表面工程 第五章 表面涂层技术.ppt

1、,第五章 表面涂敷技术,表面涂装,1,热喷涂,2,堆焊,3,其它涂敷技术,4,5.1 表面涂装,1.涂装相关概念,涂装：用有机涂料通过一定的方法涂覆于材料或制件表面，形成涂膜的全部工艺过程。,油漆：植物油,涂料：合成树脂,涂料：概念广泛，传统涂料水性涂料、粉末涂料等,5.1 表面涂装,溶剂挥发类： 涂料在成膜过程中不发生化学反应，只是溶剂挥发使涂料干燥成膜，一般为自然干燥型涂料，容易重新涂装。,固化干燥类： 成膜物质一般是相对分子质量较低的线性聚合物，可溶解于特定的溶剂中，经涂装、溶剂挥发后，就可通过化学反应交联固化成膜。气干型、烘烤型、两罐型、辐射型。,5.1 表面涂装,涂装预处理,涂装,干

2、燥固化,预处理：清除污垢、化学处理（磷化、钝化）、消除缺陷、合适粗糙度。,涂布方法：各种类型,干燥固化：自然干燥、人工干燥（加热、照射）,5.1 表面涂装,静电喷涂：是用静电喷枪使油漆雾化并带负电荷，与接地的工件间形成高压静电场，静电引力使漆雾均匀沉积在工件表面。,涂膜均匀,易于自动化,油漆利用率高,5.1 表面涂装,电泳涂装：将电泳漆用水稀释到固体分为10-15%左右，加入电泳槽内，将工件浸入作为电极，通以直流电时电泳漆中的树脂和颜料移向工件，沉积在工件表面，烘干后形成均匀的漆层。,生产效率高,安全环保：水,涂膜均匀、附着力好,5.1 表面涂装,粉末涂装：以粉末形态进行涂装，经熔融或交联固化

3、形成涂膜。,树脂分子量大：质量、耐久性好,损失少：可回收,专用设备、调色难、薄层难、单涂层,无溶剂：无毒,温度高、可涂厚膜,5.1 表面涂装,5.1 表面涂装,5.1 表面涂装,烧蚀涂料：能够碳化、泡沸碳；美国火星的“海盗”号飞船的舱身和外露部件均涂有一层12.7 厚的有机硅树脂中的酚醛-玻璃珠-软木的绝缘层，耐摩擦产生的温度约1482。,5.1 表面涂装,示温涂料：随温度变化而变颜色，晶型转变、结构转变、脱水、分解、固相反应。,5.2 热喷涂,1.热喷涂,热喷涂：采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，将粉末状或丝状的金属或非金属喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，并用热源自身的动力或

4、外加高速气流雾化，使喷涂材料的熔滴以一定的速度喷向经过预处理的工件表面，依靠喷涂材料的物理变化和化学反应，形成附着牢固的表面层的加工方法。,热喷涂原理,5.2 热喷涂,机械结合：凸凹不平表面相互咬合,冶金结合：涂层粒子和基体产生扩散微区,物理结合：高速粒子撞击，晶格范围，范德华力,粒子间结合：机械为主、扩散冶金也存在,5.2 热喷涂,各种基体材料：金属、玻璃、陶瓷、有机材料,方法多样：有十几种之多。,喷涂材料种类广泛：金属、合金、陶瓷、有机,喷涂工件不受限制：大面积、小工件均可,涂层厚度可控：几十微米到几毫米,5.2 热喷涂,线材：碳钢丝、不锈钢丝、铝丝、铜丝、复合喷涂丝及镍、铜、铝的合金丝等

5、。锌丝,粉末：金属及合金粉末、陶瓷粉、复合材料粉末和塑料颗粒等。镍基合金粉。,5.2 热喷涂,线材火焰喷涂：设备简单，价格便宜，手持操作，调节简单，工件表面温度较低，,粉末火焰喷涂：颗粒由表面向内部融化，不存在破碎和雾化，粉末粒度决定喷涂粒度，存在不同部分融化不一致问题。,工件表面准备：洁净、粗糙、新鲜，酸洗或喷砂除氧化皮，有机溶剂或碱水除污，车削、磨削、喷砂粗糙,预热：提高工件与熔滴接触温度，有利于咬合；降低冷却速度（应力）；去除表面水分。,喷涂：火焰温度、供给速度、气体压力、喷涂距离、喷涂角度、喷涂移动速度。,喷后处理：有孔结构，蜡或树脂封口。,火焰喷涂的应用 火焰喷涂工艺与其它喷涂工艺相

6、比，最大的特点是成本低廉，使用方便，在许多场合下所得涂层能够充分满足性能要求。一般来说在满足工程要求的前提下，尽可能采用火焰喷涂。 火焰喷涂的应用主要有以下几方面：,(1) 用于长效防腐蚀涂层 这类涂层大多是用线材火焰喷涂的Zn，Al，Cd等金属或合金涂层。可用于铁桥、铁塔、水闸、船体、贮水器、管道、矿山货车、气体容器、船内浴室、水处理设备和钢制框格等多种钢结构件。 (2) 用于抗高温氧化涂层 Al涂层有良好的抗高温氧化性，可用于加热器、燃烧室、烟囱等易受高温氧化的钢铁件。,电弧喷涂,电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，输送直流或交流电，利用丝材端部产生的电弧作为热源来熔化金属，用压

7、缩气流雾化熔滴并喷射在基材表面形成涂层。,喷涂导电材料，喷涂颗粒大小不匀，质地不均，烧失量大 但效率高，液滴变形量大，结合强度高，价格便宜,电弧电压、电弧电流、送丝速度、气体压力和流量、喷涂距离，,电弧喷涂的特点和应用 电弧喷涂与火焰喷涂相比，有下述优点： （1）生产率高，一般为火焰喷涂的三倍以上。 （2）成本低，其施工成本比火焰喷涂低30%以上。 （3）热效率高，电弧热的利用率为60%70%，火焰喷涂时火焰燃烧热的利用率仅为5%15%。,（4）可用两根成分不同的金属丝制成具有独特综合性能的假合金涂层，如具有良好耐磨、减磨及导热性的铜钢假合金涂层。 电弧喷涂具有上述特性，故被广泛用于钢铁构件的

