熱噴涂技術及其應用PPT學習課件

1、1 第二章第二章 熱噴涂技術及其應用熱噴涂技術及其應用 2.1 熱噴涂的定義與分類 2.2 熱噴涂工藝過程 2.3 常見熱噴涂技術 2.4 熱噴涂涂層功能和應用 2.3.1 火焰噴涂 2.3.2 電弧噴涂 2.3.3 等離子噴涂 2.3.4 爆炸噴涂 2.3.5 超音速噴涂 2.3.6 冷噴涂 2 2.1 熱噴涂的定義與分類 定義定義：噴涂材料以粉末或線材方式進入焊炬，經：噴涂材料以粉末或線材方式進入焊炬，經熔融熔融或或 至少至少軟化軟化，霧化成微細顆粒后，通過高速噴射到工件表，霧化成微細顆粒后，通過高速噴射到工件表 面形成涂層的工藝。面形成涂層的工藝。 熱源熱源：電弧、等離子弧、燃燒火焰等：

2、電弧、等離子弧、燃燒火焰等 霧化霧化：焰流本身的動力或外加的高速氣流：焰流本身的動力或外加的高速氣流 3 熱噴涂原理示意圖熱噴涂原理示意圖 熱噴涂原理 4 熱噴涂分類 5 熱噴涂分類 6 熱噴涂分類 7 熱噴涂技術的特點 1.取材范圍廣取材范圍廣 幾乎所有的金屬、合金、陶瓷都可以作為噴涂材料。塑料等有機高分子材料也可幾乎所有的金屬、合金、陶瓷都可以作為噴涂材料。塑料等有機高分子材料也可 以作為噴涂材料。以作為噴涂材料。 2.可用于各種基體可用于各種基體 金屬、陶瓷器具、玻璃、石膏、木材、布、紙等幾乎所有固體材料都可以進行噴金屬、陶瓷器具、玻璃、石膏、木材、布、紙等幾乎所有固體材料都可以進行噴

3、涂。涂。 3.可使基體保持較低溫度可使基體保持較低溫度 一般情況下，溫度可控制在一般情況下，溫度可控制在30200之間，從而保證基體不變形、不弱化。之間，從而保證基體不變形、不弱化。 4.工效高工效高 同樣厚度的膜層，時間要比電鍍短得多。同樣厚度的膜層，時間要比電鍍短得多。 8 熱噴涂技術的特點 5.被噴涂物件的大小一般不受限制 既可對大型設備進行大面積噴涂，也可對工件的局部進行噴涂；既可噴涂零件， 又可對制成后的結構物進行噴涂。 6.涂層厚度較易控制 薄者可為幾十微米，厚者可為幾毫米。 7.可賦予普通材料以特殊的表面性能 可使材料滿足耐磨、耐蝕、密封、隔熱、高溫強度、抗高溫氧化、減磨、耐輻射

4、 、導電、絕緣等性能要求，達到節(jié)約貴重材料，提高產品質量，滿足多種工程和 尖端技術的需要。例如可以把韌性好的金屬材料和硬而脆的陶瓷材料相復合， 形成表面復合材料。 8.成本低，經濟效益顯著 9 熱噴涂熱噴涂TiC 10 噴涂材料 powders粉末粉末，rods棒材，棒材，wires線材線材 線材由金屬或合金制得，主要用于火焰噴涂和電弧噴涂。 11 噴涂材料線材 包含有包含有WC芯和金屬外包層的噴涂用線材芯和金屬外包層的噴涂用線材 12 噴涂材料粉材 金屬霧化過程示意圖： 1加熱器 2感應加熱線圈 3熔融態(tài)金屬 4漏斗 5校準出口 6液態(tài)金屬 7噴嘴 8霧化氣體或液體 9粉體金屬 13 Sca

5、nning electron micrograph (secondary electrons) of a gas-atomized powder of a self-fluxing alloy having a composition (in wt%) of Ni+16Cr+45Fe+35B+35Si+1C 14 Scanning electron micrograph (secondary electrons) of a commercially available fused and crushed chromium oxide powder （燒結-破碎法） 15 Scanning el

6、ectron micrograph (secondary electrons) of a WCCoCr commercial cermet powder 16 粉體噴霧干燥過程示意圖： 1a離心霧化器 1b噴嘴霧化器 2進料泵 3氣體清潔過濾器 4氣體加熱器 5氣體分配器 6烘干腔 7輸送管 8粉末分離器 9排氣扇 10出氣管 17 Scanning electron micrograph (secondary electrons) of a spray-dried powder of Cr2O3+SiO2 18 Optical micrograph of a metallographic c

7、ross-section of a powder: The numbered particles have the following internal porosities (%): (1) 22.8; (2) 26.6; (3) 26.7; (4) 21.5 19 Scanning electron micrograph (secondary electrons) of an arc-plasma densified Cr2O3 +5wt% SiO2 powder 粉體致密化手段：粉體致密化手段： 燒結 電弧等離子體 射頻等離子體射頻等離子體 20 Optical micrograph (

8、in bright field) of a cross-section of the arc-plasma-densified Cr2O3 +5wt% SiO2 powder 21 Powders obtained by Ni precipitation on the cores of Al 22 造粉設備實物圖造粉設備實物圖 23 噴涂涂層結構 由變形粒子、氣孔和氧化物組成。由變形粒子、氣孔和氧化物組成。 熱噴涂層一般會有一部分熱噴涂層一般會有一部分孔隙孔隙（0.02550），其產生原因主要有，其產生原因主要有3個：一是個：一是 未熔化顆粒的低沖擊動能；二是噴涂角度不同造成的遮蔽效應；三是凝

