较宽的液相区可以使熔滴在较长的时间内保持液相 一般金属材料和氧化物陶瓷材料都适合热喷涂技术 但如果材料在高温下易分解或挥发 则不适合用热喷涂技术喷涂无机涂层 其次 对无机涂层材料的形状与尺寸也有要求 一般喷涂用材料都必须是线材或粉末材料 线材的规格一般为 1 3mm 而粉末为 1 100 m之间 用来生产线材和粉末材料的方法都可以用来生产喷涂用线材和粉末 粉末材料热喷涂的重要特点是材料成分可按任何比例调配 组成复合粉末 获得某些特殊性能的无机涂层 线材由于受加工性能的限制 只有塑性好的材料才可以制造成线材 常用热喷涂材料 虽然热喷无机涂层适合的材料范围很广泛 但是由于热喷涂技术工艺的特殊性 对热喷涂材料仍有一定的限制 常用热喷涂材料集中在以下范围内 金属热喷涂材料金属热喷涂材料一般有线材和粉末两种形式 线材是用普通的拉拔方法制造的 而粉末一般是用雾化法制造的 由于粉末材料表面积大 氧化程度高 所以在方便的条件下推荐采用线材 但粉末制造方法简单 灵活 材料成分不受限制 因此小批量热喷涂时一般采用粉末材料 陶瓷热喷涂材料陶瓷热喷涂材料最主要的形式是粉末 制造方法有熔融破碎 化学共沉积 喷雾干燥等 另外 将陶瓷粉末烧结制成陶瓷棒可直接喷涂 但成本相对较高 因此应用很少 常用金属热喷涂材料 常用的陶瓷热喷涂材料 塑料热喷涂材料 热喷涂塑料涂层比传统的刷涂 静电喷涂 流化床喷涂塑料无机涂层的成本低 投资少 无机涂层厚度与工作场地无限制 不含溶剂 符合环保要求 采用的塑料涂层材料熔化温度范围应较宽 粘度较低 热稳定性好 一般采用粉末形式 热喷涂用复合粉末材料 热喷涂用复合材料分为两种 一种是为适应热喷涂工艺而制备的复合材料 例如 为防止碳化钨材料在喷涂过程中氧化分解而制备的镍包碳化钨复合粉末材料 它们是当前热喷涂用复合材料的主流 另一类是通过增强相增强无机涂层性能的复合材料 如纤维增强无机涂层材料 这类材料目前还在研究探索过程中 从形式上看 热喷涂复合材料分为复合丝材和复合粉末材料 热喷涂无机涂层形成过程 无机涂层形成的大致过程是 无机涂层材料经加热熔化和加速 撞击基体 冷却凝固 形成无机涂层 其中无机涂层材料的加热 加速和凝固过程是三个最主要的方面 热喷涂无机涂层 无机涂层材料的熔化非常关键 一般希望所有无机涂层材料都完全熔化并一直保持到撞击基体表面之前 并且不发生挥发 一些简单的模型可以描述热气流中固体粉末的熔化过程 将材料参数及有关变量 如热导率 熔化温度等 统一纳入到加热条件及气流动力学方程中 可以得到不等式 式中 S为粉末在焰流中的运动距离 为平均边界层的热导率 T为平均边界层的温度梯度 V为平均焰流速度 为平均焰流粘度 L为粉末材料的熔化潜热 D为粉末的平均直径 P为粉末密度 热喷涂工艺 无机涂层材料的喷涂速度主要由焰流速度决定 同时也与材料的粒度有关 喷涂材料在飞行速度最大时撞击基体的颗粒动能与冲击变形最大 形成的无机涂层结合较好 因此 调整喷嘴与工件的距离到最佳位置非常重要 熔滴撞击基材后扩展成薄膜 撞击时的高速度有助于熔滴的扩展 但会因为表面张力或凝固过程而停止扩展 并凝固成一种扁平的薄饼状结构 如果颗粒有部分未熔 则未熔部分会从基板反弹出来 留下空洞或包裹在无机涂层中形成类似于 夹杂 的组织 如果液滴过热 则撞击基体时温度过高 液滴粘度太低 会造成 喷溅 现象 即熔滴扩展后不会立即凝固 而是边缘变厚 趋于破裂 脱离中心液滴并收缩 凝固成许多小球状液滴 热喷涂工程中的未熔和过熔都是喷涂过程中应避免的 热喷涂无机涂层结构 左上图是等离子钼无机涂层微观结构可见无机涂层由大小不一的扁平颗粒 未熔化的球形颗粒 夹杂和孔隙组成 几乎所有热喷无机涂层都具有上述相同的特征 差别只在于尺寸的大小和数量的多少 图中的黑色细长物为夹杂 它是由于喷涂过程中熔滴发生氧化而形成氧化膜 最后以夹杂形式存在于无机涂层中 未熔化颗粒也会在无机涂层中形成夹杂 