1、 堆焊是一种熔焊工艺 ，堆焊就其物理本质和冶金过程而言，具有焊接的一般规律，原则上已有的熔焊方法都可以用于堆焊。 堆焊技术的进步是希望采用的堆焊方法有较小的母材稀释、较高的熔敷速度和优良的堆焊层性能，即优质、高效、低稀释率的堆焊技术。 堆焊的应用1）恢复工件尺寸 2）抗磨损 3）抗腐蚀堆焊高铬铸铁堆焊焊条钴基D842焊条电火花沉积堆焊冷焊机辊压机耐磨堆焊材料普通锰型堆焊焊条1.低碳低合金钢: 性能特点是含碳量小于0.3，合金元素总量少于5，Mn、Cr、Si为主，冲击韧性好，易于机械加工，用于金属间磨损的零件，如轴类、齿轮等。2. 中碳低合金钢：性能特点是含碳量0.30.6，合金元素总量少于5，
2、Cr、Mn、Mo、Si为主，抗压强度高，适合于受中等冲击的磨损零件。3. 高碳低合金钢：性能特点是含碳量0.71.0，合金总量约5，Mn、Cr、Si为主。硬度较高，用于不受冲击或弱冲击的低应力磨料磨损零件，如推土机铲刃等。4. 铬-钼、铬-钨热稳定钢：性能特点是含碳量0.5左右，Cr、W、Mo、V为主要合金元素，红硬性好，高温耐磨性好，用于热模具堆焊。主要措施有：在保证堆焊层性能的前提下，选择与基体材料线膨胀系数相近的堆焊合金，以减小由于膨胀系数不同造成的热应力；采取预热，中间消氢热处理，焊后缓冷的工艺方法，预热温度可以根据堆焊金属的碳当量确定 氧乙炔火焰温度较低（30503100），火焰加热
3、面积大，可获得较低的稀释率（110），堆焊层厚度较小，可在1左右。氧-乙炔火焰尤其适用于堆焊碳化钨管状焊丝，这种合金要求在堆焊时WC颗粒不熔化，这样才能最好地发挥WC的耐磨性。 3.2 热喷涂1. 概述 1.1 什么是热喷涂 1.2 热喷涂技术分类 1.3 热喷涂技术的特点2. 热喷涂的基础理论3. 热喷涂工艺热喷涂的基本原理是将涂层材料加热熔化，以高速气流将其雾化成极细的颗粒，并以很高的速度喷射到事先已准备好的工件表面上，形成覆层。什么是热喷涂什么是热喷涂? ? 对被处理工件的形状、尺寸、材料等原则上没有限制对被处理工件的形状、尺寸、材料等原则上没有限制(尺寸过小及小孔内壁的热喷涂工艺还有困
4、难)。 无论是金属、合金，还是陶瓷、玻璃、水泥、石膏、塑料、无论是金属、合金，还是陶瓷、玻璃、水泥、石膏、塑料、木材，甚至纸张，都是适用的基体材料。木材，甚至纸张，都是适用的基体材料。 涂层材料也是多样的，金属、合金、陶瓷、复合材料都可选涂层材料也是多样的，金属、合金、陶瓷、复合材料都可选用。用。 根据需要选择不同的覆层材料，可以获得耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、耐热等方面的一种或数种性能，也可以获得其它特殊性能的涂层。这些涂层能够满足各种尖端技术的特殊需要，也能使普通材料制成的零件获得特殊的表面性能，从而成倍地提高零件的使用寿命，或使报废零件得到再生。热喷涂技术的特点和优点热喷涂技术的特点和优点热
5、喷涂方法的种类热喷涂方法的种类线材火焰喷涂棒材火焰喷涂粉末火焰喷涂超音速火焰喷涂粉末火焰喷焊大气等离子喷涂真空等离子喷涂保护气氛等离子喷涂水稳等离子喷涂超音速等离子喷涂气体燃烧热源气体放电热源电热热源爆炸热源激光热源电弧喷涂等离子喷涂等离子喷焊电容放电喷焊感应加热喷涂燃气重复爆炸喷涂线材电爆喷涂激光喷涂激光喷焊 利用各种可燃性气体燃烧放出的热进行的热喷涂称利用各种可燃性气体燃烧放出的热进行的热喷涂称为火焰喷涂。为火焰喷涂。 火焰喷涂的历史最悠久，设备最简单，投资最少，目前仍被广泛使用。一般情况下，高温下不剧烈氧化，在2760C以下不升华，能在2500以下熔化的材料都可以使用火焰喷涂形成涂层。根
6、据火焰特征和喷涂材料的形态又可分为：线材火焰喷涂，棒材火焰喷涂，粉末火焰喷涂，超音速火焰喷涂，粉末火焰喷焊。气体燃烧热源气体燃烧热源热喷涂方法的种类热喷涂方法的种类线材火焰喷涂棒材火焰喷涂粉末火焰喷涂超音速火焰喷涂粉末火焰喷焊大气等离子喷涂真空等离子喷涂保护气氛等离子喷涂水稳等离子喷涂超音速等离子喷涂气体燃烧热源气体放电热源电热热源爆炸热源激光热源电弧喷涂等离子喷涂等离子喷焊电容放电喷焊感应加热喷涂燃气重复爆炸喷涂线材电爆喷涂激光喷涂激光喷焊 利用各种可燃性气体燃烧放出的热进行的热喷涂称利用各种可燃性气体燃烧放出的热进行的热喷涂称为火焰喷涂。为火焰喷涂。 火焰喷涂的历史最悠久，设备最简单，投资
