1、第五章第五章 热喷涂技术热喷涂技术 5.1 概述概述 热喷涂技术以其方法的多样性、涂层种类的广泛性和良好的经济性在机械制造和设备维修中有广阔的应用前景。是使用某种方式的热源，是使用某种方式的热源，使喷涂材料加热至熔融或半使喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，熔融状态，用高压气流将其雾化，用高压气流将其雾化，并以一定速度喷并以一定速度喷射到经过预处理的零件表面，射到经过预处理的零件表面，从而形成涂层的表面加从而形成涂层的表面加工技术。工技术。热喷涂热喷涂热喷涂的发展热喷涂的发展种类与特点种类与特点热喷涂的发展热喷涂的发展 20世纪初：喷涂锌、铝等低熔点的金属 二战期间：线材火焰喷涂用于零件的修复火焰
2、粉末喷涂 50 年代：研制出自熔性合金粉末和放热型复合粉末 爆炸喷涂、等离子喷涂陶瓷涂层、复合梯度涂层热喷涂技术的发展热喷涂技术的发展Sulzer Metco 公司热喷涂设备、材料销售和热喷涂技术发展。公司热喷涂设备、材料销售和热喷涂技术发展。热喷涂种类及特点热喷涂种类及特点1）定义：热喷涂是利用一种热源将喷涂材料加热至熔融状态，并通过气流吹动使其雾化高速喷射到零件表面，以形成喷涂层的表面加工技术。2）特点：喷涂层与基体之间，以及喷涂层中颗粒之间主要是通过镶嵌，咬合、填塞这种机械形式连接，其次是微区冶金结合以及化学键结合。在自熔性合金粉末，尤其是放热性自粘结复合粉末问世以后，出现了喷涂层与基体
3、之间以及喷涂层颗粒之间的微区冶金结合的组织，使结合强度明显提高。喷涂材料需要热源加热和喷涂层与零件基材之间主要是机械结合，这是热喷涂技术最基本的特征。热喷涂的分类，应以热源形式为主，在此基础上必要时可再冠以喷涂材料的形态（粉材、丝材、棒材）、材料的性质（金属、非金属）、能量级别（高能、高速）、喷涂环境（大气、真空、负压）等。热喷涂可简明分为四大类，火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和特种喷涂。热喷涂的主要应用特性热喷涂的主要应用特性 与其他表面工程技术相比，热喷涂在实用性方面有以下方面的特点：（1）热喷涂的种类：热喷涂细分有十几种，根据工件的要求 在应用时有较大的选择余地。（2）涂层的功能多：适用
4、于热喷涂的材料有金属及其合金、陶 瓷、塑料及它们的复合材料。（3）使用热喷涂的零件范围宽。（4）设备简单、生产率高。（5）操作环境较差，需加以防护。热喷涂的一般原理 喷涂材料在热源中被加热的过程和颗粒与基体表面结合的过程是热喷涂制备涂层的关键环节。尽管热喷涂的具体方法很多，且各具特点，但无论哪种方法，其喷涂过程、涂层形成原理和涂层结构基本相同。从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经历四个阶段：（1）喷涂材料的加热、熔化：对于线材，当端部进入热源高温区域时，全部被加热熔化；对于粉末，进入热源高温区域，在行进的过程中被加热熔化或软化。（2）熔化的喷涂材料被雾化：现材端部熔化形成的熔滴在外加压
5、缩气流或热源自身射流的作用下脱离线材并成微小熔滴向前喷射，粉末一般不存在熔粒破碎和雾化的过程，而是被气流成热源射流推着向前喷射。（3）熔融或软化的微细颗粒的喷射飞行：在飞行过程中，颗粒首先被加速形成粒子流，随着飞行距离增加，粒子运动速度逐渐减小。（4）粒子在基材表面发生碰撞、变形、凝固和堆集：当具有一定温度和速度的微细颗粒与基材表面接触时，颗粒与基体表面产生强烈的碰撞，颗粒的动能转化为热能并部分传递给基材，同时微细颗粒沿凹凸不平表面产生变形，变形的颗粒迅速冷凝并产生收缩，扁平状黏结在基材表面。喷涂的粒子束仍需不断地运动并冲击表面，产生碰撞-变形-冷凝收缩的过程，变形的颗粒与基材表面之间，以及颗