9、固收縮和未熔化顆粒的低沖擊動能；二是噴涂角度不同造成的遮蔽效應；三是凝固收縮和 應力釋放效應。應力釋放效應。 噴涂層結構示意圖噴涂層結構示意圖 24 噴涂涂層結構 孔隙孔隙 不利：涂層中的孔隙特別是穿孔將不利：涂層中的孔隙特別是穿孔將損害涂層的耐腐蝕性能損害涂層的耐腐蝕性能，增，增 加涂層表面加工后的粗糙度，加涂層表面加工后的粗糙度，降低涂層的結合強度、硬度和耐降低涂層的結合強度、硬度和耐 磨性磨性。 有利：有利：孔隙可以儲存潤滑劑，提高涂層的隔熱性能，減小內應孔隙可以儲存潤滑劑，提高涂層的隔熱性能，減小內應 力并由此增加涂層厚度，以及提高涂層力并由此增加涂層厚度，以及提高涂層抗熱震性能抗熱震

10、性能。 25 涂層結合機理 涂層的結合包括：涂層與基材表面的結合（結合強度）及涂層內部的結合涂層的結合包括：涂層與基材表面的結合（結合強度）及涂層內部的結合 （內聚力），均屬物理（內聚力），均屬物理-化學結合，包括以下幾種類型：化學結合，包括以下幾種類型： 機械結合機械結合 碰撞成扁平狀并隨基體表面起伏的顆粒和凹凸不平的表面相互嵌合，以顆碰撞成扁平狀并隨基體表面起伏的顆粒和凹凸不平的表面相互嵌合，以顆 粒的粒的機械聯(lián)鎖機械聯(lián)鎖而形成的結合（釘錨效應），一般來說，涂層與基體的結合而形成的結合（釘錨效應），一般來說，涂層與基體的結合 以機械結合為主。以機械結合為主。 冶金冶金-化學結合化學結合 當

11、涂層和基體表面產生當涂層和基體表面產生冶金反應冶金反應，如出現(xiàn)擴散和合金化時的一種結合類型，如出現(xiàn)擴散和合金化時的一種結合類型 。 物理結合物理結合 顆粒與基體表面間由顆粒與基體表面間由范德華力范德華力或次價鍵形成的結合。或次價鍵形成的結合。 26 熱噴涂層的應力 大部分涂層材料的冷卻凝固伴隨著收縮過程。當熔滴撞擊基體并快速冷卻、大部分涂層材料的冷卻凝固伴隨著收縮過程。當熔滴撞擊基體并快速冷卻、 凝固時，凝固時，涂層內部會產生涂層內部會產生拉應力拉應力而在基體表面產生壓應力。噴涂完成后，在而在基體表面產生壓應力。噴涂完成后，在 涂層內部存在殘余拉應力，大小與涂層厚度成正比。涂層內部存在殘余拉應

12、力，大小與涂層厚度成正比。 當涂層厚度達到一定程度后，涂層中的拉應力超過涂層與基體的結合強度結合強度或 涂層自身的內聚強度內聚強度時，涂層就會發(fā)生破壞破壞。 涂層中殘余應力涂層中殘余應力 27 2.2 熱噴涂工藝過程 工件表面預處理 工件預熱 噴涂 涂層后處理 28 （1）基體表面預處理 目的：使涂層與基體材料很好地目的：使涂層與基體材料很好地結合結合 凈化和粗化凈化和粗化（適合于各種熱噴涂）（適合于各種熱噴涂） 清洗（除油、除銹）清洗（除油、除銹）粗化（噴砂、車削、磨削）粗化（噴砂、車削、磨削） 表面粗化的作用：表面粗化的作用：提供表面提供表面壓應力壓應力；改善殘余應力的分布；改善殘余應力的

13、分布 ；增大；增大結合面積結合面積；凈化表面；凈化表面。這些措施都會使粘結力得到。這些措施都會使粘結力得到 加強。加強。 29 凈化 凈化處理的目的：凈化處理的目的：除去工件表面的所有污垢除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油漬、油漆，如氧化皮、油漬、油漆 及其他污物，關鍵是除去工件表面和滲入其中的油脂。及其他污物，關鍵是除去工件表面和滲入其中的油脂。 凈化處理的方法凈化處理的方法：溶劑清洗法、蒸汽清洗法、堿洗法及加熱脫脂法等：溶劑清洗法、蒸汽清洗法、堿洗法及加熱脫脂法等 。 凈化可以針對新工件或已有涂層的舊工件凈化可以針對新工件或已有涂層的舊工件。前者是清除基體表面防腐。前者是清除基體表面防腐

14、 的油脂層，的油脂層，可采用有機溶劑（如 甲醇或丙酮）或高壓熱水或水蒸氣沖 刷（尤適于大型輥）；后者是剝除已與基體結合的涂層，可采用粗砂；后者是剝除已與基體結合的涂層，可采用粗砂 噴砂、機噴砂、機加工、金剛石或氮化硼砂輪等方法。 30 粗化 目的：目的： 增加涂層與基材間的接觸面，增大涂層與基材的機械咬合力增加涂層與基材間的接觸面，增大涂層與基材的機械咬合力 ，使凈化處理過的表面更加活化，以提高涂層與基材的結合，使凈化處理過的表面更加活化，以提高涂層與基材的結合 強度。強度。 同時基材表面粗化還改變涂層中的殘余應力分布，對提高涂同時基材表面粗化還改變涂層中的殘余應力分布，對提高涂 層的結合強度

