1、第五章第五章 堆焊及热喷涂技术堆焊及热喷涂技术 5.1 堆焊技术5.2 热喷涂技术一一 概述概述 堆焊：是借用焊接的手段对金属材料表面进行厚膜改质。对本来是用一般材料制成的零件，通过堆焊一层高合金，可使其性能得到明显的改善或提高。堆焊也是修复的方法 5.1 堆焊技术堆焊技术 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。金属表面堆焊的特点 1.堆焊的目的是用于表面改质，因此，堆焊材料与基体往往差别很大，因而具有异种
2、金属焊接的特点。2.与整个机件相比，堆焊层仍是很薄的一层，因此，其本身对整体强度的贡献，不像通常焊缝那样严格，只要能承受表面耐磨等要求即可。堆焊层与基体的结合力，也无很高要求，一般冶金结合即可满足，但是必须保证工艺过程中对基体的强度不损害，或者损害可控制在允许限度之内。3.要保证堆焊层自身的高性能，要求尽可能低的稀释率。4.堆焊用于强化某些表面，因而希望焊层尽可能平整均匀。这要求堆焊材料与基体应有尽可能好的润湿性和尽可能好的流平性。堆焊方法较其它表面处理方法的优点（1）堆焊层与基体金属的结合为冶金结合，结合强度高，抗冲击性能好。（2）堆焊层金属的成分和性能调节方便，一般常用的手工电弧焊堆焊条或
3、药芯焊丝调节配方很方便，可以设计出各种合金体系，以适应不同的工况条件。（3）堆焊层厚度较大，一般堆焊层厚度可在23内调节，更适合于严重磨损的工况条件。（4）堆焊方法具有高的性能价格比，当工件的基体采用普通材料制造，表面采用高合金堆焊层时，不仅降低了制造成本，而且还节约许多贵重金属。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二、二、异种金属熔焊（堆焊）理论异种金属熔焊（堆焊）理论 一、熔合区的形成与结构 1.熔合区 所谓熔合区一般包括熔合线和具有结晶层与扩散层的过渡区段。焊缝完全冷却以后，熔合区一部
4、分由基体金属组成，另一部分由焊缝金属组成。2熔合区的结构特点 两种金属尽管合金化特性彼此差别很大，但只要它们的晶格相同，基体金属与焊缝金属的熔合区就有相容性。对于组织类型不同的钢，熔合区的形成过程就比较复杂。根据结晶方向和尺寸相适应的规律，被焊金属晶格的周期彼此相差不超过9才会产生共同的结晶。这时在熔合区内就出现从一种晶格过渡到另一种晶格的单原子层，此过渡层总是受到一定的应力。一般说来,用手工电弧焊时，过渡层的平均厚度约为0.40.6,而用埋弧时,约为0.250.5。扩散过渡层 在堆焊过程中,固态基体金属和液态金属互相作用必定会引起熔合区内某种程度的异扩散。异扩散速度的大小取决于温度、接触时间
5、、浓度梯度和原子的迁移率。异扩散形成的扩散过渡层往往会损害焊层的性能。当基体金属与堆焊金属的成分相差很大时，在焊缝金属熔合线附近，会形成一个成分变化不定的区域，即扩散过渡层。熔合区内形成扩散过渡层,在钢中这种扩散运动能力最强的是碳。三三 堆焊合金的类型及性能堆焊合金的类型及性能 堆焊合金的类型 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，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
6、：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。5.高铬钢：性能特点是Cr13系，含碳0.10.4，Cr12系，含碳0.91.5，含Cr大于12。组织为马氏体铁素体。有良好的耐磨及耐腐蚀性，用于有腐蚀介质的磨料磨损或金属间磨损。6.奥氏体高锰钢和铬锰钢：性能特点是Mn含量大于12，铬锰钢有较好的耐腐蚀性，Mn13可以冲击相变。用于严重冲击条件下的零件，如矿石铲斗、碎石机等。7.奥
7、氏体镍铬钢：性能特点是在Cr18Ni8基础上，加入S、Mo、V、Mn、W等元素，提高耐腐蚀及耐热性能。用于阀门、阀座、石油化工工业中的反应器、容器等防腐或耐热堆焊。8.高速钢：性能特点是含碳量0.71.0左右，Cr 3.84.5；W1719、V1.01.5为主要合金元素，用于刀具修复堆焊。9.马氏体合金铸铁：性能特点是含碳量2%4%,以白口铸铁为基,加入W、Cr、Mo、Mn、Ni等元素。合金总量15%20%。用于低应力磨料磨损的场合。10高铬合金铸铁：性能特点是含碳1.5%4.5%,铬22%32%,加入Si、Mn、Ni、Mo、B等合金。用于抗低应力和高硬度磨料磨料腐损场合。11.碳化钨合金：性
8、能特点是含WC45%以上,粒状WC在堆焊中应避免熔化,达到最佳抗磨损性能.基体可以是铁基,镍基或钴基。12.钴基合金：性能特点是含钴30%70%，Cr2533，W3%25%，钴基合金具有最佳综合性能。主要用于重要的耐高温、冲击、热疲劳、搞磨损的工件。13.镍基合金：性能特点是Ni-Cr-B-Si堆焊合金堆焊时,湿润性好,流动性好,堆焊金属硬度HRC5060。用于抗磨损堆焊；Ni-Cr-Mo-W具有抗强硫腐蚀能力，用于防腐堆焊14.铝基合金铝青铜、锡青铜、硅青铜、黄铜、白铜、紫铜等 堆焊材料的选择 工作条件堆焊用合金高应力金属间磨损亚共晶钴基合金、含金属间化合物钴基合金低应力金属间磨损堆焊用低合
9、金钢金属间磨损腐蚀或氧化大多数钴基或镍基合金低应力磨料磨损、冲击浸蚀、磨料浸蚀高合金铸铁低应力严重磨料磨损、切割刃碳化物气蚀浸蚀钴基合金严重冲击高合金锰钢严重冲击腐蚀氧化亚共晶基合金高温下金属间磨损亚共晶、含金属间化合物钴基合金凿削式磨料磨损奥氏体锰钢热稳定性、高温蠕变强度（540）钴基合金、碳化物型镍基合金四四 堆焊方法堆焊方法 一、手工电弧堆焊 （1）为降低稀释率应采用小电流、短弧长、慢速度的方法，焊接电流应比普通焊条小1015。（2）为防止堆焊层开裂，对于一些用于与泥沙、粉尘、矿石直接磨损的工件，堆焊金属一般选用高铬合金铸铁堆焊条，如基体为低碳、低合金钢，韧性较好，可以允许堆焊层存在密集
10、的小裂纹时，应采取相应的工艺措施。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 (3)当堆焊金属或母材硬度很高时，可先基体上堆焊一层高塑性材料作为堆焊过渡层，如不锈钢或镍基合金，然后在过渡层上堆焊，这种方法对防止裂纹很有效。(4)为防止工件变形，对批量较大的工件，应采用专用工卡具，以防止变形。也可以采用预制反变形法。对于工况条件为低应力磨料磨损的工件，在基体表面堆焊成网格状焊道，就可以获得很高的抗磨损性能，这样即可以降低成本，又可以防止变形过大
11、。氧-乙炔堆焊 (1)焊前清除工件表面上的油、锈。(2)将工件放平防止铁水流出。(3)用碳化焰将工件表面加热至半熔化温度，即呈现出汗状态，此时添入堆焊材料进行堆焊。注意堆焊时不要使母材完全熔化形成熔池。(4)堆焊时，焊丝和熔化区应处于还原焰的保护中，不得将火焰急速移开，以防止堆焊金属氧化。(5)单层堆焊一般在23厚，厚度不够时可用多层堆焊，必要时可用火焰重熔堆焊层，以消除堆焊缺陷。氧乙炔火焰温度较低（30503100），火焰加热面积大，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
