chapter 6 热喷涂、喷焊与堆焊技术

1、热喷涂、喷焊与堆焊技术,第六章,第一节 热喷涂技术,一、热喷涂技术原理与特点 1.热喷涂原理 热喷涂技术是一种复合技术。它利用各种不同的热源。将欲喷涂的各种材料如金属、合金、陶瓷、塑料及其各类复合材料加热至熔化或熔融状态，借助气流高速雾化形成“微粒雾流”沉积在已经预处理的工件表面形成堆积状，与基体紧密结合的涂层，称之为喷涂层。而将某些喷涂层在喷涂的同时或随后进行重熔处理形成的冶金结合特征的涂层称之为喷熔层或重熔层。,第一节 热喷涂技术,热喷涂方法分类,. 热喷涂技术的特点 热喷涂技术的特点主要体现在如下几点： (1)可在各种基体上制备各种材质的涂层，金属、陶瓷、金属陶瓷以及工程塑料等都可用作热

2、喷涂的材料；而金属、陶瓷、金属陶瓷、工程塑料、玻璃、石膏、木材、布、纸等几乎所有固体材料都可以作为热喷涂的基材； (2)基体温度低 基材温度一般在30200C之间，因此变形小，热影响区浅；,(3)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涂层，并可在野外作业； (4)母材对涂层的稀释率较低 ; (5)涂层厚度范围宽 从几十微米到几毫米的涂层都能制备，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、浪费大和涂层与基材结合强度较低三个方面。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。,. 涂层材料

3、 热喷涂材料最好有较宽的液相区； 易分解材料；碳化钨；塑料 对喷涂材料的形状与尺寸也有要求； 线材：mm,粉末：1100m (1)纯金属及其合金 (2)陶瓷材料 (3)复合材料 (4)有机塑料,线材；粉末 线材： 锌及锌合金 耐大气腐蚀 铝及铝合金 耐工业气氛腐蚀，耐热 铜及铜合金 导电，装饰，耐海水 铅及铅合金 耐蚀和屏蔽 锡及合金 耐蚀，巴氏合金 镍及镍合金 耐盐酸，硫酸等 不锈钢 钼 耐热浓硫酸,粉末： A.自溶性合金粉末 镍基 NiBSi, NiCrBSi 钴基 Co,Cr,W, 铁基 不锈钢型，高铬铸铁型 B.复合粉末 铝-镍复合粉末 NiAl,Ni3Al 一步自黏结复合粉末 工作复

4、合粉末,陶瓷粉末： 氧化物，碳化物，氮化物，硼化物，硅化物 塑料 聚乙烯，尼龙，环氧树脂,4. 涂层形成过程 涂层形成的大致过程是：涂层材料经加热熔化和加速撞击基体冷却凝固形成涂层。其中涂层材料的加热、加速和凝固过程是二个最主要的方面。,式中：为粉末在焰流中的运动距离；l为平均边界层的热导率；D为平均边界层的温度梯度；为平均焰流速度；为粉末材料的熔化潜热；为粉末的平均直径；m为平均焰流黏度；为粉末密度。,薄膜； 空洞； 喷溅； 颗粒反弹,5. 涂层结构 大小不一的扁平颗粒、未熔化的球形颗粒、夹杂和孔隙组成。,6. 热喷涂中的相变 熔滴尺寸小，冷却速度快，106K/s，非晶态或亚稳相，稳定相转变

5、产生相变应力。,涂层应力 热喷涂层的最佳厚度一般不超过05mm. 过渡层 疏-密,8. 涂层结合强度 主要为机械结合；冶金结合；物理结合 “抛锚作用”；依照次序堆叠镶嵌；机械结合为主的喷涂层为主；瞬时高温、导致涂层材料与基体之间发生局部扩散和焊合，形成冶金结合。 机械结合为主的结合机理决定了热喷涂涂层的结合强度比较差，只相当于其母体材料的530%。最高也只能达到70MPa；,9热喷涂工艺流程和质量控制,热喷涂工艺流程,清除基体表面污垢; 正确粗化,可使涂层与基体之间的结合得到强化,提供表面压应力,提供涂层颗粒互锁结构,增大结合面积,净化表面; 采用黏结底层;,二、热喷涂工艺方法,21 熔体金属

