喷涂_喷焊_堆焊

第4章喷涂 喷焊与堆焊技术 第一节热喷涂技术一 喷涂技术的原理与特点1热喷涂原理利用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涂层 第四章喷涂 喷焊与堆焊技术 1 喷涂材料被加热到熔化或者半融化状态 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热喷涂的基本过程 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4 20 3涂层结构 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 典型的热喷涂层的金相组织照片 Ni Cr B Si火焰喷涂组织 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 2 4涂层的结合方式机械结合 熔融态的粒子撞击到基材表面后铺展成扁平状的液态薄层 嵌合在起伏不平的表面 冶金结合 涂层与基体表面出现互扩散或形成微区的冶金反应 物理结合 当高速运动的熔融粒子撞击基体表面后 若界面两侧紧密接触的距离达到原子晶格常数范围内时 产生范德华力 熔融粒子撞击表面的吉布斯自由能降低 提高涂层结合强度的方法 材料A B表面越干净 表面接触面积越大 G表面越小 结合强度越高 提高接触温度 使 G更小 结合强度高 当沉积过程中发生扩散或冶金反应时 Hs变小 也会使 G更小 结合强度提高 涂层冷凝收缩时 涂层外层的张应力 基体表面的压应力 组织转变产生的微观应力 结果使涂层产生残余张应力 残余应力与喷涂工艺条件 涂层及基材的物理性质有关 适当的预处理如粗化 以使应力分散 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 5涂层的残余应力 二 热喷涂的种类和特点 1 热喷涂种类按涂层加热和结合方式 热喷涂有喷涂和喷熔两种 热喷涂 基体不熔化 涂层与基体形成机械结合 喷熔 是涂层经再加热重熔 涂层与基体互溶并扩散形成冶金结合 它们与堆焊的根本区别都在于母材基体不熔化或极少溶化 按热源分为 粉末火焰喷涂 线材火焰喷涂 超音速火焰喷涂 爆炸喷涂 燃爆喷涂 电弧喷涂 等离子喷涂 激光喷涂 2 热喷涂特点 l 适用范围广 涂层材料可以是金属和非金属 如聚乙烯 尼龙等塑料 氧化物 氮化硅 氨化硼等陶瓷 以及复合材料 被喷涂工件也可以是金属和非金属 如木材 用复合粉末喷成的复合涂层可以把金属和塑料或陶瓷结合起来 获得良好的综合性能 其他方法难以达到 2 工艺灵活 施工对象小到10mm内孔 大到铁塔 桥梁等大型结构 喷涂既可在整体表面上进行 也可在指定区域内涂敷 既可在真空或控制气氛中喷涂活性材料 也可在野外现场作业 3 基体变形小 除喷熔外 热喷涂是一种冷工艺 例如氧 乙炔焰喷涂 等离子喷涂或爆炸喷涂 工件受热程度均不超过250 工件不会发生畸变 不改变工件的金相组织 4 喷涂层的厚度可调范围大 涂层厚度可从几十微米到几毫米 表面光滑 加工量少 用特细粉末喷涂时 不加研磨即可使用 5 生产率高大多数工艺方法的生产率可达到每小时喷涂数千克喷涂材料 有些工艺方法可高达50kg h以上 6 缺点结合力低 孔隙率较高 均匀性差 热效率低 操作环境较差 形式 粉末 线材 棒材 带材 柔性丝等 成分 金属 有机塑料 陶瓷 碳化物 紫熔合金 复合材料 非晶体等 应用目的 耐磨损材料 耐腐蚀材料 耐高温材料 隔热热障材料等 二 热喷涂材料的分类及特点1热喷涂材料的分类 2热喷涂材料的特点热稳定性好使用性能好润湿性好固态流动性好 粉末 热膨胀系数合适 1 要把实用性 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 对于重要的部件以获得最优涂层性能为准则 不十分重要的部件则以获得最大的经济效益为准则 3 根据工件的工作环境选择合适的工作涂层 4 为满足喷涂工件的使用要求 可采用复合涂层和梯度涂层 3热喷涂材料的选材原则 4热喷涂线材非复合线材 只含一种金属或合金的材料制成的线材 1 碳钢及低合金钢丝最常用的是85优质碳素结构钢丝和碳素工具钢丝 一般采用电弧喷涂 用于喷涂曲轴 柱塞 机床导轨等常温工作的机械零件滑动表面耐磨涂层及磨损部位的修复 2 不锈钢丝 1Cr13 2Cr13 3Cr13等马氏体不锈钢丝主要用于强度和硬度较高 耐蚀性要求不太高的场合 其涂层不易开裂 1Cr17在氧化性酸类 多数有机酸 有机酸盐水溶液中有良好的耐蚀性 1Cr18Ni9Ti等奥氏体不锈钢丝有良好的工艺性能 在多数氧化性介质和某些还原性介质中都有较好的耐蚀性 用于喷涂水泵轴等 由于不锈钢涂层收缩率大 