6、粒与颗粒之间互相黏结在一起，从而形成涂层。涂层形成过程示意图如下：冲击 碰撞变形凝固-收缩 图1 涂层形成过程示意图热喷涂原理示意图热喷涂原理示意图涂层形成示意图涂层形成示意图涂层的结构涂层的结构涂层结构示意图涂层结构示意图涂层的形成过程表明，涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起而形成的层状组织结构。在喷涂过程中由于熔融的颗粒在熔化、软化、加速及飞行及基材表面接触过程中与周围截至发生了化学反应，使得喷涂材料经喷涂后会出现氧化物，而且，由于颗粒的陆续堆叠和部分颗粒的反弹散失，在颗粒之间不可避免地存在一部分孔隙式空洞。因此，喷涂层是由变形颗粒，气孔和氧化物所组成。涂层的结合 1）机械结合
7、。撞成扁平状并随基材表面起伏的颗粒，由于凹凸不平的表面互相嵌合（即紧缩效应），形成机械的键而结合。2）冶金-化学结合，这是当涂层和基材表面出现扩散和微区合金化时的一种结合类型。包括在结合面上生成金属间化合物或固溶体。3）物理结合。颗粒对基材表面的结合，是由范德华力或价键形成的结合。几种常用的热喷涂技术及常用表面工程技术的比较见表1 等离子喷涂法火焰喷涂电弧喷涂法爆炸喷涂法熔粒速度/(m/s)4001502001500温度值12000300050004000典型涂层孔隙率（）1101015101512典型结合强度/MPa3070510102080100 优点孔隙率低，结合性好，多用途，基材温度低
8、，污染低设备简单，工艺灵活成本低，效率高，污染低，基材温度低孔隙率非常低，结合性好，基材温度低 缺点成本较高孔隙率高，结合性差，对工件要预热只应用于导电喷涂材料，通常孔隙率较高成本高，效率低5.3 待喷涂表面的制备 热喷涂的基本工艺流程图如图2所示 工件表面制备表面净化表面预加工表面粗化预 热喷涂底层喷涂工作层喷后处理机械加工封 空图2 热喷涂的基本工艺流程图1）表面净化 喷涂前，首先须将待喷涂表面净化，彻底清除附着在表面的油污、油漆、氧化物等，显露出新鲜的金属表面。2）表面预加工 表面预加工的主要目的是预留一定的喷涂层厚度。3）表面粗化 表面粗化处理与清洗过程同样重要。工件表面经过粗化处理后
9、，可以增大工件表面的活性和增大喷涂层的接触面积，在有些情况（如喷砂）还可以使工件产生表面压应力，有助于增强工件的抗疲劳性能。最常用的表面粗化方法是喷砂，喷砂材料有多角冷凝铸铁砂（适用于硬度为HRC50左右的工件表面）、刚玉砂（Al2O3、适用于硬度值为HRC40左右的工件表面）和石英砂（SiO2适用于硬度值为HRC30左右的工件表面）等。另一种表面粗化方法是机械加工粗化法，包括车螺纹，或磨削、滚花等。4）预热1）机械加工：调整尺寸。2）封空：封闭涂层的空隙，提高表面性能。有时不需要封空。喷涂结合底层可以提高工作层与工件之间的结合强度。在工件较薄，喷砂时容易产生变形的情况下，特别适合于采用预先喷
10、涂结合底层的办法。厚度0.050.10mm。提高表面结合强度。5）喷涂结合底层6）喷涂工作层7）喷涂后处理5.5 电弧喷涂技术 电弧喷涂技术由于其设备、材料的发展与更新。使它成为目前热喷涂技术中最受重视的技术之一。5.5.1 原理 电弧喷涂是以电弧为热源，将金属丝熔化并用气流雾化，使熔融粒子高速喷到工件表面形成涂层的一种工艺。图44是电弧喷涂原理示意图。喷涂时，两根丝状金属喷涂材料用送丝装置通过送丝轮均匀、连续地分别送进电弧喷涂枪中的导电嘴内，导电嘴分别接电源的正极，负极，并保证两根丝之间在未接触之前的可靠绝缘，当两金属丝材端部由于送进而互相接触时，在端部之间短路并产生电弧，使丝材端部瞬间熔化
11、，压缩空气把熔融金属雾化成微熔滴，以很高的速度喷射到工件表面，形成电弧喷涂层。工 件涂层送丝轮电弧送丝动力丝盘压缩空气直流电源30V电流300A电源图3 电弧喷涂原理示意图5.5.2电弧喷涂技术的特点 1）应用电弧喷涂技术，可以在不提高工件温度、不使用贵重底层材料的情况下获得很高的结合强度，结合强度可达20Mpa。电弧喷涂层的结合强度是火焰喷涂层的2.5倍。2）电弧喷涂的高效率表现在单位时间内喷涂金属的重量大。电弧喷涂的生产效率正比于电弧电流。比火焰喷涂提高26倍。3）电弧喷涂的节能效果十分突出，能源利用率显著高于其他喷涂方法，而能源费用降低50以上。除它的能源利用率很高外，加之电能的价格又远
