1、 二、热喷涂技术的定义二、热喷涂技术的定义GB/T187192002热喷涂 术语、分类中定义：热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。三、热喷涂技术的形成与发展三、热喷涂技术的形成与发展19081908年由瑞士的肖普（schoop）博士发明（首创）并用雾化装置进行喷涂试验19131913年制作出世界首台丝材喷枪，并在其后逐渐完善和得到应用 19201920年年日本人去瑞士考察后发明了以交流电为热源的电弧热喷涂装置，但因交流电不稳定，效率低，涂层质量差等原因，这种交流电弧热喷涂技术及装置未能得到实际的推广和应用 193819
2、38年年，美国研制成功了电弧丝材喷枪，其后又研制出粉末氧乙炔火焰喷枪 19531953年年，当时的西德研制出自熔性合金粉，这是喷涂材料发展的一次重大突破，是粉末喷涂材料从单一金属向合金材料发展，从低熔点材料向高熔点材料发展，从低耐磨性向高耐磨性发展的里程碑。上世纪上世纪5050年代后期年代后期，美国又相继研制出爆炸喷涂和等离子喷涂，满足了当时航空、导弹等尖端技术对涂层性能的需要上世纪上世纪60607070年代年代，是喷涂材料发展十分活跃的时期，美国、加拿大、瑞士、西德、比利时等国分别研制生产出系列的复合粉、多种自熔合金粉、陶瓷粉、金属陶瓷粉和自粘结复合粉等，这其中包括以Ni-AL为基础的放热型
3、复合粉，这些材料的出现以及材料生产技术的不断完善，使得喷涂材料更加齐备和商品化，满足了当时，直到今天人们在这方面的需求。四、我国的热喷涂技术及工程应用四、我国的热喷涂技术及工程应用上世纪上世纪5050年代初年代初就开始了丝的电弧热喷涂（江浙一带的高压输电钢结构塔上喷涂Zn涂层防腐，至今仍在起着防腐蚀的作用）6060年代年代在某些军工部门，主要是航空部门开始研究等离子喷涂7070年代年代由于一些大国对我国的限制，为了满足国防的特殊需求，我国的一些科研单位以研制生产Ni 包Al、Co和WC粉末热喷涂复合材料始，先后生产出品种和型号较为齐全的材料和设备。8080年代初年代初，北京矿冶研究总院首先研制
4、出系列的自粘一次喷涂粉末；8181年末年末，由当时的国家经委和国家科委联合召开了我国首届热喷涂技术推广会。在此次会上，由国家经委和国家科委联合下文。（经技1981489号），成立了全国热喷涂协作组。同时，在其后的“六五”、“七五”、“八五”和“九五”连续四个“五年计划”中，将热喷涂技术作为国家重点推广项目并给予政策和经费支持，在“十一五”，热喷涂技术研发和应用也同样列入许多单项工程并得到国家的支持。五、热喷涂技术的分类五、热喷涂技术的分类 依据GB/T1872GB/T187220022002颁布的分类方法有三种：热喷涂材料类型 操作方法 热源（1）按热喷涂材料类型热喷涂材料类型分类 线材喷涂
5、wire spraying 棒材喷涂 rod spraying 芯材喷涂 cord spraying 粉末喷涂 powder spraying 熔液喷涂 molten bath spraying（2）按操作方法操作方法分类手工喷涂 manual spraying 机械化喷涂 mechanized spraying自动化喷涂 automatic spraying（3）按热源热源分类(最常用)熔液喷涂 moltenbath spraying 火焰喷涂 flame spraying 高速火焰喷涂 high velocity flame spraying 爆炸喷涂 detonation sprayin
6、g 电弧喷涂 arc spraying 等离子喷涂 plasma spraying 激光喷涂 laser spraying 冷喷涂 Cold Spray，Cold Gas Dynamic Spray热喷涂方法的典型特征参数热喷涂方法的典型特征参数 特征值火焰温度/粒子速度/m.s-1结合强度/Nmm-2气孔率（）喷涂效率/kgh1相对成本火焰喷涂3000408201015261电弧喷涂4000600010012251010252高速火焰喷涂30008001700701100.51523火焰爆炸喷涂4000800701214等离子喷涂12000-1600020040060800.52104各种热
7、喷涂方法的工作气体温度六、热喷涂设备六、热喷涂设备 热喷涂设备喷枪热源涂层材料供给装置控制系统冷却系统图1 火焰线材金属喷涂设备原理图1-空压机 2-冷凝器 3-油水分离器 4-贮气罐 5-空气滤清器 6-盘丝架 7-喷涂枪 8-工件 9-氧气瓶 10-乙炔瓶图2 超音速火焰喷涂设备图3 爆炸喷涂设备原理图图4 CMD-DG2000型爆炸喷涂机图5 电弧喷涂设备配置图图6 CMD-AS3000型电弧喷涂机图7 等离子喷涂的设备配置图图8 JX-80 等离子喷涂系统图9 激光喷涂设备七、热喷涂工艺七、热喷涂工艺 热喷涂工艺过程一般包括：热喷涂工艺过程一般包括：工件表面预处理 工件预热 喷涂 涂层