15、也是有利的。層的結合強度也是有利的。 粗化處理的方法粗化處理的方法有：噴砂、機械加工法( (如車螺紋、滾花) )、電、電 拉毛等。其中拉毛等。其中噴砂噴砂處理是最常用的粗化處理方法。處理是最常用的粗化處理方法。 31 活化 在噴涂沉積前，基體表面還需要經過活化處理，否則涂 層可能無法有效地附著在基體表面。 最常用的活化手段是采用粗砂噴丸處理，比如粗磨。 32 粗粒噴砂示意圖 （1）噴嘴；（2）吸腔；（3）壓縮空氣進口；（4）粗砂進料器； （5）研磨粗砂；（6）軟管 表面粗糙度是與噴砂密切相關的參數，同時也強烈影響涂層與基體的表面粗糙度是與噴砂密切相關的參數，同時也強烈影響涂層與基體的 結合力。

16、結合力。 34 （2）工件預熱 目的目的： 為了消除工件表面的為了消除工件表面的水分水分和和濕氣濕氣，提高噴涂粒子與工件接觸時，提高噴涂粒子與工件接觸時 的界面溫度，以提高涂層與基體的結合強度。的界面溫度，以提高涂層與基體的結合強度。 減少因基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的減少因基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的應力應力而導致的涂層而導致的涂層 開裂。開裂。 預熱溫度控制：預熱溫度控制：60120之間。之間。 當在金屬表面噴涂陶瓷時，由于殘余應力，基體溫度應保持在 373 473 K之間。 35 （3）噴涂 陶瓷涂層陶瓷涂層：最好選用：最好選用等離子噴涂等離子噴涂； 碳化物金屬陶瓷涂層碳化物金屬

17、陶瓷涂層：最好采用：最好采用高速火焰噴涂高速火焰噴涂； 噴涂塑料噴涂塑料：采用：采用火焰噴涂火焰噴涂； 戶外大面積防腐工程的噴涂：靈活高效的戶外大面積防腐工程的噴涂：靈活高效的電弧噴涂電弧噴涂或或絲材火焰噴涂絲材火焰噴涂； 預處理好的工件要在預處理好的工件要在盡可能短的時間盡可能短的時間內進行噴涂，噴涂參數要根據涂內進行噴涂，噴涂參數要根據涂 層材料、噴槍性能和工件的具體情況而定，優(yōu)化的噴涂條件可以提高層材料、噴槍性能和工件的具體情況而定，優(yōu)化的噴涂條件可以提高 噴涂效率、并獲得致密度高、結合強度高的噴涂效率、并獲得致密度高、結合強度高的高質量涂層高質量涂層。 36 （4）涂層后處理 用于防腐

18、蝕的涂層：封孔處理用于防腐蝕的涂層：封孔處理 用作封孔劑的材料很多，有石臘、環(huán)氧樹脂、硅樹脂等有機材料及氧用作封孔劑的材料很多，有石臘、環(huán)氧樹脂、硅樹脂等有機材料及氧 化物等無機材料。化物等無機材料。 對于承受高應力載荷或沖擊磨損的工件：重熔處理對于承受高應力載荷或沖擊磨損的工件：重熔處理 譬如火焰重熔、感應重熔、激光重熔以及熱等靜壓等，使火焰重熔、感應重熔、激光重熔以及熱等靜壓等，使多孔的多孔的且與且與 基體僅以基體僅以機械結合的涂層變?yōu)榕c基材呈的涂層變?yōu)榕c基材呈冶金結合的的致密涂層。 有尺寸精度要求的：機械加工有尺寸精度要求的：機械加工 37 基體的造型 熱噴涂中幾種可接受和不 可接受基體

19、形貌示例 38 基體的造型 熱噴涂中幾種可接受和不 可接受基體形貌示例 39 2.3 常見熱噴涂技術 火焰噴涂 電弧噴涂 等離子噴涂 爆炸噴涂 超音速噴涂 冷噴涂 熱噴涂技術 40 2.3.1 火焰噴涂(Flame Spraying) 分分線材線材、粉末粉末兩種，以氧兩種，以氧-乙炔燃燒為乙炔燃燒為熱源熱源，利用壓縮空氣將噴涂材料，利用壓縮空氣將噴涂材料 霧化噴到工件表面上的方法。霧化噴到工件表面上的方法。 槍的結構、火焰的大小和種類、空氣的純凈度、流速、壓力、線材種槍的結構、火焰的大小和種類、空氣的純凈度、流速、壓力、線材種 類、直徑的大小、進料速度等都可影響涂層質量。類、直徑的大小、進料速

20、度等都可影響涂層質量。 具有設備簡單、工藝成熟、操作靈活、投資少、見效快的特點。可制具有設備簡單、工藝成熟、操作靈活、投資少、見效快的特點?？芍?備各種備各種金屬、合金、陶瓷金屬、合金、陶瓷及及塑料塑料涂層。涂層。 41 2.3.1 火焰噴涂(Flame Spraying) p線材 42 2.3.1 火焰噴涂(Flame Spraying) p線材 43 2.3.1 火焰噴涂(Flame Spraying) p粉末 44 2.3.1 火焰噴涂(Flame Spraying) p粉末 45 2.3.1 火焰噴涂(Flame Spraying) p粉末噴涂與線材噴涂的比較： 與線材法相比與線材法相

