1、2023-1-17第7章表面涂覆技术第第7章表面涂覆技术章表面涂覆技术第7章表面涂覆技术 表面粘结技术表面粘结技术是指以是指以高分子聚合物高分子聚合物与与功能填料功能填料（如石墨、二硫化钼、金属粉末、陶瓷粉末和（如石墨、二硫化钼、金属粉末、陶瓷粉末和纤维）组成的复合材料纤维）组成的复合材料胶粘剂胶粘剂涂敷于零件表面涂敷于零件表面，以，以赋予零件表面特殊功能赋予零件表面特殊功能（如耐磨损、耐腐（如耐磨损、耐腐蚀、绝缘、导电、保温、防辐射等）的一项表蚀、绝缘、导电、保温、防辐射等）的一项表面新技术。是在零件表面形成面新技术。是在零件表面形成功能涂层功能涂层。第7章表面涂覆技术 室温固化、应力分布均
2、匀、能粘涂不同的材料；室温固化、应力分布均匀、能粘涂不同的材料；工艺简便，不需要专门设备，只需将胶黏剂涂敷工艺简便，不需要专门设备，只需将胶黏剂涂敷于待修表面，室温操作，不会使零件产生热影响于待修表面，室温操作，不会使零件产生热影响和变形；和变形；可根据需要使零件表面获得耐磨、耐蚀、绝缘、可根据需要使零件表面获得耐磨、耐蚀、绝缘、导电等性能，是一种快速而价廉的修复和预保护导电等性能，是一种快速而价廉的修复和预保护工艺。工艺。第7章表面涂覆技术 可粘涂各种不同的材料，如金属、陶瓷、塑料、水可粘涂各种不同的材料，如金属、陶瓷、塑料、水泥、橡胶等；泥、橡胶等；尤其适用于特殊材料和特殊工况零件的修复：
3、尤其适用于特殊材料和特殊工况零件的修复：难以或难以或无法焊接的材料无法焊接的材料制成的零件；制成的零件；薄壁零件薄壁零件，用热修复方法（如堆焊）修复时容易变形和产生，用热修复方法（如堆焊）修复时容易变形和产生裂纹，用表面黏涂修复可以避免这些问题的产生；裂纹，用表面黏涂修复可以避免这些问题的产生；结构形状复杂的零结构形状复杂的零件内外沟槽、内孔磨损、难以焊补，采用件内外沟槽、内孔磨损、难以焊补，采用表面黏涂技术修复十分方便；表面黏涂技术修复十分方便；某些某些特殊工况特殊工况和特殊部件；和特殊部件；需需现场修复现场修复的零部件。的零部件。第7章表面涂覆技术 表面粘涂层在表面粘涂层在湿热湿热、冷热交
4、变冷热交变、冲击条件冲击条件下，以及下，以及其他其他复杂环境条件下复杂环境条件下的工作寿命是有限的；的工作寿命是有限的；有有机胶粘剂构成的表面粘涂层机胶粘剂构成的表面粘涂层耐温性耐温性不高，一般不不高，一般不超过超过350，无机胶粘剂可耐，无机胶粘剂可耐1000高温，陶瓷胶高温，陶瓷胶粘剂耐高温达粘剂耐高温达2000以上，但较脆以上，但较脆；表面涂层有较高的抗拉、剪切强度，但表面涂层有较高的抗拉、剪切强度，但抗剥离强度抗剥离强度较低较低；使用有机胶粘剂，尤其是溶剂型胶粘剂存在易燃、使用有机胶粘剂，尤其是溶剂型胶粘剂存在易燃、有毒等有毒等安全和环境问题安全和环境问题。第7章表面涂覆技术 粘结剂（
5、粘合剂）的组成与分类粘结剂（粘合剂）的组成与分类粘结剂粘结剂基料基料固化剂固化剂填料填料辅助材料辅助材料第7章表面涂覆技术基料基料(粘料或胶料粘料或胶料)主要为主要为热固性树脂、合成橡胶热固性树脂、合成橡胶等，如环氧酚醛、等，如环氧酚醛、聚氨酯弹性体、不饱和聚酯、丙稀酸酯等，具有三聚氨酯弹性体、不饱和聚酯、丙稀酸酯等，具有三向交联结构，尤其经改性处理后，强度、韧性、耐向交联结构，尤其经改性处理后，强度、韧性、耐介质性、耐水、耐热性大大高于一般聚合物材料。介质性、耐水、耐热性大大高于一般聚合物材料。：把涂层中的各种材料包容并牢固地粘附在：把涂层中的各种材料包容并牢固地粘附在基体表面形成复合材料涂
6、层。基体表面形成复合材料涂层。第7章表面涂覆技术：1）对涂敷基体及填料有很强的结合强度；）对涂敷基体及填料有很强的结合强度；2）固化物具有较高的机械强度及优良的耐温、）固化物具有较高的机械强度及优良的耐温、耐油、耐化学和抗老化性能，其弹性模量和稳定性耐油、耐化学和抗老化性能，其弹性模量和稳定性高，同时可吸收能量；高，同时可吸收能量；3）固化物无）固化物无收缩。收缩。第7章表面涂覆技术 固化剂（硬化剂或熟化剂）固化剂（硬化剂或熟化剂）：与黏料发生化学反应，形成网状立体聚合：与黏料发生化学反应，形成网状立体聚合物，把填料包络在网状体之中，形成三向交联结构。物，把填料包络在网状体之中，形成三向交联结