8、喷涂铝、喷涂锌、不锈钢或其它耐磨材料，用于机械零件的修复喷涂。另外，电弧喷涂还可用于塑料、木材等基体材料的喷涂。,等离子喷涂,等离子喷涂是以电弧放电产生等离子体作为高温热源，以喷涂粉末材料为主，将喷涂粉末加热至熔化或熔融状态，在等离子射流加速下获得很高速度，喷射到基材表面形成涂层。,工作气体为氩气或氦气，工作温度高，可熔化所有金属，喷涂效率高，涂层致密结合强度高。,输入功率，气体及流量，供粉速度，喷涂距离，喷涂角，移动速度。,等离子喷涂由于能产生特别高的温度，所以它可以喷涂任何一种可熔材料。 等离子喷涂层组织细密，氧化物夹渣少，气孔率低，涂层与基体结合程度高，最高可达到60Nmm2，其结合机理

9、以机械结合为主，在一些微区产生了冶金结合和物理结合。,等离子喷涂的特点,与其它喷涂技术相比，等离子喷涂具有下列特点： （1）能够喷涂多种喷涂材料，尤其能喷涂熔点高的难熔材料，如难熔金属、陶瓷、金属陶瓷及其它特殊功能材料。 （2）可以选择惰性气体做为工作介质，减少了喷涂粒子在飞行过程中的氧化反应。,等离子喷涂的特点,（3）涂层的结合强度高，气孔率低。 （4）能通过控制工艺参数制备精细涂层。 因此，等离子喷涂主要用于制备涂层质量要求高的耐蚀涂层；耐磨、减摩、固体润滑涂层；导电、绝缘涂层；隔热涂层、抗高温涂层和特殊涂层，在机械制造、石油化工、航天航空、交通运输、能源及电子工业中得到应用。,等离子喷涂

10、的特点,耐蚀涂层； 耐磨、减摩、固体润滑涂层； 导电、绝缘涂层； 隔热涂层； 抗高温涂层； 特殊涂层,等离子喷涂的应用,（1）大功率 在高热能的条件下，配合高速喷嘴，使粉末微粒速度增大，而获得高的动能，于是粉末微粒在喷向基体表面时的热能和动能转化为涂层的结合能就高，从而提高了涂层的结合强度和涂层的致密度。,等离子喷涂的新进展,（2）Low Pressure Plasma Spraying Vacuum Plasma Spraying （a）涂层受氧化污染小，含杂质也少，故涂层的质量优于大气环境下喷涂涂层。尤以对于氧敏感的材料如钛、钽、铌等材料是理想的喷涂环境。 （b）在真空室内进行，所以减少了

11、对周围环境的污染；且噪音小，对操作者的健康是有利的。 （c）由于是计算机程控自动操作，故涂层的工艺参数重复性好，涂层生产性能稳定；且能通过数理统计选出最佳工艺参数，提高了涂层质量。,等离子喷涂的新进展,（3）新设备 Axial III型等离子喷涂设备 加拿大Mettech-三阴极轴向送粉等离子喷涂系统。传统的枪外送粉方式是将粉末从径向送入等子焰流，这样就会有部分粉末穿过或没有进入等离子焰，降低了粉末的沉积效率，又影响了涂层质量。而Axial III则可完全避免这些缺点。 Axial III轴向送粉喷枪包括3对相互独立的阳极和阴极，从而实现真正意义上的轴向送粉。,等离子喷涂的新进展,高沉积效率、

12、高送粉速率 低孔隙率、较高的涂层硬度 对粉末粒度分布要求不高。 喷涂WC-Co，Axial III可以比HVOF节省75%80%的时间。目前，采用热喷涂工艺代替电镀铬成为新的研究方向，Axial III已经在许多领域替代了电镀铬，材料方面包括WC-Co，Cr-NiCr，Ti，NiCrBSi。此外，Axial III在制备要求较高的涂层方面，如网纹传墨辊涂层、报纸印刷辊涂层等也具有明显的优势。,等离子喷涂的新进展,（3）新设备 Multicoat 型等离子喷涂设备 Multicoat为全球最大的热喷涂公司瑞士SulzerMetco公司研制的最新型的等离子喷涂设备。Multicoat的设计基于“平

13、台”概念，即使用相同的主平台，配备不同的软硬件及相应组件，可以实现不同的喷涂工艺。,等离子喷涂的新进展,（3）新设备 Multicoat 型等离子喷涂设备 Multicoat可以进行大气等离子喷涂（APS）、真空等离子喷涂（VPS）和超音速火焰喷涂（HVOF）。与以前的等离子喷涂设备相比，Multicoat将气体部分独立出来，这样既可以避免其他电路对质量流量计的干扰，又可以避免氢气泄漏发生危险，提高了系统的安全性。,等离子喷涂的新进展,（3）新设备 5500-2000型等离子喷涂设备 美国PRAXAIR-TAFA公司开发的等离子喷涂系统。采用专有软件实时控制和监测等离子弧的实际能量，即净能量。

14、 操作者键入优化参数后，控制模块控制整个工艺过程，监测和实时显示喷枪效率，使系统参数根据喷枪条件而反应，并作出相应调节以维护目标等离子体能量，提供稳定的能量输出水平。,等离子喷涂的新进展,（3）新设备 5500-2000型等离子喷涂设备 PRAXAIR-TAFA公司还开发出了类似Multicoat的多功能喷涂系统GTS和大功率等离子喷涂系统PlazJet（喷涂功率可以达到200kW），其中GTS可以进行等离子喷涂、超音速火焰喷涂和电弧喷涂。 PlazJet在国内已有数家用户。,等离子喷涂的新进展,（3）新设备 水稳等离子喷涂 水稳等离子喷涂是一种高功率和高速等离子喷涂方法, 它是在由高速旋转的