夹杂一般来说会损坏无机涂层的结合强度 但有些夹杂也有有利一面 如含钼无机涂层中形成的氧化钼具有减摩作用 含钛无机涂层中形成的氮化钛硬度很高具有耐磨作用 热喷无机涂层一般都会有一部分孔隙 0 025 50 其产生原因主要有三个 第一是未熔化颗粒的低冲击动能 第二是喷涂角度不同时造成的遮蔽效应 第三是凝固收缩和应力释放效应 无机涂层中的孔隙特别是穿孔将损坏无机涂层的耐腐蚀性能 增加无机涂层表面加工后的粗糙度 降低无机涂层的结合强度 硬度 耐磨性 但是 孔隙可以贮存润滑剂 提高无机涂层的隔热性能 减少内应力并因此增加无机涂层厚度 以及提高无机涂层抗热震性能 此外 孔隙还有助于提高无机涂层的可磨耗性能 特别适合于可磨耗封严无机涂层中 热喷涂中的相变 喷涂过程中熔滴撞击基体冷却凝固形成无机涂层 相对基体来说 熔滴尺寸非常小 冷却速度可以达到106K s 冷却后会形成非晶态或亚稳相 完全不同于同样材料在轧制态或铸态的组织结构 在高温环境下使用时 无机涂层的这些亚稳态结构会向稳定相转变 或发生分解 有些相变甚至会产生相变应力 导致无机涂层破坏 因此在设计无机涂层时应引起注意 例如 AL2O3材料硬度高耐磨性好 但是 AL2O3材料的等离子喷无机涂层 由于快速凝固 形成的是 AL2O3无机涂层 其性能特点不同于 AL2O3材料 热喷涂无机涂层应力 大部分无机涂层材料的冷却凝固伴随着收缩过程 当熔滴撞击基体并快速冷却 凝固时颗粒内部会产生张应力 其大小与无机涂层厚度成正比 无机涂层厚度达到一定程度时 无机涂层内的张应力超过无机涂层与基体的结合强度或无机涂层自身的结合强度时 无机涂层就会发生破坏 薄无机涂层一般比厚无机涂层更加经久耐用 高收缩材料如某些奥氏体不锈钢易产生较大的残余应力 因此不能喷涂厚的无机涂层 由于无机涂层应力的限制 热喷无机涂层的最佳厚度一般不超过0 5mm 喷涂方法和无机涂层结构也影响无机涂层的应力水平 致密无机涂层中的残余应力要比疏松无机涂层的要大 无机涂层应力大小还可以通过调整喷涂工艺参数而部分控制 但更有效的办法是通过无机涂层结构设计 采用梯度过度层缓解无机涂层应力 无机涂层的结合强度 热喷涂无机涂层中 无机涂层与基体的结合机理主要为机械结合或称 抛锚作用 即最先形成的薄片状颗粒与基体表面凹凸不平处产生机械咬合 随后飞来的颗粒敷在先到的颗粒表面 依照次序堆叠镶嵌 形成以机械结合为主的喷无机涂层 此外 喷涂过程中颗粒在撞击到基体时释放出大量能量 使基体表面局部达到瞬时高温 导致无机涂层材料与基体之间发生局部扩散和焊合 形成冶金结合 例如用具有放热反应效应的镍包铝复合粉末喷涂时镍和铝两种元素会发生反应形成金属间化合物 同时释放出大量热量 使基体与颗粒接触表面瞬时达到高温 无机涂层与基体表面原子相互扩散 形成冶金结合 因为颗粒撞击无机涂层时冷却速度非常快 106K s 扩散反应过程非常短 一般不超过0 5 m 所以常称其为微冶金结合 机械结合为主的结合机理决定了热喷涂无机涂层的结合强度比较差 只相当于其母体材料的5 30 强度 最高也只能达到70Mpa 热喷涂工艺方法 不同的热喷涂工艺 尽管所用的热源 设备 无机涂层材料 工艺参数和环境气氛不同 但都必须要把无机涂层材料熔化 雾化 然后以一定的速度喷射到经过预处理的基体表面形成无机涂层 因此 各种工艺的工序流程是大体相同的 基本上包括基体的预处理 喷涂施工 无机涂层后处理及精加工等步骤 基体的预处理 基体的预处理的目的是获得新鲜 清洁 有活性的表面 即净化 粗化 活化的表面 以增大与喷射粒子和无机涂层的粘结强度 由于热喷涂无机涂层的粘结是以机械嵌合和粘合为主 因此 无机涂层与基体的粘结强度直接受到基体表面状态 即表面预处理的影响和制约 表面预处理质量的好坏直接决定喷涂工艺和无机涂层的成败 基体的预处理 常用的表面预处理方法 清洗 除油 喷砂 车螺纹或滚花 电拉毛 金属基体的清洗 除油 可采用工业汽油 航空煤油 四氯化碳 