7、构。：）固化物硬度高，韧性好、耐磨性好；）固化物硬度高，韧性好、耐磨性好；）能室温固化，固化时间短。）能室温固化，固化时间短。第7章表面涂覆技术 填料填料(增强材料增强材料)增强材料的选择对复合材料涂层的性能至关增强材料的选择对复合材料涂层的性能至关重要，从化学角度讲，选用的增强材料重要，从化学角度讲，选用的增强材料性能性能为：为：中性或弱碱性，不含结合水，与粘料亲合性好，中性或弱碱性，不含结合水，与粘料亲合性好，对液体及气体无吸附性；对液体及气体无吸附性；纯度高、耐热性好，如混入杂质，会引起树脂纯度高、耐热性好，如混入杂质，会引起树脂降解；降解；密度小，分散性好，在树脂中无沉降。密度小，分散
8、性好，在树脂中无沉降。：改善粘结剂的工艺性能、耐久性、强度或：改善粘结剂的工艺性能、耐久性、强度或降低成本等，一种非粘性固体物质降低成本等，一种非粘性固体物质第7章表面涂覆技术 包括增塑剂、增韧剂、稀释剂、固化促进剂、包括增塑剂、增韧剂、稀释剂、固化促进剂、偶联剂、消泡剂、抗老化剂等。偶联剂、消泡剂、抗老化剂等。辅助材料辅助材料：大大改善涂层的韧性、抗老化性以及降低：大大改善涂层的韧性、抗老化性以及降低胶的粘度、提高涂敷质量、改善施工工艺性等。胶的粘度、提高涂敷质量、改善施工工艺性等。第7章表面涂覆技术 粘结剂的种类粘结剂的种类第7章表面涂覆技术 表面粘结工艺及涂层加工表面粘结工艺及涂层加工用
9、粘结剂进行涂敷非常简便，基本工艺步骤为：用粘结剂进行涂敷非常简便，基本工艺步骤为：表面预处理表面预处理配制修补剂配制修补剂涂敷涂敷固化固化机加工机加工第7章表面涂覆技术u 表面预处理表面预处理 表面粘涂材料与基体的结合主要靠物理及化学结合，所以表面预处理的好坏在很大程度上决定表面预处理的好坏在很大程度上决定能否成功地完成涂敷能否成功地完成涂敷。待涂敷的工件表面绝对不能绝对不能有油脂、锈迹、尘土及水分有油脂、锈迹、尘土及水分，这些污物使修补剂与待涂表面的局部粘结性能下降，即使在不高的压力下也会引起涂层局部脱落和碎裂。第7章表面涂覆技术u 表面预处理表面预处理 不同的工况有不同的表面处理要求，相应
10、地也就有不同的不同的工况有不同的表面处理要求，相应地也就有不同的处理方法。处理方法。(1)常规表面处理：常规表面处理：p 严重的油污必须用清洗剂或化学纯丙酮清洗；严重的油污必须用清洗剂或化学纯丙酮清洗；p 所有的游离物、铁锈及表面污染物，包括原有的涂层必须要清所有的游离物、铁锈及表面污染物，包括原有的涂层必须要清除掉；除掉；p 不要在除锈剂清理后的表面未经干燥处理就直接涂敷修补剂；不要在除锈剂清理后的表面未经干燥处理就直接涂敷修补剂；p 清洗后的表面应尽快涂敷表面粘涂材料，以免清洗后的表面再清洗后的表面应尽快涂敷表面粘涂材料，以免清洗后的表面再次生锈，氧化或污染；次生锈，氧化或污染；p 修补时
11、不得有任何液体进入待修表面。修补时不得有任何液体进入待修表面。第7章表面涂覆技术u 表面预处理表面预处理(2)油面修复的表面处理油面修复的表面处理 工作状态的油箱、油罐、油管产生泄漏，修复时要做到彻工作状态的油箱、油罐、油管产生泄漏，修复时要做到彻底除油往往非常困难，但修复前表面必须经过下列步骤：底除油往往非常困难，但修复前表面必须经过下列步骤：p 擦去待修位的油泥；擦去待修位的油泥；p 用断锯片、砂布或磨轮等除去表面油漆露出金属基体；用断锯片、砂布或磨轮等除去表面油漆露出金属基体；p 如果不能关闭作业系统，必须首先止漏；如果不能关闭作业系统，必须首先止漏；p 止漏后用干净的棉布（有清洗剂更好
12、）擦去修复部位表面的浮止漏后用干净的棉布（有清洗剂更好）擦去修复部位表面的浮油。油。第7章表面涂覆技术u 表面预处理表面预处理(3)湿面修复的表面处理湿面修复的表面处理 表面潮湿的原因很多，有天气表面潮湿的原因很多，有天气、冷凝水、泄漏或渗漏，用、冷凝水、泄漏或渗漏，用一般的表面粘涂材料必须使表面干燥，表面处理步骤如下：一般的表面粘涂材料必须使表面干燥，表面处理步骤如下：p 必须止住泄漏或渗漏，有时只需关掉阀门即可，如果不允许关必须止住泄漏或渗漏，有时只需关掉阀门即可，如果不允许关闭作业系统，必须首先止漏；闭作业系统，必须首先止漏；p 如果泄漏是由腐蚀引起的，漏点边的内壁变得很薄、很疏松，如果
