第六章热喷涂技术

1、2021-8-1第六章热喷涂技术1第六章第六章 热喷涂、喷焊与堆热喷涂、喷焊与堆焊技术焊技术2021-8-1第六章热喷涂技术21. 1. 热喷涂技术热喷涂技术采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、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件表面，形成附着牢固的表面层的加工方法。工方法。2021-8-

2、1第六章热喷涂技术3泵浦静止环泵浦静止环 高压高压WC - Ni WC - Ni 用于耐磨损和腐蚀用于耐磨损和腐蚀第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术4第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术钢闸门电弧喷涂钢闸门电弧喷涂Al-ZnAl-Zn防腐涂层防腐涂层2021-8-1第六章热喷涂技术5德国德国HUNGERHUNGER公公司司等离子喷涂的启等离子喷涂的启闭机油缸活塞杆闭机油缸活塞杆第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术6启闭机柱塞杆：耐磨损和耐腐蚀陶瓷涂层启闭机柱塞杆：耐磨损和耐腐蚀陶瓷涂层第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1

3、第六章热喷涂技术7球阀球阀WC - Co - Cr WC - Co - Cr 用于耐磨损和腐蚀用于耐磨损和腐蚀第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术8输送滑轮WC-Co 用于耐磨损和防滑第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术9涂层形成机理涂层形成机理 材料熔化材料熔化冷却凝固冷却凝固撞击基体撞击基体加速加速形成涂层形成涂层第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术10第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术11涂层结构涂层结构层状结构层状结构. 方向性方向性. 孔隙或孔隙或空洞空洞.伴有氧

4、化物和夹杂伴有氧化物和夹杂第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术12涂层材料性能涂层材料性能涂层结合强度涂层结合强度涂层空隙率涂层空隙率涂层内应力涂层内应力涂层质量指标涂层质量指标 第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术13结合强度：材料性质、熔化状态（热结合强度：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、粒子空隙率：材料性质、熔化状态、粒子飞行速度飞行速度内应力：材料性质、涂层厚度、工件内应力：材料性质

5、、涂层厚度、工件冷却条件、喷枪运动速度。冷却条件、喷枪运动速度。涂层质量影响因素涂层质量影响因素 第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术14涂层结合机理涂层结合机理 涂层的结合包括涂层与基体表面的结合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。和涂层内部的结合。结合力：涂层与基体表面的结合强度。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。内聚力：涂层内部的结合强度。 第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术15（1 1）机械结合）机械结合碰撞成扁平状，与凹凸不平的表面互相碰撞成扁平状，与凹凸不平的表面互相嵌合，形成

6、机械钉扎而结合。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。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机械结合为主的结合决定了热喷涂的结合强度较低。合强度较低。 涂层结合机理涂层结合机理 第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术16（2 2）冶金）冶金-化学结合化学结合喷涂热量、撞击能量和放热反应，使表喷涂热量、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。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结合面上的金属间化合物或固溶体为

7、冶金结合的产物。金结合的产物。重熔或喷焊时，喷焊层与基体的结合主重熔或喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结合。要是冶金结合。 第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术17（3 3）物理结合）物理结合颗粒对基体表面的紧密结合，形成范德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。华力或次价键形成的结合。 第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术18涂层残余应力涂层残余应力熔融颗粒熔融颗粒/ /凝固收缩凝固收缩 涂层外层为拉应涂层外层为拉应力，基体和涂层的内层为压应力。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

8、涂层越厚，内应力越大，直至剥离。热喷涂层厚度一般喷涂层厚度一般0.5mm0.5mm。第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术19涂层残余应力涂层残余应力残余应力影响因素：残余应力影响因素：涂层材料与基体材料物理性质的差异涂层材料与基体材料物理性质的差异（如膨胀系数）。（如膨胀系数）。工艺措施（如工件预热、喷涂过程中对工艺措施（如工件预热、喷涂过程中对工件冷却等）。工件冷却等）。涂层结构（如梯度涂层）。涂层结构（如梯度涂层）。涂层的致密性等。涂层的致密性等。第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术20Wear Resistance Coatin