甲苯和丙酮等有机溶剂及合成水基防锈清洗剂 对工件进行清洗除油 可以擦洗 刷洗 浸洗和喷洗 也可以用酸液或碱液浸洗 工件清洗除油后 应即时用清水洗净或用丙酮去湿 对于大批量生产的工件的清洗除油 最好采用三氯乙烯蒸汽除油 对于铸铁件 多孔件和具有窄缝的工件内的油污 可采用炉内加热或用火焰加热的方法 让油污流出燃烧 加热温度为300 350 温度不宜过高 否则会使工件组织发生变化或使工件变形 如油污过多 可反复进行清洗 直至无油污渗析斑点为止 同时 要及时将油污燃烧产生的炭黑清洗干净 粗化处理 表面粗化可以净化表面 增大结合面积 构成无机涂层颗粒互锁的结构 提供表面压应力 粗化处理可以显著地使无机涂层与无机涂层之间以及无机涂层与基体之间的结合强度得到强化 表面粗化的方法主要有 喷砂 或喷丸 加粘结底层以及宏观粗化 喷砂处理 基体表面的喷砂预处理是采用高硬度的磨料颗粒高速喷射基体表面 对基体表面产生冲刷 凿削和锤击作用 以除去基体表面的铁锈 鳞皮 毛刷 焊渣 旧陶瓷无机涂层等污物 并形成具有相当粗糙度的基体表面 使金属基体裸露出活性新鲜的活性表面 同时产生净化 粗化和话化效果 常用的喷砂磨料有氧化铝 铁砂 钢砂 碳化硅和金刚砂和铁砂等 喷砂介质的选择取决于基体的材质和硬度 砂粒粒度的大小主要取决于所需要的表面粗糙度 也与磨料的硬度 无机涂层的厚度和喷砂用空气压力等因素有关 实际使用的粒度范围通常分为三挡 粗砂 0 6 2 0mm 10 30目 中粗砂 0 425 1 4mm 14 40目 细砂 0 18 0 6mm 30 80目 无机涂层厚度超过0 25mm时推荐采用粗砂 以提高基体的表面粗糙度获得最佳的结合强度 当无机涂层厚度小于0 25mm时要求基体表面的粗糙度比较均匀时 则宜采用中粗砂 细砂喷砂时 单位时间单位面积上冲击基体表面的磨料数目和接触面积均大 因而喷砂效率高 但表面粗糙度小 反之 磨料粒度大喷砂效率低 表面粗糙度增大 喷砂用磨料必须清洁 干燥 有棱有角 使用过且受到污染的磨料不能再用 喷涂粘结底层 在基体金属上喷涂陶瓷无机涂层时 为改善基体金属与陶瓷无机涂层之间的结合力 一般都要喷涂一层粘结底层 粘结底层具有如下的特性 a 自粘结 效应在等离子焰流的高温下 无机涂层材料的不同组分间能发生放热化学反应 使无机涂层与基体形成微区冶金结合 最典型和应用最广的 自粘结 无机涂层材料是Ni Al复合粉末 b 粗化 效应热喷涂的自粘结无机涂层表面非常粗糙 甚至比喷砂处理的粗化效果更好 因而陶瓷无机涂层能与之形成更强的机械嵌合 可不再对基体进行喷砂预处理 c 帘栅屏蔽 效应自粘结底层具有比基体材料更好的抗氧化能力和耐蚀性能 因而能在陶瓷无机涂层与基体之间起 屏蔽帘栅 的隔离作用 能将陶瓷无机涂层由于有孔隙而引起的基体的氧化和腐蚀降至最小 d 缓冲效应 自粘结无机涂层的热膨胀系数介于基体金属与陶瓷无机涂层之间 且自粘结无机涂层的强韧性好 在机械和热疲劳的作用下具有足够的韧性 能对因基体金属与陶瓷无机涂层的热膨胀系数不同而产生的应力起 缓冲 作用 减少甚至消除陶瓷无机涂层的应力开裂和剥落 热喷涂方法 热喷涂方法有很多 根据热源种类 喷涂材料的形状及喷涂时的工艺特点可分为表11 6所示的多种方法 火焰热喷涂工艺 火焰热喷涂 FlameSpeay 是对线材火焰喷涂 WireFlameSpray 和粉末火焰喷涂 PowderFlameSpray 的总称 火焰喷涂一般通过氧 乙炔气体燃烧提供热量加热熔化喷涂材料 通过压缩气体雾化并加速喷涂材料 随后在基体上沉积成无机涂层 燃烧气体还可以使用丙烷 氢气或天然气等 燃烧气体的自由膨胀对无机涂层材料加速的效果有限 为了实现喷涂 喷嘴上通有压缩空气流或者高压氧气流 使熔融材料雾化并加速 在特殊场合下 也可用惰性气体作压缩气流 根据无机涂层材料形状的不同 火焰喷涂可分为线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂 线材火焰喷涂原理 线材火焰喷涂的原理示意图如图所示 喷涂用线材送入喷枪后 由喷枪内的驱动轮连续输送到喷嘴 在喷嘴前端被同轴燃烧气的火焰加热而熔化 然后被压缩空气雾化并加速 喷涂在基体表面 除了线材 连续的金属丝 可以用这种方法喷涂外 棒材 约60cm长的脆性陶瓷棒 和带材 装有金属粉末的柔性塑料管 都可以用同样的方法进行喷涂 粉末火焰喷涂的原理 粉末火焰喷涂与线材火焰喷涂的不同之处在于喷涂材料不是线材而是粉末 其原理示意图如图所示 用少量气体将喷涂粉末输送到喷枪的喷嘴前端 通过燃气加热 熔化并加速喷涂到基体表面 在喷嘴前端加上空气帽 可以压缩燃烧焰流并提高喷涂速度 线材火焰喷涂比粉末火焰喷涂便宜 但选材要窄 因为有些材料很难加工成线材 不论线材火焰喷涂还是粉末火焰喷涂 其工艺特点是相同的 火焰喷涂的原理 火焰喷涂的焰流温度较低 一般用于金属材料和塑料的喷涂 火焰喷涂的优势在于设备投资少 操作容易 设备可携带到现场施工 无电力要求 沉积效率高等 无机涂层氧含量较高 孔隙较多 无机涂层结合强度偏低 无机涂层质量不高 电弧喷涂工艺 电弧喷涂 ArcSpray 的原理示意图如图所示 两根彼此绝缘并加有18 24V直流电压的线形电极 由送丝机构向前输送 当两极靠近时 在两线顶端产生电弧并使顶端熔化 同时吹入的压缩空气使熔化的液滴雾化并形成喷涂束流 沉积在工件表面 电弧喷涂只能用于具有导电性能的金属线材 当前主要用于喷涂锌铝防腐蚀无机涂层 不锈钢无机涂层 高铬钢无机涂层 用于大型零件的修复和表面强化 电弧喷涂的无机涂层密度可达70 90 理论密度 比同样的火焰喷涂无机涂层要致密 结合强度 10 40Mpa 要高 而且电弧喷涂的运行费用较低 喷涂速度和沉积效率都很高 因此是喷涂大面积无机涂层的最佳选择 等离子喷涂工艺 等离子喷涂 PlasmaSpray 采用等离子火焰作为热源对喷涂材料进行加热 等离子体是由电离了的原子 分子 离子与电子组成的导电气体 当气体中的原子被激发到高能级上 这些原子会释放出电子并成为带正电荷的离子 从而组成了导电气体 等离子体 等离子体称为物质的第四态 它整体呈电中性 但内部导电 根据电离程度高低 通常将等离子体分为三大类 高温高压等离子体 电离度100 温度可达几亿度 可用于核聚变 低温低压等离子体 电离度不足1 温度仅为50 250 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 热喷涂所利用的正是这类等离子体 等离子喷涂工艺 用于等离子喷涂的等离子体通常由下列一种或几种气体混合产生 氩 氦 氮 氢 等离子火焰温度可达到20000K 远高于所有材料的熔点和沸点 但是等离子火焰温度并不是等离子体高效加热性能的唯一原因 例如氦气加热到13000K还没有形成等离子体 因此无法提供喷涂所需的热能 而氮气仅需加热到10000K就分解和电离成等离子体 可以提供喷涂的热量是氦气在130000K时的六倍 等离子体提供巨大能量的一个重要原因是分子气体分解成原子气体以及电离时发生的能量变化 氩气 氮气 氢气和氦气的分解和电离能 等离子喷涂工艺 等离子喷涂设备由电源 电器控制系统 喷枪 气源和气路 供粉系统 水冷系统等组成 设备相对比较复杂 价格较贵 等离子喷枪的的作用是产生等离子火焰并喷射出高速气流 等离子喷枪由铜阳极嘴和钨阴极头组成 阳极嘴和阴极头都采用高压水冷却 离子气由阴极流向阳极 经压缩后从阳极喷射出去 压缩后的等离子电弧 通过阳极孔道喷出后 离子气发生急剧膨胀 将压缩气流加速到亚音速甚至超音速水平 焰心的最高温度可达20000 30000 粉末送入方式有两种 一种是外送式 即在喷嘴之外的区域送入等离子体焰心中 另一种是内送式 是用送粉管将粉末从喷嘴内部送到等离子火焰中 然后 粉末被迅速加热 加速 并喷涂到基体表面 等离子喷涂原理示意图 