第四章熱噴涂技術(shù)

1、 4.1.1 熱噴涂的定義 熱噴涂（Thermal Spraying）是利用熱源將噴涂材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，用高速氣流將其霧化并噴射到基體表面形成涂層的技術(shù)。 如果將噴涂層再加熱重熔，則產(chǎn)生冶金結(jié)合，這種方法稱(chēng)為噴焊。 熱噴涂方法的多樣性、制備涂層的廣泛性和應(yīng)用上的經(jīng)濟(jì)性是熱噴涂技術(shù)最突出的特點(diǎn)1.熱噴涂的基本過(guò)程 從噴涂材料進(jìn)入熱源到形成涂層，噴涂過(guò)程一般經(jīng)歷四個(gè)階段： （1）噴涂材料被加熱到熔化或半熔化狀態(tài) 用線(xiàn)材作為噴涂材料，當(dāng)其端部進(jìn)入熱源高溫區(qū)域，即被加熱熔化。粉末材料則是進(jìn)入熱源高溫區(qū)域，在行進(jìn)的過(guò)程中被加熱熔化或軟化。 （2）噴涂材料的熔滴被霧化 熔化的線(xiàn)材形成的熔滴在外加

2、壓縮氣流或熱源自身射流作用下脫離線(xiàn)材，同時(shí)霧化成更微細(xì)的熔滴向前噴射。粉末沒(méi)有霧化過(guò)程，直接在氣流或熱源射流作用下向前噴射。 （3）霧化或軟化的微細(xì)顆粒噴射飛行 微細(xì)顆粒首先被加速形成粒子流，再向前噴射飛行，隨著飛行距離的增加，粒子流運(yùn)動(dòng)速度逐漸減慢 。 （4）微細(xì)顆粒撞擊基體表面并形成涂層 噴涂材料的霧滴以一定的動(dòng)能沖擊基體表面，產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞，顆粒的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能并部分傳遞給基體，顆粒在凹凸不平的表面產(chǎn)生變形，鋪展成扁平狀并迅速凝固為薄片涂層；在凝固后的0.1s內(nèi)，環(huán)境和熱氣流繼續(xù)影響著已形成的扁平狀涂層；在粒子束連續(xù)不斷地運(yùn)動(dòng)并撞擊表面的條件下，每隔0.1s，又形成一層薄片，后形成的薄片

3、通過(guò)已形成的薄片向基體或涂層進(jìn)行熱傳導(dǎo)，逐漸形成層狀結(jié)構(gòu)的涂層。2.涂層的結(jié)構(gòu) 噴涂層的結(jié)構(gòu)取決于其形成過(guò)程，涂層是由無(wú)數(shù)變形粒子相互交錯(cuò)呈波浪式堆疊在一起而形成的層狀組織結(jié)構(gòu)。在噴涂過(guò)程中，由于熔融的微細(xì)顆粒與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，噴涂后表面涂層中會(huì)出現(xiàn)氧化物。 熱噴涂涂層的層狀結(jié)構(gòu)決定了涂層的性能呈現(xiàn)出明顯的方向性，在垂直和平行涂層方向上的性能有顯著的差異。對(duì)涂層進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砣缰厝?，既能夠使層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫|(zhì)結(jié)構(gòu)，還可以消除涂層中的氧化物夾雜和氣孔。 涂層內(nèi)有一定比例的孔隙，產(chǎn)生原因是：（1） 顆粒的陸續(xù)堆疊和部分顆粒的反彈散失；（2） 涂層材料凝固收縮時(shí)形成的空隙。 孔隙將降低涂層的

4、硬度、耐磨性和耐蝕性。 涂層內(nèi)的氧化夾雜物含量及涂層的致密度取決于加熱源、噴涂材料及噴涂工藝。 3.涂層的結(jié)合方式 涂層的結(jié)合包括涂層與基體的結(jié)合及涂層內(nèi)部的結(jié)合，一般，稱(chēng)前者的結(jié)合強(qiáng)度為結(jié)合力，后者的結(jié)合強(qiáng)度為內(nèi)聚力。由于熱噴涂時(shí)材料的形態(tài)和涂層的組成有較大的差別，它們與基體的結(jié)合形式也明顯的不同。（1）機(jī)械結(jié)合 熔融態(tài)的粒子撞擊到基體后，鋪展在凹凸不平的表面上，與微觀起伏的表面相互嵌合，形成的機(jī)械咬合。一般，涂層與基體表面的結(jié)合主要是機(jī)械結(jié)合。機(jī)械結(jié)合的強(qiáng)弱與基材表面的微觀粗糙程度密切相關(guān)，在現(xiàn)場(chǎng)操作中，待噴涂基體表面的粗化處理已成為不可缺少的重要的預(yù)處理工序。（2）物理結(jié)合 借助于分子（