7、最少，目前仍被广泛使用。一般情况下，高温下不剧烈氧化，在2760C以下不升华，能在2500以下熔化的材料都可以使用火焰喷涂形成涂层。根据火焰特征和喷涂材料的形态又可分为：线材火焰喷涂，棒材火焰喷涂，粉末火焰喷涂，超音速火焰喷涂，粉末火焰喷焊。气体燃烧热源气体燃烧热源 利用气体导电利用气体导电(或放电或放电)所产生的电弧，把电能转变为热所产生的电弧，把电能转变为热能进行喷涂。能进行喷涂。优点是电流密度高、能量集中、温度高，是比火焰更理想的喷涂热源。电弧被高度压缩则称为等离子弧，其电流密度、能量集中程度、温度及稳定性都优于一般的自由电弧，所以等离子喷涂质量高于电弧喷涂，气体放电热源气体放电热源热喷
8、涂方法的种类热喷涂方法的种类线材火焰喷涂棒材火焰喷涂粉末火焰喷涂超音速火焰喷涂粉末火焰喷焊大气等离子喷涂真空等离子喷涂保护气氛等离子喷涂水稳等离子喷涂超音速等离子喷涂气体燃烧热源气体放电热源电热热源爆炸热源激光热源电弧喷涂等离子喷涂等离子喷焊电容放电喷焊感应加热喷涂燃气重复爆炸喷涂线材电爆喷涂激光喷涂激光喷焊电热热源电热热源高频感应加热喷涂高频感应加热喷涂在高频磁场作用下，金属丝端部内产生涡流，温度升在高频磁场作用下，金属丝端部内产生涡流，温度升高而熔化。高而熔化。利用压缩空气(或惰性气体)使熔化的金属雾化成微粒，形成喷涂束流，喷射到基体上形成涂层。这种方法效率不高，只能喷导磁的金属材料。电容
9、放电电容放电：将要喷涂的金属丝置于欲喷涂的容器内，连接电源向电容器充电。喷涂时将电容器与金属丝接通，电容器储存的能量通过金电容器储存的能量通过金属丝突然放电，瞬时电流高达数万安培，属丝突然放电，瞬时电流高达数万安培，使金属丝爆炸，形成细微的熔粒，喷射到容器内壁形成涂层。热喷涂方法的种类热喷涂方法的种类线材火焰喷涂棒材火焰喷涂粉末火焰喷涂超音速火焰喷涂粉末火焰喷焊大气等离子喷涂真空等离子喷涂保护气氛等离子喷涂水稳等离子喷涂超音速等离子喷涂气体燃烧热源气体放电热源电热热源爆炸热源激光热源电弧喷涂等离子喷涂等离子喷焊电容放电喷焊感应加热喷涂燃气重复爆炸喷涂线材电爆喷涂激光喷涂激光喷焊以突然爆发的热能
10、加热熔化喷涂材料并使熔粒加速。燃气重复爆炸喷涂：将一定比例的乙炔和氧气的混合气以及喷涂粉末同时送入爆炸喷枪，利用混合气点火爆炸，产生的热能将粉末加热熔化，并喷射到基体表面形成涂层。爆炸喷涂爆炸喷涂线爆喷涂：使金属丝突然通过强大的电流，因电热的能量使金属丝爆炸成微粒，粘附在基体表面形成涂层。热喷涂方法的种类热喷涂方法的种类线材火焰喷涂棒材火焰喷涂粉末火焰喷涂超音速火焰喷涂粉末火焰喷焊大气等离子喷涂真空等离子喷涂保护气氛等离子喷涂水稳等离子喷涂超音速等离子喷涂气体燃烧热源气体放电热源电热热源爆炸热源激光热源电弧喷涂等离子喷涂等离子喷焊电容放电喷焊感应加热喷涂燃气重复爆炸喷涂线材电爆喷涂激光喷涂激光
11、喷焊激光热源激光热源从激光发生器发出的激光光束，经透镜聚焦，焦点落在喷枪出口的喷嘴近旁。要喷涂的粉末或线材向焦点位置输送。进入焦点的粉末或线材的端部被激进入焦点的粉末或线材的端部被激光光束熔融光光束熔融。压缩空气从环状喷嘴喷出，将熔化的材料雾化成细微的颗粒，喷射到基体表面形成涂层。热喷涂技术的优点热喷涂技术的优点 (1) 喷涂材料种类很多喷涂材料种类很多， 金属、合金、陶瓷；塑料、尼龙。 (2) 可以用于各种基体可以用于各种基体 金属、陶瓷、玻璃、石膏、木材、布、纸等几乎所有固体材料都可以 进行喷涂处理。 (3) 喷涂方法多喷涂方法多 因此，选择合适的方法几乎能在任何固体表面上喷涂各种材料，赋
12、予普通材料以特殊的表面性能，使其具有耐磨、耐腐蚀、耐氧化、耐高温、隔热导电、绝缘、密封、减摩、耐辐射、发射电子等不同性能，达到节约贵重材料、提高产品质量和降低生产成本，满足多种工程和尖端技术的需要。 (4) 可使基体保持较低温度可使基体保持较低温度，并可控制基体的受热程度，从而 保证基体不变形、不变性。 (5) 基体尺寸不受限制基体尺寸不受限制，既可进行大型构件的大面积喷涂，也 可进行工件的局部喷涂。 (6) 涂层厚度可以控制涂层厚度可以控制，从几十微米到几微米，可以根据要求 选择。 (7) 工作效率高工作效率高，制取同样厚度的涂层所需时间比电镀低得多。热喷涂技术的优点热喷涂技术的优点热喷涂技