12、低于氧气和乙炔，其费用通常仅为火焰喷涂的1/10。4）电弧喷涂技术仅使用电和压缩空气，不用氧气、乙炔等易燃气体，安全性高。5.5.3 电弧喷涂材料 1）锌及锌合金 锌为银白色金属。在大气中或水中具有良好的耐腐蚀性，并对钢铁基材有电化学保护作用。而在酸、碱、盐中不耐腐蚀，当水中含有二氧化硫时，它的耐腐蚀性能很差。2）铝及铝合金 铝用作防腐蚀喷涂层时，作用与锌相似。它与锌相比，比重轻，价格低廉，在含有二氧化硫的气体中耐腐蚀效果比较好。在铝及铝合金加入稀土不仅提高涂层的结合强度而且降低孔隙率。铝还可以用作耐热喷涂层。铝喷涂层已广泛用于贮水容器。硫磺气体包围中的钢铁构件、食品贮存器。燃烧室、船体、和闸
13、门等。3）铜及铜合金 纯铜贮运爱用作电器开关和电子元件的导电喷涂层及人像、工艺品、水泥等建筑表面的装饰喷涂层。黄铜广泛应用于修复磨损及加工超差的零件，修补有铸造砂眼、气孔的黄铜件，也可以为装饰喷涂层使用。铝青铜涂层的结合强度高，抗海水腐蚀能力强，并具有很好的耐腐蚀疲劳和耐磨性。4）镍及镍合金 镍合金中用作喷涂材料的主要为镍铬合金，这类合金具有非常好的抗高温氧化性能，可在880高温下使用，是目前应用很广的热阻材料。5）钼 钼在喷涂中常作为结合底层材料使用，还可以用作摩擦表面的减摩工作涂层，如活塞环、刹车片、铝合金气缸等。6）碳钢和低合金钢 碳钢和低合金钢是广泛应用的电弧喷涂材料。它具有强度较高、
14、耐磨性好、价格低廉等特点。7）粉芯焊丝 国内外已采用粉芯丝材作为电弧喷涂材料，我国已应用3Cr13、4Cr13、7Cr13等粉芯丝材做为耐磨喷涂材料，并且具有良好的抗高温稳定性。28 By Jing LiangSchool of Materials and Metallurgy 热喷涂材料的分类按形状粉末材料 棒 材 丝材带材 复合型粉末非复合型粉末填充芯复合丝材拉拔复合丝材拉拔丝材按种类金属及合金 其 他 塑料及有机物 陶 瓷 金属陶瓷 其他金属及合金铜基合金铁及合金钴基合金锌基合金镍基合金金属+石墨原子合金+玻璃合金+硼化物合金+氮化物合金+碳化物氧化物磷化物硼化物氮化物碳化物有机涂料金属
15、塑料热塑型塑料热固型塑料其他非金属材料玻璃轴料电弧喷涂电弧喷涂Arc Wire Sprayed High Chromium High Carbon Iron CoatingArc Wire Sprayed Nickel Aluminium Alloy Coating 长江三峡的挖泥船在施工中由于润滑系统缺油而导致长江三峡的挖泥船在施工中由于润滑系统缺油而导致第三连杆轴颈严重拉伤，被迫停机。第三连杆轴颈严重拉伤，被迫停机。该发动机属于大马力中速柴油机，要求曲轴轴颈修复该发动机属于大马力中速柴油机，要求曲轴轴颈修复层具有良好的耐磨性，较高的结合强度和硬度，并能承层具有良好的耐磨性，较高的结合强度和
16、硬度，并能承受低冲击负荷和有较高的抗疲劳性能。受低冲击负荷和有较高的抗疲劳性能。通过综合评估各种方案，采用电弧喷涂曲轴工艺通过综合评估各种方案，采用电弧喷涂曲轴工艺。电弧喷涂实例电弧喷涂实例-大功率发动机曲轴修复 表面预处理：表面预处理：表面预处理包括表面除油与表面粗化，首先将喷涂部位及周围表面的油彻底清洗干净，然后用特制的加长刀杆车刀，车去轴颈表面疲劳层0.25mm，最后再用60螺纹刀在轴颈表面车出螺纹。电弧喷涂金属涂层电弧喷涂金属涂层：电弧喷涂涂层的构成：轴颈表面处理后的尺寸为192mm要求的基本尺寸为195mm，所以应当喷涂至199mm；轴材料牌号为KSPF55，相当于35号锻钢，因此，
17、选用铝青铜喷涂底层，3Cr13作为喷涂尺寸层及工作层。丝材直径3mm。电弧喷涂工艺参数：喷涂电压40V，喷涂铝青铜电流100A，喷涂3Cr13时电流400A，空气压力0.70Mpa，喷枪距工件表面约200500mm。曲轴在C650车床上慢速转动，喷枪沿轴颈法线方向喷射，并沿轴线方向轻轻摆动。电弧喷涂曲轴修复电弧喷涂曲轴修复 喷涂层的机械加工喷涂层的机械加工用专用车刀车削加工，留下0.8mm磨削余量，然后安装在曲轴磨床上磨至标准尺寸195mm。喷涂质量检验喷涂质量检验经检验，轴颈表面涂层致密，无气孔，无砂眼，无起皮，表面粗糙度达Ra0.8m（相当于光洁度8），现场喷涂的试片，用捶击法检验，无裂纹