5、原子）之間的范德華力使噴涂層附著于基體表面的結(jié)合方式。當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的熔融粒子撞擊基體表面、充分變形后，涂層原子或分子與基體表面原子之間的距離接近晶格的尺寸時(shí)，就進(jìn)人了范德華力的作用范圍。范德華力雖然不大，但在涂層與基體的結(jié)合中是一種不可忽視的作用。（3）冶金結(jié)合 當(dāng)熔融的微細(xì)顆粒高速撞擊基體表面時(shí)，涂層和基體界面出現(xiàn)擴(kuò)散和合金化時(shí)的一種結(jié)合方式。涂層材料在基體表面的結(jié)晶過(guò)程，基本上不是對(duì)基體晶格的外延，大多數(shù)情況是由于涂層與基體的反應(yīng)，在結(jié)合界面上生成金屬間化合物或固溶體。當(dāng)對(duì)噴涂層進(jìn)行重熔時(shí)，涂層與基體的結(jié)合主要是冶金結(jié)合。 熔融液滴對(duì)基體表面的潤(rùn)濕能力、涂層的孔隙率、凝固顆粒表面氧化物的結(jié)構(gòu)

6、、基體的表面狀況（表面潔凈程度、表面粗糙度、表面溫度）等都會(huì)對(duì)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響。 4、涂層的殘余應(yīng)力一般，熱噴涂涂層存在著明顯的殘余應(yīng)力。當(dāng)熔融顆粒高速碰撞基體表面時(shí)，在產(chǎn)生變形的同時(shí)快速冷卻凝固，產(chǎn)生微觀收縮效應(yīng)，涂層受到拉應(yīng)力作用，容易形成微裂紋。涂層中的這種殘余應(yīng)力主要是由熱噴涂條件、涂層與基體熱膨脹系數(shù)的差異所造成的，它降低了涂層的結(jié)合強(qiáng)度，影響涂層質(zhì)量，采用過(guò)渡涂層可以大大降低殘余應(yīng)力。 涂層冷凝收縮時(shí)，涂層外層的拉應(yīng)力、涂層內(nèi)層的壓應(yīng)力、組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的微觀應(yīng)力，結(jié)果使涂層產(chǎn)生殘余張應(yīng)力，應(yīng)力大小與涂層厚度成正比，當(dāng)張應(yīng)力超過(guò)涂層與基材之間結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，涂層就會(huì)發(fā)生破

7、壞。 殘余應(yīng)力限制了涂層的厚度。減少涂層殘余應(yīng)力措施：（1） 調(diào)整噴涂工藝參數(shù)；（2）致密涂層的殘余應(yīng)力要比疏松涂層大；（3） 采用梯度過(guò)渡層緩和涂層內(nèi)應(yīng)力。 1、熱噴涂的分類(lèi)按照噴涂材料、涂層的加熱和結(jié)合方式的差別，可將熱噴涂分為噴涂和噴焊兩種。根據(jù)熱噴涂時(shí)熱源、噴涂材料的不同，可將熱噴涂分為氣體燃燒熱源、氣體放電熱源、電熱熱源和激光熱源等熱噴涂方法。熱噴涂方法分類(lèi)2.熱噴涂特點(diǎn)（1）適用面寬 幾乎所有的工程材料都可以作為熱噴涂的基材，包括金屬材料、陶瓷材料、非晶態(tài)材料和木材、布、紙等。涂層材料的種類(lèi)也非常廣泛，可以是金屬及其合金、塑料、陶瓷以及它們的復(fù)合材料。（2）工藝靈活 噴涂的工件不受

8、尺寸和形狀約束，既可以進(jìn)行整體噴涂，又能夠?qū)嵤┚植勘砻鎳娡?。既可用于橋梁、鐵塔等大型結(jié)構(gòu)件，又可在尺寸僅為數(shù)毫米的孔槽中形成涂層。既可在真空或控制氣氛中噴涂，也可以方便地在野外施工。（3）厚度可調(diào) 根據(jù)需求，熱噴涂的涂層厚度可在數(shù)微米至數(shù)毫米（0.15mm）內(nèi)調(diào)節(jié)。（4）基體變形小 在大多數(shù)噴涂過(guò)程中，基材受熱溫度低，一般不超過(guò)250，工件變形小，母材的組織和性能基本不會(huì)發(fā)生變化。（5）生產(chǎn)率高 一般，大多數(shù)噴涂工藝都能夠達(dá)到每小時(shí)數(shù)千克的噴涂量，有的生產(chǎn)率甚至可超過(guò)50kg/h。 熱噴涂的局限性 熱效率低，材料利用率低、浪費(fèi)大以及涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較低 噴涂方法的操作環(huán)境較差，要求采取勞動(dòng)保