13、术的不足热喷涂技术的不足 涂层的结合强度较低，涂层的孔隙率较高。 对于喷涂面积小的工件，喷涂沉积效率低，成本较高。 喷涂层的均匀性较差，影响涂层质量的因素较多。 难以对涂层质量进行非破坏检查。 热喷焊技术与热喷涂技术有一定的差别。 热喷涂热喷涂是利用热源将喷涂材料加热熔化或软化，依靠热源本身动力或外加的压缩空气流，将熔化的喷涂材料雾化成细粒或推动熔化的粉末粒子，以形成快速运动的粒子流，粒子喷射到基体表面形成表面涂层。 热喷焊热喷焊是在喷涂过程的同时或喷涂层形成后，对金属基体和涂层进行加热，使涂层在基体表面熔融。熔融的涂层和基体之间产生一定的相互扩散过程，形成类似焊接连接的冶金结合。热喷焊3.2
14、 热喷涂1. 概述2. 热喷涂的基础理论 2.1 喷涂层的形成机理 2.2 飞行中的粒子流 2.3 涂层的成分和结构 2.4 涂层的结合机理3. 热喷涂工艺喷涂层的形成机理喷涂喷涂过程过程喷涂喷涂材料材料热源热源喷涂粒喷涂粒子束子束喷涂喷涂层层基体基体加热熔化 喷涂材料的加热熔化阶段喷涂材料的加热熔化阶段在粉末喷涂时，喷涂粉末在热源所产生的高温区被加热到熔化状态或软化状态；在线材喷涂时，线材的端部进入热源所产生的温度场的高温区时很快被加热熔化，熔化的液体金属以熔滴状存在于线材端部。喷涂层的形成机理喷涂喷涂过程过程喷涂喷涂材料材料热源热源喷涂粒喷涂粒子束子束喷涂喷涂层层基体基体加热熔化雾化 喷涂
15、材料的加热熔化阶段喷涂材料的加热熔化阶段在粉末喷涂时，喷涂粉末在热源所产生的高温区被加热到熔化状态或软化状态；在线材喷涂时，线材的端部进入热源所产生的温度场的高温区时很快被加热熔化，熔化的液体金属以熔滴状存在于线材端部。 溶滴的雾化阶段溶滴的雾化阶段在粉末喷涂时，被熔化或软化的粉末在外加压缩气流或者热源本身的射流的推动下向前喷射，不发生粉末的破碎细化和雾化过程；在线材喷涂时，线材端部的熔滴在外加压缩气流或者热源自身射流的作用下，克服表面张力脱离线材端部，并被雾化成细小的熔粒随射流向前喷射。喷涂层的形成机理喷涂喷涂过程过程喷涂喷涂材料材料热源热源喷涂粒喷涂粒子束子束喷涂喷涂层层基体基体加热熔化雾
16、化飞行粒子的飞行阶段粒子的飞行阶段离开热源高温区的熔化态或软化态的细小粒子在气流或射流的推动作用下向前喷射，在达到基体表面之前的阶段均属粒子的飞行阶段。在飞行过程中，粒子的飞行速度随着粒子离喷嘴距离的增大而发生如下的变化：粒子首先被气流或射流加速，飞行速度从小到大，到达一定距离后飞行速度逐渐变小。这些具有一定温度和飞行速度的粒子到达基体表面时即进入喷涂阶段。喷涂层的形成机理喷涂喷涂过程过程喷涂喷涂材料材料热源热源喷涂粒喷涂粒子束子束喷涂喷涂层层基体基体加热熔化雾化飞行喷涂粒子的喷涂阶段粒子的喷涂阶段到达基体表面的粒子具有一定的温度和速度，粒子的尺寸范围为几十微米到几百微米，速度高达每秒几十到几
17、百米。未碰撞前粒子温度为粒子成分所决定的熔点温度。在产生碰撞的瞬间，粒子将其动能转化为热能传给基体。粒子在碰撞在产生碰撞的瞬间，粒子将其动能转化为热能传给基体。粒子在碰撞过程中发生变形，成为扁平状粒子，并在基体表面迅速凝固而形成涂过程中发生变形，成为扁平状粒子，并在基体表面迅速凝固而形成涂层层。粒子的飞行阶段粒子的飞行阶段离开热源高温区的熔化态或软化态的细小粒子在气流或射流的推动作用下向前喷射，在达到基体表面之前的阶段均属粒子的飞行阶段。在飞行过程中，粒子的飞行速度随着粒子离喷嘴距离的增大而发生如下的变化：粒子首先被气流或射流加速，飞行速度从小到大，到达一定距离后飞行速度逐渐变小。这些具有一定
18、温度和飞行速度的粒子到达基体表面时即进入喷涂阶段。涂层的形成过程 在基体或已形成的涂层表面不断地发生着粒子的碰撞粒子的碰撞变形变形冷冷凝收缩的过程，变形的颗粒与基体或涂层之间互相交错而凝收缩的过程，变形的颗粒与基体或涂层之间互相交错而结合在一起结合在一起。 研究发现，粒子在与基体撞击直到冷凝的过程中，冷却速度极高。金属喷涂时为106108C/sec，陶瓷喷涂时为104106C/sec，该过程在10-710-6sec内完成。冲击冲击 碰撞碰撞 变形变形 凝固凝固-收缩收缩飞行中的粒子流喷涂过程中粒子的飞行速度与喷涂方法、喷涂材料的密喷涂过程中粒子的飞行速度与喷涂方法、喷涂材料的密度和形状、粒子的
19、尺寸、粒子的飞行距离等因素有关。度和形状、粒子的尺寸、粒子的飞行距离等因素有关。黄铜、钼及锌的线材气体火焰喷涂时，在粒子的飞行距离为100mm处，三种粒子的平均飞行速度分别为120，65，140m/sec。 棒材喷涂时粒子的飞行速度远高于粉末喷涂时粒子的飞行速度，并以更高的速度碰撞基体表面。 喷涂时雾化所得的粒子尺寸越小，高速气流越易加速，飞行速度越大。位于气流中心的粒子飞行速度高于气流外缘的粒子。 爆炸喷涂时粒子的飞行速度更大，可高达1000m/sec。粒子的飞行速度粒子的飞行速度飞行速度的大小影响粒子与基体表面碰撞时转换能量的大飞行速度的大小影响粒子与基体表面碰撞时转换能量的大小、粒子的变