9、g on Light MetalsWear Resistance Coating on Light MetalsSubstrateSubstrateBonding Bonding CoatingCoatingWorking Working CoatingCoatingWorking Working CoatingCoatingBonding Bonding CoatingCoatingSubstrateSubstrate第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术21按热源分按热源分2.2.主要热喷涂方法和特性主要热喷涂方法和特性2021-8-1第六章热喷涂技术22不同的

10、方法，适用于不同的材料；不同不同的方法，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。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电喷涂：适用于金属材料或金属基复合材料。材料。气喷涂：可以喷金属也可以喷陶瓷。火气喷涂：可以喷金属也可以喷陶瓷。火焰喷涂喷金属，焰喷涂喷金属，HVOF喷金属陶瓷，等离喷金属陶瓷，等离子喷涂喷氧化物陶瓷。子喷涂喷氧化物陶瓷。2.2.主要热喷涂方法和特性主要热喷涂方法和特性第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术232021-8-1第六章热喷涂技术24（1 1）适用范

11、围广）适用范围广涂层可以是金属、非金属以及复合材料。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。工件也可以是金属和非金属。热喷涂的特点之一热喷涂的特点之一第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术25热喷涂的特点之二热喷涂的特点之二（2 2）工艺灵活）工艺灵活施工对象小到施工对象小到10mm10mm内孔，大到铁塔、桥梁等内孔，大到铁塔、桥梁等大型结构。大型结构。既可在整体表面，也可在指定区域内涂敷。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。可在野外现场作业。 第六

12、章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术26热喷涂的特点之三热喷涂的特点之三（3 3）工件受热少）工件受热少例如氧例如氧-乙炔焰喷涂、等离子喷涂或爆乙炔焰喷涂、等离子喷涂或爆炸喷涂，工件受热程度均不超过炸喷涂，工件受热程度均不超过250250，工件不会发生畸变，不改变工件的金相工件不会发生畸变，不改变工件的金相组织。组织。 第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术27热喷涂的特点之四热喷涂的特点之四（4 4）生产效率高）生产效率高大多数工艺方法的生产率可达到每小时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，有些工艺方法可喷涂数千克喷涂材

13、料，有些工艺方法可高达高达50kg50kgh h以上。以上。 第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术28热喷涂的特点之五热喷涂的特点之五（5 5）缺点）缺点热效率等，能耗高。热效率等，能耗高。材料利用率低，浪费大。材料利用率低，浪费大。涂层结合强度低。涂层结合强度低。 第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术293. 3. 表面预处理表面预处理为了提高涂层与基体的结合强度，在喷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、清洗和粗涂前，对基体表面进行脱脂、清洗和粗糙化等预处理。糙化等预处理。表面预处理是喷涂工艺中的一个重要工表

14、面预处理是喷涂工艺中的一个重要工序。序。 第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术30基体表面脱脂、清洗方法基体表面脱脂、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，碱性溶液中，待基体表面的油脂溶解后，再用水冲洗干净。再用水冲洗干净。溶液洗涤法：采用挥发性溶液，如雨酮、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，的主要作用是把基体表面的矿物油溶解掉，再加以清除。再加以清除。第六章第六章 热喷涂技术

15、热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术31基体表面脱脂、清洗方法基体表面脱脂、清洗方法蒸气清洗法：采用三氯乙烯蒸气清洗，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，但对人体有这种方法的清洗效果很好，但对人体有一定的危害。一定的危害。对疏松表面（如铸铁件）的清洗：先脱对疏松表面（如铸铁件）的清洗：先脱脂、清洗后，将工件表面加热到脂、清洗后，将工件表面加热到250250左左右，尽量将油脂渗透到表面，然后再加右，尽量将油脂渗透到表面，然后再加以清洗。以清洗。第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术32基体表面氧化膜的处理基体表面氧化膜的处理 机械方法去氧化

