热喷涂、喷焊与堆焊ppt课件

第一节热喷涂技术1，喷涂技术的原理和特性第一热喷涂原理使用热能熔化喷涂材料，然后通过高速气流雾化，高速气流诱导的粒子撞击基板表面，凝结后形成具有特定功能的涂层。第六章热喷涂，喷焊和表面处理技术，1，热喷涂原理，2，典型热喷涂系统，3，(1)可在各种基板上准备各种涂层；(2)基板温度低(30 200)，热影响区浅，变形小；(3)涂层厚度范围宽度(0.5-5毫米)；(4)可喷涂在各种尺寸和形状的工件上的灵活操作；(5)加热效率低，喷涂材料利用率低，(6)涂层和基体结合强度高。2热喷涂技术特性、4，1喷涂材料分类和要求热喷涂材料分为线材、棒材和粉末三类，按材料形态分类。3，热喷涂材料，5，热喷涂材料分类(金属类)，6，热喷涂材料分类(非金属类)，7，(1)热稳定性好，在高温火焰流中不升华，不分解。(2)液滴面积大，液滴可以维持很长时间。(3)具有与基板类似的热膨胀系数，防止膨胀系数相差太大，导致热应力增大。(4)喷涂材料必须在熔化状态下与基板具有更好的渗透性，以确保涂层和基板之间的良好结合性能。(5)特定形状和大小(线材 1-3mm，粉末 1-100u m)，热喷涂材料要求，8，(1)喷涂材料加热到熔体状态。(2)喷射材料被喷成小水滴，高速撞击基体表面，撞击基体的粒子的动能大，冲击变形越大，涂层结合得越好。(3)熔化的高速粒子在基板表面冲击后变形，凝结后形成涂层。4涂层形成过程，9，style:s是粉末在火焰流中的移动距离；l是平均边界层的热导率。Dt是平均边界层的温度梯度。v是平均火焰流动速度。l是粉末材料的熔体潜热。d是粉末的平均直径。m是平均火焰流粘度。p是粉末密度。在涂层粉末熔化过程中，将材料参数和相关变量(如热导率、熔体温度等)均匀地包括在加热条件和气流动力学方程中，将得到以下不等式：10，由大小不同的扁平粒子、未熔化的球形粒子、夹杂物和空隙组成的等离子喷涂钼涂层显微结构，如右图所示。5 .涂层结构，11，涂层性能具有方向性，垂直和平行涂层方向不一致。涂层有氧化物等夹杂物，部分气孔，孔隙度为4%-20%。涂层是大量变形颗粒相互交错堆积而成的分层结构。12、涂层内气孔的一定比例发生：(1)美容融化颗粒的低冲击功能；(1)喷雾角度不同的掩蔽效果；(2)凝固收缩和应力释放效果缺点：气孔减少涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。优点：但是气功可以储存润滑剂，改善涂层的隔热性，降低内部应力，因此提高涂层厚度，改善涂层抗热冲击性，提高涂层的磨损特性。与基板相比，13，6热喷涂中的相变非常小，冷却速度高达106k/s，形成了与冷却后轧制或铸造状态的相同材料的微观结构完全不同的非晶或亚稳态相。14，涂层冷却凝固时，伴随收缩过程，颗粒内部产生拉伸应力，基体表面产生压缩应力。结果在涂层内部产生残余张应力，应力大小与涂层厚度成正比，当张应力超过涂层与基板之间的结合强度时，涂层被破坏。，7涂层应力，15，涂层应力，涂层应力与厚度的关系，热喷涂涂层的最佳厚度一般不超过0.5mm残余应力：致密涂层松散涂层应力大小可以通过调整工艺参数进行部分控制，但更有效的方法是使用梯度过渡层缓解涂层应力，16，涂层残余应力减少措施：(1)减少涂层厚度；(2)喷雾工艺参数调整；(3)使用松散涂层；(4)涂层与基板之间的结合，涂层粒子与粒子的结合(1)机械结合：使用扁平粒子与凸面基板表面相互镶嵌(即锚效应)的渐变过渡层，缓解涂层的内部应力。8涂层的结合强度，18，(2)物理耦合：熔化粒子中的原子和基板表面原子之间的距离达到晶格常数范围时，产生范德华力，形成物理耦合。(3)冶金结合：熔化的粒子撞击基板表面时释放的能量在喷涂材料和基板之间形成局部扩散和焊接连接的冶金结合。镍包铝复合粉末喷射时的发热反应。热喷涂涂层与基体的结合主要以机械结合为主，结合强度下降(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，运营成本高，仅用于碳化物涂层喷涂。爆炸喷涂特性，48，1)航空发动机钛合金风扇叶片阻尼级爆炸喷涂0.25mn厚度WC，寿命为10倍；2)在燃烧室位置捕捉环上撒上0.12mm厚的Cr3C2层，使寿命增加7倍。