20、形程度以及结合强度。小、粒子的变形程度以及结合强度。0 100 200 300 400 500 600180150120 90 60 30 0氧化铝棒材氧化铝粉末离喷涂末端距离(mm)飞行速度(m/sec)0 100 200 300220180140100 60 20铝线材钢线材离喷涂末端距离(mm)粒子飞行速度随距离的变化粒子飞行速度随距离的变化飞行中的粒子流粒子的温度粒子的温度线状喷涂材料线状喷涂材料被加热到熔化或熔融状态，若不考虑粒子与基体碰撞时动能转换为热能所引起的粒子自身温度的升高，那么粒子到达基体时的温那么粒子到达基体时的温度为其熔点。度为其熔点。粉末喷涂材料粉末喷涂材料粉末被热源
21、加热到熔融状态，这个加热依靠粉末表面向内部的热传导来进行，所以粉末的热物理性能和粉末粒度所决定的粉末尺寸影响着加热和飞行中粒子内部的温度高低。为了获得高结合强度和高质量的涂层，粉末内部离表面90%的深度处应处于熔融状态。 在球状粉末等离子喷涂时，假定粉末粒子离开喷嘴进入等离子弧的瞬间，其表面温度已达到了熔点，并在温度远高于粒子熔点的等离子弧加热，粒子内部温度的高低由粒子尺寸决定。 根据下面的公式可以估算，粉末粒子内部离表面粉末粒子内部离表面90%的深度的深度处，达到熔融状态所允许的粉末颗粒的最大直径处，达到熔融状态所允许的粉末颗粒的最大直径：21max3 .02tDDT式中：Dmax为粉末颗粒
22、的最大直径(cm)， DT为粉末材料的热扩散系数(cm2/sec)， t 为加热时间(sec)由温度要求确定粉末的最大直径由温度要求确定粉末的最大直径所以，粉末的热特性影响着喷涂时粉末允许的最大直径所以，粉末的热特性影响着喷涂时粉末允许的最大直径喷 涂 材 料ZrO2UO2TiCTaCZrC热 扩 散 系 数(cm2/sec)0.0050.0250.040.090.05 Dmax ( m)26587211082喷 涂 难 易*54313TiNB4C4340钢304钢W0.070.060.080.050.6396901048228022131 * 1为易于喷涂, 5为难于喷涂等离子喷涂时几种材料
23、粉末的加热特性等离子喷涂时几种材料粉末的加热特性(粉末颗粒在等离子弧中飞行时间为0.1ms)Dmax 越小，表明该材料喷涂越困难。越小，表明该材料喷涂越困难。喷涂时，相同材质的粉末粒度越小，获得的涂层越致密，喷涂时，相同材质的粉末粒度越小，获得的涂层越致密，结合强度越高；粒度增大则使涂层质量下降。结合强度越高；粒度增大则使涂层质量下降。在一定的喷涂条件下，喷涂粒子的尺寸存在着最小的临界尺最小的临界尺寸寸。小于这个尺寸，吹到工件上的气流就会把喷涂粒子卷走，使之无法到达工件表面。喷涂粒子的最小尺寸喷涂粒子的最小尺寸粒子质量越小，则其轨迹偏离初始流速直线方向就越多。小颗粒被气流卷走小颗粒被气流卷走v
24、klD18max式中： 为等离子体的粘度系数 为喷涂材料的密度 v 为粒子的飞行速度 l 为送粉喷嘴到焰柱面的距离 k 为系数等离子喷涂时，可以达到工件表面粒子的最小临界直径的估算公式如下：热损失热损失 熔融状态或液态粒子在飞行过程中会因辐射、对流及蒸发过程辐射、对流及蒸发过程而降温。例如2500K的熔滴飞行10-2sec后温度下降至2144K，其中蒸发热降温占3.5%，热辐射损失最大。熔滴体积越大，温度下降速度越小，涂层与基体的结合越好。影响粒子温度的因素反应热反应热 在复合材料粉末喷涂时，粒子的温度加热有所不同。复合粉末是在金属或非金属心材表面上覆盖复合粉末是在金属或非金属心材表面上覆盖2
25、 3 m的其的其他金属或非金属层他金属或非金属层，如常用的镍包铝粉末。 在喷涂过程中镍和铝发生反应，生成镍铝化合物和氧化铝，并产生较多的反应热，使粉末的粒子温度上升。 同时粉末粒子还受热源作用加热，从而使粒子达到更高温度，使涂层的结合强度明显提高。 所以复合粉末常用于打底涂层的喷涂。所以复合粉末常用于打底涂层的喷涂。 喷涂材料的粒子表面在飞行过程中发生的反应将影喷涂材料的粒子表面在飞行过程中发生的反应将影响涂层的质量。响涂层的质量。 在火焰喷涂时，除了燃烧所用气体外，会有进入火焰气氛的空气； 以氩气或氮气保护的等离子喷涂时，也总有少量空气卷入保护气氛中； 在电弧喷涂时，本身利用压缩空气输送喷涂