13、泄漏是由腐蚀引起的，漏点边的内壁变得很薄、很疏松，此时可先将孔扩大到原壁厚处，然后再堵；此时可先将孔扩大到原壁厚处，然后再堵；p 用吸水材料擦去表面的冷凝水、湿迹及污物，余下的湿气可通用吸水材料擦去表面的冷凝水、湿迹及污物，余下的湿气可通过加热吹干；过加热吹干；p 后续步骤同常规表面处理后续步骤同常规表面处理1）-7）。）。第7章表面涂覆技术u 配制表面粘结材料配制表面粘结材料 1）准确配比）准确配比 A+B 2）混合均匀）混合均匀 3）其他）其他l 对于紧急修补类产品，尤其在夏季施工时，配制量不宜超过对于紧急修补类产品，尤其在夏季施工时，配制量不宜超过20g，以防施工前产生硬化；，以防施工前
14、产生硬化；l 配制过程中有时空气会混进修补剂中产生气泡，可在塑料板配制过程中有时空气会混进修补剂中产生气泡，可在塑料板上用胶刀将修补剂摊开，放慢搅拌速度将气泡排出去。上用胶刀将修补剂摊开，放慢搅拌速度将气泡排出去。第7章表面涂覆技术u 涂敷涂敷 1）糊状粘结材料在使用时应选择宽度适合于修补面的）糊状粘结材料在使用时应选择宽度适合于修补面的刮刀刮刀，将混合后的修补材料用力反复在待修表面来回涂抹，以确保该表将混合后的修补材料用力反复在待修表面来回涂抹，以确保该表面完全被修补剂浸润；面完全被修补剂浸润；2）液体粘结材料应选用硬鬃毛）液体粘结材料应选用硬鬃毛刷子刷子或橡胶刷涂器；或橡胶刷涂器；3）修补
15、过程中如有）修补过程中如有多余物多余物被挤出，应立即在其固化之前清被挤出，应立即在其固化之前清除掉；除掉；4）为提高修复层的力学性能或弥补大的缺陷，应使用补强）为提高修复层的力学性能或弥补大的缺陷，应使用补强带；带；5）若表面粘结材料涂层固化后需涂敷另一种表面粘结材料）若表面粘结材料涂层固化后需涂敷另一种表面粘结材料来补强，应先打磨来补强，应先打磨粗化粗化底层的涂层表面。底层的涂层表面。第7章表面涂覆技术u 固化过程固化过程 （1）固化反应及影响因素：p 固化反应：A+B 从顺滑的泥状（或液态）到涂层开始硬化的交界点，称为初硬点初硬点，在此之前的时间段为粘涂材料的初硬阶段，又称适用期适用期；p
16、 温度对固化过程的影响:温度温度 固化速度固化速度p 配制量对固化过程的影响：配制量 反应热 固化反应 适用期p 低温工况和高温工况固化 第7章表面涂覆技术u 固化过程固化过程 （2）涂敷层固化后处理：p 后固化后固化-表面粘结材料在常温下达到完全固化后，分子间反应基本完全停止。如果此时将涂层加温到100并保持恒温35h，分子反应还将有所继续，分子密度将不断增加，这一过程称为后固化；后固化通常可以提高修复层综合性能的20%30%。第7章表面涂覆技术 表面黏涂技术的应用及实例表面黏涂技术的应用及实例 表面粘涂技术已广泛应用于航空航天、机械、电子、交表面粘涂技术已广泛应用于航空航天、机械、电子、交
17、通、建筑、纺织、石化、医疗等行业，不仅用于通、建筑、纺织、石化、医疗等行业，不仅用于密封密封、堵漏堵漏、绝缘绝缘、导电导电，还广泛应用于机械零件的，还广泛应用于机械零件的耐磨损耐磨损、耐腐蚀耐腐蚀修复和修复和预保护层，也用于修补零部件的缺陷，如裂纹、划伤、尺寸超预保护层，也用于修补零部件的缺陷，如裂纹、划伤、尺寸超差、铸造缺陷等。差、铸造缺陷等。第7章表面涂覆技术 表面黏涂技术的应用及实例表面黏涂技术的应用及实例p 铸造缺陷的修补铸造缺陷的修补 铸造缺陷气孔、缩孔p 零件磨损、划伤的修复零件磨损、划伤的修复 恢复尺寸简单易行，既无热影响，涂层厚度又不受限制，同时涂层还有很好的耐磨性。p 渗漏、
18、泄漏紧急修补和带压堵漏渗漏、泄漏紧急修补和带压堵漏 “滴、冒、漏、渗”等问题p 受腐蚀、气蚀、冲蚀设备的修复和预保护涂层受腐蚀、气蚀、冲蚀设备的修复和预保护涂层p 高温、绝缘、导电特殊工况零件缺陷修补高温、绝缘、导电特殊工况零件缺陷修补p 机件联接、裂纹、破裂的修补机件联接、裂纹、破裂的修补 第7章表面涂覆技术 表面黏涂技术的应用及实例表面黏涂技术的应用及实例p 可视性铸造缺陷的修补可视性铸造缺陷的修补 铸造缺陷铸造缺陷主要有缩孔、疏松、气孔、裂纹等，缺陷尺寸大小不一。1）填补）填补法法2）镶嵌）镶嵌法法表面清理配 料涂 敷固 化用砂布、砂轮打磨孔洞处，清除孔洞内锈迹，并打磨出新鲜金属根据孔洞