等离子喷涂原理 等离子喷涂一般在大气环境下喷涂 为避免喷涂材料的氧化 也可以在充满低压保护气体的真空室内进行 称为真空等离子喷涂 VacuumPlasmaSprayingVPS 或低压等离子喷涂 LowPressurePlasmaSpraying LPPS 在真空 低压 等离子喷涂中的束流密度较低 因此热能的动能的转移率较低 对喷涂高熔点材料反而不利 等离子喷涂的最大优势是焰流温度高 喷涂材料适用面广 特别适合喷涂高熔点材料 等离子喷无机涂层的密度可达理论密度的85 98 真空喷涂可达到95 99 5 结合强度也很高 35 70Mpa 而且无机涂层中夹杂较少 喷涂质量远优于火焰喷无机涂层 爆炸喷涂和超音速火焰喷涂 爆炸喷涂也属于燃烧喷涂的一种 最早由美国联合碳化物公司发明 当时他们只提供喷涂服务 不转让专利 其设备和工艺参数至今仍然保密 不过 现在我国和俄罗斯巴顿焊接研究所都能生产这一装置 其技术关键在于爆炸枪的构造 包括一个长的水冷枪筒 并开有进气门和送粉口 氧气和燃料 通常使用乙炔 输送到枪管内 同时喂入一份喷涂粉末 然后点火器点燃混合气体 引起燃烧爆炸 使喷涂粉末加热和加速 并以超音速的速度喷射出枪管 沉积在基体表面 粉末每喷射一次 就通入一股脉冲氮气流清洗枪管 此过程重复多次就可获得无机涂层 现在 爆炸喷涂的频率已达到60Hz 爆炸喷涂的工艺特性 最大特点是射流速度高 但是采用氧气 乙炔燃烧爆炸 焰流温度不很高 因此不适合喷涂陶瓷等高熔点材料 喷涂碳化物类金属陶瓷 如WC Co WC Ni Cr2C3 NiCr等 材料时 由于碳化物在高温时易分解 用等离子喷涂技术很难通过控制工艺参数来防止分解 而火焰喷无机涂层质量差 结合强度低 爆炸喷涂的温度低 可以有效地抑制碳化物的分解 同时其超音速的喷射速度可以保证获得高密度 高结合强度的无机涂层 所以爆炸喷涂是喷涂含碳化物金属陶瓷无机涂层的理想方法 爆炸喷涂示意图 超音速火焰喷涂 爆炸喷涂无机涂层与基体结合强度非常高 最高可以超过85Mpa 无机涂层最高密度可达到理论的99 9 杂质含量也较低 但是爆炸喷涂的喷涂效率非常低 运行成本相对较高 所以一般专门用于碳化物无机涂层的喷涂 在20世纪60年代初期美国Browning公司开始研究超音速火焰喷涂技术 1983年获得专利 目前世界上的各大喷涂公司都能生产这种设备 超音速火焰典型特征是距离喷嘴一定距离的位置可看到一列菱形花纹 向金刚石一样闪闪发光 因此 1989年美国Metco热喷涂公司将推出的超音速火焰喷涂取名 DiamondJet 超音速火焰喷涂实际上与普通火焰喷涂一样 只是多了一个使喷涂火焰达到超音速的机构 喷涂粉末可以用高压轴向送入或从喷射管侧面送入 此处压力小一些 另一种办法是将燃料 煤油 乙炔 丙烯和氢气 和氧气用高压喷射出喷嘴 在喷嘴外燃烧 喷涂粉末用高压气体从喷嘴内轴向送入火焰中 然后通过喷嘴外空气罩中的压缩空气将燃烧火焰压缩 加速 并将熔融的粉末喷向基体 超音速火焰喷涂示意图 超音速火焰喷涂 超音速火焰喷涂的工艺特性与爆炸喷涂一样 射流速度高而焰流温度相对较低 同样适合喷涂含碳化物无机涂层材料 采用超音速火焰喷涂获得的无机涂层最高密度可达到理论密度的99 9 结合强度略低于爆炸喷涂 达70Mpa以上 无机涂层杂质较少 无机涂层残余应力小 在某些情况下甚至可以得到残余压应力 因此可以喷涂更厚的无机涂层 据报道 采用Tafa公司JP 5000型超音速火焰喷涂设备 最高喷涂过12 7mm厚的不锈钢无机涂层 超音速火焰喷涂燃料消耗大 虽然其喷涂效率比爆炸喷涂有提高 喷涂成本目前仍然比较高 热喷涂无机涂层的后处理 封孔处理 热喷涂无机涂层总含有或多或少的气孔 这些气孔分为开孔 盲孔和通孔几种类型 封孔处理的目的主要是填充和封闭所有的开孔和通孔 以提高无机涂层的耐蚀性 抗氧化性 电绝缘性和无机涂层的密封性能 同时有助于无机涂层加工过程中防止磨屑等污物污染无机涂层 