21、比，粉末法得到涂層的粉末法得到涂層的粘結強度粘結強度及本身的綜合及本身的綜合 強度都比較低（粉末部分未熔），強度都比較低（粉末部分未熔），氣孔率高氣孔率高，沉積效率低，沉積效率低 。因為線材送料穩(wěn)定，加熱時間短，微粒飛行速度高，覆。因為線材送料穩(wěn)定，加熱時間短，微粒飛行速度高，覆 層氧化物夾雜少。層氧化物夾雜少。 46 2.3.1 火焰噴涂(Flame Spraying) p火焰噴涂的優(yōu)缺點： 優(yōu)點：成本低廉，使用方便，可用于防蝕耐磨及易損件的修復，設備簡單，操作靈活。 缺點：缺點：涂層孔隙度較大，與基體材料的結合強度也較低。 47 2.3.1 火焰噴涂(Flame Spraying) 織物上

22、火焰噴涂金屬織物上火焰噴涂金屬 48 2.3.2 電弧噴涂(Arc Spraying) 在兩根在兩根絲狀絲狀的金屬材料之間產生的金屬材料之間產生電弧電弧，電弧產生的熱使金，電弧產生的熱使金 屬絲熔化，熔化部分由壓縮空氣氣流霧化并噴向基體表面屬絲熔化，熔化部分由壓縮空氣氣流霧化并噴向基體表面 而形成涂層。而形成涂層。 噴涂材料必須是噴涂材料必須是導電的導電的金屬及合金絲。金屬及合金絲。 高效率高效率使得它在噴涂使得它在噴涂Al、Zn 及不銹鋼等大面積防腐應用方及不銹鋼等大面積防腐應用方 面成為首選工藝。面成為首選工藝。 49 2.3.2 電弧噴涂(Arc Spraying) 電弧噴涂示意圖電弧噴

23、涂示意圖 （1）霧化氣流；（2）噴槍外罩；（3）熔融粒子流；（4）電?。唬?）自 耗電弧電極 50 2.3.2 電弧噴涂(Arc Spraying) 兩條自耗電弧電極線（自耗絲）從線軸拉出，在電弧加熱 下形成液滴。通入霧化氣體，吹動液滴，并將熔融態(tài)液滴 霧化，并推動細小粒子沉積到基體上。 如果兩條電極線由不同的金屬組成，則可制得偽合金涂層 （pseudo-alloy coating）。 51 2.3.2 電弧噴涂(Arc Spraying) 電弧噴涂噴槍實物圖電弧噴涂噴槍實物圖 52 2.3.2 電弧噴涂(Arc Spraying) 電功率電功率：通常在：通常在5-10 kW之間之間 電弧溫度

24、電弧溫度：在280A的電弧電流下，可達6100K 電弧電壓：通常在：通常在20-40V之間（電壓增加會導致噴涂液滴尺之間（電壓增加會導致噴涂液滴尺 寸增大）寸增大） p工藝參數： 53 2.3.2 電弧噴涂(Arc Spraying) 材料材料：所有的導電材料均可用：所有的導電材料均可用 直徑直徑：通常在1.6-5.0 mm之間 粒子速度：自耗絲形成的熔融粒子速度可：自耗絲形成的熔融粒子速度可達達150 m/s p自耗絲： 54 2.3.2 電弧噴涂(Arc Spraying) p與線材火焰噴涂相比具有以下特點： 熱效率高熱效率高火焰噴涂熱能利用率只有火焰噴涂熱能利用率只有515，電弧噴涂熱利

25、用率，電弧噴涂熱利用率 可高達可高達6070。 生產率高生產率高電弧噴涂時兩根絲同時給進，噴涂效率高，噴涂同樣電弧噴涂時兩根絲同時給進，噴涂效率高，噴涂同樣 的金屬絲，電弧噴涂的噴涂速度可達到火焰噴涂的的金屬絲，電弧噴涂的噴涂速度可達到火焰噴涂的3倍倍以上。以上。 噴涂成本低噴涂成本低火焰噴涂所消耗燃氣的價格是電弧噴涂電價的幾十火焰噴涂所消耗燃氣的價格是電弧噴涂電價的幾十 倍，電弧噴涂的施工成本比火焰噴涂要降低倍，電弧噴涂的施工成本比火焰噴涂要降低50以上。以上。 55 2.3.2 電弧噴涂(Arc Spraying) p與線材火焰噴涂相比具有以下特點： 涂層結合強度高涂層結合強度高在不用貴金

26、屬打底的情況下，涂層的結合強在不用貴金屬打底的情況下，涂層的結合強 度高于線材火焰噴涂。度高于線材火焰噴涂。 可方便地制備可方便地制備偽合金涂層偽合金涂層利用兩根成分不同的金屬絲便可制利用兩根成分不同的金屬絲便可制 備偽合金涂層，如銅備偽合金涂層，如銅-鋼偽合金涂層具有良好的耐磨、減摩和導熱鋼偽合金涂層具有良好的耐磨、減摩和導熱 性能。性能。 56 2.3.3 等離子噴涂(Atmospheric Plasma Spraying) 氣體如氮、氬、氫及氦等通過氣體如氮、氬、氫及氦等通過壓縮電弧壓縮電弧時產生時產生電離電離而形而形 成電中性的成電中性的等離子體等離子體。 等離子弧的能量集中、溫度很高