16、膜，如切削加工方法和机械方法去氧化膜，如切削加工方法和人工除锈法。人工除锈法。直接喷砂去除氧化膜。直接喷砂去除氧化膜。也可以采用硫酸或盐酸进行酸洗。也可以采用硫酸或盐酸进行酸洗。 第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术33表面粗化处理表面粗化处理 提高结合强度的一个重要措施。提高结合强度的一个重要措施。喷涂前喷涂前4h4h8h8h内必须对工件表面进行粗内必须对工件表面进行粗糙化处理。常用的方法有：糙化处理。常用的方法有： （1 1）喷砂法：是最常用的粗糙化方法。砂）喷砂法：是最常用的粗糙化方法。砂粒有冷硬铁砂、氧化铝砂、碳化硅砂等粒有冷硬铁砂、氧化铝砂、碳化硅砂等多

17、种，根据工件表面的硬度选择。多种，根据工件表面的硬度选择。 第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术34（2 2）机械加工法）机械加工法对轴、套类零件表面粗化，可采用挑扣、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。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，一般每厘米螺纹和滚压，形成粗糙表面，一般每厘米1010条纹左右。条纹左右。第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-

18、1第六章热喷涂技术35（3 3）化学腐蚀法）化学腐蚀法基体表面进行化学腐蚀，由于晶粒上各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，可形成粗糙的个晶面的腐蚀速度不同，可形成粗糙的表面。表面。（4 4）电弧法（又称电火花拉毛法）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高的基体表面，但不适用于比较薄的零件。件。 第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六

19、章热喷涂技术36基体表面预热基体表面预热涂层与基体表面的温度差使涂层产生拉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。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。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，从而降低涂层化，降低基体表面活性，从而降低涂层与基体的结合强度。与基体的结合强度。预热温度一般在预热温度一般在200200300300之间之间第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术37非喷涂表面的保护非喷涂表面的保护 在喷砂和喷涂前，必须对非喷涂

20、表面保在喷砂和喷涂前，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，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。设计一些简易的保护罩。保护罩可采用薄铜皮或铁皮、炭素物或保护罩可采用薄铜皮或铁皮、炭素物或石棉等。石棉等。 第六章第六章 热喷涂技术热喷涂技术2021-8-1第六章热喷涂技术384.4.喷涂后处理喷涂后处理封闭气孔封闭气孔 一般采用有机涂料进行涂覆处理，涂层需封孔时一般采用有机涂料进行涂覆处理，涂层需封孔时,根据根据使用状态选择封孔剂使用状态选择封孔剂.石蜡，树脂。石蜡，树脂。自熔性合金镀层的熔化处理自熔性合金镀层的熔化处理 将将B,Si等元素加入到喷涂材料中，

21、这些元素在喷涂过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。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。加热等。精加工精加工 经过喷涂的表面一般厚度不均匀，表面粗糙度高，需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。要进行精加工，如车削或磨削等。20

22、21-8-1第六章热喷涂技术395.5.热喷涂方法热喷涂方法早期：粉末熔化法、金属溶液式喷涂早期：粉末熔化法、金属溶液式喷涂 粉末熔化法粉末熔化法 金属溶液式喷涂金属溶液式喷涂 2021-8-1第六章热喷涂技术405.5.热喷涂方法热喷涂方法2021-8-1第六章热喷涂技术415. 5. 热喷涂方法热喷涂方法 (1) (1) 火焰喷涂（火焰喷涂（Flame sprayFlame spray）火焰喷涂包括丝材火焰喷涂和粉末火焰喷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（涂，一般不包括超音速火焰喷涂（HVOFHVOF）。）。火焰喷涂的热源是氧火焰喷涂的热源是氧- -乙炔气体

23、，也可以乙炔气体，也可以是丙烷、氢气或天然气。是丙烷、氢气或天然气。 喷涂材料熔化喷涂材料熔化 雾化并加速雾化并加速 沉积沉积到工件，形成涂层。到工件，形成涂层。1.1.火焰喷涂火焰喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术42 火焰喷涂设备简单，一枝喷枪。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、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。乙炔供给系统和供料（粉末或丝材）系统。 1.1.火焰喷涂火焰喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术43喷枪喷枪 初期的火焰丝材喷枪初期的火焰丝材喷枪美国美国METCOMETCO的的5P-5P-粉末喷枪粉末喷枪1.

