热喷涂技术及应用

1、1,热喷涂技术及应用,2011-11,2,热喷涂是利用热源将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，借助于焰流或外加的推力将熔滴雾化或推动熔粒成喷射的粒束，以一定速度喷射到经过制备的基体表面形成某种功能的涂层。,什么是热喷涂？,3,Particle or Droplet generation,Accelerating Heating,Splat formation: Impact, flattening Solidification,热喷涂原理,4,典型热喷涂系统,5,涂层结构,6,单个粒子表面形貌,530 oC,740 oC,涂层断面形貌（层状结构）,7,热喷涂分类,线材火焰喷涂、棒材火焰喷涂 气体

2、燃烧火焰法粉末火焰喷涂、爆炸喷涂 超音速火焰喷涂、粉末火焰喷熔 电弧喷涂 大气等离子喷涂 热真空等离子喷涂 喷 气体放电法等离子喷涂 保护气体等离子喷涂 涂水稳等离子喷涂 超音速等离子喷涂 等离子喷熔 电热法：高频喷涂、线材电爆喷涂 激光热源：激光喷涂、激光喷熔,8,几种主要热喷涂方法和设备,9,粉末火焰喷涂 喷枪通过气阀分别引入燃料气（主要采用乙炔）和氧气，经混合后从 喷咀喷出，产生燃烧火焰。合金粉末在高速氧气流的带动下由喷嘴射、 出，穿过燃烧火焰时被加热到熔化或半熔化状态，并高速撞击在已预处 理的基体表面上，沉积为喷涂层。 粉末火焰喷涂原理示意图 1-氧、乙炔混合气；2-送粉气；3-喷涂粉

3、末；4-喷嘴；5-火焰；6-涂层；7-基体,10,火焰喷涂特点及应用,特点： a. 设备简单、轻便、初投资少，操作工艺简单，现场施工方便； b. 适于机械零部件的局部修复和强化，成本低，耗时少，效益高； c. 可以喷涂纯金属粉、合金、陶瓷、金属陶瓷和复合粉末等多种材料； d. 涂层孔隙率较高，涂层结合强度10-30MPa。 应用： 粉末火焰喷涂广泛用于机械部件和化工容器、辊筒表面制备耐蚀、耐磨涂层。对喷枪喷咀部分作适当变动后，可用于喷涂塑料粉末。,11,等离子喷涂,在阴极和阳极（喷嘴）之间产生一直流电弧。该电弧把导 入的工作气体加热电离成高温等离子体并从喷嘴喷出形成 等离子焰。粉末由送粉气体送

4、入等离子射流后被熔化、加 速、喷射到以预处理的基体材料表面形成涂层。,等离子喷涂原理示意图 1-喷涂粉末；2-工作气；3-阴极；4-阳极；5-等离子射流；6-基体；7-喷涂层;,12,APS设备组成,13,APS涂层特点及应用,特点: a. 喷涂材料范围广：制备难熔金属、陶瓷、金属陶瓷复合材料涂层及其它特殊功能涂层； b. 等离子弧温度高，能量集中，焰流速度高涂层结合强度高，可达35-70MPa，气孔率可控制到2-5%； c. 惰性气体等离子射流有保护气氛，加氢的射流有还原气氛，避免或减少了喷涂粒子的氧化； 应用： 制备质量要求高的耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温和特殊功能涂层。,14,电弧喷涂

5、是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，利用其端面产 生的电弧作热源来熔化金属丝材，用压缩空气进行雾化的热喷涂方法。,电弧喷涂原理示意图 1-直流电源；2-金属丝；3-送丝滚轮；4-导电块；5-导电嘴； 6-空气喷嘴；7-电弧；8-喷涂射流；9-涂层；10-基体,电弧喷涂,15,电弧喷涂设备,16,1) 钢铁构件上制备Zn、Al长效防护涂层； 2） 在钢铁件上喷涂不锈钢或其它耐磨金属，用于耐磨蚀防护； 3) 喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料，用于修复零件已磨损或尺寸超差的部位； 4) 在电容器上喷涂导电涂层，在塑料制品上喷涂屏蔽涂层等。,电弧喷涂典型应用,17,爆炸喷涂,将一定比例和流量的乙

