第六章--热喷涂技术

2020/5/27,1,第六章热喷涂、喷焊与堆焊技术,2020/5/27,2,1.热喷涂技术,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、碳化物以及它们的复合材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，并喷射到经过预处理的工件表面，形成附着牢固的表面层的加工方法。,2020/5/27,3,泵浦静止环高压WC-Ni用于耐磨损和腐蚀,第六章热喷涂技术,2020/5/27,4,第六章热喷涂技术,钢闸门电弧喷涂Al-Zn防腐涂层,2020/5/27,5,德国HUNGER公司等离子喷涂的启闭机油缸活塞杆,第六章热喷涂技术,2020/5/27,6,启闭机柱塞杆：耐磨损和耐腐蚀陶瓷涂层,第六章热喷涂技术,2020/5/27,7,球阀WC-Co-Cr用于耐磨损和腐蚀,第六章热喷涂技术,2020/5/27,8,输送滑轮WC-Co用于耐磨损和防滑,第六章热喷涂技术,2020/5/27,9,涂层形成机理,材料熔化,冷却凝固,撞击基体,加速,形成涂层,第六章热喷涂技术,2020/5/27,10,第六章热喷涂技术,2020/5/27,11,涂层结构,层状结构.方向性.孔隙或空洞.伴有氧化物和夹杂,第六章热喷涂技术,2020/5/27,12,涂层材料性能涂层结合强度涂层空隙率涂层内应力,涂层质量指标,第六章热喷涂技术,2020/5/27,13,结合强度：材料性质、熔化状态（热源温度、粒子飞行距离）、粒子飞行速度、基体表面粗糙度、涂层厚度等空隙率：材料性质、熔化状态、粒子飞行速度内应力：材料性质、涂层厚度、工件冷却条件、喷枪运动速度。,涂层质量影响因素,第六章热喷涂技术,2020/5/27,14,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。结合力：涂层与基体表面的结合强度。内聚力：涂层内部的结合强度。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,15,（1）机械结合碰撞成扁平状，与凹凸不平的表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合。涂层与基体的结合以机械结合为主。机械结合为主的结合决定了热喷涂的结合强度较低。,涂层结合机理,第六章热喷涂技术,2020/5/27,16,（2）冶金-化学结合喷涂热量、撞击能量和放热反应，使表面局部产生高温，使涂层和基体表面局部出现扩散和焊合，形成冶金结合。结合面上的金属间化合物或固溶体为冶金结合的产物。重熔或喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结合。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,17,（3）物理结合颗粒对基体表面的紧密结合，形成范德华力或次价键形成的结合。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,18,涂层残余应力,熔融颗粒/凝固收缩涂层外层为拉应力，基体和涂层的内层为压应力。涂层越厚，内应力越大，直至剥离。热喷涂层厚度一般0.5mm。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,19,涂层残余应力,残余应力影响因素：涂层材料与基体材料物理性质的差异（如膨胀系数）。工艺措施（如工件预热、喷涂过程中对工件冷却等）。涂层结构（如梯度涂层）。涂层的致密性等。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,20,WearResistanceCoatingonLightMetals,Substrate,BondingCoating,WorkingCoating,WorkingCoating,BondingCoating,Substrate,第六章热喷涂技术,2020/5/27,21,按热源分,2.主要热喷涂方法和特性,2020/5/27,22,不同的方法，适用于不同的材料；不同的材料，选择不同的方法。主要取决于材料的熔点和氧化特性。电喷涂：适用于金属材料或金属基复合材料。气喷涂：可以喷金属也可以喷陶瓷。