19、大小、形状选择金属块（柱）并把表面打磨粗糙配制修补剂，按说明书比例称取并搅拌均匀孔洞内及金属块（柱）都涂一层修补剂，然后将之镶入孔洞内室温（20以上）固化812h后可修磨平整。第7章表面涂覆技术镶嵌金属块修整第7章表面涂覆技术 表面黏涂技术的应用及实例表面黏涂技术的应用及实例p 修补发动机气缸的腐蚀及锈蚀修补发动机气缸的腐蚀及锈蚀表面预处理腐蚀坑的修补形成法修冷却水口第7章表面涂覆技术 表面黏涂技术的应用及实例表面黏涂技术的应用及实例p 加强船舱底部的强度加强船舱底部的强度由于海水冲蚀、盐雾气氛及舱内化学介质泄漏造成舱底钢板发生腐蚀而降低强度，用粘涂材料可以修复钢板的腐蚀和增加钢板的强度和厚度
20、，其维修方法：材料准备表面准备修补工艺不需要增强的部位需要增强的部位第7章表面涂覆技术 表面黏涂技术的应用及实例表面黏涂技术的应用及实例p 修复损坏的传动轴修复损坏的传动轴 传动轴后轴承接触部位受微动磨损、粘着磨损或由于化学介质作用发生腐蚀或锈蚀，采用钛合金粘涂材料可以成功地修复磨损部位，修复后的耐磨性与耐腐蚀性完全达到甚至超过原材质的性能。第7章表面涂覆技术7.3 堆焊堆焊 堆焊堆焊：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。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
21、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。第7章表面涂覆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，因而具有异种金属焊接的特点。2.与整个基体相比，堆焊层仍是很薄的一层，因此，其本身对整体强度的贡献小，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。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
22、和尽可能好的流平性。第7章表面涂覆技术堆焊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，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。二、堆焊的应用1）恢复工件尺寸 2）抗磨损 3）抗腐蚀堆焊第7章表面涂覆技术异种金属熔焊（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
23、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。第7章表面涂覆技术二、扩散过渡层 在堆焊过程中，固态基体金属
24、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、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。第7章表面涂覆技术堆焊合金的类型及性能堆焊合金的类型及性能 一 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
25、，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：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。第7章表面涂覆技术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
26、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。第7章表面涂覆技术10高铬合金铸铁：性
27、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、