26、材料。 所以粒子在飞行中会不同程度地与氧、氮发生反应，所以粒子在飞行中会不同程度地与氧、氮发生反应，所生成的氧化物和氮化物不可避免地形成了夹杂，降所生成的氧化物和氮化物不可避免地形成了夹杂，降低了涂层质量。低了涂层质量。 但是也可通过调整粒子飞行时的气氛而控制粒子飞行中的表面反应，以获得某些难得的涂层，这方面的研究近几年进行得较多。飞行中的粒子流粒子与空气的反应粒子与空气的反应 涂层中元素的质量分数 100 喷涂材料中元素的 质量分数 100火焰喷涂电弧喷涂0.910.880.390.690.650.610.300.300.130.070.050.040.600.550.450.520.460
27、.360.500.480.360.410.350.300.27*0.270.220.230.210.14 Si0.230.200.14 Cr1.181.12 * Cr = 1.18%的钢丝 cMn涂层的成分与结构涂层的成分涂层的成分 表中列出了线材火焰喷涂和电弧喷涂前后几个元素质量分数的变化数值， 可以看出，涂层的成分和喷涂材料的成分有所差异。由于电弧喷涂时弧柱区温度高，使粒子表面在飞行中发生强使粒子表面在飞行中发生强烈的氧化烧损，所以涂层中碳含量烈的氧化烧损，所以涂层中碳含量 c下降很明显，其它元下降很明显，其它元素的质量分数也有所降低。素的质量分数也有所降低。 在氩气和氮气保护下的等离子喷
28、涂时，由于保护效果好，空气不易进入电弧区，所以涂层的成分变化小。涂层的成分涂层的成分涂层的成分与结构涂层的结构涂层的结构涂层是由无数变形的粒子互相交错而呈波浪式堆迭在涂层是由无数变形的粒子互相交错而呈波浪式堆迭在一起的层状组织结构，或者说涂层是由熔融粒子撞击一起的层状组织结构，或者说涂层是由熔融粒子撞击后的扁平状的变形粒子组成。后的扁平状的变形粒子组成。123 451. 粒子间互 相熔融区2. 氧化膜3. 不完全熔融 粒子4. 气孔5. 基材涂层断面构造示意涂层断面构造示意夹杂夹杂:由于喷涂时飞行中的高温粒子与喷涂工作气体或进入喷涂气氛的空 气发生反应，使熔融粒子的表面不可避免地存在着氧化物夹
29、杂。熔合区：熔合区：在部分粒子之间会形成小区域的熔合区，即粒子间的界面消失而形成类似焊合的冶金结合，在粒子间的相互熔合区域不存在氧化膜。不完全熔融粒子：在涂层中可能存在因碰撞时未到达完全熔融状态而没有发生变形的圆形粒子。气孔气孔：在变形粒子之间还可能存在着孔洞。由于喷涂工艺不当还可能引起其它缺陷。由于喷涂工艺不当还可能引起其它缺陷。涂层结构中的缺陷涂层结构中的缺陷气孔形成的几种类型气孔形成的几种类型(a)(b)(c)(a) 在喷涂过程中，一些熔融粒子在同方向上平行地到达基体表面时因阴影效果而形成气孔。(b) 扁平状粒子之间不完全堆积会形成气孔。(c) 在基材待喷涂表面的凹陷处若含有空气或其它气
30、体时也会形成气孔。由上述可知，喷涂层是由变形颗粒、氧化物夹杂、未变形颗粒及气孔组成。涂层的结构特点取决于喷涂热源、材料及工艺等因素。选用高温热源选用高温热源(如激光热源、等离子弧如激光热源、等离子弧)、超音速喷涂、以及、超音速喷涂、以及保护气氛或低压下喷涂，都可以减少涂层中的氧化物夹杂和保护气氛或低压下喷涂，都可以减少涂层中的氧化物夹杂和气孔，改善涂层的结构和性能。气孔，改善涂层的结构和性能。喷涂层的结构还可以通过重熔处理来改善喷涂层的结构还可以通过重熔处理来改善，涂层中的氧化物夹杂和孔隙会在重熔中消除，涂层的层状结构会变成均质结构，与基体的结合强度也会提高。改善涂层结构的方法涂层的结合机理机
31、械结合机械结合 被热源升温到熔融状态且被气流加速的快速飞行的喷涂材料粒子与经过粗化处理的基体表面碰撞时，发生变形，成为扁平状，并随基体表面的凸凹不平而起伏，这些覆盖并紧贴基体表面的液这些覆盖并紧贴基体表面的液态薄片，在冷却凝固时收缩咬住凸出点而形成机械结合。态薄片，在冷却凝固时收缩咬住凸出点而形成机械结合。 机械结合与基体表面的粗糙度有关。采用喷砂、粗车、车螺纹或化学腐蚀等方法来粗化基体表面，以提高涂层与基体的机械结合，可以达到提高涂层与基体的结合强度的目的。 另外，基体表面粗化使粉末凝固时的收缩应变分布在局部区域，减少了内应力，也有利于提高涂层与基体的结合强度。扩散结合扩散结合 高速运动的高