9、護(hù)和環(huán)境保護(hù)措施。 熱噴涂在化工行業(yè)中的典型應(yīng)用有如下幾個(gè)方面： 1、以低級(jí)材質(zhì)和加熱噴涂層取代不銹鋼、鈦合金等高級(jí)材質(zhì)不銹鋼。 2、可作為化工反應(yīng)罐、貯罐、攪拌裝置和管道的防腐涂層。 3、可作為搪玻璃設(shè)備崩瓷損壞的良好修補(bǔ)層。 4.2.1 熱噴涂材料的分類(lèi)及特點(diǎn) 1、熱噴涂材料的分類(lèi) 1）按性質(zhì)分：金屬與合金、陶瓷、有機(jī)塑料和復(fù)合材料等 2）按用途分：防腐材料、耐磨材料、耐高溫?zé)嵴喜牧?、減摩材料及其他功能材料。 3）按形態(tài)分：粉末、線(xiàn)材和棒材 不同形狀的熱噴涂材料 1）熱穩(wěn)定性好：在高溫焰流中不升華，不分解。 2）固態(tài)流動(dòng)性好：有較寬的液相區(qū)，使熔滴在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持液相。 3）潤(rùn)濕性好：噴涂

10、材料在熔融狀態(tài)下應(yīng)和基材有較好的浸潤(rùn)性，以保證涂層與基材之間有良好的結(jié)合性能。 4）線(xiàn)膨脹系數(shù)差?。号c基材有相近的熱膨脹系數(shù)，以防止因膨脹系數(shù)相差過(guò)大產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。（1） 要把實(shí)用性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性結(jié)合起來(lái)考慮，盡量選擇合理的噴涂材料。（2） 對(duì)于重要的部件以獲得最優(yōu)涂層性能為準(zhǔn)則；不十分重要的部件則以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益為準(zhǔn)則。（3） 根據(jù)工件的工作環(huán)境選擇合適的工作涂層。（4） 為滿(mǎn)足噴涂工件的使用要求，可采用復(fù)合涂層和梯度涂層。 熱噴涂材料的選材原則熱噴涂材料的選材原則 1、非復(fù)合噴涂線(xiàn)材 1）Zn及Zn合金噴涂絲 在鋼鐵件上，只要噴涂0.2mm的鋅層，就可以在大氣、淡水、海水中保持幾

11、年至幾十年不銹蝕。在鋅中加鋁可提高涂層的耐蝕性能，若鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，則耐蝕性最佳。 2）Al及Al合金噴涂絲 鋁的抗腐蝕性很強(qiáng)。在鋁及鋁合金中加入稀土不僅能提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度而且可降低孔隙率。鋁可作為鋼的抗高溫氧化涂層。鋁除能形成穩(wěn)定的氧化膜外，在高溫下還能在鐵基體中擴(kuò)散，與鐵發(fā)生作用生成抗高溫氧化涂層的Fe3Al金屬間化合物，提高了鋼材的耐熱性，因此鋁可用于耐熱涂層。一般用作熱噴涂材料的鋁絲純度應(yīng)大于99.7%。 3）Cu及Cu合金噴涂絲 純銅不耐海水腐蝕，主要用作電器開(kāi)關(guān)的導(dǎo)電涂層、工藝品和水泥等建筑表面的裝飾涂層。 黃銅具有一定的耐磨性、耐腐性，多用于修復(fù)磨損及超差工件。 黃銅中加

12、入1%左右的錫，可提高黃銅耐海水腐蝕性能，故有海軍黃銅之美譽(yù)。 鋁青銅的強(qiáng)度高于一般青銅，耐海水、硫酸和鹽酸的腐蝕，可作為打底涂層。 4）Ni及Ni合金噴涂絲 鎳涂層即使在1000攝氏度高溫下也具有很高的抗氧化性能，在鹽酸和硫酸中也具有較高的耐蝕性。 Ni-Cr合金涂層作為耐磨、耐高溫涂層，可在8001100攝氏度高溫下使用，但其耐硫化氫、亞硫酸氣體及鹽類(lèi)腐蝕性能較差。 Ni-Cu-Fe合金涂層具有優(yōu)異的耐海水和稀硫酸腐蝕性能，具有較高的非強(qiáng)氧化性酸的耐蝕性能，但耐亞硫酸腐蝕性能較低。 5）不銹鋼噴涂絲 用于焊接的不銹鋼絲均可作為熱噴涂絲材。 鉻不銹鋼主要用于對(duì)強(qiáng)度和硬度要求較高、耐蝕性要求不