改善无机涂层形貌封孔处理时可将封孔剂进行喷涂 刷涂 浸涂 真空浸渗等 封孔处理应在喷涂施工之后尽可能快地进行 以防止无机涂层孔隙中吸附潮气等而影响封孔效果 固态的微晶石蜡封孔剂最好借喷涂的余热使其熔化而将无机涂层孔隙封闭 车磨削前应对无机涂层进行封孔处理 以防止磨粒或碎屑嵌入无机涂层孔隙损伤无机涂层 车 磨削机加工后 无机涂层中原有的部分盲孔会暴露出来成为开孔 最好再次进行封孔处理 以改善无机涂层的外观质量 真空浸渗是最有效的封孔方法 它是将喷涂后零件放入真空室中 在抽真空过程中就能把无机涂层孔隙中的空气抽出 此时向真空室的盛部件的容器中注入封孔剂 通过毛细作用使封孔剂吸入到抽真空后的孔隙 空穴和裂纹处 达到良好的渗透封孔的目的 热喷涂无机涂层的后处理 致密化 热喷涂无机涂层的致密化处理 通常是采用加热的方法 将金属或合金特别是自熔性合金无机涂层熔融成完全致密无孔且与基体呈高温钎焊结合甚至冶金结合的无机涂层的处理工艺 包括火焰喷涂重熔 感应重熔 激光重熔和电子束重熔 等离子喷焊实质上也是一种无机涂层致密化工艺 近代采用激光束对金属无机涂层和某些陶瓷无机涂层进行熔融处理已取得可喜进展 更扩大了重熔处理的范围 火焰喷涂重熔 火焰喷焊 火焰喷涂重熔 火焰喷焊 这是采用氧 乙炔火焰将自熔性合金粉末或自熔性合金 碳化物类金属陶瓷复合粉末 或混合粉末 熔焊在表面上形成焊层的工艺方法 分为火焰喷焊 俗称一步法 和火焰喷涂重熔 俗称二步法 两种 金属陶瓷粉末只能使用火焰喷涂重熔工艺处理 火焰喷涂重熔工艺的优点是适合于较大工件 较大面积的喷焊 喷焊层比较平整 光滑 厚度比较均匀 焊层与基体呈冶金结合或高温钎焊结合 结合十分牢固 含碳化物类硬质相的硬质合金焊层可显著进一步提高自熔性合金焊层的硬度和耐磨性 特别适合于耐高应力磨粒磨损 冲蚀磨损和冲击磨损的场合 其缺点是工件要整体加热至红热状态 热量输入大 工件变形大 基体的组织结构会发生变化 无机涂层成分尤其是碳化物硬质相会发生一定程度的失碳和烧损 无机涂层组分中硬质相的比例不能过大 一般为35 左右 材料品种有限 炉内重熔 炉内重熔 这是将已喷涂自熔性合金 自熔性合金加碳化物类硬质合金无机涂层的工件 放入加热炉中加热至自熔性合金的熔点 约1050 1150 停留一段时间 使无机涂层充分熔融成完全致密的焊层 这种方法对炉温或炉温均匀性的控制要求严格 若炉温过高 会使合金熔体黏度变小 容易流淌 且使无机涂层氧化加重 若炉温偏低 无机涂层熔融不充分 亦会出现未熔透 无机涂层不完全致密 硬度不均匀等现象 一般炉温应控制在自熔性合金熔点 3 5 范围内 如能在无机涂层表面撒布一层无机覆盖剂 则既可保护无机涂层免遭氧化 又能防止无机涂层熔融后流溢 也可在炉内通入保护气体 或在真空炉内重熔 有效地防止基体无机涂层的的氧化 特别是碳化物类易氧化硬质相的氧化 获得优质的高耐磨焊层 这种方法特别适用于平板类部件表面制备高耐磨耐蚀焊层 适合于大批量生产 感应重熔 感应重熔 这是利用电磁感应装置的感应线圈所产生的高频或中频磁场 根据磁场感应的 趋肤效应 和 涡流发热效应 使基体表面或无机涂层材料迅速加热并熔化成致密焊层的处理方法 工业上 根据感应设备所产生电磁波的频率 常用高频感应和中频感应两种频率进行感应重熔 高频感应频率高 升温快 趋肤效应 强 熔深浅 但高频磁场对人体有害 中频感应频率降低 升温速度减慢 涡流发热效应 强 熔深增大操作条件得到改善 不同的设备 通过感应器的设计调整和控制感应磁场的频率 合理匹配工件转速与感应器的移动速度 控制好感应重熔时间 就能有效地控制感应重熔过程 获得满意的焊层 感应重熔具有升温快 重熔效率高 基体热输量小 易实现机械化和自动控制 生产费用低等特点 特别适合形状一致的圆柱形回转体和平板工件表面喷无机涂层的重熔处理 具有显著高效 节能 节材效果 激光重熔 激光重熔利用激光束的高能量密度 