易开裂 适于喷涂薄层 3 铝丝 铝和氧有很强的亲和力 铝在室温下大气中就能形成致密而坚固的Al2O3氧化膜 能防止铝进一步氧化 纯铝喷涂除大量用于钢铁保护涂层外 还可作为钢的抗高温氧化涂层 导电涂层和改善电接触的涂层 一般铝丝纯度 质量分数 应大于99 7 铝丝直径2 3mm 喷涂时 表面不得有油污和氧化膜 4 锌丝 在钢铁件上 只要喷涂0 2mm的锌层 就可在大气 淡水 海水中保持几年至几十年不锈蚀 锌的纯度要求 质量分数 在99 85 以上的纯锌丝 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 锌喷涂广泛用于大型桥梁 铁路配件 钢窗 电视台天线 水闸门和容器等 5 钼丝 钼与氢不产生反应 可用于氢气保护或真空条件下的高温涂层 钼是一种自粘结材料 可与碳钢 不锈钢 铸铁 蒙乃尔合金 镍及镍合金 镁及镁合金 铝及铝合金等形成牢固的结合 钼可在光滑的工件表面上形成1um的冶金结合层 常用作打底层材料 2020 4 5 31 如机床导轨喷涂钢时 用钼作为打底层可增加钢喷涂层与基体的结合强度 钼的摩擦系数小 适用于喷涂活塞环和摩擦片 但钼不能作为铜及铜合金 镀铬表面和硅铁表面的涂层 6 锡及锡合金丝 锡涂层具有很高的耐腐蚀性能 常用作食品器具的保护涂层 但锡中砷的质量分数不得大于0 015 含锑和钼的锡合金丝具有摩擦系数低 韧性好 耐蚀性和导热性良好等特性 在机械工业中 广泛应用于轴承 轴瓦和其他滑动摩擦部件的耐磨涂层 此外 锡可在熟石膏等材料上喷涂制成低熔点模具 7 铅及铅合金丝 铅具有很好的防X射线辐射的性能 在原子能工业中广泛用于防辐射涂层 含锑和铜的铅合金丝材料的涂层具有耐磨和耐蚀等特性 用于轴承 轴瓦和其他滑动摩擦部件的耐磨涂层 但涂层较疏松 用于耐腐蚀时需经封闭处理 由于铅蒸气对人体危害较大 喷涂时应加强防护措施 8 铜及铜合金丝 铜主要用于电器开关的导电涂层 塑料和水泥等建筑表面的装饰涂层 黄铜涂层则用于修复磨损及超差的工件 如修补有铸造砂眼 气孔的黄铜铸件 也可作装饰涂层 黄铜中加入质量分数为1 左右的锡 可改善耐海水腐蚀性能 铝青铜的强度比一般黄铜高 耐海水 硫酸和盐酸腐蚀 有良好的耐磨性和抗腐蚀疲劳性能 采用电弧喷涂时与基体结合强度高 可作为打底涂层 常用于水泵叶片 气闸活门 活塞及轴瓦等的喷涂 磷青铜涂层比其他青铜涂层更为致密 有良好的耐磨性 可用来修复轴类和轴承等的磨损部位 也可用于美术工艺品的装饰涂层 9 镍及镍合金丝 蒙乃尔合金对氨水 海水 照相用药剂 酚醛 甲酚 汽油 矿物油 酒精 碳酸盐水溶液及熔盐 脂肪酸以及其他有机酸的耐蚀性优良 对硫酸 醋酸 磷酸和干燥氯气等介质的耐蚀性较好 但对盐酸 硝酸 铬酸等介质不耐蚀 常用于水泵轴 活塞轴 耐蚀容器的喷涂 80Ni20Cr在高温下几乎不氧化 是最好的耐热耐蚀材料 常用于高温耐腐蚀涂层 镍铬耐热合金丝涂层致密 与母材金属的结合性好 常用于A12O3 ZrO2等陶瓷涂层的打底层 但不能用于硫化氢 亚硫酸气体以及硝酸和盐酸介质中 复合喷涂丝 用机械方法将两种或更多种材料复合压制成喷涂线材称复合喷涂丝 不锈钢 镍 铝等组成的复合喷涂丝 利用镍 铝的放热反应使涂层与多种基体 母材 金属结合牢固 而且因复合了多种强化元素 改善了涂层的综合性能 涂层致密 喷涂参数易于控制 便于火焰喷涂 因此 它是目前正在扩大使用的喷涂材料 主要用于油泵转子 轴承 汽缸衬里和机械导轨表面的喷涂 也可用于碳钢和耐蚀钢磨损件的修补 5热喷涂粉末 粉末材料可分为 金属及合金粉末 陶瓷材料粉末 复合材料粉末和塑料粉末 金属及合金粉末 1 喷涂合金粉末 又称冷喷合金粉末 这种粉末不需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 工作层粉末保证涂层具有所要求的使用性能 放热型自粘结复合粉末是最常用的打底层粉末 工作层粉末熔点要低 具有较高的伸长率 以避免涂层开裂 氧一乙炔焰喷涂工作层粉末 最常用的是镍包铝复合粉末与自熔性合金的混合粉末 2 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等 在重熔过程中它们优先与合金粉末中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 所以称之为自熔性合金粉末 喷熔用的自熔性合金粉末有镍基 钴基 铁基及碳化钨等四种系列 2 陶瓷材料粉末 陶瓷属高温无机材料 是金属氧化物 碳化物 硼化物 硅化物等的总称 其硬度高 熔点高 但脆性大 常用的陶瓷粉末有 1 氧化物它是使用最广泛的高温材料 氧化物陶瓷粉末涂层与其他耐热材料涂层相比 绝缘性能好 热导率低 高温强度高 特别适合作热屏蔽和电绝缘涂层 