12、耐磨性。几种堆焊方法特点比较 堆焊方法堆焊方法稀释率（稀释率（）熔数速度（熔数速度（kg/h）最小堆焊厚度最小堆焊厚度（）熔数效率熔数效率（）氧氧-乙炔焰堆乙炔焰堆焊焊手工送丝手工送丝自动送丝自动送丝粉末堆焊粉末堆焊1101101100.51.80.56.80.51.80.80.80.81001008595手工电弧堆焊手工电弧堆焊10200.55.43.265钨极氩弧堆焊钨极氩弧堆焊10200.54.53.298100熔化极气体保护电弧堆熔化极气体保护电弧堆焊焊自保护电弧堆焊自保护电弧堆焊104015400.95.42.311.33.23.290958085埋弧堆焊埋弧堆焊单丝单丝多丝多丝串联
13、电弧串联电弧单带极单带极多带极多带极30601525102510208154.511.311.327.211.315.9123622683.24.84.83.04.09595959595等离子弧堆等离子弧堆焊焊自动送粉自动送粉手工送丝手工送丝自动送丝自动送丝双热丝双热丝5155155155150.55.80.53.60.53.613270.82.42.42.48595981009810098100电渣堆焊电渣堆焊1014157515951005.2 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
14、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、
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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，
22、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
23、，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
24、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5.2 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
25、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
26、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
27、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
28、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。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10-71
29、0-6sec内完成。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。
30、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
31、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
32、，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W
33、0.070.060.080.050.6396901048228022131 *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
34、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：vklD18max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
35、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 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
36、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
37、.650.610.300.300.130.070.050.040.600.550.450.520.460.360.500.480.360.410.350.300.27*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
38、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
39、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
40、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
41、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
42、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
43、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
44、、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
45、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。5.2 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线材火焰喷涂法原理图
46、线材火焰喷涂法原理图 粉末火焰喷涂法原理图粉末火焰喷涂法原理图 爆炸喷涂法原理图爆炸喷涂法原理图超音速喷涂原理图超音速喷涂原理图等离子喷涂原理图等离子喷涂原理图激光喷涂激光喷涂原理图原理图 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
47、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
48、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.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
49、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
50、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，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