应用爆炸喷涂，49，超音速火焰喷涂原理类似于普通火焰喷射，但火焰喷射到超音速的机制，超音速火焰喷涂(HVOF)，50，51，1)火焰流速高，但相对温度低，适合喷射含有碳化物的物质。2)涂层致密(99.9%)，表面粗糙度低。3)结合强度比爆炸喷雾略低，最高70MPa以上。4)喷雾效率高，但燃料消耗大，喷雾成本更高。5)噪音大(120dB)，需要隔音和保护。(3)超音速喷涂特性，52，6。比较各种热喷涂方法，53，涂层结合力要求不高，喷涂材料熔点2500，可以使用火焰喷涂。由于对涂层性能要求高，所以喷射熔点高的材料时，必须使用等离子喷涂。大规模金属喷涂工程最好使用电弧喷涂。超音速火焰喷射需要高结合力、低多孔金属、合金和一些金属陶瓷涂层。对于批量工件，必须使用自动喷雾。7，喷涂工艺选择原理，54，3，一般分为热喷涂材料，热喷涂材料按形状分为粉末和钢丝热喷涂材料，金属热喷涂材料，陶瓷热喷涂材料，塑料热喷涂材料，热喷涂复合粉末材料。55、热喷涂材料选择原则(1)应结合实用性、工艺和经济性，尽可能选择合理的喷涂材料。(2)对于重要部件，是获得最佳涂层性能的指南。非关键部件以最大化经济利益为基础。(3)根据工件的工作环境，选择合适的工作涂层。(4)可使用复合涂层和梯度涂层，以满足喷涂工件的使用要求。56，1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。线材是用拉拔法制造的，而粉末一般是用喷雾法制造的。粉末材料的表面积大，氧化度高，建议在方便的条件下使用钢丝。粉末制造方法简单、灵活，材料成分不限，因此在少量批热喷涂中使用粉末材料是很常见的。常用的热喷涂金属材料是书P105106，57，2陶瓷热喷涂材料，陶瓷热喷涂材料的最重要形式是粉末、熔融粉碎、化学共沉淀、喷雾干燥等。另外，烧结陶瓷粉制作陶瓷棒可以直接喷射，但相对成本较高，应用较少。热喷涂陶瓷材料主要集中在氧化物陶瓷材料上，因为非氧化物陶瓷材料在喷涂中会挥发或降解。常用陶瓷热喷涂材料是书P106，58，3塑料热喷涂陶瓷材料，热喷涂塑料涂层特征低于现有塑料涂层成本，投入的涂层厚度和工作现场没有限制，没有溶剂，根据环境要求使用的塑料涂层材料的熔化温度范围宽，粘度低，热稳定性好，一般使用粉末形式的塑料热喷涂材料列在书P107，59，4热喷涂用复合粉末材料中例如，为防止喷涂中碳化钨材料的氧化分解而制造的镍包碳化钨复合粉末材料，它们现在是热喷涂用复合材料的主流。另一种是通过加强相来提高涂层性能的复合材料，例如纤维增强涂层材料。这些材料见本书P107，60，这是目前研究中常用的热喷涂复合材料，1防腐涂层不锈钢涂层喷涂：不锈钢电极电位高于铁，在涂层气孔中容易形成原电池，会加剧铁基体腐蚀，因此必须密封喷涂后的孔处理。类似的涂层材料包括镍合金、蒙乃尔合金、青铜等金属涂层。铝、锌及其合金涂层：锌、铝的腐蚀电极电位高于铁，腐蚀介质首先腐蚀锌和铝，而铁基板则受到可用于桥梁、海洋钻井平台等的阴极保护。塑料涂层：用于化学、食品等行业。(例如，在酒的低温发酵罐内壁喷上聚乙烯涂层，有效防止槽壁侵蚀，控制酒的铁离子含量)，第四，热喷涂技术的应用，61，喷涂耐磨涂层的应用：机器零件表面涂上耐磨涂层，零件的寿命延长磨损失效机器零件，2喷涂耐磨涂层，62，在不同环境下耐磨涂层纤维，造纸，印刷等行业。等离子喷涂氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层，暴露在磨料磨损中的机械部件(泥浆泵活塞杆、螺旋进料器等)涂层硬度超过磨料硬度，应以超音速火焰喷涂或爆炸喷涂技术喷射镍基或钴基碳化钨涂层。在侵蚀和空化环境下工作的涡轮、排气风扇、旋流器等零件需要超音速火焰喷射或爆炸喷涂技术，该技术将高涂层、高韧性、超细氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层喷射等离子喷涂或钴基碳化钨复合涂层。63，(4)磨损涂层可用于联接器的接触操作，磨损涂层可自动制造所需间隙，提供最佳密封状态。磨损性涂层通常使用由金属基板和非金属填料组成的等离子喷涂或火焰喷射。64，(1)高温防氧化涂层：用于提高机械零件的高温氧化性能。例如，900以下超音速火焰喷涂Cr2C3-NiCr涂层；900以上，氧化锆涂层的大气等离子喷涂。(2)热障涂层：将金属基板与高温环境隔离，以保持金属部件的机械性能。