对等离子喷涂陶瓷无机涂层进行激光重熔处理 能获得完全致密的无孔隙陶瓷熔合层 无机涂层组织结构产生重大变化 晶粒细化 硬度大大提高 耐磨性和耐蚀性大大提高 并显著改善陶瓷无机涂层与基体金属的结合强度和抗热震性能 由于激光重熔时的温度很高 远高于陶瓷无机涂层的固溶温度 且冷凝和冷却速度也相当高 因而会出现快速凝固和高的非稳定态相变过程 导致无机涂层中出现相当大的热应力和相变应力 处理不好 重熔陶瓷无机涂层会迅速出现开裂甚至崩落 因此并非所有陶瓷无机涂层都能够进行激光重熔 激光重熔陶瓷无机涂层的质量主要取决于陶瓷无机涂层的化学成分 无机涂层系统设计和激光重熔参数的合理选择 热处理 对热喷涂无机涂层进行低温热处理 有利于消除热喷涂无机涂层的内应力 提高其使用寿命 对高温合金喷涂的NiCr Ni Al NiCr Al等粘结底层在真空 氢气或氩气保护气氛下 于980 1090 下进行高温扩散热处理 能使粘结无机涂层的成分与高温合金成分发生互扩散 形成致密的冶金结合粘结底层 从而有利于在高温燃气使用条件下防止因粘结底层的氧化而使其耐热震寿命降低 在不锈钢或钛合金基体上喷涂羟基磷灰石生物功能陶瓷时 对无机涂层采用蒸汽热处理 使基体表面预氧化 与喷涂的羟基磷灰石层具有更好的亲和性与齿合性 可提高无机涂层在体液中的耐蚀性 浸渗处理 将等离子喷涂的Co WC金属陶瓷无机涂层在低温焊料或钎焊料的熔体中进行熔浸处理 熔融钎焊料通过毛细管作用 能迅速渗透填满未熔化的Co WC无机涂层的孔隙 像低温下用液态封孔剂对无机涂层进行浸渗处理一样 热浸渗处理可在1000 真空中或800 氢气氛中进行 浸渗处理时间约为1 2min 对于大多数Pb Sn Ag和Cu焊料的浸渗 可获得满意的结果 能显著改善Co WC无机涂层的强度和耐磨性 例如 等离子喷涂的12Co WC金属陶瓷无机涂层 在一种CuNi P低熔点合金的熔体中进行浸渗处理 熔浸温度为810 真空度为13 3mPa 10 4Torr 浸渗时间为30min 熔浸处理后无机涂层的硬度 HV 达到1400 1500 显著地提高无机涂层的耐磨性能 并可与烧结生产的超硬质合金的耐磨性能相比 无机涂层的磨削加工 无机涂层的磨削加工 热喷涂无机涂层是含有孔隙和夹杂的层叠状堆积的各向异性的不均匀物质 无机涂层的使用效果在很大程度上取决于加工工艺 陶瓷无机涂层的磨削加工是陶瓷制品达到高的公差要求和表面光洁度的唯一有效方法 磨削方法主要有磨床磨削 砂轮磨削和砂带磨削 热喷涂无机涂层质量评定 热喷涂无机涂层的质量应根据其用途来评定 例如GE P W以及RR等航空发动机公司建立的热喷涂最终质量标准中 常用的指标为显微硬度和 或 宏观硬度 结合强度 界面和无机涂层显微结构以及无机涂层厚度 其他的指标如磨损率 热震 冲蚀率 摩擦系数 热膨胀系数等则视无机涂层应用环境的需要而测定 以下仅介绍常用热喷涂无机涂层性能的测定方法 无机涂层厚度的测定 简单几何形状基体表面 可直接用游标卡尺或千分尺测量无机涂层厚度 对形状较复杂的零件 可采用磁性法和涡流法测厚仪测量无机涂层厚度 参考GB11374 89 磁性法是以探头对磁性基体磁通量或互感电流为基准 利用非磁性无机涂层的厚度不同 以探头磁通量或互感电流的变化值来测量覆盖层厚度 因此只适合测量磁性基体上非磁性无机涂层的厚度 如钢铁表面的非磁性膜 涡流法利用一个载有高频电流线圈的探头 在被测试样表面产生高频磁场 由此引起金属内部涡流 此涡流产生的磁场又反作用于探头内线圈 使其阻抗变化 通过测量阻抗变化值就可确定无机涂层的厚度 磁性法和涡流法直观简单 但其测量校准工作非常重要 否则容易产生很大的测量误差 孔隙率测定 无机涂层中的孔隙率可以采用阿基米德方法和金相法测定 阿基米德方法是通过比较无机涂层实际密度和无机涂层材料理论密度的差别来确定 金相法是通过图象分析确定 封孔处理后无机涂层的残余穿孔测定可以采用试剂试验方法 