陶瓷材料粉末 2 碳化物它包括碳化钨 碳化铬 碳化硅等 很少单独使用 往往采用钴包碳化钨或镍包碳化钨 以防止喷涂时产生严重失碳现象 为保证涂层质量 须严格控制喷涂工艺参数 或在含碳的保护气氛中喷涂 碳化钨是一种超硬耐磨材料 由于温度和均匀度等因数 其组织及性能很难达到烧结碳化钨硬质合金的性能 碳化铬 碳化硅也可用作耐磨或耐热涂层 3 生物陶瓷 复合材料粉末 复合材料粉末是由两种或更多种金属和非金属 陶瓷 塑料 非金属矿物 固体粉末混合而成 其特点是 1 复合粉的粉粒是非均相体 在热喷涂作用下形成广泛的材料组合 从而使涂层具有多功能性 2 复合材料之间在喷涂时可发生某些希望的有利反应 改善喷涂工艺 提高涂层质量 例如 可制成放热型复合粉 使涂层与基体除机械结合外 还有冶金结合 提高涂层结合强度 3 包覆型复合粉的外壳 在喷涂时可对核心物质提供保护 使其免于氧化和受热分解 分类 1 按照复合粉末的结构 一般分为包覆型 非包覆型和烧结型 包覆型复合粉末的芯校被包覆材料完整地包覆着 非包覆型粉末的芯核被包覆材料包覆程度是不均匀和不完整的 2 按照复合粉末形成涂层的机理可分为自粘结 增效或自放热 复合粉末和工作层粉末 工作层复合粉末品种较多 自粘结复合粉末多用作基体与工作层间的过渡层 即打底层粉末 它在喷涂时产生放热反应 有助于涂层与基体的结合 形成致密而又粗糙的过渡层 有效地改善涂敷性能 塑料粉末 1 热塑性树脂 2 热固性树脂 3 改性塑料 1 净化处理 清除表面污垢 2 粗化处理 提高涂层与基体之间的结合牢度 1 基材表面预处理 粗化处理可提高涂层结合强度的理由是 1 提供表面压应力 2 提供与涂层颗粒互锁机会 3 增大结合面积 4 净化表面 三 热喷涂工艺 1 表面喷砂 使其粗糙度为Ra3 2 12 5 m 粗化处理的方法 1 2 开槽 粗化处理的方法 2 粗化处理的方法 3 4 喷涂粘结底层 3 电火花拉毛 表 2基体表面的预热处理 涂层与基体表面的温度差会使涂层产生收缩应力 从而引起涂层开裂和剥落 去除工件表面的水分 提高工件表面与熔粒的接触温度 加速熔粒的变形和咬合 提高沉积速度 基体表面的预热可降低和防止上述不利影响 但预热温度不宜过高 以免引起基体表面氧化而影响涂层与基体表面的结合强度 一般基体表面的预热温度在100 150 之间 3喷涂 1 喷涂打底层在喷砂和喷涂前 必须对基体的非喷涂表面进行保护 其保护方法可根据非喷涂表面的形状和特点 设计一些简易的保护罩 保护罩材料可采用薄铜皮或铁皮 对基体表面上的键槽和小孔等不允许外物进入的部位 喷砂前可以用金属 橡胶或石棉绳等堵塞 喷砂后换上炭素物或石棉等 以防止熔融的热喷涂材料进入 或者现在工件表面喷涂一层打底层 以提高涂层基体的结合强度 2 喷涂工作层 1 封孔处理目的 1 防止或阻止涂层界面处的腐蚀 2 在某些机械部件中防止液体和压力的密封泄露 3 防止污染或研磨碎屑碎片进入涂层 4 保持陶瓷涂层的绝缘强度 封孔处理是在喷涂之后 机加工之前进行 4涂层的后处理 2 磨光和精加工热喷涂涂层的精加工通常采用磨削方法 因为它可以获得更高的精度与更好的表面粗糙度 四 了解几种热喷涂技术 1火焰喷涂用氧 燃料气体作为加热源 用燃气或惰性压缩气体雾化并加速喷涂材料 在基材表面沉积形成涂层 火焰喷涂包括线材火焰喷涂 粉末火焰喷涂和棒材火焰喷涂 目前使用最多的是氧 乙炔线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂 表1几种常用的燃气与氧组分燃烧的热特性 1 氧 乙炔火焰的产生 燃气 乙炔 和助燃气体氧在点火燃烧时产生热量和一定速度的气流 即为燃气火焰 其燃烧反应式为 2C2H2 5O2 4CO2 2H2O Q 燃气火焰的分类中性焰 即乙炔在氧中充分燃烧 适宜于喷涂金属材料 图 a 中性焰 还原焰 即乙炔相对氧气的比例偏大 会提高涂层碳含量且喷涂效率低 图 b 还原焰 氧化焰 即氧气相对乙炔的比例偏大 适宜于喷涂陶瓷材料 图 c 氧化焰 2 氧 乙炔线材火焰喷涂 线材火焰喷涂原理和设备 把金属线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 线材火焰喷涂原理 典型线材火焰喷涂设备 压缩空气供给系统氧 乙炔供给系统送丝机构喷枪 线材火焰喷涂设备图 3 氧 乙炔粉末火焰喷涂法 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 粉末火焰喷涂的原理示意图 粉末火焰喷涂的典型装置图 4 火焰喷涂特点及工艺 火焰喷涂特点 应用非常灵活 可喷涂金属 陶瓷 塑料等 喷涂设备轻便简单 可移动 设备价格低 经济性好 不足 喷出颗粒速度较小 火焰温度较低 