火焰喷涂喷金属，HVOF喷金属陶瓷，等离子喷涂喷氧化物陶瓷。,2.主要热喷涂方法和特性,第六章热喷涂技术,2020/5/27,23,2020/5/27,24,（1）适用范围广涂层可以是金属、非金属以及复合材料。工件也可以是金属和非金属。,热喷涂的特点之一,第六章热喷涂技术,2020/5/27,25,热喷涂的特点之二,（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。既可在整体表面，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。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,26,热喷涂的特点之三,（3）工件受热少例如氧-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。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,27,热喷涂的特点之四,（4）生产效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50kgh以上。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,28,热喷涂的特点之五,（5）缺点热效率等，能耗高。材料利用率低，浪费大。涂层结合强度低。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,29,3.表面预处理,为了提高涂层与基体的结合强度，在喷涂前，对基体表面进行脱脂、清洗和粗糙化等预处理。表面预处理是喷涂工艺中的一个重要工序。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,30,基体表面脱脂、清洗方法,碱洗法：将工件放到氢氧化钠或碳酸钠等碱性溶液中，待基体表面的油脂溶解后，再用水冲洗干净。溶液洗涤法：采用挥发性溶液，如雨酮、汽油、三氯乙烯和过氯乙烷乙烯等，它们的主要作用是把基体表面的矿物油溶解掉，再加以清除。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,31,基体表面脱脂、清洗方法,蒸气清洗法：采用三氯乙烯蒸气清洗，这种方法的清洗效果很好，但对人体有一定的危害。对疏松表面（如铸铁件）的清洗：先脱脂、清洗后，将工件表面加热到250左右，尽量将油脂渗透到表面，然后再加以清洗。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,32,基体表面氧化膜的处理,机械方法去氧化膜，如切削加工方法和人工除锈法。直接喷砂去除氧化膜。也可以采用硫酸或盐酸进行酸洗。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,33,表面粗化处理,提高结合强度的一个重要措施。喷涂前4h8h内必须对工件表面进行粗糙化处理。常用的方法有：（1）喷砂法：是最常用的粗糙化方法。砂粒有冷硬铁砂、氧化铝砂、碳化硅砂等多种，根据工件表面的硬度选择。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,34,（2）机械加工法对轴、套类零件表面粗化，可采用挑扣、开槽、滚花等简便切削加工方法，限制涂层的收缩应力，增加涂层与基的接触面。对强度要求不高的工件，在喷涂区域内车螺纹和滚压，形成粗糙表面，一般每厘米10条纹左右。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,35,（3）化学腐蚀法基体表面进行化学腐蚀，由于晶粒上各个晶面的腐蚀速度不同，可形成粗糙的表面。（4）电弧法（又称电火花拉毛法）将细镍（或铝）丝作为电极，在电弧作用下，电极与基体表面局部熔合，产生粗糙的表面。这种方法适用于硬度比较高的基体表面，但不适用于比较薄的零件。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,36,基体表面预热,涂层与基体表面的温度差使涂层产生拉应力，从而引起涂层开裂和剥落。基体表面的预热可降低涂层残余应力。