8、后处理（1 1）表面预处理表面预处理 工件表面预处理包括净化和粗化两个过程 净化处理的目的是除去工件表面的所有污垢,如氧化皮、油渍、油漆及其他污物,关键是除去工件表面和渗入其中的油脂。净化处理的方法有溶剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法等。粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接触面,增大涂层与基材的机械咬合力,使净化处理过的表面更加活化,以提高涂层与基材的结合强度。粗化处理的方法有喷砂、机械加工法(如车螺纹、滚花)、电拉毛等，其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法，常用的喷砂介质有氧化铝、碳化硅和冷硬铸铁等。（2）预热）预热 预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气,提高喷涂粒子与工件接触时的
9、界面温度,以提高涂层与基体的结合强度；减少因基材与涂层材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂。预热温度取决于工件的大小、形状和材质,以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素,一般情况下预热温度控制在60-120 之间。（3）喷涂）喷涂 采用何种喷涂方法进行喷涂主要取决于选用的喷涂材料、工件的工况及对涂层质量的要求。陶瓷涂层：最好选用等离子喷涂；碳化物金属陶瓷涂层：最好采用高速火焰喷涂；喷涂塑料：只能采用火焰喷涂；户外大面积防腐工程喷涂：灵活高效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂；总之，喷涂方法的选择一般来说是多样的，但对某种应用来说总有一种方法是最好的。（4）涂层后处理）涂层后处理 喷涂所得涂层有时不能
10、直接使用,必须进行一系列的后处理。用于防腐蚀的涂层,为了防止腐蚀介质透过涂层的孔隙到达基材引起基材的腐蚀,必须对涂层进行封孔处理。用作封孔剂的材料很多,有石腊、环氧树脂、硅树脂等有机材料及氧 化物等无机材料,如何选择合适的封孔剂,要根据工件的工作介质、环境、温度及成本等多种因素进行考虑；对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件,为了提高涂层的结合强度,要对喷涂层进行重熔处理(如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等静压等),使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致密涂层；有尺寸精度要求的,要对涂层进行机械加工。热喷涂技术的特点热喷涂技术的特点（1）由于热源的温度范围很宽,因而可喷涂的
11、涂层材料几乎包括所有固态工程材料,如金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料以及由它们组成的复合物等.因而能赋予基体以各种功能(如耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、绝缘、隔热、生物相容、红外吸收等)的表面。（2）喷涂过程中基体表面受热的程度较小而且可以控制,因此可以在各种材料上进行喷涂(如金属、陶瓷、玻璃、布疋、纸张、塑料等),并且对基材的组织和性能几乎没有影响,工件变形也小。（3）设备简单、操作灵活,既可对大型构件进行大面积喷涂,也可在指定的局部进行喷涂；既可在工厂室内进行喷涂也可在室外现场进行施工。（4）喷涂操作的程序较少,施工时间较短,效率高,比较经济。八、各种热喷涂方法概述八、各种热喷涂方法概述（1
12、）氧乙炔火焰喷涂）氧乙炔火焰喷涂(焊焊)氧乙炔火焰喷涂(焊)是最早的喷涂方法。它是利用氧和乙炔的燃烧火焰将粉末状或丝状、棒状的涂层材料加热到熔融或半熔融状态后喷向基体表面而形成涂层的一种方法。它具有设备简单、工艺成熟、操作灵活、投资少、见效快的特点。它是目前国内最常用的喷涂方法之一，可制备各种金属、合金、陶瓷及塑料涂层。但是由该方法制备的涂层孔隙度较大,与基体材料的结合强度也较低。对于自熔合金而言,如若采用燃烧火焰将其一次喷融或将喷涂层进行二次重熔(有火焰重熔、感应重熔和炉熔等)的方法则称为喷焊喷焊,喷焊涂层由于与基体材料呈冶金结合状态,因而与基体材料的结合强度大大提高,可以应用于冲击大、负荷