28、硅青铜、黄铜、白铜、紫铜等 第7章表面涂覆技术堆焊材料的选择 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、碳化物型镍基合金第7章表面涂覆技术堆焊方法堆焊方法 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
29、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 第7章表面涂覆技术(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
30、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。第7章表面涂覆技术二、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
31、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的耐磨性。第7章表面涂覆技术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
32、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5155155155150.55.80.53.60.53.613270.82.42.42.4859
33、5981009810098100电渣堆焊电渣堆焊101415751595100第7章表面涂覆技术定义：定义：采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作等作热源热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它们的复合材料等喷涂材料化物、塑料以及它们的复合材料等喷涂材料加热到加热到熔融或半熔融状态熔融或半熔融状态，通过高温气流使其，通过高温气流使其雾化雾化，然后，然后喷射喷射、沉积沉积到经过预处理的工件表面，从而到经过预处理的工件表面，从而形成附形成附着牢固的表面层着牢固的表面层的加工方法。的加工方法。第7章表面
34、涂覆技术按涂层加热和结合方式，可分为按涂层加热和结合方式，可分为喷涂喷涂和和喷熔喷熔两种；两种；u 喷涂时基体不熔化，涂层与基体形成喷涂时基体不熔化，涂层与基体形成机械结合机械结合；u 喷熔是涂层经再加热重熔，涂层与基体互溶并喷熔是涂层经再加热重熔，涂层与基体互溶并扩散形成扩散形成冶金结合冶金结合；u 喷涂与堆焊的根本区别在于母材基体不熔化或喷涂与堆焊的根本区别在于母材基体不熔化或者极少熔化。者极少熔化。u 热喷涂的种类第7章表面涂覆技术u 热喷涂的种类按加热喷涂按加热喷涂材料时的热材料时的热源种类分源种类分第7章表面涂覆技术电弧喷枪电弧喷枪电弧喷涂设备电弧喷涂设备第7章表面涂覆技术123 4
35、 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第7章表面涂覆技术等离子喷涂设备等离子喷涂设备第7章表面涂覆技术自动化等离子喷涂系统自动化等离子喷涂系统第7章表面涂覆技术爆炸喷涂设备爆炸喷涂设备第7章表面涂覆技术 热喷涂方法多热喷涂方法多u 热喷涂的特点 但目前该技术仍存在着操作环境较差、结合力低，孔隙率但目前该技术仍存在着操作环境较差、结合力低，孔隙率较高，均匀性差等缺点，有待于进一步发展。较高，均匀性差等缺点，有待于进一步发展。取材范围广取材范围广 基体材料使用范围广基体材料使用范围广 基体材料
36、受热影响小基体材料受热影响小 涂层厚度可以控制涂层厚度可以控制 工效高：操作程序少，速度快，如对同样厚度的膜层，工效高：操作程序少，速度快，如对同样厚度的膜层，时间比电镀用的少得多；成本低，经济效益显著时间比电镀用的少得多；成本低，经济效益显著 被喷涂物件的大小一般不受限制：既可对大型设备进行大被喷涂物件的大小一般不受限制：既可对大型设备进行大面积喷涂，也可对工件的局部进行喷涂；既可喷涂零件，面积喷涂，也可对工件的局部进行喷涂；既可喷涂零件，又可对制成后的结构物进行喷涂；又可对制成后的结构物进行喷涂；第7章表面涂覆技术预处预处理理热喷热喷涂涂后处后处理理清清 洗洗粗糙化粗糙化对不喷涂部位的保护