涂层强度较低 气孔率高 容易氧化 火焰喷涂工艺 预热目的 1 去除工件表面的水分 2 提高工件表面与熔粒的接触温度 3 降低涂层冷却速度 减小涂层内应力 预热温度一般控制在100 200 为宜 可直接用喷枪预热 需打底层时 可在喷涂工作层之前用钼或放热型的镍包铝 铝包镍粉末先喷涂一层厚度约0 10 0 15mm的打底层 严格控制喷涂材料的雾化参数 供给速度 喷涂距离 100 150mm 喷涂角度 60 90 喷枪与工件的移动速度 7 18m min 和层间温度 250 等 5 火焰喷涂的应用 防腐蚀 耐磨损 特殊功能层 电弧 两电极间串接上一个电阻 通上一定的电压 在先短路接触然后拉开适当的距离就会在两极间产生持久放电的现象 这就是电弧 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 2电弧喷涂 电弧喷涂原理图 电弧喷涂设备图 电弧喷涂的优点 比较轻便 易于现场操作 在不提高工件温度又不使用打底层的情况下可以获得较高的结合强度 生产效率较高 能源利用率达60 70 成本低 安全 不足 喷涂材料必须是导电的焊丝 电弧喷涂主要工艺参数有 1 电弧电压 取决于喷涂材料的熔点 一般不低于15 25V 2 电弧电流 电弧电流有自调节作用 调节电流可维持电弧的长度和稳定性 3 送丝速度 取决于电参数和线材的性质 决定了电弧喷涂速度 4 压缩空气压力和流量 影响喷涂材料的雾化效果和熔粒的飞行速度 对涂层的质量有很大的影响 5 喷涂距离应控制在100 200mm 喷涂角不应小于45 1 在钢铁构件上喷涂锌 铝涂层 对构件进行长效防护 2 在钢铁件上喷铝可防止高温氧化 3 在钢铁件上喷不锈钢或其它耐磨金属 用于耐磨蚀防护 4 在机械零件上喷涂碳钢 青铜等材料 用于修复零部件 5 在塑料制品上喷涂屏蔽涂层等 6 用电弧喷铝或喷锌生产复合钢板 电弧喷涂的用途 3等离子弧喷涂 等离子喷涂是利用等离子焰流 即非转移等离子弧作热源 将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态 在高速等离子焰流引导下高速撞击工件表面 并沉积在经过粗糙处理的工件表面形成很薄的涂层 等离子弧 当电弧 等离子体 被压缩成为具有更高温度的压缩电弧时 称之为等离子弧 涂层与母材的结合主要是机械结合 详细的等离子喷涂原理图见课本P61图4 21 由等离子弧电源 电器控制 喷枪 气源 送粉系统 水冷系统等组成 等离子喷涂设备 1 输入功率和电参数 确保粉末熔化良好 防止出现生粉 2 等离子气体的选择 氮气 热焓高 价格低廉 是等离子喷涂主要工作气体 氩气 易于引弧 等离子弧稳定 有很好的气体保护作用 氢气 可作为辅助气体起到提高热焓和防氧化的作用 等离子喷涂工艺 3 供粉速率 速率过大使熔化不良的粉粒增多 涂层组织疏松 气孔率增大 速率过低则降低喷涂效率 4 喷涂距离和喷涂角 喷涂金属粉末时喷距为75 130mm 喷涂陶瓷粉末时喷距为50 100mm 喷涂角度以90 为最佳 5 喷枪与工件的相对移动速度 移动速度快些为好 可防止一次喷涂过厚导致涂层内应力过大 还可避免局部过热 等离子喷涂的特点 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 1 耐磨 减磨涂层 2 耐蚀涂层 3 抗高温氧化 抗高温气流冲刷 热障涂层 4 制造金属 陶瓷类高熔点复合材料 等离子喷涂的应用 等离子弧焰流温度高 适合喷涂高熔点材料 涂层密度可达85 98 结合强度高达35 70Mpa 喷涂质量远优于火焰喷涂层 主要用于 1 工作原理将粉末注入喷枪 同时引入氧 乙炔混合气 点燃引爆气体产生3300 高温 粉末被加热并以2倍音速以上速度喷射到工件表面 形成 20mm直径 8 m厚的高结合强度和高致密度的涂层 整个涂层由小圆形薄片重叠而成 4爆炸喷涂 2 爆炸喷涂工艺参数 1 涂层和基材的结合强度非常高 85MPa 2 涂层致密 最高密度可达99 9 3 工件表面温度低 4 效率非常低 运行成本高 只用于含碳化物涂层的喷涂 3 爆炸喷涂特点 1 航空发动机钛合金风扇叶片阻尼台上用爆炸喷涂0 25mn厚的 C 寿命提高10倍 2 燃烧室的定位卡环上喷一层0 12mm厚Cr3C2 寿命提高7倍 4 爆炸喷涂应用 1 超音速火焰喷涂原理超音速火焰喷涂原理图 5超音速火焰喷涂 1 焰流速度高但温度相对较低 适合喷涂含碳化物材料 2 涂层致密 99 9 表面粗糙度低 3 结合强度略低于爆炸喷涂 达70MPa以上 4 喷涂效率高 但燃料消耗大 喷涂成本比较高 5 噪音大 120dB 需有隔音和防护装置 2 超音速喷涂的特点 5 超音速喷涂的涂层质量优于等离子喷涂的涂层 