24、1.火焰喷涂火焰喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术44线、棒材喷涂都是将材料线、棒材喷涂都是将材料从喷枪中心孔送出，由氧从喷枪中心孔送出，由氧的火焰将其熔化，通过压的火焰将其熔化，通过压缩空气将熔化的材料雾化缩空气将熔化的材料雾化成微粒，并将其喷射到基成微粒，并将其喷射到基体表面沉积成为涂层。体表面沉积成为涂层。特点：操作简单，设备运特点：操作简单，设备运转费用低，可手持操作。转费用低，可手持操作。材料：线材主要有材料：线材主要有Zn,Al,Cu, Mo, Ti等及其等及其化合物，铝包镍，镍包铝，化合物，铝包镍，镍包铝，金属包碳化物等复合线材金属包碳化物等复合线材;棒材主要为棒材主要为Al2

25、O3、 Al2O3 + TiO2及及TiO2陶瓷陶瓷材料。材料。BQP-1型金属线材火焰喷涂枪2021-8-1第六章热喷涂技术45粉末火焰喷涂是将粉末加热粉末火焰喷涂是将粉末加热到熔融或半熔融状态，同时到熔融或半熔融状态，同时将被加热粉粒以一定的速度将被加热粉粒以一定的速度喷射到工件上形成涂层。喷射到工件上形成涂层。特点：涂层致密度和结合强特点：涂层致密度和结合强度不如线材火焰喷涂，但是度不如线材火焰喷涂，但是该设备最简单、轻便，投资该设备最简单、轻便，投资少，成本低。并可喷涂后进少，成本低。并可喷涂后进行重熔以得到更致密的涂层。行重熔以得到更致密的涂层。材料：可制备塑料涂层材料：可制备塑料涂

26、层火焰粉末喷涂过程中 2021-8-1第六章热喷涂技术46爆炸喷涂技术产生于上世纪爆炸喷涂技术产生于上世纪50年代中期，将燃气爆年代中期，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（小于的结合强度高，涂层孔隙率小（小于0.5），工件），工件受热小，涂层在制作过程中受空气污染小。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 2021-8-1第六章热喷涂技术47高速火焰喷涂是高速火焰喷涂是20世纪世纪80年代初年代初期由美国开发的，由喷管出口处期由美国开发的，由喷管出口处燃烧的高温射流迅速膨胀，产生燃

27、烧的高温射流迅速膨胀，产生了超音速火焰，焰流速度高，颗了超音速火焰，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，与基体结合强度高，涂层致密，孔隙率小于孔隙率小于1，并且涂层的残，并且涂层的残余应力小。但是成本较高，限于余应力小。但是成本较高，限于应用于一些关键部位制作上。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；成本较条件的可变范围更优越；成本较高。高。材料：最适宜喷涂碳化物基的粉材料：最适宜喷涂碳化物基的粉末。末。MET-

28、JETIII喷枪 典型的超音速火焰 2021-8-1第六章热喷涂技术48超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂涂层质量与颗粒飞行速度的关系涂层质量与颗粒飞行速度的关系4.4.超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术49HVOF是上世纪是上世纪80年代初年代初,由美国由美国公司公司.研制成功研制成功 。 HVOF系统使用气体燃料和氧气，产生系统使用气体燃料和氧气，产生3200的高温高压火焰的高温高压火焰焰流速度高达焰流速度高达1500m/s粒子撞击速度粒子撞击速度(10051200/)。4.4.超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术50HVOF系统运行成本高系统运