37、对不喷涂部位的保护表面精加表面精加工工改善涂层质量改善涂层质量u 热喷涂工艺第7章表面涂覆技术u 喷涂层的形成机理喷涂过程喷涂材料的熔化粒子的喷涂阶段熔化的喷涂材料的雾化粒子的飞行阶段第7章表面涂覆技术喷喷涂涂过过程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第7章表面涂覆技术喷涂材料的喷涂材料的加热熔化加热熔化阶段阶段 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。第7章表面涂覆技术喷喷涂涂过过程程喷涂喷涂材料材料热源热源喷涂粒喷
38、涂粒子束子束喷涂喷涂层层基体基体加热熔化雾化第7章表面涂覆技术溶滴的溶滴的雾化雾化阶段阶段 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。第7章表面涂覆技术喷喷涂涂过过程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第7章表面涂覆技术粒子的粒子的飞行飞行阶段阶段 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，在到达基体表面之前的阶段均属
39、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。第7章表面涂覆技术喷喷涂涂过过程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第7章表面涂覆技术粒子的粒子的喷涂喷涂阶段阶段 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在产生碰撞的瞬间，粒
40、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层在基体表面迅速凝固而形成涂层。第7章表面涂覆技术涂层的形成过程 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凝冷凝收缩的过程，变形的颗粒与基体或涂层之间互相交错而结合在收缩的过程，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
41、形 凝固凝固-收收缩缩第7章表面涂覆技术涂层的结合机理涂层的结合涂层与基体的结合涂层之间的结合物理结合机械结合扩散结合冶金结合-以机械结合为主第7章表面涂覆技术机械结合机械结合 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。成机械结合。p 涂层与基体的结合涂层与基体的结合 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
42、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。第7章表面涂覆技术扩散结合扩散结合 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，涂层材料与基体表面间会发生原子的相互涂层材料与基体表面间会发生原子的相互扩散。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。p 涂层与基体的结合涂层与基体的结合第7章表面涂覆技术物理结合物理结合 当高速运动的高温状态的喷涂粒子与基体表面碰
43、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)而提高结合强度。而提高结合强度。p 涂层与基体的结合涂层与基体的结合 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，喷砂后立即喷涂可喷砂后立即喷涂可以增强物理结合程度。以增强物理结合程度。第7章表面涂覆技术冶金结合冶金结合 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熔融态的喷涂材料的粒子会与熔化态的基体之间发生