27、，其焰流的溫度在等離子弧的能量集中、溫度很高，其焰流的溫度在萬度萬度 以上，可以將所有固態(tài)工程材料熔化。以這種以上，可以將所有固態(tài)工程材料熔化。以這種高溫等離高溫等離 子體子體作作熱源熱源將涂層材料熔化制備涂層的工藝就是將涂層材料熔化制備涂層的工藝就是等離子等離子 噴涂噴涂。 57 p等離子體： 2.3.3 等離子噴涂(Atmospheric Plasma Spraying) 氣體電離后，在空間不僅有原子，還有自由電子和正離子，這種狀態(tài)叫氣體電離后，在空間不僅有原子，還有自由電子和正離子，這種狀態(tài)叫 做做等離子體等離子體。 等離子體可分為三大類：等離子體可分為三大類： 高壓高溫等離子體，電離度

28、高壓高溫等離子體，電離度100，溫度可達，溫度可達幾億幾億度，用于核聚變的研究；度，用于核聚變的研究； 低溫低壓等離子體，電離度不足低溫低壓等離子體，電離度不足1，溫度僅為，溫度僅為50250； 高溫低壓等離子體，約有高溫低壓等離子體，約有1以上的氣體被電離，具有以上的氣體被電離，具有幾萬度幾萬度的溫度。的溫度。 離子、自由電子、未電離的原子的動能接近于熱平衡。熱噴涂所利用的離子、自由電子、未電離的原子的動能接近于熱平衡。熱噴涂所利用的 正是類等離子體。正是類等離子體。 58 p等離子弧： 2.3.3 等離子噴涂(Atmospheric Plasma Spraying) 等離子弧是等離子弧是壓

29、縮電弧壓縮電弧，按接電的方法不同，等離子弧有三種形式：，按接電的方法不同，等離子弧有三種形式： 非轉移?。悍寝D移?。赫龢O正極接在接在噴嘴噴嘴上，工件不帶電；上，工件不帶電； 轉移弧：噴嘴不接電源，工件接正極；轉移弧：噴嘴不接電源，工件接正極； 聯(lián)合?。簢娮臁⒐ぜ诱龢O。聯(lián)合?。簢娮臁⒐ぜ诱龢O。 等離子噴涂采用的等離子噴涂采用的是非轉移型弧是非轉移型弧。 等離子弧和自由電弧相比較，其弧柱細，等離子弧和自由電弧相比較，其弧柱細，電流密度大電流密度大，氣體電離度高氣體電離度高，因此具，因此具 有溫度高、能量集中、弧穩(wěn)定性好等特點。有溫度高、能量集中、弧穩(wěn)定性好等特點。 59 p工作原理： 2.

30、3.3 等離子噴涂(Atmospheric Plasma Spraying) 在陰極和陽極（噴嘴在陰極和陽極（噴嘴）之間產生一直流電弧，該電弧把導入的之間產生一直流電弧，該電弧把導入的工工 作氣體作氣體加熱電離成高溫等離子體并從噴嘴噴出形成加熱電離成高溫等離子體并從噴嘴噴出形成等離子焰等離子焰。 粉末由送粉氣體送入火焰中被熔化、加速、噴射到基體材料上形粉末由送粉氣體送入火焰中被熔化、加速、噴射到基體材料上形 成膜。成膜。 工作氣體可以用工作氣體可以用氬氣氬氣、氮氣氮氣，或者在這些氣體中再摻入，或者在這些氣體中再摻入氫氣氫氣，也，也 可采用氬和氦的混合氣體?？刹捎脷搴秃さ幕旌蠚怏w。 60 p設備

31、配置圖： 2.3.3 等離子噴涂(Atmospheric Plasma Spraying) 61 p噴槍結構： 2.3.3 等離子噴涂(Atmospheric Plasma Spraying) 1陽極 2陰極 3水出口和陰極連 接器 4水進口和陽極連 接器 5工作氣體進口 6粉末噴射器 7電子絕緣體 62 p工藝參數： 2.3.3 等離子噴涂(Atmospheric Plasma Spraying) 工作氣體成分：工作氣體成分： 通常為通常為Ar或者或者Ar+H2、Ar+He、Ar+N2的混合氣體，有時的混合氣體，有時N2以及以及 N2+H2的混合氣體，其中： Ar可穩(wěn)定噴嘴內的??；可穩(wěn)定噴嘴

32、內的??； He、N2或或H2具有高的熱導率，可增強粒子間的增強粒子間的熱傳遞熱傳遞。 63 p工藝參數： 2.3.3 等離子噴涂(Atmospheric Plasma Spraying) 粉末：粉末： 尺寸：通常在尺寸：通常在20-90 m之間 類型：絕大多數是氧化物陶瓷 噴涂距離：60-130 mm之間 64 p涂層性能： 2.3.3 等離子噴涂(Atmospheric Plasma Spraying) 在金屬基體上等離子噴涂陶瓷層，其在金屬基體上等離子噴涂陶瓷層，其結合強度結合強度大約在大約在15-25 MPa，若噴，若噴 涂粘結合金（如涂粘結合金（如NiAl、NiCrAl）或金屬（如）或

33、金屬（如Mo）則可達）則可達70MPa甚至更 高。 等離子噴涂涂層的等離子噴涂涂層的孔隙率孔隙率一般在一般在1-7%之間，但有時會人為地更高一些。之間，但有時會人為地更高一些。 等離子噴涂涂層的厚度一般在一般在300-1500 m之間之間。 65 p等離子噴涂優(yōu)缺點： 2.3.3 等離子噴涂(Atmospheric Plasma Spraying) 優(yōu)點優(yōu)點： 可噴涂可噴涂高熔點材料高熔點材料，如氧化鋁等，如氧化鋁等（可熔化任何固體材料可熔化任何固體材料）； 工作氣體保護，涂層工作氣體保護，涂層夾雜少夾雜少； 微粒溫度高，飛行速度大，涂層微粒溫度高，飛行速度大，涂層孔隙率小孔隙率小，結合強度高