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 五 热喷涂工艺的选择原则 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 六 热喷涂层的应用 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 喷涂铁基或镍基耐磨合金涂层 2喷涂耐磨涂层 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 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 5装饰 6汽车制造 7航空航天 各种人工骨图 各种人工齿根图 8人工种植体生物功能应用 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200 300 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 七 热喷涂技术主要发展动向 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 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 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 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 F A0式中 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 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 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 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 计算法 按图3 51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 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 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 第二节冷喷涂 冷喷涂是基于空气动力学原理的一种喷涂技术 其原理如图1所示 喷涂过程是利用高压气体通过拉瓦尔喷管产生超音速流动 将粉末粒子从轴向送入高速气流中 经加速后在完全固态下撞击基体 通过较大的塑性流动变形而沉积于基体表面上形成涂层 为了增加气流的速度从而提高粒子的速度 还可以将加速气体预热后送入喷枪 通常预热温度小于600 冷喷涂系统的构成如图2所示冷喷涂系统基本由6部分组成 分别为喷枪系统 送粉系统 气体温度控制系统 气体调节控制系统和高压气源以及粉末回收系统 冷喷涂的特点 1冷喷涂工作温度低 2喷涂粒子沉积率高 3形成涂层的孔隙率低 4设备相对比较简单 5工作环境好 冷喷涂层组织结构特点及其沉积特性由于涂层是粒子以很高的动能撞击基体后形成的所以涂层的组织一般较致密 图4是Al基体上制备Cu涂层的断面组织 经过腐蚀后由图5可以明显观察到粒子发生了剧烈的塑性变形呈延伸拉长的形貌 影响冷喷涂质量因素主要有一下几个方面 1 临界速度 2 喷涂粉体和基体 3 喷涂及喷涂参数 冷喷涂的应用 冷喷涂主要用于喷涂具有一定塑性的材料 比如纯金属 金属合金 塑料以及复合材料等 特别是由于粒子加热温度低 基本无氧化 适用于对温度敏感 纳米 非晶等 对氧化敏感 Cu Ti等 和对相变敏感材料的涂层制备 第三节喷焊 一 热喷焊原理采用热源将涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化 并凝结于基体表面 形成与基体具有冶金结合的表面层 把这种表面冶金强化方法称为热喷焊 也称为熔结 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950 1200 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 火焰喷焊等离子喷焊真空熔结激光喷焊 三 热喷焊技术 火焰喷焊 火焰喷涂形成后或先在基体表面喷粉 再对涂层用火焰直接加热 使涂层在基体表面重新熔化 基体的表面完全润湿 界面有相互的元素扩散 产生牢固的冶金结合 图高速火焰喷枪 用氧 乙炔火焰作为喷焊的热源 