32、温状态的喷涂粒子与基体表面碰撞而形成紧密接触时，在变形和高温的同时作用下，基体表面的原子得到足够的能量，涂层材料与涂层材料与基体表面间会发生原子的相互扩散。基体表面间会发生原子的相互扩散。扩散的结果增加了涂层与基体的结合强度，也会在结合面上形成一层固溶体或金属间化合物层。涂层与基体的结合涂层与基体的结合物理结合物理结合当高速运动的高温状态的喷涂粒子与基体表面碰撞后，若二者之间紧接触的程度，使界面两侧原子之间达到原子晶格常数范围时，在涂层与基体间形成范德华力在涂层与基体间形成范德华力(物理结合物理结合)而提高结合强而提高结合强度。度。 基体表面的清洁程度和喷涂粒子的氧化情况都会影响界面两侧原子间
33、距离，从而影响物理结合。喷砂能使基体呈现异常清洁的高活性的新鲜金属表面，喷砂后立即喷涂可以增强物理结喷砂后立即喷涂可以增强物理结合程度。合程度。冶金结合冶金结合 在使用放热型喷涂材料或采用高温热源喷涂时，基体表面某些区域的温度达到基体的熔点，熔融态的喷涂材料的粒子会与熔化态的基体之间熔融态的喷涂材料的粒子会与熔化态的基体之间发生发生“焊合焊合”现象，形成微区冶金结合现象，形成微区冶金结合，从而提高涂层与基体的结合强度。一般认为在涂层与基体之间机械结合起主要作用，同时，其它几种结合机理也在不同程度地起作用，其程度受粉末的成分、表面状态、温度、热物理性能等因素的影响。 涂层与基体涂层与基体的结合的
34、结合涂层的结合机理涂层间的结合涂层间的结合 喷涂层内喷涂粒子间的结合以机械结合为主，而扩喷涂层内喷涂粒子间的结合以机械结合为主，而扩散结合、物理结合、冶金结合等也起一定作用。散结合、物理结合、冶金结合等也起一定作用。 喷涂粒子在飞行过程中会发生表面反应，所生成的氧化物、氮化物的热膨胀系数会影响涂层间的结合强度。这些生成物的热膨胀系数一般小于金属。二者相差越大，涂层间结合强度越低。获得良好结合性能的方法获得良好结合性能的方法由上面的分析得出： 喷涂粒子尺寸合适，到达基体表面时应保持液态，以保证 粒子与基体的良好接触。 喷涂粒子的飞行速度足够大，以使碰撞时产生足够大的 动能。 基体表面洁净并具有一
35、定的粗化度，以提高物理结合、扩 散结合和机械结合强度。 尽量提高碰撞时的接触温度和高温停留时间，以提高扩散 结合强度和冶金结合强度。 防止扁平粒子与基体表面产生残余变形，以防止涂层开裂。3.2 热喷涂1. 概述2. 热喷涂的基础理论3. 热喷涂工艺 3.1 喷涂方法 3.2 喷涂材料 3.3 热喷涂工艺 3.4 涂层设计 3.5 热喷涂的一些应用事例喷涂方法火焰喷涂火焰喷涂空气压缩机乙 炔发生器水封防回火器氧气瓶控制台喷枪金属丝架干燥净化器贮罐油 水分离器气气喷喷涂涂工工艺艺流流程程简简图图火焰喷涂工艺流程火焰喷涂工艺流程 火焰喷涂是利用气体燃烧火焰的高温将喷涂材料熔化，并火焰喷涂是利用气体燃
36、烧火焰的高温将喷涂材料熔化，并用压缩空气流将它喷射到工件表面上形成覆层。用压缩空气流将它喷射到工件表面上形成覆层。 喷涂材料可以用金属丝，也可以用粉末。 粉末气体火焰喷涂粉末气体火焰喷涂可以获得结合力较高的涂层，可喷涂的材料也较广，而且设备简单便宜，操作方便，容易推广。 气体燃烧火焰采用氧气作助燃剂，可燃气体最常用的是乙气体燃烧火焰采用氧气作助燃剂，可燃气体最常用的是乙炔气，炔气，也可以用氢气、城市煤气、工业煤气、丙烷和丁烷。火焰粉末喷枪火焰粉末喷枪主要由两大部分组成：火焰燃烧系统和粉末供给系统。 对火焰燃烧系统的要求是保证火焰燃烧稳定、工作效率大、可调节，且不易回火。 对粉末供给系统的要求是
37、抽吸粉末能力强、吸粉量大、送粉装置开关灵活可靠、送粉量能均匀调节。 对于手持式喷枪，还要求重量轻，使用操作方便。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15中、小型喷枪典型结构中、小型喷枪典型结构中小型喷枪的结构基本上是在气焊枪上加一套供粉装置。中小型喷枪的结构基本上是在气焊枪上加一套供粉装置。当送粉阀8不开启时，其作用与普通的气焊枪相同。可作喷粉前的预热。当火焰将工件预热到一定程度，随即按下送粉阀，粉末就在氧气的抽吸作用下进入枪体，并随混合气一起由喷嘴喷出。粉末喷出后被氧乙炔火焰加热到塑性状态，同时被加速，以高速冲向工件表面而形成喷涂层。1. 喷嘴3. 混合气管5