6、炔和氧气引入内径为25mm的水冷枪筒内，与同时引入的喷涂粉末混合，通过火花塞瞬间引爆，枪筒内的温度突然上升到3300以上,气体燃烧的速度超过音速的十倍，形成冲击波, 爆炸的热能将喷涂粉末加热到熔融或半熔融状态，并使熔粒加速到2倍音速喷出，撞击到基体表面形成涂层，此后将氮气引入枪筒内置换，直到下一个爆炸过程开始，喷涂频率可达每秒4-8次。,18,爆炸喷涂原理示意图 1-氮气；2-粉末；3-火花塞；4-喷涂射流；5-涂层； 6-基体；7-氧气；8-乙炔,19,爆炸喷涂设备,20,涂层结合强度高：它与基材的结合力比等离子喷涂高，尤其是WC-Co涂层比等离子喷涂高2倍以上； 涂层硬度高：喷涂WC-Co

7、涂层的断面硬度比等离子喷涂高50%以上； 气孔率低：喷涂WC-Co涂层气孔率一般只有0.5%； 目前爆炸喷涂主要用于制备优质耐磨涂层。,爆炸喷涂特点及应用,21,燃料气体（氢气、丙烷、丙烯或MAPP）和助燃剂（O2)以一定的比例导入燃烧室内混合，爆炸式燃烧，高温燃气经燃烧室上部燃烧头内的四根倾斜喷管进入铜喷咀，粉末由送粉气（Ar或N2）定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃气中，由高温高速燃气带出喷咀，高速喷射到工件上形成涂层，整个喷枪由循环水冷却。,超音速火焰喷涂,22,Jet-Kote超音速粉末火焰枪原理图 1-粉末及送粉气；2-冷却水；3-冷却水；4-氧气；5-燃料气；,23,超音速火焰

8、喷涂设备,24,火焰及喷涂粒子速度极高：燃气流速可达1500-2000m/s，粉粒撞击到工件表面的速度为550800 m/s； 粉粒在火焰中加热时间长：喷涂粉末以中心轴式方法供给，这种供粉方式使粉末在火焰中停留时间长，能均匀地受热熔融，产生集中的喷射束流； 熔粒与周围大气接触时间短：这可避免碳化物材料分解和脱碳； 喷涂粉末细微，涂层光滑：粉末粒度为5-45m，可获得表面光滑的涂层； 涂层致密，结合强度高：涂层的孔隙率可小于0.1%，结合力可大于100N/mm2； 气体耗量大、喷涂噪声大：目前喷枪所消耗的气体远大于一般火焰喷涂； 被广泛使用来制备碳化物（WC-Co、NiCr-Cr3C2）涂层和耐

9、蚀涂层。,特点及应用,25,热喷涂的应用范围,航天航空、机械、电子、冶金、能源、交通、石油、化工、食品、轻纺等，并在高新技术领域也得到了应用。,26,1抗腐蚀/氧化涂层 1) 抗化学腐蚀涂层：涂层材料主要有Ni、NiCr、NiAl、Al2O3、TiO2、Y2O3、Ta、Mo、塑性等； 2) 抗大气/电化学腐蚀涂层： 涂层材料主要有：Al、Zn、AlZn、青铜、不锈钢、蒙乃尔合金、镍基合金； 3) 抗氧化涂层： 涂层材料主要有：NiCr、MCrAlY（M为Ni、Co或Fe）、Mo、镍基合金和铝化物等。,涂层应用分类,27,2抗磨损涂层 : 抗滑动磨损、磨料磨损、冲蚀磨损、微动磨损、气蚀磨损等，其