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 例如 氧 乙炔粉末火焰喷焊 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 3火焰喷焊的应用 等离子喷焊 采用等离子弧作为热源加热基体 使其表面形成熔池 同时将喷焊粉末材料送入等离子弧中 粉末在弧柱中得到预热 呈熔化或半熔化状态 被焰流喷射至熔池后 充分熔化并排出气体和熔渣 喷枪移开后合金熔池凝固 形成喷焊层的工艺过程 真空熔结 在一定的真空条件下迅速加热金属表面的涂层 使之熔融并润湿基体表面 通过扩散互熔而在界面形成一条狭窄的互熔区 然后涂层与互熔区一起冷凝结晶 实现涂层与基体之间的冶金结合 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 组织致密 冶金缺陷很少 与基体结合强度高 所用材料范围窄 基材的变形比热喷涂大得多 热喷焊层的成分与原始成分有一定差别 四 热喷焊的特点 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 五 热喷焊工艺与热喷涂工艺的区别 越大 涂层性能与原粉末性能偏差越大 喷焊层的 约5 10 喷涂层的 几乎为零 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 六 热喷焊的应用 热喷焊不仅可以用来修复表面磨损的零件 当使用合金粉喷焊时还能使修复件比新零件更耐磨 所以也将其用于新零件表面的强化和装饰等 使零件的使用性能更好 寿命更长 第四节堆焊技术 堆焊的简单介绍 几种常用堆焊技术的简单介绍 堆焊的应用举例 什么是堆焊 堆焊是焊接工艺方法的一种特殊应用 它的目的不是为了联接零件 而是借用焊接的手段改变金属材料厚度和表面的材质 即在零件上堆敷一层或几层所希望性能的材料 一 堆焊技术简介 概念 为增大或恢复焊件尺寸 或使焊件表面获得具有特殊性能的熔敷金属而进行的焊接 1堆焊方法的特点 由于堆焊主要在于发挥堆焊层的特殊性能 所以除修补零件可用相同或相近于基体金属的焊接材料外 一般都使用具有特殊成分和性能的焊接材料 所以堆焊又有异种材料焊接的特点 堆焊层与基体是典型的冶金结合 堆焊层在工作时剥落倾向小 可根据服役性能选择或设计堆焊合金 堆焊一般采用线材或焊条 堆焊的熔覆效率比喷焊高 技术比热喷涂 喷焊更加成熟 2堆焊的分类 按热源分 按使用目的可分 耐蚀堆焊耐磨堆焊增厚堆焊隔离层堆焊 在金属零件表面熔敷一层性能特殊的合金层 1 堆焊层的成分堆焊属于异种金属焊接 难度较大 3影响堆焊层性能的因素 1 冶金相容性 取决于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 熔合区 堆焊层与基体的过渡的分界区 其与基体之间的分界线称为熔合线 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 6 热循环的影响 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 4常用堆焊材料 按金相组织的不同 Fe基堆焊合金可分为珠光体合金 马氏体合金 奥氏体合金及合金铸铁四大类 1 铁基堆焊材料 1 珠光体钢堆焊材料 c 0 5 堆焊层为珠光体组织 硬度20 38HRC 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 及修复被磨损的零件 如轴类和辊子 用手工电弧堆焊和熔化极自动堆焊 焊前不预热 珠光体是奥氏体 奥氏体是碳溶解在 Fe中的间隙固溶体 发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体 得名自其珍珠般 pearl like 的光泽 其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物 也称片状珠光体 2 奥氏体堆焊合金主要包括高锰奥氏体钢 铬锰奥氏体钢和铬镍奥氏体钢 三种类型 a 高锰奥氏体钢堆焊合金 C 0 7 1 2 Mn 10 14 硬度约170HB 强度高 韧性好 但容易产生热裂纹 主要用于修复严重冲击载荷下金属间磨损和磨粒磨损的零件 如矿山料车 铁道道岔 一般用手工电弧焊 为减少热裂纹 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 应先磨去表面冷作硬化部分后再焊 奥氏体 Austenite 也称为沃斯田铁或 Fe 是钢铁的一种显微组织 通常是 Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体 