15、水形成的隧道里产生的弧中,水蒸气分解形成O2 和 H2 的等离子工作气的喷涂方法。与气体等离子喷涂方法相比, 其焰流温度更高体积更大更长, 特别是能量更高, 因而特别适合于高熔点氧化物陶瓷的大量喷涂。,等离子喷涂的新进展,（3）新设备 水稳等离子喷涂 优点：输出功率大(150 -200 kw), 涂层结合强度是气体等离子喷涂涂层的2 - 3 倍, 并且涂层致密, 其硬度、耐磨性和耐热冲击性能也有很大提高； 喷涂效率高, 喷涂能力最大为50 kg / h； 涂层厚度可达20 mm；只需水和空气, 运行成本低, 比其他喷涂方法经济。 缺点：焰流为氧化焰, 不适喷涂容易氧化的材料。此外, 喷涂枪体积

16、较大, 比较笨重。,等离子喷涂的新进展,60年代-美国Browining-Jet Kote法 1983年-美国专利 在设备工艺上必须提供足够高的气体压力，以产生高达5倍于音速的焰流（1830ms）。气体的消耗量也很大，所以需要庞大的供气系统，就氧气而言，通常是一般火焰喷涂的10倍。,超音速火焰喷涂HVOF,（一）超音速火焰喷涂原理 超音速喷涂是通过一个喷嘴实现的，这个喷嘴是按流体动力学的原理设计的。喷嘴的流道是由细的喉管和逐渐加粗到某一尺寸的锥形管组成，这种结构被称为Laval喷嘴。,超音速火焰喷涂,（一）超音速火焰喷涂原理 喷涂时，燃料气体和助燃剂（O2）以一定的比例导入燃烧室内混合，爆炸式

17、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嘴，粉末由送粉气（Ar或N2）定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送人高温燃气中。由高温高速燃气带出喷嘴，直接喷在件上。整个喷枪由循环水冷却。,超音速火焰喷涂,（二）超音速喷涂的特点 （1）粉粒温度较低，氧化较轻，但只适于喷涂金属粉末、CoWC粉末以及低熔点TiO2陶瓷粉末。 （2）粉粒运动速度高，喷涂效率高，涂层表面粗糙度低。 （3）粉粒尺寸小（1053m）、分布范围窄，否则不能熔化。 （4）涂层结合强度、致密度高，无分层现象。（5）喷涂距离可在较大范围内变动，而不影响喷涂质量。 （6）噪音大（120dB），需有隔音和防护装置。,超音速火焰喷涂

18、,（三）涂层性能及应用 粉粒速度高，温度低，因而涂层的质量明显优于常用的等离子涂层。 美国最大的喷涂公司Akron公司自1982年以来一直用JetKote法为美国各火力发电站的过热蒸气发生器管路系统涂316、420不锈钢防腐涂层，取得很好的经济效益。,超音速火焰喷涂,（三）涂层性能及应用 美国通用飞机公司对喷气发动机易受磨粒磨损、粘着磨损和冲蚀磨损的主要部件用JetKote法和等离子法喷涂钴基耐磨合金后的涂层进行了系统的对比研究，结果表明：JetKote法所得涂层性能明显优于等离子涂层，而且涂层的结合强度，氧化物含量少。,超音速火焰喷涂,（一）爆炸喷涂的工作原理 美国联合碳化物公司的专利，其设

19、备及工艺参数至今仍然保密。（1955年） 原苏联乌克兰科学院材料问题研究所-其喷涂性能与美国联合碳化物公司有差距（1968年）。 我国于1985年左右,由中国航天工业部航空材料研究所研制成功爆炸喷涂设备,就Co/WC涂层性能来看，喷涂性能与美国联合碳化物公司的水平接近。,Detonation Flame Spraying,（二）爆炸喷涂涂层的特点 （1）结合强度高，Co-WC粉末，涂层结合强度可达100MPa以上，而等离子喷涂30MPa。可以喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷材料。 （2）涂层致密，气孔率很低（1%2%），表面平整；涂层表面加工后粗糙度低，工件表面温度低。 （3） 设备价格高、噪音大；

20、氧化性气氛等原因，国内外使用还不 广泛。,Detonation Flame Spraying,（三）爆炸喷涂的应用 在零件的磨损面上用爆炸喷涂工艺喷上耐磨涂层可使零件耐磨寿命延长数倍至数十倍。 例如在航空发动机的一、二级钛合金风扇叶片的中间阻尼台上，用爆炸喷涂涂上一层0.25mm厚的WC层，寿命可以从100h延长到10000h。在燃烧室的定位卡环上喷上一层0.12mm厚的Cr3C2涂层。零件的寿命可从4000h延长到28000h以上。 在国外、爆炸喷涂已成功地应用于50多种航空产品的零件上。如低压压气机叶片、涡轮叶片。轮壳封严增、齿轮轴、火焰筒外壁、衬套、副翼、制动装置等。,Detonatio

21、n Flame Spraying,航空发动机叶片喷涂0.25mm的氧化锆-氧化钇涂层，耐高温、高速、燃气腐蚀的寿命提高了4倍，冷却空气减少50%。,Detonation Flame Spraying,涡轮发动机内温度要达到1400-1500，高温合金的极限1200多度，可热喷涂抗氧化合金底层和熔点高、导热低的氧化锆陶瓷热障涂层，外壁温度明显降低。,钢铁工业的铸造模一直采用镀铬处理，但表面强度下降很快，采用喷涂高温强度下降不显著的镍合金，增强基体结合的同时提高寿命，冷轧辊WC-Co涂层。,人工关节、人工骨：不锈钢中Cr、Ni元素表面喷涂Ti和羟基磷灰石涂层，可提高抗腐蚀、增加相容性。,Deton