但预热温度不宜过高，以免基体表面氧化，降低基体表面活性，从而降低涂层与基体的结合强度。预热温度一般在200300之间,第六章热喷涂技术,2020/5/27,37,非喷涂表面的保护,在喷砂和喷涂前，必须对非喷涂表面保护。保护方法可根据非喷涂表面的形状，设计一些简易的保护罩。保护罩可采用薄铜皮或铁皮、炭素物或石棉等。,第六章热喷涂技术,2020/5/27,38,4.喷涂后处理,封闭气孔一般采用有机涂料进行涂覆处理，涂层需封孔时,根据使用状态选择封孔剂.石蜡，树脂。自熔性合金镀层的熔化处理将B,Si等元素加入到喷涂材料中，这些元素在喷涂过程中高温时发生氧化或与金属作用形成熔渣，涂覆在最表面；另一方面，发生的反应是放热反应，使基体表面一薄层熔化，涂层与基体达到冶金结合。熔化处理采用的加热热源一般为火焰加热和高频感应加热等。精加工经过喷涂的表面一般厚度不均匀，表面粗糙度高，需要进行精加工，如车削或磨削等。,2020/5/27,39,5.热喷涂方法,早期：粉末熔化法、金属溶液式喷涂,粉末熔化法金属溶液式喷涂,2020/5/27,40,5.热喷涂方法,2020/5/27,41,5.热喷涂方法,(1)火焰喷涂（Flamespray）火焰喷涂包括丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂，一般不包括超音速火焰喷涂（HVOF）。火焰喷涂的热源是氧-乙炔气体，也可以是丙烷、氢气或天然气。喷涂材料熔化雾化并加速沉积到工件，形成涂层。,1.火焰喷涂,2020/5/27,42,火焰喷涂设备简单，一枝喷枪。喷枪主要由两部分组成：产生火焰的氧、乙炔供给系统和供料（粉末或丝材）系统。,1.火焰喷涂,2020/5/27,43,喷枪,初期的火焰丝材喷枪,美国METCO的5P-粉末喷枪,1.火焰喷涂,2020/5/27,44,线、棒材喷涂都是将材料从喷枪中心孔送出，由氧的火焰将其熔化，通过压缩空气将熔化的材料雾化成微粒，并将其喷射到基体表面沉积成为涂层。特点：操作简单，设备运转费用低，可手持操作。材料：线材主要有Zn,Al,Cu,Mo,Ti等及其化合物，铝包镍，镍包铝，金属包碳化物等复合线材;棒材主要为Al2O3、Al2O3+TiO2及TiO2陶瓷材料。,BQP-1型金属线材火焰喷涂枪,2020/5/27,45,粉末火焰喷涂是将粉末加热到熔融或半熔融状态，同时将被加热粉粒以一定的速度喷射到工件上形成涂层。特点：涂层致密度和结合强度不如线材火焰喷涂，但是该设备最简单、轻便，投资少，成本低。并可喷涂后进行重熔以得到更致密的涂层。材料：可制备塑料涂层,火焰粉末喷涂过程中,2020/5/27,46,爆炸喷涂技术产生于上世纪50年代中期，将燃气爆炸技术引入热喷涂领域。其主要特点是涂层与基体的结合强度高，涂层孔隙率小（小于0.5），工件受热小，涂层在制作过程中受空气污染小。,PT100型爆炸喷涂设备,2020/5/27,47,高速火焰喷涂是20世纪80年代初期由美国开发的，由喷管出口处燃烧的高温射流迅速膨胀，产生了超音速火焰，焰流速度高，颗粒熔化充分。该方法制备的涂层与基体结合强度高，涂层致密，孔隙率小于1，并且涂层的残余应力小。但是成本较高，限于应用于一些关键部位制作上。特点：所得涂层性能可与爆炸喷涂相媲美，但其工作效率，工作条件的可变范围更优越；成本较高。材料：最适宜喷涂碳化物基的粉末。,MET-JETIII喷枪,典型的超音速火焰,2020/5/27,48,超音速火焰喷涂,涂层质量与颗粒飞行速度的关系,4.超音速火焰喷涂,2020/5/27,49,HVOF是上世纪80年代初,由美国公司.研制成功。HVOF系统使用气体燃料和氧气，产生3200的高温高压火焰焰流速度高达1500m/s粒子撞击速度(10051200/)。,4.超音速火焰喷涂,2020/5/27,50,HVOF系统运行成本高,如JP-5000,需氧气流量为0.94383/min,则每瓶氧气可维持56min。研制空气超音速火焰喷涂系统(HAVF)成为近年来各国竟相研究的热点。目前,美国、英国、日本等发达国家已成功研制了HAVF系统。,4.超音速火焰喷涂,2020/5/27,51,HVOF特别适用于喷涂WC-Co涂层。（1）VOF的火焰温度低（2）颗粒的飞行速度快,颗粒在空气暴露时间非常短。因为WC颗粒在高温下很容易发生脱碳反应:2WC+Q=W2C+C2WC+1/2O2+Q=W2C+COW2C+12O2+Q=2W+CO,特点,4.