奥氏体的晶体结构为面心立方 其溶碳能力较大 强度低 可塑性强 膨胀灵敏 无磁性 有一定韧性 b 铬锰奥氏体钢堆焊合金又分为低铬和高铬两类 低铬锰奥氏体钢堆焊合金 Cr 4 Mn 12 15 含有少量的镍和钼 焊接性好适用于严重冲击条件下磨粒磨损的场合 如用来堆焊冲击轧碎机 铲斗等机器件 高铬锰奥氏体钢堆焊合金 Cr 12 17 Mn 15 强度高 韧性好 还有较好的耐腐蚀性 耐热性和抗热裂性 主要用来修复受到严重冲击的金属间磨损的锰钢和碳钢零件 如堆焊热剪切机 水轮机耐汽蚀堆焊等 c 铬镍奥氏体钢堆焊合金 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 如化工容器及阀门的密封面 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 多数情况下不预热 堆焊电流尽可能小 3 马氏体钢堆焊合金 C 0 1 1 5 其他合金元素总含量 5 15 堆焊层组织为马氏体 硬度30 60HRC 堆焊层韧性 强度和耐磨性都好 是最经济的堆焊材料 可用于齿轮 牵引车底架等的堆焊 堆焊方法有手工电弧堆焊和熔化极自动堆焊 预热温度150 350 马氏体最初是在钢 中 高碳钢 中发现的 将钢加热到一定温度 形成奥氏体 后经迅速冷却 淬火 得到的能使钢变硬 增强的一种淬火组织 4 合金铸铁堆焊合金可分为马氏体合金铸铁 奥氏体合金铸铁和高铬合金铸铁 马氏体合金铸铁 C 2 5 铬 钨 铌 镍 硼等合金元素总量小于25 属于亚共晶合金铸铁 由马氏体 残余奥氏体 含碳化合物的莱氏体组成 堆焊层硬度50 60HRC 抗磨粒磨损性能很好 耐热 耐蚀和抗氧化性能较好 但是合金比较脆 堆焊时易产生裂纹 一般应预热300 400 主要用于矿山和农业机械中与矿石 泥沙接触的零件堆焊 残余奥氏体是淬火未能转变成马氏体而保留到室温的奥氏体 奥氏体合金铸铁 C 2 5 4 5 Cr 12 28 还含有锰 镍 钼 硅等合金元素 这类合金组织为奥氏体 网状莱氏体共晶组织 堆焊层硬度45 50HRC 耐低应力磨损 有一定的韧性 可承受中等冲击载荷 抗氧化性较好 可用于挖掘机斗齿 粉碎机辊等承受中等磨粒磨损的场合 莱氏体 ledeburite 是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体 由于莱氏体中含有的渗碳体较多 故性能与渗碳体相近 即极为硬脆 高铬合金铸铁 C 0 5 0 6 Cr 15 35 适当加入钨 钼 硅 镍 锰 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 高炉料钟料斗 推土机铲刃 犁铧等设备的堆焊 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 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 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200 500 可用于高温腐蚀和高温磨损工况条件下工件的堆焊 如高温高压阀门 燃气涡轮机叶片 热剪机刀刃等零件表面堆焊 3 钴基堆焊材料 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 5 铜基堆焊金属 分为青铜 纯铜 黄铜 白铜四大类 常用的是铝青铜 锡青铜 铜基堆焊合金耐腐蚀及耐金属间磨损性较好 可在铁基材料上堆焊 制成双金属 也可用来修补磨损的零件 主要用于轴瓦 低压阀门密封面等零件堆焊 各种堆焊材料的性能比较 5堆焊材料的选择 1 选择堆焊材料的选择原则满足使用要求堆焊合金的经济性 2 选择堆焊合金的步骤分析工作条件 确定失效类型及其对堆焊层的要求 按一般规律选择几种可供选择的堆焊合金和堆焊方法 分析这些堆焊合金与基材的相容性 同时要考虑热应力和裂纹倾向的大小 初步制定对焊工艺 进行堆焊实验 根据使用寿命和成本进行评价 确定堆焊材料和堆焊方法的最佳方案 制定严密的堆焊工艺 二 几种堆焊技术的简单介绍 手工电弧堆焊 氧 乙炔焰堆焊 埋弧堆焊 CO2气体保护堆焊 等离子弧堆焊等多种形式 其中埋弧堆焊应用最广 1手工电弧堆焊 多用于小批量零件的表面强化和磨损失效件的修复 手工电弧堆焊是将焊条与工件分别接到电源的两极 电弧引燃后 焊条表面熔化成熔池 冷却后形成堆焊层 1 手工电弧堆焊工艺 焊前清洗清除表面铁锈 油污 焊条使用前烘干 350 400度 保温2h 焊条的选用电源种类和极性焊条直径及焊接电流堆焊层数 2 规范参数 包括焊条选择 焊条直径 堆焊电流 堆焊速度 零件的预热温度等 3 特点 优点 设备简单 工艺灵活 