22、ation Flame Spraying,释放热量，红外辐射涂层 发动机活塞：氧化铝、氧化锆涂层,其工艺过程是把高强度能量的激光束朝着接近于零件基体表面的方向直射，基体同时被一个辅助的激光加热器加热，这时细微的粉末以倾斜的角度被吹送到激光束中熔化粘结到基体表面，形成了一层薄的表面涂层，与基体之间形成良好的结合。喷涂环境的气氛可以选择在大气气氛下也可在惰性气氛或真空状态下进行喷涂。,Laser Spraying,激光喷涂的特点是：喷涂所获得的涂层结构与原始粉末相同；可以喷涂大多数材料，范围从低熔点的涂层材料到超高熔点的涂层材料，如制备固体氧化物燃料电池陶瓷涂层、制备高超导薄膜等。,Laser S

23、praying,（1）热喷涂涂 层的结构特点 呈层状 氧化物夹杂 孔隙或气孔,热喷涂的组织结构,（2）热喷涂涂层的结合机理 涂层与基体的结合 涂层内部的结合 涂层与基体表面的粘结力称为结合力 涂层内部的粘结力称为内聚力。 （a）机械结合 颗粒和凹凸不平的表面相互嵌合，以及以颗粒的机械联锁而形成的结合（抛锚效应），一般来说，涂层与基体的结合以机械结合为主。,热喷涂的组织结构,（2）热喷涂涂层的结合机理 （b）冶金化学结合 涂层和基体表面产主冶金反应，如出现扩散和合金化时的一种结合类型。 （c）物理结合 颗粒与基体表面间由范德华力或次价键形成的结合。,热喷涂的组织结构,热喷涂材料按形状可分为： 线

24、材：喷涂设备简单，操作方便，耗能少，成本低，工艺因素影响小，涂层质量稳定。 粉末：不受线材成型工艺的限制，成本低，来源广，组元间可按任意比例调配，组成各种组合粉、复合粉，从而得到相图上存在或不存在的相组织，获得某些特殊性能。,热喷涂用材,一、热喷涂线材 非复合喷涂线材和复合喷涂线材。 （1）非复合线材 只含一种金属或合金的材料制成的线材。这些线材是用普通的拉拔方法制造的，常用的有： Al及Al合金：一般为纯Al或Al-Si合金线材，主要用于腐蚀保护，抗高温氧化。 Zn及Zn合金：一般为Zn或Zn-Al合金线材，主要用于大气及水中的腐蚀防护。,热喷涂用材,一、热喷涂线材 非复合喷涂线材和复合喷涂

25、线材。 （1）非复合线材 Cu及Cu合金：一般纯Cu丝用于导电及塑像工艺品，黄铜丝主要用于修复、耐磨、装饰,铝青铜用于酸性介质中的耐蚀涂层。 Ni及Ni合金：一般为Ni及,主要用于耐蚀、耐磨、耐高温氧化。,热喷涂用材,一、热喷涂线材 非复合喷涂线材和复合喷涂线材。 （1）非复合线材 Fe及Fe合金：普通碳钢丝，低合金钢丝等主要用于修复和耐磨；不锈钢丝用于防腐蚀，Fe-Cr-Al丝主要用于抗高温氧化。 Pb及Pb合金：主要用于滑动耐磨涂层和防护涂层。 Mo：主要用于打底层和耐浓盐酸涂层。,热喷涂用材,一、热喷涂线材 (2) 复合喷涂线材 复合喷涂线材就是把两种或两种以上的材料复合而制成的喷涂线材

26、。 常用的有：Ni-Al复合丝、Al-Cr, Al-Ta, Al-B, Al-Ni-WC,Al-Ni-Cr,Al-Ni-Al2O3等线材。,热喷涂用材,二、热喷涂用粉末 非复合喷涂粉末和复合喷涂粉末两类。 （1）非复合喷涂粉末 非复合喷涂粉末属简单粉末，每个粉粒仅由单一的成分组成。 金属及合金粉末：Ni基、Fe基、Co基、Cu基合金粉末。,热喷涂用材,二、热喷涂用粉末 （1）非复合喷涂粉末 陶瓷材料粉末：金属氧化物（如Al2O3、TiO2等）、碳化物（如WC、SiC等）、硼化物（如ZrB2、CrB2等）、硅化物（如MoSi2 等）、氮化物（如VN、TiN等）。 塑料粉末：热塑性（受热熔化或冷却

27、时凝固，如聚乙烯，尼龙粉等）和热固性（受热产生化学变化，固化成型，环氧树脂，酚醛树脂等）两类。,热喷涂用材,二、热喷涂用粉末 (2) 复合喷涂粉末 复合材料粉末是由两种或更多种金属和非金属（陶瓷、塑料、非金属矿物）固体粉末混和而成。 包覆型粉：由一种或几种成分作为外壳，均匀连续或星点间断地包覆由一种或几种成分组成的核心的粉体，包覆层与核心的重量比可从1%99%，包覆层的宏观厚度最低可为23微米。,热喷涂用材,二、热喷涂用粉末 (2) 复合喷涂粉末 组合型粉：由不同相混杂而成的颗粒，没有核壳之分。 复合粉技术和产品的发展是热喷涂技术的重要突破，为涂层性能的提高和优化设计开辟了宽广的领域。复合粉的

28、粉粒是非均相体，在热喷涂作用下形成广泛的材料组合，从而使涂层具有多功能性。,热喷涂用材,二、热喷涂用粉末 (2) 复合喷涂粉末 复合材料之间在喷涂时可发生某些希望的有利反应，改善喷涂工艺，提高涂层质量。包覆型复合粉的外壳，在喷涂时可对核心物质提供保护，使其免于氧化和受热分解。,热喷涂用材,(1) 化学成分 涂层的成分与涂层材料的成分是有一定的差异的，并在一定程度上影响涂层的性能。 氧化 分解 (2) 孔隙度 颗粒的温度和速度 喷涂距离 喷涂角度,热喷涂涂层的性能,(2) 孔隙度 温度及速度都低的火焰喷涂和电弧喷涂涂层的孔隙度都比较高，一般达到百分之几，甚至可达百分之十几。而高温的等离子喷涂涂层