34、，質量好。，結合強度高，質量好。 缺點缺點： 設備復雜，電能消耗大，成本高，工作條件差。設備復雜，電能消耗大，成本高，工作條件差。 66 2.3.3 等離子噴涂(Atmospheric Plasma Spraying) 67 2.3.4 爆炸噴涂(Detonation-Gun Spraying) 利用利用氧氧和和可燃性可燃性氣體的混合氣，經點火后在噴槍中氣體的混合氣，經點火后在噴槍中爆炸爆炸， 利用脈沖式氣體爆炸的能量，將被噴涂的利用脈沖式氣體爆炸的能量，將被噴涂的粉末粉末材料材料加熱、加熱、 加速加速轟擊到工件表面而形成涂層。轟擊到工件表面而形成涂層。 爆炸噴涂爆炸噴涂涂層致密涂層致密，與基

35、體的，與基體的結合強度高結合強度高，最高可達，最高可達24 kg /mm2。該法缺點是噪音大，而且爆炸是不連續(xù)的，因而效。該法缺點是噪音大，而且爆炸是不連續(xù)的，因而效 率較低。率較低。 68 p爆炸噴涂過程示意圖： 2.3.4 爆炸噴涂(Detonation-Gun Spraying) 69 p爆炸噴槍實物圖： 2.3.4 爆炸噴涂(Detonation-Gun Spraying) 70 p爆炸噴涂特點： 2.3.4 爆炸噴涂(Detonation-Gun Spraying) （1）涂層結合強度高，致密性好涂層結合強度高，致密性好 涂層粉末在高溫高速的氣流的推動下以涂層粉末在高溫高速的氣流的推

36、動下以8001200m/s的速度撞擊工件表面，涂的速度撞擊工件表面，涂 層與基材的結合強度高，致密度高。層與基材的結合強度高，致密度高。 （2）工件受熱小，不變形工件受熱小，不變形 每次爆炸噴涂的過程只有每次爆炸噴涂的過程只有幾毫秒幾毫秒，所以工件不會受到連續(xù)加熱。溫升一般小于，所以工件不會受到連續(xù)加熱。溫升一般小于 100，工件不易發(fā)生相變和形變。，工件不易發(fā)生相變和形變。 71 p爆炸噴涂特點： 2.3.4 爆炸噴涂(Detonation-Gun Spraying) （3）功能性強，應用范圍廣 可對單一金屬、合金、氧化物或者混合氧化物、硬質合金、以碳化鎢或碳化鈦 為基體的金屬陶瓷及各種復合

37、材料等進行噴涂，因而可賦予工件表面某些特定性能 ，如耐磨、耐熱抗蝕、導電、絕緣等一系列特殊性能。 72 p爆炸噴涂特點： 2.3.4 爆炸噴涂(Detonation-Gun Spraying) （4）適用于大尺寸工件的噴涂 爆炸噴涂過程是在大氣中完成的，工件周圍不需要真空或其它保護氣體，噴槍 和工件均可采用移動工作方式，因而適用于對大型工件進行噴涂。 73 p涂層性能： 2.3.4 爆炸噴涂(Detonation-Gun Spraying) 爆炸噴涂涂層的爆炸噴涂涂層的孔隙率孔隙率非常?。悍浅Ｐ。篧C-Co涂層的報道值是涂層的報道值是0.5%， Al2O3涂層的報道值是的報道值是2%（Tuck

38、er，1982）。）。 拉伸強度和粘結強度拉伸強度和粘結強度分別達分別達83 MPa和和70 MPa。 涂層厚度不超過涂層厚度不超過300 m。 74 2.3.5 超音速噴涂 超音速噴涂包括：超音速粉末火焰噴涂（High-Velocity Oxy-Fuel (HVOF) Spraying或Active Combustion High Velocity Air-Fuel (AC- HVAF) Spraying）和超音速等離子噴涂兩種。 火焰含氧少，溫度適中，焰流速度很高，能有效地防止粉末涂層材 料的氧化和分解，故特別適合碳化物類涂層的噴涂。 75 p超音速噴涂特點： 2.3.5 超音速噴涂 涂層

39、致密，孔隙率很小，結合強度高涂層致密，孔隙率很小，結合強度高，涂層表面光滑，焰流溫，涂層表面光滑，焰流溫 度高、速度大。度高、速度大。 可噴涂可噴涂高熔點高熔點材料，熔粒與周圍大氣接觸時間短，噴涂材料不材料，熔粒與周圍大氣接觸時間短，噴涂材料不 受損害，涂層硬度高。受損害，涂層硬度高。 噴涂效率高，涂層厚度可達數mm。 76 p超音速粉末火焰HVOF噴槍： 2.3.5 超音速噴涂 77 p超音速粉末火焰HVOF噴涂： 2.3.5 超音速噴涂 78 p超音速粉末火焰HVOF噴涂： 2.3.5 超音速噴涂 燃料氣體（丙烷、丙烯或氫氣）和助燃劑（氧氣）以一定的比例 輸入燃燒室，燃氣和氧氣在燃燒室爆炸