29、行成本高,如如JP-5000, 需氧需氧气流量为气流量为0.94383/min,则每瓶氧气可维则每瓶氧气可维持持56min。研制空气超音速火焰喷涂系统研制空气超音速火焰喷涂系统(HAVF)成成为近年来各国竟相研究的热点。目前为近年来各国竟相研究的热点。目前,美美国、英国、日本等发达国家已成功研制国、英国、日本等发达国家已成功研制了了HAVF系统。系统。4.4.超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术51 HVOF特别适用于喷涂特别适用于喷涂WC-Co涂层。涂层。（1）VOF 的火焰温度低的火焰温度低（2 2）颗粒的飞行速度快）颗粒的飞行速度快, 颗粒在空气暴露颗粒在空气暴露

30、时间非常短。因为时间非常短。因为WC 颗粒在高温下很颗粒在高温下很容易发生脱碳反应容易发生脱碳反应: 2WC + Q =W2C + C 2WC +1/2 O2 + Q = W2C + CO W2C +12 O2 + Q=2W + CO特点特点4.4.超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术52WC-Co涂层硬度与热喷涂工艺的关系涂层硬度与热喷涂工艺的关系4.4.超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术53不锈钢涂层结合强度与喷涂方法的关系不锈钢涂层结合强度与喷涂方法的关系4.4.超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术54美国在航空发

31、动机压缩机叶片、轴承套等。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。压等离子喷涂层和电子束物理气相沉积。修复退火炉辊修复退火炉辊, , 从从8080年代中期的年代中期的30%30%上升到上升到9090年代后期的年代后期的80%, 80%, 带钢因结瘤等引起的次品率带钢因结瘤等引起的次品率则由则由85%85%下降到零。下降到零。在冶金挤压辊轮、热浸镀锌槽中的沉没辊。在冶金挤压辊轮、热浸镀锌槽中的沉没辊。应用应用4.4.超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术55HVOF

32、涂层结合强度高涂层结合强度高,可以喷可以喷2mm涂层涂层.Fusion公司现已关闭电镀公司现已关闭电镀CrCr生产线而转生产线而转向超音速火焰喷涂向超音速火焰喷涂, ,因为这种涂层具有高因为这种涂层具有高结合强度和韧性结合强度和韧性, ,完全可以适应部件服役完全可以适应部件服役时的弯曲工况。时的弯曲工况。HVOF的火焰温度较低，适合于喷金属的火焰温度较低，适合于喷金属陶瓷，但不适合喷涂氧化物陶瓷。陶瓷，但不适合喷涂氧化物陶瓷。应用应用4.4.超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术56优点：优点：设备简单，操作方便，可携带到现场施工。设备简单，操作方便，可携带到现场施工。

33、沉积效率高，生产成本低。沉积效率高，生产成本低。既可以喷粉末，也可以喷丝材（熔点高的既可以喷粉末，也可以喷丝材（熔点高的金属不能用丝材）。金属不能用丝材）。1.1.火焰喷涂火焰喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术57缺点：缺点：涂层含氧量高。涂层含氧量高。为了提高涂层与基体的结合力，先喷涂后为了提高涂层与基体的结合力，先喷涂后重熔。重熔。焰火温度低，不适用于喷陶瓷材料。焰火温度低，不适用于喷陶瓷材料。1.1.火焰喷涂火焰喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术58电弧喷涂技术电弧喷涂技术喷涂丝材通过两根彼此绝缘并加有喷涂丝材通过两根彼此绝缘并加有181840V40V的线形电极，当两根丝材靠近时产生

34、电弧，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，形成下高速撞击工件表面并在表面沉积，形成涂层。涂层。2.2.电弧喷涂电弧喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术59特点：电弧喷涂设备比较轻便，易于现场操特点：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。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2021-8-1第六章热喷涂技术6