29、及高速的超音速火焰喷涂涂层则孔隙度较低。最低可达0.5以下。 (3) 硬度 激冷、高速撞击，涂层晶粒细化、晶格产生畸变 热喷涂涂层的硬度比一般材料的硬度要高一些，喷涂方法的不同而有所差异。,热喷涂涂层的性能,（4）耐磨性能 由于金属热喷涂涂层是扁平粒子的积层组织，又有氧化物含于其中，因此其硬度较喷涂前的材料高。 根据情况设计不同的涂层以适应各种服役条件。 （5）防锈防蚀性能 残余应力以及氧化物和气孔，所以其电极电位一般较喷涂前的材料低，防锈防蚀性能下降。 作为腐蚀防护涂层，一般喷涂材料的电极电位应较基材低。,热喷涂涂层的性能,（6）耐高温性能 用铝涂层作为抗高温氧化层已被广泛采用。有人做过试验

30、，把未喷涂的钢材置于在空气中点燃的石油火焰气雾中加热到1000，保温2h，表面被严重氧化；而把喷Al后的钢材置于同样条件下保温10h，母村没有一点氧化。有报道说，喷Al后，由于在喷涂层和基材间产生了FeAl3扩散层，钢基体在高温下不会产生晶界腐蚀。,热喷涂涂层的性能,耐磨损、耐高温、耐腐蚀、绝热、导热、导电和绝缘等各种不同特殊性能的涂层。 （一）在机械零件尺寸恢复上的应用 热喷涂是恢复尺寸的一种经济而有效的方法。无论是工作磨损还是因加工不当造成的超差，使零件尺寸不合要求，都能利用热喷涂获得修复，这种方法既无焊接的变形问题，也不像特殊电镀工艺那样昂贵。所得涂层可以与零件的材料相同，也可以由新的耐

31、磨损或耐蚀性的材料构成。,热喷涂的应用,（一）在机械零件尺寸恢复上的应用 适用于耐磨或耐蚀，或二者都需要的涂层材料，可采用碳钢、不锈钢、低合金钢、镍、青铜和其他材料。具体应用在修复各种轴类和柱塞件，如回转轴、汽车轴、往复柱塞、曲轴轧辊、轴颈、液压压头、造纸干燥滚简、泵柱塞、衬套以及石油化工中的泵类叶轮、叶片及外壳。,热喷涂的应用,（二）抗磨损的应用 一般-铁基、镍基或钴基自熔性合金，当基体不能经受高温时，可采用碳化物、陶瓷和钴铝基材料。铝青铜等有色金属合金材料具有良好的润滑性，也具有很好的抗微动磨损性能。其应用实例有风扇叶片、排气阀、各种支架、各种夹具、定子密封面、叶片制动环、轴承箱、发动机尾

32、翼座、拉丝绞盘、密封配合面等。,热喷涂的应用,（三）抗腐蚀和高温氧化的应用 热喷涂层用于腐蚀环境下钢铁件的防护，特别是在工业大气及海水中，可提供20年左右的长效保护。 奥氏体不锈钢、铝青铜、钴基和镍基合金等涂层都具有程度不同的抗大气腐蚀性能。但在防大气保护中，最广泛使用的是锌和铝涂层。在常温下抗淡水腐蚀最好采用锌涂层。在海水腐蚀中也可采用锌、铝涂层。具体应用有绞盘、吊杆、管道、桥梁、排气管、排气阀等。,热喷涂的应用,（四）热障涂层 ZrO2、Al2O3 等陶瓷涂层,熔点高、导热系数低, 在高温条件下对基体金属具有良好的隔热保护作用称为热障涂层。热障涂层一般用于柴油发动机活塞、涡轮发动机燃烧室、

33、阀门和火焰稳定器等。,热喷涂的应用,（五） 绝缘涂层 陶瓷材料不仅具有高的硬度和优良的耐磨性能, 还具有十分优良的绝缘性能, 采用高能等离子喷涂的Al2O3涂层涂层致密、绝缘强度高, 是理想的绝缘涂层。 如果采用有机或无机物质对喷涂层再进行封孔处理, 则将获得更为优良的绝缘效果.目前这种高度绝缘的涂层已用于对高分子材料薄膜进行活化处理的电晕放电辊表面,效果良好。,热喷涂的应用,（六） 间隙控制涂层 采用复合粉末, 在基体上喷涂软质的可磨耗密封涂层是航空、航天工业中迅速发展起来的高温密封、控隙技术, 是现代热喷涂涂层的重要应用之一。在配合件的接触运动中采用可磨耗涂层可以使配合件自动形成所必须的间

34、隙,提供最佳的密封状态。 已经开发了一系列的喷涂用可磨损涂层材料，这些涂层用 于表面的空气密封部位获得了良好的密封效 果。,热喷涂的应用,（七）生物功能涂层 在不锈钢或钛基体上喷涂生物功能陶瓷涂层,如羟基磷灰石等, 能有效地克服金属型人工骨骼与生物体组织不相容和体液腐蚀问题,并能改善人体组织与人工植入体的结合。 （八）远红外幅射涂层 某些氧化物具有高的热幅射率, 在受热时能够幅射出远红外波, 在加热元件上喷涂这种涂层, 其节电效率一般平均在25-40 % 左右。,热喷涂的应用,5.3 堆焊,堆焊：用焊接的方法把填充金属熔敷在基材金属表面以满足特定性能和尺寸要求的工艺过程，即可修复又可表面处理。