即通过贴附在无机涂层表面试纸上亚铁氰酸的兰色斑点情况 检查在钢铁基体上无机涂层通向基体表面的气孔存在情况 也可以采用高压放电试验方法来测定 即通过火花放电的原理来检查在钢铁基体上无机涂层通向基体表面的气孔存在 结合强度测定 热喷无机涂层结合强度的测定一般采用拉伸法 参考GB8642 88 将胶粘好的试样 装在试验机上 在规定的条件下 均匀 连续地施加载荷 至试样断裂 记录最大断裂强度 用下式计算无机涂层结合强度 b F A0式中 b为无机涂层结合强度 F为试样断裂载荷 A0为试样无机涂层面积 无机涂层显微结构观察 无机涂层显微结构分析与一般材料显微分析手段相同 如金相分析 SEM TEM等 但是进行无机涂层截面分析时 试样制作非常关键 因为无机涂层较薄 而且大部分较脆 所以对试样的切割 镶样以及研磨抛光都有特殊要求 在切割过程中应选择合适的切割砂轮和切割速度 切割方向应垂直于无机涂层表面 从无机涂层表面向基体方向切割 热喷无机涂层结合强度的测试原理 热喷涂技术的应用 1 喷涂耐腐蚀无机涂层采用热喷涂技术可以喷涂耐各种介质腐蚀的保护无机涂层 如锌 铝 不锈钢 镍合金 蒙乃儿合金 青铜以及氧化铝 氧化铬陶瓷无机涂层和塑料等 但是不锈钢 镍合金 蒙乃儿合金 青铜等金属无机涂层的电极电位比钢铁高 因此易在无机涂层孔隙处产生电化学腐蚀 只用于机械部件如柱塞泵的活塞和活塞杆 液压油缸 蒸汽轮机轴的密封部件 船舶尾轴 阀门等 而且必须封孔处理 陶瓷无机涂层用于防腐也必须经过封孔处理 最成功的热喷涂防腐无机涂层是锌 铝无机涂层 它们除了具有大多数油漆和涂料对钢基体形成的 隔离 和 阻挡 功能外 由于锌 铝的腐蚀电极电位高于铁 即使无机涂层有孔隙 缺陷或出现裂纹时 腐蚀介质将首先腐蚀锌和铝 而使铁基体作为阴极而得到保护 可用于大型桥梁 海洋钻井平台 水利设施等 使用寿命可达到20年以上 是极有希望的替代油漆的表面保护无机涂层 例如英国普利茅斯公路大桥 处于海洋和工业性气候 1961年建成 喷涂0 08mm铝 锌复合无机涂层 至今只重新喷涂过一次 2 喷涂耐磨无机涂层 热喷涂技术被成功地应用于喷涂机械零件表面的耐磨无机涂层 延长零件的使用寿命 或修复磨损失效的机械零件 采用等离子喷涂氧化铝 氧化铬等耐磨陶瓷无机涂层可以有效减少磨损 提高寿命 对于可能遭遇磨料磨损的机械部件如泥浆泵活塞杆 螺旋送料器等零件 要求无机涂层的硬度超过磨料的硬度 因此最好选用超音速火焰喷涂或爆炸喷涂技术喷涂镍基或钴基碳化钨无机涂层 对于在冲蚀和气蚀环境下工作的水轮机 抽风机 旋风除尘器等的零件 要求无机涂层硬度高 韧性好 采用等离子喷涂超细氧化铝 氧化铬等耐磨陶瓷无机涂层 或选用超音速或爆炸喷涂钴基碳化钨复合无机涂层可以获得较好的效果 美国Metco公司在中国小浪底水电站建设工作中承担了水轮机耐冲蚀无机涂层的施工任务 共耗喷涂材料13吨多 项目总投资达到6 7千万美元 采用耐冲蚀无机涂层后预计水轮机叶轮寿命将从三年提高到几十年 在航空发动机中 采用可磨耗无机涂层能成功地减小转子与机壳之间的间隙 可磨耗无机涂层一般采用等离子喷涂或火焰喷涂技术制备 无机涂层成分由金属基体和非金属填料组成 金属通常可选用铝 铜 镍 钴及其合金等 而填料通常有石墨 聚苯脂 硅藻土 膨润土 六方氮化硼等 3 喷涂耐高温无机涂层 热喷涂技术同样可用于改善机械零件的抗高温氧化性能 超音速火焰喷涂Cr2C3 NiCr无机涂层 在900 以下是非常好的耐磨无机涂层 是冶金工业中连续退火炉炉底辊的主要高温保护无机涂层 如果温度在900 以上 则可以采用大气等离子喷涂氧化锆无机涂层 采用真空等离子喷涂NiCrAI或Ni Co CrAIY无机涂层 或者用等离子喷涂氧化铝 氧化钛等陶瓷无机涂层 都可以改善机械零件的抗高温氧化性能 防止熔融金属的侵蚀 采用热障无机涂层隔离金属基体与高温环境 可以有效保持金属构件的力学性能 例如人造卫星进入地球