35、0超音速电弧喷涂主要是对喷涂枪进行改进，开发出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度，从而提高涂层与基体的结合强度及降低涂层的孔隙率。孔隙率。电厂锅炉防磨防腐超音速电弧喷涂现场电厂锅炉防磨防腐超音速电弧喷涂现场 2021-8-1第六章热喷涂技术61电弧喷涂的特点电弧喷涂的特点一般只能喷具有导电性能的金属丝材，用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超音速电弧喷涂设备也可以喷金属基陶瓷复合材料。复合材料。生产效率高，成本低。

36、生产效率高，成本低。涂层比火焰喷涂致密，可达涂层比火焰喷涂致密，可达70%70%90%90%的理的理论密度。论密度。结合强度达结合强度达10MPa10MPa40MPa40MPa。2.2.电弧喷涂电弧喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术62电弧喷涂的应用电弧喷涂的应用主要喷涂铝锌涂层、不锈钢涂层、高铬钢主要喷涂铝锌涂层、不锈钢涂层、高铬钢涂层，近期研究铝基陶瓷复合材料。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）大型零件的防腐（闸门、桥梁、钢结构）和强化。和强化。2.2.电弧喷涂电弧喷涂2021-8-

37、1第六章热喷涂技术63电弧喷涂长效防腐涂层电弧喷涂长效防腐涂层防腐寿命长：耐蚀寿命达防腐寿命长：耐蚀寿命达50年以上，是年以上，是防腐油漆的防腐油漆的45倍，热浸镀锌的倍，热浸镀锌的23倍，倍，玻璃钢涂层的玻璃钢涂层的23倍。倍。 。可修复性强：涂层被碰坏、划伤，可以进可修复性强：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。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；热浸锌只能制备的耐蚀材料，灵活性强；热浸锌只能制备单一的锌涂层。单一的锌涂层

38、。2.2.电弧喷涂电弧喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术64等离子喷涂原理等离子喷涂原理利用等离子焰流，即非转移等离子弧作利用等离子焰流，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击工件表面，并沉积在经过粗糙处理的工件表面形成涂层。工件表面形成涂层。 3.3.等离子喷涂等离子喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术65等离子喷涂原理等离子喷涂原理3.3.等离子喷涂等离子喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术66等离子喷涂用气体等离子喷涂用气体等离子喷涂气

39、体用等离子喷涂气体用Ar、He、H2和和N2。H2和和N2是双原子气体，形成等离子体时是双原子气体，形成等离子体时释放的能力比单原子气体释放的能力比单原子气体Ar和和He高。高。3.3.等离子喷涂等离子喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术67等离子喷涂用气体等离子喷涂用气体Ar最容易形成等离子体，对喷枪的损伤最容易形成等离子体，对喷枪的损伤小，用来引弧。小，用来引弧。N2能量高，且便宜，是主要工作气体。能量高，且便宜，是主要工作气体。H2能量高，价格较能量高，价格较N2贵，可以作为提高贵，可以作为提高能量的辅助气体。能量的辅助气体。 H2还具有防氧化作用。还具有防氧化作用。Ar最容易形成等离子

40、体，不仅用来引弧，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。而且作为辅气用来稳定等离子弧。3.3.等离子喷涂等离子喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术68等离子喷涂用气体等离子喷涂用气体气体纯度要求：气体纯度要求： H2 99.7%， Ar、He、 N2 99.995%。3.3.等离子喷涂等离子喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术69等离子使用高温低压等离子体，火焰中等离子使用高温低压等离子体，火焰中心温度高达心温度高达20,00020,000左右，可喷涂几乎左右，可喷涂几乎所有固态材料，包括各种金属和合金、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