35、熔融 结晶过程。,熔合区：焊接金属和基体金属组成的合金。 熔合区边界和基体之间存在过渡区-焊缝。,火焰堆焊,用气体火焰作热源使填充金属熔敷在基材表面的一种堆焊方法。火焰是氧乙炔焰。,深度小易控制：0.1mm,小面积堆焊：沟槽,堆焊材料：各种形状,设备简单、价格便宜,手工电弧堆焊：同一般的手工电弧焊相同，是手工操纵焊条，用焊条和基材表面之间产生的电弧作热源，使填充金属熔敷在基材表面的一种堆焊方法。,灵活性大成本低,设备简单、使用方便,形状不规则更适合,手工电弧堆焊,劳动条件差、生产率低,生产小批量难焊件和修复已磨损的零件,用焊剂层下连续送进的可熔化焊丝和基体之间产生的电弧作热源，使填充金属熔敷在

36、基体表面的一种堆焊方法。,焊剂成熔渣：保护缓冷,保温：成分性能均匀,表面光洁平直,连续送丝易自动化,Submersed Arc Surfacing,劳动条件好，生产率高，适于堆焊修补面较大、形状不复杂的工件。,焊丝在送进的同时按一定频率振动，造成焊丝与工件周期性地短路、放电，使焊丝在较低电压下熔化并稳定均匀地堆焊到工件表面。,熔深小、薄而均匀,受热少、变形小,生产率高、成本低,振动电弧堆焊,小批量生产或修补焊,用某种保护性气体在焊接的熔池周围造成一个厚的气体层，以屏蔽大气对熔化金属的浸蚀，通常采用二氧化碳或氩气。,焊层氧化轻,质量高、效率高,明弧便于施工观察,气体保护堆焊,热影响区较小,利用等

37、离子弧作热源，使填充金属熔敷在基材表面的堆焊方法,平整光滑,尺寸精确控制,成分组织均匀,工件变形小,温度高，能量集中,等离子弧堆焊,粉末等离子堆焊-耐磨堆焊,填丝等离子堆焊-包覆层堆焊。,粉末等离子弧堆焊的主要优点是能堆焊的材料种类多，铁基、镍基、钴基合金甚至难熔合金都能堆焊；碳化钨颗粒可以加入其他合金粉中，也可以直接加到焊接熔池中进行堆焊；适合在低熔点材质的工件上进行堆焊；堆焊过程完全机械化，特别适合于大批量、高效率地堆焊新的零件。,Plasma Arc Surfacing,典型的应用如高压阀门密封面、发动机气阀阀面、钻具接头、工程机械刃具、轧机导辊以及模具等零件的堆焊。 热丝等离子弧堆焊的

38、主要优点是工件变形很小；熔敷速度很高，适用于大面积自动堆焊，如压力容器内壁包覆层堆焊。堆焊材料为各种可拔成焊丝的材料，如不锈钢、镍基合金、铜基合金等。而填加冷丝的由于熔敷速度较低，主要用于各种阀门堆焊及小面积堆焊耐磨、耐腐蚀的零件。,Plasma Arc Surfacing,等离子弧堆焊设备比较复杂，不利干现场堆焊；设备价格比气体保护堆焊贵得多，工艺参数的调节匹配较复杂；此外，等离子堆焊枪的喷嘴寿命较短，消耗的氢气量也比钨极氩弧堆焊多，所以堆焊成本较高。,Plasma Arc Surfacing,堆焊材料种类很多，据国内外不完全统计，目前已有数百种，以下仅介绍目前比较通用的堆焊材料。 （1）低

39、碳低合金钢堆焊合金 此类合金含碳量一般小于0.3%，合金元素总量小于5%。我国以Cr、Mn、Si为主加合金元素，美国、日本等国以Cr为为主加合金元素。在正常冷速下，堆焊金属组织珠光体（包括索氏体或屈氏体），硬度约为200350HB。当合金含量较多或冷速较高时，将出现马氏体，硬度提高。,堆焊材料,这类合金大多是焊态使用，也可以进行淬火、回火，以提高性能。 特点是冲击韧性好，易于进行机加工，有一定耐磨性，抗裂性也好，且价格便宜。焊前一般不预热。 主要用于堆焊承受冲击载荷和金属间摩擦磨损的零件，如车轮轮缘、齿轮、轴类等。,堆焊材料,（2）中碳低合金钢堆焊合金 含碳量约为0.3%0.6%，合金元素总量

40、在5%左右。主要添加元素为Cr、Mo、Si、Mn。 堆焊金属组织主要是马氏体或残余奥氏体，有时含有一些些珠光体。硬度约为350550HB。开裂倾向比低碳低合金钢堆焊合金大，一般要求在250350预热。 有良好的抗压强度，适宜于堆焊受中等冲击的磨损零件，如齿轮、轴类、冷冲模等。,堆焊材料,（3）高碳低合金钢堆焊合金 含碳量为0.7%1.0%，合金元素总量5%。主要合金元素为Cr、Si、Mn。堆焊金属组织为马氏体及残余奥氏体。有时在柱状晶边界析出莱氏体共晶网。硬度达60HRC左右，冲击韧性较差，堆焊易产生热裂纹或冷裂纹，焊前应预热到350450。,堆焊材料,（3）高碳低合金钢堆焊合金 大多在焊态使

41、用。若焊后需进行切削加工时，可先行退火，使硬度降至2025HRC，加工后再淬火以获得5060HRC的硬度。 用于堆焊不受冲击或受弱冲击的低应力磨料磨损零件，如推土机铲刃、混凝土搅拌机叶片、螺旋推料机刃口、挖泥机斗齿等。,堆焊材料,（4）铬-钨-钼-钒热稳定钢堆焊合金 此类合金具有较多的W、Mo、V等碳化物形成元素，属中碳中合金钢。具有较高的硬度和耐磨性。合金碳化物在高温下不易分解，因而具有较高的回火稳定性和红硬性，抗热疲劳性能也较好。此类合金主要用于堆焊热加工用的工、模具。堆焊时较易产生裂纹，应预热400左右、焊后缓冷。,堆焊材料,（5）高铬钢堆焊合金 此类合金含碳量约0.1%2%，含Cr13