40、或燃燒，并產生高速熱氣流； 同時由載氣（Ar或N2）沿噴管中心套管將噴涂粉末送入高溫射流，粉 末加熱熔化和加速。整個噴槍由循環(huán)水冷卻，射流通過噴管時受到水 冷壁的壓縮，離開噴嘴后燃燒氣體迅速膨脹，產生達2倍以上音速的超 音速火焰，并將熔融微粒噴射到基材表面形成涂層。 79 p超音速粉末火焰HVOF噴槍實物圖： 2.3.5 超音速噴涂 80 p超音速粉末火焰AC-HVAF噴涂： 2.3.5 超音速噴涂 u AC-HVAF（活性燃燒高速燃氣）噴涂工藝是介于傳統(tǒng)超音速火焰（HVOF） 噴涂和冷噴涂（CGS）之間的新噴涂工藝，其特點是通過壓縮空氣與燃料燃 燒產生高速氣流加熱粉末，使粉末在低于熔點的溫度

41、下被加速至高速 （700m/s以上），并撞擊基體，形成極低氧化物含量和極高致密度的涂層。 u AC-HVAF對噴涂材料的熱退化影響非常低，制備的涂層表現(xiàn)出卓越的耐磨損 及耐腐蝕特性；且生產效率高，其噴涂速率是HVOF的510倍，沉積效率也優(yōu) 于HVOF。 81 p超音速粉末火焰AC-HVAF設施實物圖： 2.3.5 超音速噴涂 82 p超音速粉末火焰噴涂特點： 2.3.5 超音速噴涂 焰流及熔粒速度極高焰流及熔粒速度極高，焰流速度可達音速的，焰流速度可達音速的2倍以上，熔粒速度可倍以上，熔粒速度可 達達300700m/s。 粉末在火焰中加熱時間長，能均勻地受熱熔融，產生集中的噴射流粉末在火焰中

42、加熱時間長，能均勻地受熱熔融，產生集中的噴射流 。 采用的粉末細，一般為采用的粉末細，一般為545m，因而可獲得表面，因而可獲得表面光滑光滑的涂層。的涂層。 涂層致密，孔隙率小于涂層致密，孔隙率小于 5，且結合強度高，涂層結合力可達，且結合強度高，涂層結合力可達 100N/m2。 83 p超音速等離子噴涂原理圖： 2.3.5 超音速噴涂 84 p超音速等離子噴涂特點： 2.3.5 超音速噴涂 等離子射流集中，能量密度高，噴嘴外的射流長度為一般等離子噴涂的3-4倍 。 等離子射流速度高，達數倍音速，噴槍熱效率高，可達70%，電弧功率大，可 達200kW。 粉末在弧焰中加熱、加速充分、飛行速度達一

43、般等離子噴涂的6-8倍，噴涂速 率提高510倍。 涂層結合強度高，超過超音速粉末火焰噴涂，涂層氣孔率極低，硬度高。 等離子射流功率大、溫度高，可噴涂任何高熔點的陶瓷材料，這是超音速粉末 火焰噴涂所不及的。 85 各種熱噴涂方法比較 86 噴涂與噴焊的比較 p 工件受熱情況不同工件受熱情況不同噴涂在噴涂在250以下，工件不變形、無組織變化以下，工件不變形、無組織變化 ；噴焊可達；噴焊可達900以上。以上。 p 與基材結合狀態(tài)不同與基材結合狀態(tài)不同噴涂涂層與基體間以噴涂涂層與基體間以機械結合機械結合為主；噴焊的為主；噴焊的 基體發(fā)生合金化，原子間結合，基體發(fā)生合金化，原子間結合，冶金結合冶金結合。

44、 p 所用粉末不同所用粉末不同噴焊為噴焊為自熔性粉末自熔性粉末，噴涂不限。，噴涂不限。 p 涂層結構不同涂層結構不同噴焊噴焊均勻致密均勻致密，無孔隙；噴涂有孔隙。，無孔隙；噴涂有孔隙。 p 承載能力不同承載能力不同噴涂適于面接觸工件，噴焊適于噴涂適于面接觸工件，噴焊適于線接觸線接觸工件。工件。 87 2.3.6 冷噴涂(Cold Gas-Dynamic Spraying) 冷噴涂工藝是利用冷噴涂工藝是利用電能電能把高壓氣流加熱到一定的溫度（把高壓氣流加熱到一定的溫度（ 100600），該氣流再經），該氣流再經拉瓦爾管拉瓦爾管加速產生加速產生超音速超音速的束的束 流，用該束流加速粉末粒子，以超音

45、速撞擊到基體表面流，用該束流加速粉末粒子，以超音速撞擊到基體表面 ，通過固體的塑性變形，形成涂層。，通過固體的塑性變形，形成涂層。 88 p冷噴涂工作原理示意圖： 2.3.6 冷噴涂(Cold Gas-Dynamic Spraying) 89 p冷噴涂工作原理： 2.3.6 冷噴涂(Cold Gas-Dynamic Spraying) 載氣（通常采用載氣（通常采用N2或或He）加壓至加壓至3.5MPa后，經加熱線圈后經加熱線圈后溫度可溫度可 達達873K。 經過一個收縮經過一個收縮擴展型噴嘴（擴展型噴嘴（拉瓦爾管拉瓦爾管）后，工作氣體可達超音 速。 粉末被高溫高壓氣體噴射進噴嘴收縮部位后，急劇