超音速火焰喷涂,2020/5/27,52,WC-Co涂层硬度与热喷涂工艺的关系,4.超音速火焰喷涂,2020/5/27,53,不锈钢涂层结合强度与喷涂方法的关系,4.超音速火焰喷涂,2020/5/27,54,美国在航空发动机压缩机叶片、轴承套等。气轮机第一级静叶片上使用，取代昂贵的低压等离子喷涂层和电子束物理气相沉积。修复退火炉辊,从80年代中期的30%上升到90年代后期的80%,带钢因结瘤等引起的次品率则由85%下降到零。在冶金挤压辊轮、热浸镀锌槽中的沉没辊。,应用,4.超音速火焰喷涂,2020/5/27,55,HVOF涂层结合强度高,可以喷2mm涂层.Fusion公司现已关闭电镀Cr生产线而转向超音速火焰喷涂,因为这种涂层具有高结合强度和韧性,完全可以适应部件服役时的弯曲工况。HVOF的火焰温度较低，适合于喷金属陶瓷，但不适合喷涂氧化物陶瓷。,应用,4.超音速火焰喷涂,2020/5/27,56,优点：设备简单，操作方便，可携带到现场施工。沉积效率高，生产成本低。既可以喷粉末，也可以喷丝材（熔点高的金属不能用丝材）。,1.火焰喷涂,2020/5/27,57,缺点：涂层含氧量高。为了提高涂层与基体的结合力，先喷涂后重熔。焰火温度低，不适用于喷陶瓷材料。,1.火焰喷涂,2020/5/27,58,电弧喷涂技术,喷涂丝材通过两根彼此绝缘并加有1840V的线形电极，当两根丝材靠近时产生电弧，并将丝材端部熔化。同时通入压缩空气使熔化的金属液滴雾化，在压缩空气的作用下高速撞击工件表面并在表面沉积，形成涂层。,2.电弧喷涂,2020/5/27,59,特点：电弧喷涂设备比较轻便，易于现场操作，生产效率高，能源的利用率高。涂层质量主要取决于熔滴雾化后的粒度。,电弧喷涂原理图,电弧喷涂,2020/5/27,60,超音速电弧喷涂主要是对喷涂枪进行改进，开发出高速电弧喷枪，提高熔化粒子的雾化程度和飞行速度，从而提高涂层与基体的结合强度及降低涂层的孔隙率。,电厂锅炉防磨防腐超音速电弧喷涂现场,2020/5/27,61,电弧喷涂的特点,一般只能喷具有导电性能的金属丝材，用超音速电弧喷涂设备也可以喷金属基陶瓷复合材料。生产效率高，成本低。涂层比火焰喷涂致密，可达70%90%的理论密度。结合强度达10MPa40MPa。,2.电弧喷涂,2020/5/27,62,电弧喷涂的应用,主要喷涂铝锌涂层、不锈钢涂层、高铬钢涂层，近期研究铝基陶瓷复合材料。主要金属零件的防腐和强化，特别适用于大型零件的防腐（闸门、桥梁、钢结构）和强化。,2.电弧喷涂,2020/5/27,63,电弧喷涂长效防腐涂层,防腐寿命长：耐蚀寿命达50年以上，是防腐油漆的45倍，热浸镀锌的23倍，玻璃钢涂层的23倍。可修复性强：涂层被碰坏、划伤，可以进行修复，保证了防腐体系的完整性和有效性；热浸涂层无法进行修补。普遍适应性好：可根据腐蚀环境选用相应的耐蚀材料，灵活性强；热浸锌只能制备单一的锌涂层。,2.电弧喷涂,2020/5/27,64,等离子喷涂原理,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涂层。,3.等离子喷涂,2020/5/27,65,等离子喷涂原理,3.等离子喷涂,2020/5/27,66,等离子喷涂用气体,等离子喷涂气体用Ar、He、H2和N2。H2和N2是双原子气体，形成等离子体时释放的能力比单原子气体Ar和He高。,3.等离子喷涂,2020/5/27,67,等离子喷涂用气体,Ar最容易形成等离子体，对喷枪的损伤小，用来引弧。N2能量高，且便宜，是主要工作气体。H2能量高，价格较N2贵，可以作为提高能量的辅助气体。H2还具有防氧化作用。Ar最容易形成等离子体，不仅用来引弧，而且作为辅气用来稳定等离子弧。,3.等离子喷涂,2020/5/27,68,等离子喷涂用气体,气体纯度要求：H299.7%，Ar、He、N299.995%。,3.等离子喷涂,2020/5/27,69,等离子使用高温低压等离子体，火焰中心温度高达20,000左右，可喷涂几乎所有固态材料，包括各种金属和合金、陶瓷、非金属矿物及复合粉末材料等。,等离子火焰温度,3.等离子喷涂,2020/5/27,70,等离子焰流温度分布,3.等离子喷涂,2020/5/27,71,普通等离子焰流速达1000ms以上，喷出的粉粒速度可达180ms600ms.特种喷枪，喷涂速度可以达到马赫和马赫。