44、子会与熔化态的基体之间发生“焊合焊合”现象，形成微区冶金现象，形成微区冶金结合结合，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。p 涂层与基体的结合涂层与基体的结合第7章表面涂覆技术 喷涂层内喷涂粒子间的结合以喷涂层内喷涂粒子间的结合以机械结合机械结合为主，而为主，而扩散结合、物理结合、冶金结合等也起一定作用。扩散结合、物理结合、冶金结合等也起一定作用。p 涂层间的结合涂层间的结合 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
45、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。第7章表面涂覆技术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一起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后的扁平的层状组织结构，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。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第7章表面涂覆技术夹杂夹杂: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
46、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第7章表面涂覆技术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
47、空气或其它气体时也会形成气孔。第7章表面涂覆技术由上述可知，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、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气孔，改善涂层的结构和性能。和气孔，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
48、涂层结构的方法第7章表面涂覆技术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。第7章表面涂覆技术几种喷涂方法的比较几种喷涂方法的比较第7章表面涂覆技术热喷涂的一些应用事例 (1)“探险者探险者”号人造卫星外壳前部，用热喷涂等间隔地制成八条纵向条号人造卫星外壳前
49、部，用热喷涂等间隔地制成八条纵向条状氧化铝涂层，涂层占总表面积状氧化铝涂层，涂层占总表面积25%。卫星每卫星每118分钟绕地球一周要经历分钟绕地球一周要经历一次温度从一次温度从100 315 C的变化，由于氧化铝涂层的隔热性和热辐射性交替的变化，由于氧化铝涂层的隔热性和热辐射性交替地进行热的保持和辐射，使仪器仓内的温度得以保持在地进行热的保持和辐射，使仪器仓内的温度得以保持在10 30 C。(2)火箭发动机燃烧室、尾喷管、喷嘴等部件喷涂保护层。火箭发动机燃烧室、尾喷管、喷嘴等部件喷涂保护层。如阿吉纳如阿吉纳B火火箭发动机出口燃烧室喷涂氧化铝涂层；冲压式发动机尾喷管喷涂氧化铝或箭发动机出口燃烧室
50、喷涂氧化铝涂层；冲压式发动机尾喷管喷涂氧化铝或氧化锆；石墨制造的氧化锆；石墨制造的“北极星北极星”导弹第一级的喷嘴喷涂钨涂层，可经受导弹第一级的喷嘴喷涂钨涂层，可经受3315 C的固体推进剂高速排气的浸蚀，寿命提高的固体推进剂高速排气的浸蚀，寿命提高100倍以上。倍以上。(3)飞机喷气式发动机飞机喷气式发动机DC-8上多处需要进行热喷涂。上多处需要进行热喷涂。用钛制成的压缩机用钛制成的压缩机叶片轮觳的轴磨损后，利用爆炸喷涂获得叶片轮觳的轴磨损后，利用爆炸喷涂获得0.08 0.13mm的碳化钨的碳化钨(30%Co作粘接剂作粘接剂)的涂层，经研磨后复原使用。此件价值的涂层，经研磨后复原使用。此件价