13、重的工况下,如连续铸造拉矫辊、热轧矫直辊表面采用镍基自熔合金喷焊涂层进行强化,均获得了十分良好的耐蚀、耐磨和抗热疲劳的强化效果。（2 2）爆炸喷涂）爆炸喷涂(D-GUN)(D-GUN)本方法是利用氧和可燃性气体的混合气，经点火后在喷枪中爆炸,利用脉冲式气体爆炸的能量,将被喷涂的粉末材料加热、加速轰击到工件表面而形成涂层。气体燃烧和爆炸的结果可产生超音速高能气流,爆炸波的传播速度高达3000 m/s,其中心温度可达3450,粉末粒子的飞行速度可达1200m/s，因而爆炸喷涂层涂层致密,与基体的结合强度高,最高可达24 kg/mm2，该法的缺点是噪音大,而且爆炸是不连续的,因而效率较低。（3）超音
14、速火焰喷涂）超音速火焰喷涂(HVOF)超音速火焰喷涂(High Velocity Oxy Fuel,简称HVOF)是在20世纪80年代初在普通火焰喷涂的基础上发展起来的一种新型热喷涂技术。它是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气与高压氧气在燃烧室或特殊的喷嘴中燃烧，产生高达3200的高温高压燃气，焰流速度高达1500m/s以上,将粉末送进火焰中,产生熔化或半熔化的粒子,高速撞击在基体表面上沉积形成涂层,能够获得比普通火焰喷涂或等离子喷涂结合强度更高的致密涂层。由于喷涂颗粒以超音速飞行而撞击到基体表面，所以HVOF喷涂涂层的结合强度、密度和硬度都非常高。高速（可使颗粒获得高的动能和较短的氧化暴露时间
15、）和相对较低的温度是HVOF热喷涂工艺方法最重要的两个特征。（4）电弧喷涂）电弧喷涂 电弧喷涂是在两根丝状的金属材料之间产生电弧,电弧产生的热使金属丝熔化,熔化部分由压缩空气气流雾化并喷向基体表面而形成涂层。该工艺也具有设备一次投资少,使用方便、效率高等特点,但喷涂材料必须是导电的金属及合金丝,因而其应用受到了一定的限制,但它的高效率使得它在喷涂Al、Zn 及不锈钢等大面积防腐应用方面成为首选工艺。（5 5）等离子喷涂）等离子喷涂(APS)(APS)当某种气体如氮、氩、氢及氦等通过一压缩电弧时产生电离而形成电中性的等离子体(是物质除气、液、固态外的第四态)。等离子弧的能量集中温度很高,其焰流的
16、温度在万度以上,可以将所有固态工程材料熔化。以这种高温等离子体作热源将涂层材料熔化制备涂层的工艺就是等离子喷涂。等离子喷涂涂层的致密度及与基体材料的结合强度均比火焰喷涂涂层和电弧喷涂涂层的高,而且也是制备陶瓷涂层的最佳工艺。等离子技术中引人注目之处是设备的大容量化和高输出功率化,目前气体等离子喷涂设备已有200 kw 的设备出售,不但大大提高了喷涂效率,也使涂层质量更为改善,因而可以实现大面积高质量涂层的连续生产,如柔性印刷用网纹辊镜面陶瓷层以及高分子薄膜电晕处理用陶瓷绝缘涂层的制备等。（6 6）低压等离子喷涂）低压等离子喷涂(LPPS)(LPPS)等离子喷涂可以在不同气氛和不同压力下实现,当
17、喷涂作业在气氛可控的负压密封容器内进行时就成为低压等离子喷涂。低压等离子喷涂的优点是：焰流速度高、粒子动能大,形成的涂层致密、结合强度高；低压环境下可对基体进行预热和进行反向转移弧电清理,进一步提高涂层与基体的结合强度；由于没有大气污染,涂层材料不氧化成分变化小,因而可以进行活性金属如Ti、Ta、Nb 等的喷涂；还可使等离子体的气体在喷涂过程中与涂层材料进行反应,形成特殊化合物涂层。（7 7）水稳等离子喷涂）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
18、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。主要优点：(1)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；(2)喷涂效率高,喷涂能力最大为50 kg/h,涂层厚度可达20 mm,而且可以喷涂分散性较大的粉末,因而特别适合陶瓷部件的喷涂成形；(3)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,喷涂枪体积较大,比较笨重。（8 8）激光喷涂）激光喷涂 把高密度能量的激光束朝着接近于零件的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（喷涂环境可选择大气气氛或惰性气体气氛，或真空下进行）。