38、. 粉阀体 6. 粉斗8. 粉阀开关10. 乙炔开关11. 氧气开关14. 乙炔接头15. 氧气接头火焰粉末喷枪火焰粉末喷枪粉末火焰喷枪粉末火焰喷枪线材火焰喷枪线材火焰喷枪1110915 14 13 12123456 78大型喷枪内另外设置了送粉气路，由氧气送粉，仍从喷嘴喷出。为了操作方便，这类枪多做成手枪型。1. 粉斗4. 喷嘴6. 乙炔阀9. 乙炔进口10. 氧气进口11. 附加送粉 气 体进口12. 氧气阀一种大型喷枪的外形一种大型喷枪的外形喷涂方法喷枪金属丝控制台干 燥净化器贮罐 油 水分离器空压机电源空气直 流电焊机图图12-33 电喷工艺流程简图电喷工艺流程简图电弧喷涂电弧喷涂电弧
39、喷涂工艺流程电弧喷涂工艺流程喷枪中的两根金属丝分别接电源两极，彼此绝缘，另一端能接触，以产生电弧而熔化。喷涂材料为金属丝，用电弧发出的热量将金属丝熔化。喷涂材料为金属丝，用电弧发出的热量将金属丝熔化。电弧电源可用直流，也可用交流，以直流效果较佳。金属丝熔点高时，需要较高的电压。压缩空气是输送金属丝的动力，又是将熔化金属雾化并压缩空气是输送金属丝的动力，又是将熔化金属雾化并喷射到工件上的动力。喷射到工件上的动力。压力通常为0.490.686MPa。压缩空气经过干燥净化送入喷枪内，与金属丝等速向前推进至喷枪。电弧喷涂电弧喷涂优点优点：构造简单，操作灵活，喷涂材料的利用率高，材料价格低，气源 单一，
40、总的处理成本低。缺点缺点：喷涂材料局限于能制成丝的金属和合金材料。另外，金属丝导孔 易磨损，金属丝往往由于接触不良而打火，甚至焊住；金属丝导 内锈皮等脏物易卡住而不能顺利送丝。当电源系统通电后，两金属丝不断产生电弧而熔化。压缩空当电源系统通电后，两金属丝不断产生电弧而熔化。压缩空气将熔化金属雾化并喷射到工件上，便得到涂层。气将熔化金属雾化并喷射到工件上，便得到涂层。电弧喷枪电弧喷枪电弧喷涂设备电弧喷涂设备喷涂方法利用等离子弧作热源，熔化粉末喷涂材料，喷射到工件表面上而获得一层具有特殊性能的表面涂层。等离子喷等离子喷 涂涂等离子喷涂技术主要优点是：温度高，当使用惰性气体时，能防止在喷涂中材料的氧
41、化；等离子喷涂速度比普通的火焰喷涂高，因此被喷涂的粉末质点能获得较高的速度。等离子喷射火焰温度越高，越均匀，喷射速度越快，则喷涂的粉末与基体的粘附力越强，结合力越好。由于等离子弧可以达到理想的高温，能瞬间熔化任何材料的粉末，因此可喷涂的材料不受熔点限制，可以喷涂各种金属及其合金、金属陶瓷、陶瓷、自熔性材料以及复合材料等。123 4 567891. 进口 2. 冷却水出口 3. 氩气进口 4. 冷却水入口5. 送粉 6. 铜阳极 7. 钨阴极 8. 绝缘体 9. 电极调节等离子喷枪等离子喷枪进行等离子喷涂时，一般采用两种方法来防止材料的氧化。 在净化过的真空惰性气在净化过的真空惰性气 氛室里进行
42、喷涂。氛室里进行喷涂。 使用如右图所示的特别使用如右图所示的特别设计的保护性喷嘴，以设计的保护性喷嘴，以挡住周围空气，保护等挡住周围空气，保护等离子喷射的火焰。离子喷射的火焰。在实际应用中以后者为好。1. 冷却水 2. 氩气入口3. 保护盖 4. 试样5. 保护性喷嘴 6. 供粉7. 喷枪保护性喷嘴和保护盖保护性喷嘴和保护盖2345671等离子喷涂设备等离子喷涂设备自动化等离子喷涂系统自动化等离子喷涂系统喷涂方法爆炸喷涂爆炸喷涂WC粉 + N2(b) 从另一入口以氮气为载体将喷涂粉末(如44m的碳化钨粉末)送入(a) 将经过严格定量的氧气和乙炔气送入水冷式喷枪(喷枪内径25.4mm，枪口对准工
43、件)O2243C2H2(c) 当粉末在燃烧室浮游时，火花塞点火，使氧乙炔混合气发生爆炸(d)产生的热和压力波将粉末加热并以极高的速度喷射到工件表面上。N2爆炸喷涂的优点爆炸喷涂的优点 爆炸气体喷出的速度接近3000m/sec，从而使粉末的速度达700m/sec 以上。例如在距喷枪口75cm处可达820m/sec，比其它喷涂方法的微比其它喷涂方法的微粒速度大得多。粒速度大得多。产生的冲击热可使粉末的温度升到4000C。在爆炸后瞬间，输入氮气使燃烧气体排出枪身。全部过程在极短的时间内完成。 由于微粒喷射速度极高，而随着喷射速度增高，涂层气孔率下降，结合力增强，故爆炸喷涂的涂层虽是机械性结合，但其结
44、合力比其它喷涂结合力比其它喷涂层都高，而气孔率都要低。层都高，而气孔率都要低。 爆炸喷涂时工件的温度处在爆炸喷涂时工件的温度处在200 C以下，因此几乎不发生热以下，因此几乎不发生热变形和内部组织结构的变化。变形和内部组织结构的变化。不足：不足：躁声很大(140dB)，因此要在隔音室内工作，通过观察窗口监视操作，使设备造价很高。爆炸喷涂设备爆炸喷涂设备 方法 项目 火焰喷涂(氧乙炔焰)喷涂材料 金属丝及 各种粉末(熔点2700C) 金属丝 合金丝各种粉末各种粉末(无熔点限制)工件材质金属和陶瓷金属和陶瓷金属和陶瓷金属和陶瓷微粒温度(C)800 2500 30004000微粒速度(m/sec)5