10、涂层材料主要有：Al2O3/TiO2、Cr2O3、WC/Co、TiC/NiCr、高碳钢、不锈钢、NiCrBSi、CoCrW、Cr3C2/NiCr、Mo等。 3热障涂层： 热喷涂材料主要有ZrO2/Y2O3、ZrO2/MgO、ZrO2/CeO2、MCrAlY、NiAl等。 4可磨密封涂层： 涂层材料主要有Al/聚酯、Ni/石墨、NiCr/ Al2O3、NiCr/ TiC、NiCr/ SiC、 ZrO2等。,28,修复/装饰涂层 涂层材料主要有Ni 、Al、Cu、铝青铜、不锈钢、碳钢、NiAl、NiCr、Mo等。 6电/磁/光涂层: 电/磁/光涂层包括绝缘涂层、导电涂层、半导体与超导体涂层、压电涂

11、层、电致伸缩涂层、辐射、吸收及反射涂层、光-电涂层等。 7特殊功能涂层: 生物种植、梯度功能材料、复合材料制造、防滑表面和模具制造中。,29,热喷涂的应用实例,30,石油行业,防护区域：杆表面，油泵等。工作状态：介质腐蚀、磨粒磨损等。解决方法：火焰喷焊、超音速喷涂、电弧喷涂。涂层材料：镍基合金、金属陶瓷粉末、蒙乃尔合金粉等。技术规范：涂层厚度0.41.0 mm,钻井抽油装置耐磨抗腐蚀喷涂,31,发电系统,防护区域：锅炉四管（水冷壁管、过热器管、再热器管和省煤器管） 、风机叶轮、风机轴承、风机轮毂等。工作状态：高温腐蚀、高速磨粒磨损、海水侵蚀等。解决方法：喷涂耐磨耐蚀涂层。涂层材料：复合芯丝、金

12、属陶瓷、高耐蚀合金。喷涂工艺：电弧喷涂、超音速喷涂、喷焊。使用效果：提高耐蚀耐磨寿命3-8倍。,电厂锅炉四璧抗磨损腐蚀,风能发电机组防腐喷涂,混流式水轮机,32,航空,防护区域：高温燃气接触部位。工作状态：物料磨损、介质腐蚀等。解决方法：等离子喷涂、超音速喷涂。涂层材料：陶瓷、金属陶瓷、高温合金,33,印刷行业,防护区域：辊、烘缸、储料槽。工作状态：物料磨损、介质腐蚀。解决方法：超音速喷涂WC-CoCr涂层、火焰喷涂金属钼涂层、电弧喷涂耐蚀合金,印刷设备辊筒耐磨防腐喷涂,34,钢结构防腐,东方明珠电视塔钢结构天线喷铝,东海大桥桥墩支架喷铝,三峡永久闸门喷锌,桥梁防腐及维护,35,钢铁冶金行业,

13、瓦楞辊,炉辊喷涂,36,涂层功能：恢复尺寸、耐磨 涂层材料：Ni、Fe 、Co基基合金 工艺方法：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子弧喷涂、超 音速火焰喷涂,机械轴类零件,37,耐磨衬套,涂层功能：恢复尺寸、耐腐蚀 涂层材料：Ni基合金、马氏体不锈钢 工艺方法：火焰喷涂、电弧喷涂、 超音速火焰喷涂,38,热喷涂特点 1. 喷涂材料的选择范围广泛,它几乎包括所有的固体材料；如金属及其合金，各种陶瓷及金属陶瓷、塑料和各种类型的复合材料等。 2. 选择合适的工艺方法几乎能在任何固体材料表面上进行喷涂。 3. 一般不受施工场所的限制，既可以在室内喷涂，又可以现场施工。 4. 一般不受工件尺寸及形状限制，既可对大型构件进行大面积喷涂，也可以对工件进行局部喷涂。 5. 涂层厚度可以在几十微米到几毫米范围内控制，因此可作薄涂层或厚涂层使用。,39,6. 除喷熔外，热喷涂工艺对基体材料热影响较小，并且可以进行控制，它不会影响基体金属的金相组织和机械性能。 7. 能使涂层具有耐