6、注入喷涂 它主要是喷涂低熔点的金属。用电阻加热的方法使熔化金属漏入雾化罐内，喷射到基体表面形成涂层由于其他热喷涂方法的出现，此方法很长一段时间内未得到发展。,二、热喷涂工艺方法,22线材火焰喷涂 主要喷涂铝、锌、锌铝合金材料，用于大型钢结构件的长效防腐蚀，也可喷涂各类钢丝，作耐腐涂层用。随着复合丝、塑料包覆柔性丝，管状复合丝的出现，在制备耐磨涂层力面的应用不断扩大。其原理如图所示通过调节压紧滚轮的旋转速度，调节线材进入氧乙炔火焰的速度，在环状压缩空气的作用下将熔化的线材雾化成金属熔滴沉积到工件表面上形成涂层的方法。,二、热喷涂工艺方法,23粉末火焰喷涂 喷涂粉末从火焰中央喷出后被火焰加热至熔融

7、态喷射到基体表面，通过更换喷嘴及加速、压缩的风环，此喷涂方法可以喷涂各种金属及合金粉末，并可以喷涂熔点低于2600C陶瓷粉末和塑料粉末。,二、热喷涂工艺方法,24 爆炸喷涂 这是一种将燃气和助燃气按一定比例进行混合后，送入燃爆室内，点燃爆炸产生的高温、高速气流将粉末喷射到工作表面形成涂层的方法,二、热喷涂工艺方法,27 高速火焰喷涂 这种喷涂方法由于燃烧火焰约束在枪体内部，与传统的火焰喷涂相比较、火焰温度高，对粒子加热时间长，焰流速可达1050ms。因此涂层甚至比等离子喷涂层更细密，氧化物含量更低，涂层结合强度约为70Mpa。噪音大,二、热喷涂工艺方法,28 电弧喷涂 电弧喷涂原理如图所示。二

8、根送入的通电金属丝相交时产生电弧，由电弧热溶化的金属丝被压缩空气雾化成颗粒，喷射到工件表面形成涂层这种喷涂方法比线材火焰喷涂具有更高的喷涂效率和好的涂层质量电弧喷涂效率可达50kgh。,二、热喷涂工艺方法,29等离子喷涂 等离子喷涂有大气等离子喷涂可控气氛等离子喷涂和液体稳定等离子喷涂方法。它用氮气、氩气、氢气作为离子气、经电离产生等离子高温射流，将输入的材料熔化或熔融喷射到工作表面形成涂层的方法。主要用于制备金属陶瓷，金属相陶瓷涂层。在这种喷涂装置上，对喷涂枪和电流进行改进而发展了超音速等离子喷涂它的等离于焰流能量密度更高、焰流速度更快、提高了涂层质量,二、热喷涂工艺方法,210 激光喷涂,

9、三、 热喷涂涂层材料,31 热喷涂工艺对涂层材料的基本要求 (1)涂层材料必须满足设计特性 被喷涂的材料必须满足对热喷涂涂层使用功能特性的基本要求，如耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、可磨耗密封、自润滑、热辐射、导电、绝缘及超导等。,三、 热喷涂涂层材料,(2)涂层材料在加热过程中，具有良好的化学稳定性和热稳定性，不会产生有害的化学反应及有碍涂层使用的晶型转变。 (3)涂层材料具有良好的物理性能，与基体或结合底层有良好的性能匹配。 (4)涂层材料应满足工艺及设备的要求，如线材应具有一定强度、径值均匀、表面光洁无污染，粉末材料必须有足够的流动性应干燥清洁、无污染。 (5)涂层材料应是无剧毒性和无产生爆

10、炸的可能性。,三、 热喷涂涂层材料,32热喷涂涂层材料 分类,三、 热喷涂涂层材料,32热喷涂涂层材料分类,四、热喷涂技术的应用,1） 喷涂耐腐蚀涂层 锌、铝、不锈钢、镍合金、蒙乃尔合金、青铜以及氧化铝、氧化铬陶瓷涂层和塑料等。 桥梁,海洋结构,水利设施 食品行业发酵罐等,2) 喷涂耐磨涂层 喷涂各种铁基或镍基耐磨合金涂层，或氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层和镍基或钴基碳化钨涂层。 气轮机转子;轴颈;活塞环;泵;螺旋送料器; 水轮机叶片 ;,四、热喷涂技术的应用,3) 喷涂耐高温涂层 Cr2C3-NiCr涂层，在以下是非常好的耐磨涂层，温度在9以上，则可以采用大气等离子喷涂氧化锆涂层。喷涂氧化铝氧