46、加速，同時溫度噴射進噴嘴收縮部位后，急劇加速，同時溫度 升至熔點以下升至熔點以下而軟化，然后轟擊基板表面沉積。軟化，然后轟擊基板表面沉積。 90 p冷噴涂基本條件： 2.3.6 冷噴涂(Cold Gas-Dynamic Spraying) 粒子的速度要達到臨界速度； 基體與噴涂材料都要有一定的塑性變形能力。 材料材料臨界速度值臨界速度值(m/s)(m/s) CuCu560560 FeFe620620 NiNi620620 AlAl680680 91 p冷噴涂涂層優(yōu)點： 2.3.6 冷噴涂(Cold Gas-Dynamic Spraying) 涂層致密，且涂層成分基本上與粉末保持一致； 涂層殘余

47、應力低，涂層厚度基本不受限制； 涂層具有穩(wěn)定的相結構； 工件溫度低，熱影響?。?涂層具有鍛造結構，其硬度高于同樣成分的塊體材料； 92 p冷噴涂涂層優(yōu)點： 2.3.6 冷噴涂(Cold Gas-Dynamic Spraying) 涂層是形變組織，特殊處理后可得到納米結構組織； 沉積的斑點大小可以調節(jié)，省去遮擋工作； 設備運行成本低； 工作環(huán)境好，無高溫輻射、噪音低； 幾乎所有金屬和合金都可以進行噴涂。 93 p冷噴涂涂層微觀結構： 2.3.6 冷噴涂(Cold Gas-Dynamic Spraying) 94 p冷噴涂設備實物圖： 2.3.6 冷噴涂(Cold Gas-Dynamic Spra

48、ying) 95 2.4 熱噴涂涂層功能和應用 抗磨損涂層抗磨損涂層 防腐蝕涂層防腐蝕涂層 熱障涂層熱障涂層 耐熔融金屬涂層耐熔融金屬涂層 96 抗磨損涂層 p 抗磨料磨損涂層抗磨料磨損涂層 許多機件，如各種破碎機、泥漿泵、農用機械及混凝土攪拌機許多機件，如各種破碎機、泥漿泵、農用機械及混凝土攪拌機 等等工程機械，往往因遭受硬物、巖石、泥沙等磨料的磨損而失程機械，往往因遭受硬物、巖石、泥沙等磨料的磨損而失 效。效。 在此類機件表面噴涂某些鐵基、鎳基、鈷基材料或在這些噴涂在此類機件表面噴涂某些鐵基、鎳基、鈷基材料或在這些噴涂 材料中加入材料中加入WC、Al2O3、Cr2O3、ZnO2等陶瓷顆粒獲

49、得復合涂等陶瓷顆粒獲得復合涂 層，可顯著提高其抗磨料磨損性能。層，可顯著提高其抗磨料磨損性能。 97 抗磨損涂層 p 抗粘著磨損涂層 在機件表面噴涂鐵、鎳基或鈷基的WC、Al復合涂層，或噴涂 陶瓷，將增大或改變摩擦副間的物理、化學晶體結構的差異和 性質，從而提高機械的抗粘著磨損性能。 另外，在邊界潤滑條件下，鉬具有優(yōu)異的耐粘著磨損性能。 98 抗磨損涂層 p 耐微動磨損涂層 凸輪從動件、汽缸襯套、導葉、渦輪葉片等機件常因微動磨損 而失效。 噴涂自熔合金、氧化物或碳化物金屬陶瓷、某些Ni、Fe、Co 基材料可顯著提高機件的抗微動磨損性能。 99 抗磨損涂層 p 耐熱磨損涂層 各種熱作模具、軋管定

50、徑穿孔機、壓鑄模具以及粉末冶金模具 等，其不僅服役在較高的溫度環(huán)境下，且遭受磨損、擠壓、沖 擊及冷熱疲勞作用。 可噴涂鈷基自熔合金、Ni/Al以及陶瓷來提高耐熱磨損性能。 100 抗磨損涂層 p 耐沖蝕磨損和耐氣蝕磨損涂層 各種風機、水電閥等的失效主要由于沖蝕磨損引起，而水輪機 葉片、噴頭及各種汽缸襯套常因氣蝕磨損而失效。 可噴涂Ni基自熔合金、自熔合金加銅粉、不銹鋼、WC復合粉 末顯著提高機件的耐沖蝕磨損和耐氣蝕磨損能力。 101 防腐蝕涂層 Zn、Al、Zn-Al合金涂層對鋼鐵具有良好的防護作用，這不僅與陰 極保護作用有關，涂層本身也具有良好的抗腐蝕作用。 處于室外工業(yè)氣氛中的鋼件，若氣氛

51、呈堿性，可采用Zn涂層；若 氣氛中硫或硫化物含量高，可采用Al涂層；如橋梁、輸電線、鋼 結構件、高速公路護欄、照明燈稈等可噴涂Zn或Al涂層進行長效 防腐。 102 防腐蝕涂層 處于鹽氣霧中的鋼件，如海岸邊的金屬構件、甲板、發(fā)射天線、海 上吊橋等均可噴涂Al、Zn或其合金進行長效防腐，一般二三十年不 需要維護。 長期處于水中的鋼件，如船體、鋼體河樁及橋墩等可噴涂Al進行長 期防腐。耐飲用水的涂層可用Zn，涂層不需封孔，如淡水儲器、輸 送器等。耐熱淡水的涂層可用Zn，但涂層帶封孔，如熱交換器、蒸 汽凈化設備及處于蒸汽中的鋼件。 103 ZrO2、Al2O3等陶瓷涂層，等陶瓷涂層，熔點高，導熱系數低，在高溫條件下對低，在高溫條件下對 基體金屬具有良好的基體金屬具有良好的隔熱保護作用隔熱保