13、太高的場(chǎng)合，其涂層不易開(kāi)裂，適宜作為軸類(lèi)零件層。 鎳鉻不銹鋼有良好的工藝性能，在多數(shù)酸、堿介質(zhì)中具有優(yōu)異的耐腐蝕性和耐磨性，用于噴涂水泵軸等。 6）Mo噴涂絲 鉬是一種自黏結(jié)材料，可與黑色金屬、鎳合金、鎂合金、鋁合金等形成牢固的結(jié)合，常用作打底層材料。 鉬是金屬中唯一能耐熱鹽酸腐蝕的金屬；鉬與氫不發(fā)生反應(yīng)，可用于氫氣保護(hù)或真空條件下的高溫涂層；鉬涂層中會(huì)殘留一部分MoS2雜質(zhì)，或與硫發(fā)生反應(yīng)生成MoS2固體潤(rùn)滑膜，適用于噴涂活塞環(huán)和摩擦片。 但鉬不能作為銅和銅合金、鍍鉻表面和硅鐵表面的涂層。 7）碳鋼及低合金噴涂絲 在噴涂過(guò)程中，碳及合金元素有所燒損，易造成涂層多孔和存在氧化物夾雜等缺陷，但仍

14、可獲得具有一定硬度和耐磨性的涂層，廣泛用于耐磨損的機(jī)件和尺寸的修復(fù)。 2、復(fù)合噴涂線(xiàn)材 復(fù)合噴涂線(xiàn)材就是把兩種或兩種以上的材料機(jī)械復(fù)合壓制成的噴涂線(xiàn)材。 大部分復(fù)合噴涂線(xiàn)材都具有自黏結(jié)（放熱反應(yīng)）功能，即在噴涂過(guò)程中不同組元相互發(fā)生放熱反應(yīng)生成化合物，反應(yīng)熱與火焰熱相疊加，提高了熔滴溫度，到達(dá)基體后會(huì)使基體局部熔化產(chǎn)生短時(shí)高溫?cái)U(kuò)散，形成顯微冶金結(jié)合，從而提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。 1）Ni-Al復(fù)合絲 噴涂中生成金屬間化合物，并釋放出大量的反應(yīng)熱，對(duì)基體表面起著補(bǔ)充加熱作用，從而使涂層與基體表面產(chǎn)生顯微冶金結(jié)合。 所形成的涂層表面比較粗糙，易于再?lài)娡科渌牧?，常作為打底層?涂層中的金屬間化合物，其

15、熔點(diǎn)高，高溫強(qiáng)度及韌性好，化學(xué)穩(wěn)定性高，使涂層具有耐高溫、抗氧化、耐磨等優(yōu)良綜合性能，也可作為工作涂層。 2）不銹鋼復(fù)合絲 由不銹鋼、鎳、鋁等幾種合金元素復(fù)合而成。 其特點(diǎn)是既有Ni-Al放熱反應(yīng)，又有其他強(qiáng)化元素改善性能，可用于“一步”噴涂，即涂層同時(shí)具有打底層和工作層功能，尤其適合火焰噴涂， 主要應(yīng)用于油泵轉(zhuǎn)子、軸承、汽缸襯里和機(jī)械導(dǎo)軌的表面層。 3）Al-Cr2O3藥芯管狀復(fù)合絲 用鋁皮包覆Cr2O3藥芯可制備成分為62% Al-38%Cr2O3的管狀復(fù)合絲。 反應(yīng)熱焰比Ni-Al復(fù)合絲的反應(yīng)熱焰要高得多。涂層組織為金屬Cr基體中均勻分布的Al2O3硬質(zhì)顆粒相，具有耐熱、耐磨及耐蝕特性。