42、%左右，属于马氏体或半马氏体不锈钢。当含碳量0.1%时，堆焊层为马氏体和铁素体组织，硬度约4050HRC。当含碳量在0.2%2%时，堆焊层主要为马氏体，有碳化物析出，硬度约50HRC左右，脆性较高。堆焊时需在300400预热，以防止裂纹的产生。主要用于耐磨零件和耐磨蚀零件的堆焊；如阀座、水轮机叶片耐气蚀层等。,堆焊材料,（6）高速钢堆焊合金 高速钢堆焊合金属于莱氏体钢，堆焊组织类似铸造高速钢，由网状莱氏体和奥氏体转变产物组成。这类合金有很高的红硬性和耐磨性，主要用于堆焊切削刀等。堆焊时容易产生裂纹，要求预热到500左右。,堆焊材料,（7）奥氏体堆焊合金 奥氏体堆焊合金主要有高锰钢、铬锰钢和铬镍

43、钢三种。其中高锰钢堆焊合金使用最为普遍。 高锰钢含C 0.7%1.2%，含锰13%左右。堆焊层组织为奥氏体，硬度200HB左右。经受强烈冲击后，即变成马氏体而使表层硬化。硬度提高至450500HB，硬化层以下仍为奥氏体，有良好的抗冲击磨损性能。,堆焊材料,（7）奥氏体堆焊合金 用于堆焊受强烈冲击的凿削式磨料磨损的零件，如挖掘机斗齿、破碎机颚板、铁路道岔等。但对冲击作用很小的低应力磨料磨损的耐磨性不高，也不适用于高温、腐蚀场合下的零件堆焊。但其耐低温性能很好。45下也不会脆化。,堆焊材料,（7）奥氏体堆焊合金 为了增加高锰钢堆焊合金的耐蚀性及耐热性，人们在高锰钢中加入12%15%的铬，形成了铬锰

44、钢堆焊合金，如2Mn12Cr13Mo，堆焊层组织为奥氏体铁素体双相组织。它具有抗裂，抗冲击、抗腐蚀、耐高温等特点。主要用于堆焊气蚀磨损零件（如水轮机叶片），也可用于堆焊铁路道岔、挖掘机斗齿等。,堆焊材料,（7）奥氏体堆焊合金 铬镍钢系在188型铬镍钢基础上加入Mo、W、Si、Mn等元素。其突出特点是耐蚀性强、抗氧化性好和热强性好，但耐磨料磨损能力不高。主要用于化工、石油、电力、原子能工业中耐腐蚀、耐热零件的表面堆焊。加入Mn后，显著提高了冷作硬化效果，可用在工作时有冲击作用、能产生冷作效果的表面上，如水轮机叶片抗气蚀层、开坯轧辊等。加人Mo、Si、W等可提高高温强度，在高中压阀门密封面堆焊上应

45、用很广。,堆焊材料,（8）马氏体合金铸铁堆焊合金 此类合金含碳量一般为2%4%，合金元素主要是W、C日、N、Mo，总量在15%20%以下。近几年国内外新开发的马氏体合金铸铁堆焊合金又增加了V、Ti、Nb、B等合金元素。此类合金的堆焊组织主要由马氏体、残余奥氏体和合金碳化物的树枝状组织组成。平均硬度高达5066HRC。,堆焊材料,（8）马氏体合金铸铁堆焊合金 有很好的抗压强度，一定的耐蚀、耐热和抗氧化性能，但抗冲击性能差。堆焊时裂纹倾向较严重，需预热到300400。常用于混凝土搅拌机、高速混砂机、犁铧、螺旋送料机、刮板运输机中部槽等零件的堆焊。,堆焊材料,（9）高铬合金铸铁堆焊合金 此类合金含碳

46、量 1.5%4%，含铬18%32%。常见的组织为马氏体和残余奥氏体，堆焊层中有大量的碳化物，宏观硬度达到5568HRC。有很高的抗低应力磨料磨损及耐热、耐蚀性能，但裂纹倾向大，韧性差。常用于铲斗齿、泵套、煤炭破碎机、炉底板等设备的堆焊。,堆焊材料,（10）碳化钨堆焊合金 碳化钨由WC和W2C组成。此类合金含碳1.5%2%含钨45%。它有很高的硬度和熔点。实际上，它是由大量碳化钨颗粒镶嵌在基体上组成的。基体可为铸钢、碳钢、低合金钢、镍基合金、钴基合金等。含碳3.8%的碳化钨硬度高达2500HV，熔点2600左右。这类合金抗磨料磨损性能很高，并有一定耐热性。,堆焊材料,（10）碳化钨堆焊合金 适宜

47、于在带有轻度和中等冲击的强烈磨料磨损条件下工作的零件的堆焊，如石油钻井钻头、推土机刀刃、犁铧等。但合金脆性大，易裂，堆焊时应进行预热。,堆焊材料,（11）钴基堆焊合金 此类合金又称司太立（stellite）合金，它是以Co为基本成分，加入Cr、W、C等元素组成的合金。一般成分为C 0.7%3.0%，Co 30%70%，Cr 25%33%， W 3%25%。这类合金的综合性能最好，有很高的硬度和红硬性（500700温度下能保持350500HV的硬度），抗磨料磨损、抗腐蚀、抗冲击、抗热疲劳、抗氧化性（可在1000温度下工作）和抗金属金属间磨损等性能良好。,堆焊材料,（11）钴基堆焊合金 含C、W较