41、等。陶瓷、非金属矿物及复合粉末材料等。等离子火焰温度等离子火焰温度3.3.等离子喷涂等离子喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术70等离子焰流温度分布等离子焰流温度分布3.3.等离子喷涂等离子喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术71普通等离子焰流速达普通等离子焰流速达1000m1000ms s以上，喷以上，喷出的粉粒速度可达出的粉粒速度可达180m180ms s600m600ms.s.特种喷枪，喷涂速度可以达到特种喷枪，喷涂速度可以达到马赫和马赫和马赫。马赫。得到的涂层致密性和结合强度均比火焰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。空隙率为喷涂及电弧喷涂高。空隙率为1%1%10%10

42、%，结合强度可达到结合强度可达到30MPa30MPa以上。以上。等离子喷涂速度等离子喷涂速度 3.3.等离子喷涂等离子喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术72等离子喷涂设备示意图等离子喷涂设备示意图3.3.等离子喷涂等离子喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术73工件预处理工件预处理等离子喷涂流程等离子喷涂流程喷涂材料准备喷涂材料准备喷喷涂涂操操作作涂涂层层处处理理3.3.等离子喷涂等离子喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术74工件表面：粗糙度、活化程度工件表面：粗糙度、活化程度喷涂材料：粒度、预热干燥喷涂材料：粒度、预热干燥等离子弧能量：气体种类、气体纯度、等离子弧能量：气体种类、气体纯度、流

43、量、电流流量、电流喷涂距离：喷涂距离：70130mm送粉速度和送粉均匀性送粉速度和送粉均匀性喷涂移动速度和节距。喷涂移动速度和节距。等离子喷涂工艺等离子喷涂工艺3.3.等离子喷涂等离子喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术75优点：优点：火焰温度高，几乎可以喷任何固体材料，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。特别适用于喷氧化物陶瓷。缺点：缺点：喷低熔点材料不如其他方法喷低熔点材料不如其他方法等离子喷涂特点等离子喷涂特点3.3.等离子喷涂等离子喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术76提高结合强度：提高结合强度：基体预处理质量基体预处理质量 优化工艺参数优化工艺参数改进涂层结

44、构：改进涂层结构：（1）过渡层）过渡层（2）梯度涂层）梯度涂层3.3.等离子喷涂等离子喷涂2021-8-1第六章热喷涂技术772021-8-1第六章热喷涂技术786. 6. 涂层性能检验涂层性能检验 生产现场检验：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。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蒸发的数秒钟内，若看到涂层表面有暗色线条

45、则表明涂层有微裂纹存在。线条则表明涂层有微裂纹存在。 2021-8-1第六章热喷涂技术79结合强度定性试验方法结合强度定性试验方法 （1 1）杯突试验（又称球面凹坑试验）杯突试验（又称球面凹坑试验）（2 2）偏心车削试验）偏心车削试验 （3 3）涂层弯曲强度试验）涂层弯曲强度试验 （4 4）反复冲击试验）反复冲击试验 6.6.涂层检验涂层检验2021-8-1第六章热喷涂技术806.6.涂层检验涂层检验杯突试验杯突试验试验方法：试验方法：1 1、压头、压头22mm22mm2 2、金属支架，中孔、金属支架，中孔34mm34mm3 3、压圈、压圈4 4、试样、试样1515444476mm76mm3

46、35 5、加压速度：、加压速度：10mm/min10mm/min6 6、压入深度、压入深度7.6mm7.6mm7 7、观察涂层开裂、剥离、观察涂层开裂、剥离情况情况喷涂面喷涂面2021-8-1第六章热喷涂技术816.6.涂层检验涂层检验涂层弯曲试验涂层弯曲试验试验方法：试验方法：试件：试件：2 22020100mm100mm3 3跨距：跨距：60mm60mm压头半径：压头半径：R5mmR5mm观察涂层开始发生龟观察涂层开始发生龟裂时的弯曲角或绕度裂时的弯曲角或绕度2021-8-1第六章热喷涂技术826.6.涂层检验涂层检验反复冲击试验法反复冲击试验法试验方法：试验方法： 在冲击试验机上，用在冲