得到的涂层致密性和结合强度均比火焰喷涂及电弧喷涂高。空隙率为1%10%，结合强度可达到30MPa以上。,等离子喷涂速度,3.等离子喷涂,2020/5/27,72,等离子喷涂设备示意图,3.等离子喷涂,2020/5/27,73,工件预处理,等离子喷涂流程,喷涂材料准备,喷涂操作,涂层处理,3.等离子喷涂,2020/5/27,74,工件表面：粗糙度、活化程度喷涂材料：粒度、预热干燥等离子弧能量：气体种类、气体纯度、流量、电流喷涂距离：70130mm送粉速度和送粉均匀性喷涂移动速度和节距。,等离子喷涂工艺,3.等离子喷涂,2020/5/27,75,优点：火焰温度高，几乎可以喷任何固体材料，特别适用于喷氧化物陶瓷。缺点：喷低熔点材料不如其他方法,等离子喷涂特点,3.等离子喷涂,2020/5/27,76,提高结合强度：基体预处理质量优化工艺参数改进涂层结构：（1）过渡层（2）梯度涂层,3.等离子喷涂,2020/5/27,77,2020/5/27,78,6.涂层性能检验,生产现场检验：用肉眼观察涂层均匀性、平整度和粗糙度。用钢棒轻敲涂层和未喷涂的工件表面，如声音相似，则结合良好；声音低沉则不好。乘热在工件表面涂乙醇或石油醚，在熔剂蒸发的数秒钟内，若看到涂层表面有暗色线条则表明涂层有微裂纹存在。,2020/5/27,79,结合强度定性试验方法（1）杯突试验（又称球面凹坑试验）（2）偏心车削试验（3）涂层弯曲强度试验（4）反复冲击试验,6.涂层检验,2020/5/27,80,6.涂层检验,杯突试验,试验方法：1、压头22mm2、金属支架，中孔34mm3、压圈4、试样154476mm35、加压速度：10mm/min6、压入深度7.6mm7、观察涂层开裂、剥离情况,喷涂面,2020/5/27,81,6.涂层检验,涂层弯曲试验,试验方法：试件：220100mm3跨距：60mm压头半径：R5mm观察涂层开始发生龟裂时的弯曲角或绕度,2020/5/27,82,6.涂层检验,反复冲击试验法,试验方法：在冲击试验机上，用500g锤，从100mm高度向试样某一处反复冲击，根据冲击次数和涂层剥离情况，评定涂层与基体的结合质量。,2020/5/27,83,拉伸试验法：采用拉伸试验机试样25.4mm高强度粘结剂要点:良好的粘结上下样保持同轴断裂强度判定,6.涂层检验,结合强度定量试验法,2020/5/27,84,剪切试验,6.涂层检验,结合强度定量试验法,2020/5/27,85,涂层金相检验,6.涂层检验,项目：显微组织孔隙率涂层厚度试样制备:取样镶样后磨金相选择腐蚀剂,2020/5/27,86,7.应用,防腐蚀喷涂铝：飞机表面用玻璃纤维强化的塑料代替金属，为减少电荷累积造成的静电和减少水对塑料的腐蚀，喷涂一层铝。火焰或电弧大面积喷涂锌、铝及其合金涂层，代替传统油漆方法，实行阴极保护进行长效防腐涂层，防腐蚀年限可达到30年以上。长期暴露在户外大气的大型钢铁结构件、地下电缆支架、桥梁、城市过街天桥、港口、船体等适用。如：长江三峡永久闸门、上海东方明珠电视塔。热喷涂塑料：葡萄酒厂低温发酵车间的发酵罐内壁采用火焰喷涂聚乙烯涂层后，有效地防止了罐壁的点蚀。,2020/5/27,87,7.应用,耐磨连续铸造模连续铸造模表面由于金属凝固层的摩擦而磨损，用镀铬提高其耐磨性，但在高温下，硬度快，防护效果不好；采用高温下硬度不明显下降的自熔性合金涂层粘结底层，寿命。冷轧加工辊冷轧生产线中的加工辊，表面要求耐磨、粗糙度变化小，镀铬，耐磨性不好；喷涂WCCo涂层电镀，寿命，耐磨性提高510倍。,2020/5/27,88,7.应用,耐高温卫星绕地球运动时，温度在100315之间变化，采用喷涂Al2O3层，可以隔热，保证内部温度1030。涡轮叶片高温防护航空发动机高温热端部件主要是涡轮叶片，长期在高温、高速、高负荷条件下工作（超合金，空心加气膜冷却）高温防护涂层M(Ni、Co)CrAlY（低压等离子喷涂）氧化物陶瓷（Al2O3,ZrO2-Y2O3），0.25mm的ZrO2-Y2O3，冷却空气流量50，油耗改善1.3，寿命4倍。,2020/5/27,89,7.应用,模具制造与工件修复热喷涂快速制作钢基模具工件模型脱模剂电弧喷涂的熔点合金（中间模）灌注石膏加固取下工件模型喷涂高熔点高强度涂层电弧喷涂对基材的热影响小，母型可用金属、木材、石膏等；热变形小，收缩小，尺寸精度和复制性能优良，是忠于母型的建议模具成型法。工件修复各种轴类机床，发电机轴，各种驱