48、低的钴基合金，主要用于受冲击、高温、腐蚀、磨料磨损条件作用的零件的堆焊，如高温阀门、热剪切刀刃、热锻模。热轧孔型等。含C、W较高的钴基合金，用于受冲击较小，但受强烈磨料磨损、受热、受腐蚀等零件的堆焊。,堆焊材料,（12）镍基堆焊合金 在各类堆焊合金中，镍基合金的抗金属金属间摩擦磨损的性能最好，而且具有很高的耐热性、抗氧化性、耐腐蚀性等。镍基合金易熔化，工艺性能较好，常应用于高温高压蒸气阀门、化工设备阀门、炉子元件、泵的柱塞等零件的堆焊。常用的有NiCrBSi（科尔蒙合金），NiCrBMoW（哈氏合金），NiCu（蒙乃尔合金）及NiCr（涅克洛姆合金）等类型。,堆焊材料,（13）铜基堆焊合金 铜

49、基堆焊合金有良好的耐蚀性和低摩擦系数，适用于堆焊轴承等金属金属间摩擦磨损零件和耐腐蚀零件。常在钢或铸铁上堆焊制成双金属零件或修复磨耗及缺损零件。常用的堆焊合金有铝青铜、锡青铜、硅青铜等。常用于堆焊轴承、齿轮、涡轮以及耐海水、弱酸、弱碱腐蚀的水泵、阀门、船舶螺旋桨、管道内衬、冷凝器、热交换器等零件。,堆焊材料,热浸镀,热浸镀简称热镀，是将被镀金属材料浸于熔点较低的其他液态金属或合金中进行镀覆的方法，形成合金层，多用于防腐蚀和抗氧化。,能发生溶解、反应和扩散,钢、铁、铜为基材,锌、铝、铅、锡等,热镀锡：最早发展，16世纪，欧洲用镀锡板作为食品包装器具，锡短缺，逐渐被取代。,热镀铝：伴随上世纪五十年

50、代汽车工业的发展而发展，镀铝层优异的抗大气腐蚀性能，铁铝合金耐热性好。,热镀锌：价廉而耐蚀性好，锌的电位低，对钢基体牺牲保护，用于保护钢材防大气腐蚀。,热浸镀,镀层形成理论 热浸镀锌是世界各国公认的一种经济实惠 的材料保护工艺。热浸镀锌层的形成包括如 下步骤： 1）铁基表面被锌液溶解形成铁锌合金相层； 2）合金层中的锌原子进一步向基体扩散，形成锌铁固溶体； 3）合金层表面包络一薄锌层。,热浸镀锌,镀层形成理论 热镀锌层的组织由内向外是按下列顺序排 列的：与钢基体相接的是相，即Zn在Fe中 的固溶体，当温度在450460时含 Zn10%，在室温时含Zn5%，冷却中会析出 相，该相与基体相很难分辨

51、，实际上是 Zn-Fe合金的粘附层；由向外，是化合物 相，化学式Fe3Zn10。,热浸镀锌,硬度515HV，质脆，也是Zn-Fe合金的粘附 层，该层如果过厚，会引起镀层开裂，但短 时浸镀不会出现；再向外是1化合物相；成 栅状分布，因此称为栅状层，化学式 FeZn7，硬度454HV，韧性好；再向外是 相，化学式FeZn13,硬度不高（270HV），但 性脆；很易引起表面镀锌层的脱落，本身易为锌液浮走，称漂走层；,热浸镀锌,最外层是相，即纯锌层，该层是钢铁件 从锌液中取出时，在合金层上粘附的液体锌 凝固而成。 热镀锌的工艺就是调整各相的比例；得到 结合力高、致密且具有良好外观的镀锌层。,热浸镀锌,

52、热浸镀锌的方法 目前工业上应用的热镀锌方法有：干法热 镀锌、氧化还原法热镀锌、湿法热镀锌、铅 锌法热镀锌、单面热镀锌等多种 国内应用最多的是干法热镀锌和氧化还原 法热镀锌。,热浸镀锌,干法热镀锌 干法热镀锌是先把预处理后的清洁工件进 行溶剂处理，干燥后再把工件浸入熔融锌液 中去。溶剂处理的目的是去除工件表面上残 存的铁盐，将预处理后新生成的锈层溶解， 活化钢件表面，提高锌液浸润铁基体的能 力，增加镀层的结合力。,热浸镀锌,干法热镀锌 干法热镀锌的锌液含铝量可达0.1% 0.2%，以含铝10%15%的锌铝合金的形式加入。热镀锌的厚度为50100m，其中有3040m的纯锌层和1060m的铁锌合金层

53、。,热浸镀锌,干法热镀锌 干法热镀锌允许有较高的含铝量，因此锌液表面能生成一层薄的（0.1m）Al2O3保护膜，防止锌液氧化。加铝还可得到塑性较高的镀锌层。,热浸镀锌, 氧化还原法热镀锌 此法是取消了碱洗、酸洗和溶剂处理 等表面预处理,其工艺过程为先使钢件通 过氧化性气氛的预热炉（炉内加热温度 为440460），然后再把工件送进还 原性气氛炉中把氧化皮还原并加热到规 定的温度，接着将钢件浸入约440 460温度的锌液中进行镀锌。这种方 法是目前比较先进的热镀锌方法。,热浸镀锌, 氧化还原法热镀锌 钢件从锌液中抽出的速度对纯锌层的厚度 有很大影响，抽出速度低，层薄；抽出速度 高，层厚。因此，抽出速度要适当。速度过 高，带出的锌液来不及滴尽，会使镀层凹凸 不平；速度过低，则使纯锌层太薄甚至消 失，塑性降低。,热浸镀锌,热浸镀锌层的性能 镀锌的防护性能表现在两个方面：一是锌在 大气中能在表面形成一层致密、坚固、耐蚀的 保护膜，使下面的Zn和Fe免于腐蚀；二是对于 局部损坏处有阳极保护的作用。镀锌件的抗大 气腐蚀能力与镀层厚度与大气环境有关，例如