45、0 270100 220140 750800工件温度(C)260 320 120 200 200涂层结合 机械的 机械的 机械的机械的(强化)喷涂件直径(mm)1.5 0.655 1500涂层厚度(mm)0.13 5.0 0.0750.05 2. 5 0.0250.025 0.03 0.025表面粗糙度(m)150 30075 125125喷涂热效率(%)135712等离子喷涂电喷涂 爆炸喷涂几种喷涂方法的比较几种喷涂方法的比较喷涂材料线线 材材 喷涂线材主要是各种金属丝及其合金丝，以及复合线喷涂线材主要是各种金属丝及其合金丝，以及复合线材和陶瓷棒材。材和陶瓷棒材。 金属丝要绕成圈状，丝表面必
46、须光洁、无锈、无油和无折痕。 钢丝中的杂质S 0.03%，P 0.03%。硬度要适中，有色金属丝要选用较高硬度的。 金属丝的种类、成分和直径应根据喷涂设备和涂层性金属丝的种类、成分和直径应根据喷涂设备和涂层性能的要求并兼顾成本进行选择。能的要求并兼顾成本进行选择。通常凡满足上述要求的金属丝都可以采用，也可以采用焊丝。 复合型喷涂丝适用于氧乙炔火焰喷涂，其特点是涂层内氧化物夹杂少，成分均匀，与基体结合力强，容易储存，喷涂操作简便，对环境污染少。 用粉末材料获得的涂层性能优于金属丝，而且材料和性能可以在很大范围内选择，适应性很强。但喷涂粉末的要求较高，生产工艺复杂，价格贵。合金粉合金粉(1) 结合
47、粉结合粉 结合粉喷在基体材料和工作层之间，可使两者的结结合粉喷在基体材料和工作层之间，可使两者的结合强度提高。合强度提高。它是工作层的底层，故又称为打底粉。 结合粉目前多为镍铝复合粉结合粉目前多为镍铝复合粉，其特点是每个粉末颗粒中的镍铝都是单独存在的。平时镍和铝不发生反应，喷涂时，当粉末通过火焰受热温度高于600C后，镍和铝之间就会发生强烈的放热化学反应。同时，部分铝还会发生氧化，产生更多的热量。 这两种放热反应在粉末撞击到工件表面后还能进行一这两种放热反应在粉末撞击到工件表面后还能进行一段时间，可使粉末与工件接触处瞬时温度达到段时间，可使粉末与工件接触处瞬时温度达到900 C以以上。在这种高
48、温下，镍就可以扩散到基体材料中去，上。在这种高温下，镍就可以扩散到基体材料中去，从而形成原子扩散结合。从而形成原子扩散结合。由于制造方法不同，镍铝复合粉可以分为镍包铝和铝包镍两大类。镍包铝粉是较早研制的产品，用镍铬合金代替纯镍作粉末芯核，制成铝包镍铬合金的复合粉末，可使涂层具有更好的耐高温性能和抗氧化性能。喷涂材料(2) 工作粉工作粉 组成工作层的粉末应有承担服役条件的能力，同时还组成工作层的粉末应有承担服役条件的能力，同时还要能与结合层可靠地结合。要能与结合层可靠地结合。作为火焰喷涂常用的工作粉有合金粉、金属包覆粉。常用的国产工作粉可分为镍基、钴基、铁基、铜基四大类。 钴基合金粉末 钴为基体
49、，添加铬、钨、碳等合金元素形成的钴基合金具有耐腐蚀、耐磨损、抗氧化等特点。 镍基合金粉末 镍为基体，加入铬、碳、硼、硅等合金元素形成的合金。 铁基合金粉末 以铁为基体，添加硼、碳、硅、铬、镍等合金元素形成的合金。铁基合金较为便宜，适用于室温下或温度低于400C而且腐蚀轻微的工作条件，还能满足耐磨性要求。 铜基合金粉末 以铜为基体，加入锡、磷等合金元素形成的合金。这类合金粉末主要用于易加工、摩擦系数小的工件。合金粉合金粉喷涂材料热喷涂工艺预处理预处理热喷涂热喷涂后处理后处理清清 洗洗粗糙化粗糙化对不喷涂部位的保护对不喷涂部位的保护表面精加工表面精加工改善涂层质量改善涂层质量热喷涂工艺喷涂前的预处
50、理喷涂前的预处理 (2) 表面粗糙化处理表面粗糙化处理 表面粗糙化处理是热喷涂工艺的一个极为重要的环节。 表面粗糙化处理的方法有：车削、磨削、喷砂、点焊、化学处理、喷打底层等方法。化学处理很少有实用价值，其它处理方法要根据零件情况和对涂层的要求进行选用。 车削车削 当工件为旋转体(如轴类)时，以采用车削加工最为方便。既可粗化表面，对修复零件而言又可去掉零件表面疲劳和磨损层，同时还可以增加涂层厚度。常用车光面或车螺纹两种方法，它们都能增加基材表面与涂层的结合面积。特别是车螺纹，结合面积要比车光面时大40%左右，可增大机械咬合力，对增加结合强度十分有利。 经硬化处理而无法车削的工件，或者不能车削的