47、击试验机上，用500g500g锤，从锤，从100mm100mm高度向试样某一处反复冲击，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。定涂层与基体的结合质量。2021-8-1第六章热喷涂技术83拉伸试验法：拉伸试验法：采用拉伸试验机采用拉伸试验机试样试样25.4mm高强度粘结剂高强度粘结剂要点要点:良好的粘结良好的粘结上下样保持同轴上下样保持同轴断裂强度判定断裂强度判定6.6.涂层检验涂层检验结合强度定量试验法结合强度定量试验法2021-8-1第六章热喷涂技术84剪切试验剪切试验6.6.涂层检验涂层检验结合强度定量试验法结合强度定

48、量试验法2021-8-1第六章热喷涂技术85涂层金相检验涂层金相检验6.6.涂层检验涂层检验项目：项目：显微组织显微组织孔隙率孔隙率涂层厚度涂层厚度试样制备试样制备:取样取样镶样后磨金相镶样后磨金相选择腐蚀剂选择腐蚀剂2021-8-1第六章热喷涂技术867.7.应用应用防腐蚀防腐蚀喷涂铝：飞机表面用玻璃纤维强化的塑料代替金属，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，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。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

49、保护进行长效防腐涂层，传统油漆方法，实行阴极保护进行长效防腐涂层，防腐蚀年限可达到防腐蚀年限可达到30年以上。长期暴露在户外大气年以上。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。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采用火焰喷涂聚乙烯涂层后，有效地防止了罐壁的点蚀。点蚀。2021-8-1第六章热喷涂技术8

50、77.7.应用应用耐磨耐磨连续铸造模连续铸造模 连续铸造模表面由于金属凝固层的摩擦而磨损，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，硬度用镀铬提高其耐磨性，但在高温下，硬度快，快，防护效果不好；采用高温下硬度不明显下降的防护效果不好；采用高温下硬度不明显下降的自熔性合金涂层粘结底层，寿命自熔性合金涂层粘结底层，寿命。冷轧加工辊冷轧加工辊 冷轧生产线中的加工辊，表面要求耐磨、粗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；喷涂糙度变化小，镀铬，耐磨性不好；喷涂WCCo涂层电镀，寿命涂层电镀，寿命，耐磨性提高，耐磨性提高510倍。倍。2021-

51、8-1第六章热喷涂技术887.7.应用应用 耐高温耐高温卫星绕地球运动时，温度在卫星绕地球运动时，温度在100315之间之间变化，采用喷涂变化，采用喷涂Al2O3层，可以隔热，保证内层，可以隔热，保证内部温度部温度1030。涡轮叶片高温防护涡轮叶片高温防护 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，期在高温、高速、高负荷条件下工作（超合金，空心加气膜冷却）空心加气膜冷却）高温防护涂层高温防护涂层M(Ni、Co)CrAlY（低压等离子喷涂）氧化物陶瓷（低压等离子喷涂）氧化物陶瓷（Al2O3,ZrO2-Y2O3），），

52、0.25mm的的ZrO2-Y2O3，冷却空气流量，冷却空气流量50，油耗改善，油耗改善1.3，寿命寿命4倍。倍。2021-8-1第六章热喷涂技术897.7.应用应用模具制造与工件修复模具制造与工件修复热喷涂快速制作钢基模具热喷涂快速制作钢基模具 工件模型工件模型脱模剂脱模剂电弧喷涂的熔点合金（中电弧喷涂的熔点合金（中间模）间模）灌注石膏加固灌注石膏加固取下工件模型取下工件模型喷涂高喷涂高熔点高强度涂层熔点高强度涂层 电弧喷涂对基材的热影响小，母型可用金属、木材、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，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。是忠于母型的建议模具成型法。工件修复工件修复 各种轴类各种轴类 机床，发电机轴，各种驱动轴，磨损后采用机床，发电机轴，各种驱动