适于现场或野外操作 缺点 稀释率高达30 50 2氧 乙炔火焰堆焊 氧 乙炔火焰堆焊是用氧 乙炔火焰将合金粉末加热后 喷洒 沉积并熔化在零件表面上形成堆焊层 多采用粉末合金法 优点 多用途堆焊热源 火焰温度低 可调整火焰能率 小稀释率 熔深浅 母材熔化量少 堆焊层表面光滑美观 质量好 操作简便灵活 成本低 缺点 热源分散 温度不高 效率低 劳动强度大 适用于小批量的中小型零件的堆焊 1 氧 乙炔火焰的分类及性质 中性焰最高温度为3050 3150度 主要用于焊接低碳钢 低合金钢不锈钢 紫铜 铝及合金氧化焰最高温度3100 3300度 用于焊接黄铜 锰黄铜 镀锌铁皮等 碳化焰最高温度2700 3000度 用于高碳钢 高速钢 硬质合金 铝 青铜等 2 氧 乙炔火焰堆焊工艺 堆焊前的准备 火焰的选择 堆焊工艺参数 a 焊丝直径太细 焊丝熔化太快 易造成熔合不良和表面焊层高低不平 降低焊缝质量 太粗 造成过热组织 b 火焰能率取决于被焊件厚度 金属材料的性质以及焊件的空间位置 c 堆焊速度 d 焊嘴的倾斜角度 3埋弧堆焊 原理 埋弧堆焊是在电弧高温作用下使焊剂熔化 形成一个覆盖在熔池上面的熔焊层 隔绝大气对堆焊金属的作用 熔化的金属与溶剂蒸发形成的蒸气在熔渣层下形成一个密封的空腔 电弧在空腔内燃烧 使焊条熔化 即电弧埋在熔剂层下面进行堆焊 叫埋弧堆焊 埋弧自动堆焊过程 优点 焊缝层质量好 由于熔渣层对电弧空间的保护 减少了堆焊层的氮 氢 氧含量 埋弧堆焊在焊渣层下面进行 减少了金属飞溅 消除了弧光对工人的伤害 有害气体少 改善劳动条件 埋弧堆焊适用与自动化 生产率高 用于尺寸大 不易变形的零件的表面强化与修复 分类 4等离子弧堆焊 等离子弧堆焊是利用等离子弧高温加热的一种熔化堆焊方法 具有堆焊层性能好 工件熔深浅 堆焊层稀释率低 成形好 加工余量小等一系列优点 且易实现机械化和自动化 等离子弧的型式转移型 a 非转移型 d 联合型等离子弧 b和c 等离子堆焊方法 填丝等离子弧堆焊 又分为单丝 双丝 热丝 冷丝等离子弧堆焊 粉末等离子弧堆焊 等离子弧堆焊材料 自熔性合金粉末包括镍基 钴基 铁基 铜基等 复合粉末由两种或两种以上具有不同性能的固相所组成 不同相之间有明显相界面 5二氧化碳气体保护堆焊 采用CO2气体作为保护介质的一种堆焊工艺 二氧化碳气体以一定的速度从喷嘴中吹向电弧区形成了可靠的保护区 把熔池与空气隔开 防止氮 氢 氧等有害气体侵入熔池 从而提高了堆焊层的质量 CO2气体保护堆焊的优点 堆焊质量好 防腐蚀 抗裂性能强 堆焊层变形小堆焊层硬度均匀生产效率高成本低 适应性强 CO2气体保护堆焊的不足 不便调整堆焊层成分稀释率高飞溅大 合金元素易烧损 6激光堆焊 激光堆焊是以激光为热源堆焊方法 包括激光合金化和激光熔覆等工艺特点 1 焊接速度高 冷却速度快 2 热畸变小 厚度 成分和稀释率可控性强 3 可以得到组织致密性能优越的堆焊层 4 可以节省高性能的材料 同时可以实现在普通材料上覆焊高性能堆焊层 7带极电渣堆焊 带极电渣堆焊是利用电流通过液态熔渣所产生的电阻热作为热源 将电极和焊件表面熔化 冷却后形成堆焊层的工艺方法 优点 焊接速度 生产率高 焊剂消耗率低 焊道表面成形更美观等 8钨极 熔化极间接电弧焊堆焊 原理 焊接电流从焊接电源的正极出发进入到熔化极焊枪的焊丝中 焊丝与钨极之间形成电弧 并使电流从钨极流回至焊接电源的负极 电弧使焊丝端头熔化形成熔滴 在各种力作用下 熔滴过渡到工件 将电弧热量间接传递给工件 焊缝金属与工件表面之间形成冶金结合 就是钨极 熔化极间接电弧焊堆焊特点 焊缝的熔覆率高 稀释率很小 P85图5 12 9双电极焊条单弧堆弧 双电极焊条单弧堆弧是指焊接时双电极焊条的两焊芯用特制的焊钳夹持分别接电源的正负两极 工件不接电源 电弧在双电极焊条相互绝缘的两个焊芯端部形成 电弧可在离工件不同距离空间进行引弧和燃烧 两极型斑点分别在两焊芯上 主要利用弧柱热量和熔滴携带热量熔化母材 改变了被焊工件的热循环 降低了堆焊过程中母材吸收的热量 双电极焊条两芯间距是控制电弧电压的最重要因素 焊接时调节双电极焊条与工件间距离对电弧电压影响很小 随焊接电流增大 电弧电压略有升高 用药皮重量系数为45 6 的2 4mm钛钙型双电极焊条 在两芯间距为1 2 1 7mm 焊接电流为180 220A的条件下进行焊接可获得具有良好焊缝成形和力学性能的焊缝 二 堆焊质量及常见缺陷的预防措施 堆焊质量 a 防止焊缝层金属开裂进行焊前预热和焊后缓冷 b 防止堆焊层金属的硬度不符合要求 c 防止堆焊件变形 d 提高堆焊效率 常见缺陷及预防措施 a 气孔主要是焊前处理和堆焊工艺参数的影响 b 裂纹主要受基体材料处理和工艺参数的影响 c 夹渣的未焊透主要是由工艺参数不稳定和操作不当引起 d