18、，无起皮，说明结合良好。作用效果与经济效益作用效果与经济效益 曲轴检验合格后装机试车，先空转24小时，然后加载运转，在运转10天、一个月、3个月时进行分解检验，喷涂层表面光洁、致密、无剥坑、无起皮、磨损甚微。该曲轴修好至今已正常工作三年，完好无损，该船现每天24小时连续工作，每小时挖泥720m3，已充分发挥了技术性能。购买新轴，订购价1400万日元（出厂价），加上运费，海关税等约需人民币120多万元，从订购到交货需三月以上，其停产损失更为可观，而用弧喷涂技术修理该轴，各种费用总合3.5万元，不足曲轴价格的3。5.6 等离子弧喷涂等离子弧喷涂等离子弧喷涂装置等离子弧喷涂装置Schematic o
19、f Plasma Spraying System等离子弧喷涂等离子弧喷涂Plasma Spray Process等离子弧喷涂等离子弧喷涂Plasma Spray Coarse 80/20 NiCrPowderPlasma Spray Fine 80/20 NiCrPowder火焰线材喷涂火焰线材喷涂5.7 5.7 火焰喷涂火焰喷涂火焰线材喷涂火焰线材喷涂火焰线材喷涂实际工作情况火焰线材喷涂实际工作情况火焰线材喷枪实图火焰线材喷枪实图38 By Jing LiangSchool of Materials and Metallurgy 火焰线材喷涂层火焰线材喷涂层 Combustion Wire
20、Sprayed 13Cr Steel CoatingCombustion Wire Sprayed Molybdenum CoatingCombustion Wire Sprayed Nickel Coating粉末火焰喷涂粉末火焰喷涂粉末气体火焰喷涂装置粉末气体火焰喷涂装置Schematic of Flame Spraying System粉末火焰喷涂粉末火焰喷涂Powder Flame Spraying and LVOF热喷涂工艺参数的影响热喷涂工艺参数的影响Combustion Spray Coarse 80/20 NiCrPowderCombustion Spray Fine 80/2
21、0 NiCrPowder高速氧焰喷涂高速氧焰喷涂高速氧焰喷涂装置高速氧焰喷涂装置Schematic of High Velocity Oxygen Fuel(HVOF)Spraying System高速氧焰喷涂高速氧焰喷涂HVOF PROCESS高速氧焰喷涂高速氧焰喷涂HVOF Spray Tungsten Carbide/17%Cobalt CoatingHVOF sprayed Chromium Carbide/Nickel Chromium Coating on Cast Iron Substrate热喷涂的应用领域热喷涂的应用领域热喷涂的应用热喷涂的应用热喷涂的应用领域热喷涂的应用领域
22、热喷涂技术各工艺方法现状热喷涂技术各工艺方法现状School of Materials and Metallurgy 热喷涂在汽车工业应用热喷涂在汽车工业应用热喷涂在航空工业的应用热喷涂在航空工业的应用Trent 700 for A330EJ 200 for Eurofighter49 By Jing LiangSchool of Materials and Metallurgy 航空发动机中采用热喷涂技术的零件示意剖面图航空发动机中采用热喷涂技术的零件示意剖面图热喷涂实例热喷涂实例图图1.飞机起落架喷涂飞机起落架喷涂图图2.飞机发动机叶片高飞机发动机叶片高速燃气喷涂结合层速燃气喷涂结合层图图3.发动机壳体喷涂发动机壳体喷涂可磨耗涂层可磨耗涂层电弧喷涂粒子雾化模型电弧喷涂粒子雾化模型