11、化钛等陶瓷涂层。 热障涂层 卫星 航空叶片 发动机,4)喷涂功能涂层 屏蔽涂层 消除电磁波和无线电波的干扰; 消除静电干扰 应用于计算机终端,电子办公设施等 5)喷涂成型 恢复尺寸,模具,五、热喷涂涂层质量评定,1. 涂层厚度的测定 游标卡尺或千分尺；磁性法和涡流法测厚仪 2. 孔隙率测定 金相法 3. 结合强度测定 4涂层显微结构观察,第二节热喷焊工艺与特点,一、热喷焊工艺的一般特点 采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙、这就是热喷焊技术。根据采用的热源不同，热喷焊技术有氧乙炔火焰喷焊和等离子喷焊两种。,第二节热喷焊工艺与特点

12、,基本特点： a) 热喷焊组织致密，冶金缺陷很少，与基材结合强度高; b) 热喷焊材料必须与基材相匹配，喷焊材料和基材比热喷涂窄得多； 润湿；相容；熔点；热裂纹 C) 热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多； 温度高 d) 热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有一定差别； 稀释率,第二节热喷焊工艺与特点,二、氧乙炔火焰喷焊,第二节热喷焊工艺与特点,三、等离子喷焊 等离子喷焊技术是采用等离子弧作为热源加热基体，使其表面形成熔他，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。,第

13、二节热喷焊工艺与特点,等离子喷焊技术的主要特点： (1)生产效率高 因为等离子喷焊温度高、传热率大，因此喷焊速度高。生产率也较高，并能顺利地进行难熔材料的喷焊； (2)稀释率低 为保持喷焊层的性能，要求基体材料熔入喷焊层的比例少；即稀释率低；5 (3)工艺稳定性好易实现自动化 (4)喷焊层成分、组织均匀 喷焊层平整光滑，尺寸可以得到较精确地控制，可获得0258mm之间任意厚度的喷焊层。,第二节热喷焊工艺与特点,四、常用热喷焊材料,第三节堆焊工艺及特点,一、堆焊层的形成和控制 . 堆焊层的形成 过渡层 . 相容性 互溶性；脆性金属间化合物；熔化温度、膨胀系数、热导率和比电阻 3. 熔合区的成分、

14、组织与性能 元素迁移；堆焊隔离层 连生结晶，在低碳钢上堆焊合金钢焊层；不锈钢,第三节堆焊工艺及特点,第三节堆焊工艺及特点,第三节堆焊工艺及特点,稀释率 稀释率主要通过控制堆焊工艺参数，如堆焊功率、堆焊速度、焊道间距等。另外，在堆焊过程中向熔池中补加填充金属，也可以降低稀释率。,第三节堆焊工艺及特点,5. 热循环的影响 反复加热，预热，保温，后热使得组织不均匀 6. 内应力 开裂， 应力可能是难以克服的，这些应力是否引起变形或开裂，在很大程度上取决于堆焊金属和基材的强度和塑性。对工件进行焊前预热和焊后缓冷以及采用堆焊底层方法，可以减少堆焊层内应力。,第三节堆焊工艺及特点,二、堆焊技术的应用特性

15、1.结合强度高，抗冲击性能好； 2.通过正确设计堆焊层的合金体系，可以获得抗磨损、冲击、腐蚀、擦伤和气蚀等多种性能的堆焊层，成分和性能调节方便； 3.堆焊层厚度大，2-30mm； 4.熔敷效率高；手弧焊：3kg/h;双带极埋弧焊：68kg/h； 5.设备简单，与焊接设备通用； 6.加热不均匀，薄壁，细长构件要注意变形。,第三节堆焊工艺及特点,三、堆焊工艺方法 各种焊接方法都可以用来进行堆焊.常用堆焊的 工艺方法可分为氧乙炔焰堆焊、手工电弧堆焊、 钨极氩弧堆焊、熔化极气体保护电弧堆焊、埋弧堆 焊、等离子弧堆焊和电渣堆焊等。堆焊材料通常呈 棒状、管状、带状，焊剂可以装在管芯内或作为焊 条药皮包覆在外层使用。,第三节堆焊工艺及特点,第三节堆焊工艺及特点,四、堆焊材料 1合金类型 铁基、镍基、钴基、铜基和碳化钨复合堆焊材料等。 铁基合金：含C量的变化-珠光体，M，耐磨， 耐磨奥氏体；高Cr，CrMn，加工硬化； 耐磨双相中Mn合金，介稳A+M 耐腐蚀合金 高合金铸铁 钴基合金：Co-Cr-W-C系；M7C3，抗磨粒磨损 Co-Mo-Cr-Si系； 镍基合金：Ni-Cr-B-Si; Ni-Cr-Mo-W; Ni-Cr-Mo-C;Ni-Mo-F 铜基合金： TIG,MIG 碳化物：Ti,Mo,V,Ta,Cr的C化物；,第三节