例如，美国“探险家”卫星表面喷有氧化铝保护涂层，由于氧化铝的隔热作用，卫星内部仪表室温度保持在1030C之间，从而确保了敏感电子设备的正常运行。另外，用等离子喷涂氧化锆热障涂层保护aeroengine叶片、燃烧室内壁、活塞发动机活塞发动机活塞顶部，适当设计涂层厚度，可以提高发动机工作温度100C以上。3高温涂层，65，66，(1)屏蔽涂层喷涂屏蔽涂层，消除静电放电火花，同时消除电磁波和无线电波干扰(EMI/RFI)；用电弧喷射锌涂层可以提供高能量准位衰减(最大范围为60-120db)。屏蔽涂层包括计算机终端设备、电子办公设备、药品检验设备、感光电子设备。4喷涂功能涂层，67，(2)生物相容性涂层：在种植体(不锈钢等)表面用等离子涂层进行生物相容性好的羟基磷灰石涂层，生物组织可以长到涂层的空隙，与种植体形成牢固的结合。、68，5喷射成形、喷射成形使用电弧喷涂、等离子喷涂电弧喷涂制造冲压塑料和皮革制品模具等离子喷涂陶瓷或耐火金属喷嘴、雷达配对、高温炉零件和纤维增强钛合金复合发动机零件等一般技术。喷涂成型制造的零件多孔性高，机械强度低，大部分要经过热压、热等静压等后处理。69，6热喷涂技术的应用领域和市场，70，5热喷涂涂层质量评价，GE、PW和RR等aeroengine建立的热喷涂涂层最终质量标准中常用的指标是显微硬度和/或宏观硬度、结合强度、接口和涂层微结构和涂层厚度。71，1涂层厚度测量，简单形状矩阵表面，直接用光标卡尺或微米测量形状更复杂的零件，用磁和涡流测厚仪测量磁法：磁矩磁通或互感电流的探头基准，用非磁性涂层厚度不同的探针磁通或互感电流的变化值测量盖子厚度。涡流法：利用高频磁场产生金属内部的涡流，涡流产生的磁场影响探针的阻抗，通过测量其阻力，可以确定涂层的厚度。72，2多孔测定，涂层的孔隙率可采用阿基米德法和金相法。前者是涂层实际密度与涂层材料理论密度的差异比较，后者通过图像分析确定。涂层密封处理后残留穿孔测量可以使用试剂测试方法和高压放电测试方法。73，(1)计算方法：图3-51所示的涂层试样处理和计量，涂层密度c:样式的g样重量； s-基板密度；Vs-基板体积；Vc-涂层体积。c下的涂层孔隙率=，样式中m-涂层材料密度(有关文档中介绍了m)。74，3结合强度测量，热喷涂层结合强度测量一般使用拉伸方法，其原理见书P111。粘合样品，安装在试验机上，在指定条件下均匀应用连续载荷，试样断裂，记录最大断裂强度，涂层结合强度计算：b=f/A0，f是范例中断负载。A0是示例涂层区域。75，涂层剪切强度：使用粘结剂将涂层a粘合到b (a)，然后拉伸涂层使其与基板分离；或(b)使用方法对材料试验机缓慢施加压力，直到涂层被剪切分解。此时，涂层的剪切强度F:样式中，p-涂层剪切分解时的载荷。D-样品最终喷涂前的直径；L-样品中涂层的宽度。76，涂层的弯曲强度：涂层样品以一定角度弯曲时，涂层开始开裂的弯曲角度是涂层的弯曲强度。77，4涂层微观结构观察，涂层微观结构分析手段：金相分析，SEM，TEM等。但是将涂层分析为涂层截面时，样品制作非常重要。因为涂层薄且易碎，所以对样品切割、镶件和研磨抛光有特殊要求。78，1910:钢丝火焰喷射技术；20世纪20年代：电弧线喷涂技术；20世纪50年代：爆炸喷涂和等离子喷涂技术；20世纪60年代：自熔合金粉末火焰、等离子喷涂和喷焊技术；20世纪80年代：超音速火焰喷射技术；90年代：激光熔覆技术。6热喷涂技术开发过程，79，60年代以来主要喷涂方法的应用比例，80，(1)高功率焓等离子喷涂，提高喷涂效率，降低成本。(2)精密喷涂技术。(3)热喷涂工艺代替硬铬电镀工艺。(4)新的热障涂层，如MCrAlY热障涂层，可以将基板温度降低到200 300 。(5)纳米涂层材料、非晶涂层材料等新材料喷涂。(6)计算机自动控制，提高工作效率，降低工作强度。，7热喷涂技术的主要发展趋势，81、(7)脉冲发射导线爆炸喷涂和冷喷涂技术等低温下高速飞行喷涂，82、热喷涂热源可熔化涂层材料，根据使用涂层的颗粒间、涂层与基板之间无孔冶金结合的热源，热喷涂技术有氧-乙炔喷涂焊接和等离子喷涂焊接，热喷涂工艺和特性，83，000结合状态：喷涂层主要是机械结合。喷焊层是冶金结合。粉末材料：喷焊用自熔合金粉末，喷粉不受限制。涂层结构：喷涂层有孔，喷焊层均匀、致密，没有空隙。轴承容量：喷焊层可以承受冲击载荷和高接触应力。1，热喷涂工艺