16、 1、噴涂合金粉末 又稱(chēng)冷噴合金粉末，這種粉末不需要或不能進(jìn)行重熔處理。 打底層粉末用來(lái)增加涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度； 工作層粉末保證涂層具有所要求的使用性能。 主要包括鐵基、鎳基、鈷基、銅基和鋁基等合金粉末。 2、自熔性合金粉末 又稱(chēng)噴焊合金粉末，主要用于噴焊技術(shù)，即噴涂后進(jìn)行重熔處理。所謂自熔性合金是指熔點(diǎn)較低，重熔過(guò)程中能自行脫氧、造渣，能“潤(rùn)濕”基體表面而呈冶金結(jié)合的一類(lèi)合金。 絕大多數(shù)自熔性合金粉末都是在鈷基、鎳基、鐵基合金中添加適量的B、Si元素而制成的。 1）Co基自熔性合金粉末 主要成分是Co、Cr、W元素。 Co和Cr生成穩(wěn)定的固溶體，在固溶體基體上彌散分布Cr、W的碳化物、硼化

17、物，所以涂層具有很高的高溫硬度、耐磨性和抗氧化性能。 2）Ni基自熔性合金粉末 Ni-B-Si系涂層的硬度不太高，但塑形、韌性和抗氧化性較好； Ni-Cr-B-Si系涂層應(yīng)用最為廣泛，具有較高的強(qiáng)度、耐磨性和抗氧化性。 3）Fe基自熔性合金粉末 不銹鋼型：具有較高的耐磨、耐蝕和耐熱性能； 高鉻鑄鐵型：涂層的硬度和耐磨性很高，但脆性大。 3、陶瓷粉末 特點(diǎn)是硬度高，熔點(diǎn)高，脆性大。 可獲得耐磨、耐蝕、耐熱、絕緣、磁屏蔽等優(yōu)異的性能 1）氧化物 絕緣性能好，熱導(dǎo)率低，高溫強(qiáng)度高等特點(diǎn)，適宜作熱屏蔽和電絕緣涂層。 2）碳化物：主要有WC、SiC等，往往采用鈷或鎳包覆碳化物，以防止噴涂時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的失碳

18、現(xiàn)象。 3）生物陶瓷：用于人工股骨頭和種植體表面噴涂。 4、塑料粉末 在金屬和非金屬表面噴涂塑料，具有美觀、耐蝕的性能。若在塑料粉末中添加硬質(zhì)相，還可使涂層具有一定的耐磨性。 用于熱噴涂的塑料顆粒要求熱分解溫度要遠(yuǎn)高于熔化溫度，顆粒融化后黏度要低，顆粒不能過(guò)大或過(guò)小，否則會(huì)造成難熔或引起過(guò)熱分解。 1）熱塑性樹(shù)脂 特點(diǎn)是受熱后軟化、熔融，冷卻后再恢復(fù)，反復(fù)多次而基本結(jié)構(gòu)不變。 一般具有優(yōu)良的抗化學(xué)性、韌性和彎曲性。 2）熱固性樹(shù)脂 特點(diǎn)是受熱后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，固化成型，再加熱時(shí)不可逆轉(zhuǎn)。 分子量較低，具有較好的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性 3）改性樹(shù)脂 在塑料粉末中混入填料能改善涂層的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。

19、5、噴涂復(fù)合粉末 復(fù)合粉末是指單顆粒由兩種或兩種以上不同成分的固相材料所組成，并存在明顯的相界面，組元間一般為機(jī)械結(jié)合。 制備復(fù)合粉末的方法主要有液相或氣相沉積的包覆粉，有機(jī)黏結(jié)劑黏結(jié)的團(tuán)聚粉或固相燒結(jié)破碎的復(fù)合粉。 復(fù)合粉的粉粒是非均相體，在熱噴涂作用下形成廣泛的材料組合，從而使涂層具有多功能性。 1）Ni-Al復(fù)合粉末 Ni/Al復(fù)合粉末是利用氫還原法將鋁的表面包覆一層鎳而形成的復(fù)合粉末； Al/Ni復(fù)合粉末是采用團(tuán)聚法將微細(xì)鋁粉均勻完整地包覆在鎳粉表面而形成的復(fù)合粉末。 2）自黏結(jié)一次性復(fù)合粉末 將自黏結(jié)復(fù)合粉末與工作粉末融為一體，在噴涂過(guò)程中既有放熱反應(yīng)產(chǎn)生自黏結(jié)效應(yīng)，同時(shí)形成的涂層又有工作層的性能要求。 優(yōu)點(diǎn)：噴涂時(shí)不必先噴涂打底層，直接形成具有冶金結(jié)合的涂層，大大簡(jiǎn)化噴涂工藝。 3）工作復(fù)合粉 不具有自黏結(jié)性，噴涂前須先噴涂打底層。 a)硬質(zhì)耐磨復(fù)合粉末：以各種碳化物硬質(zhì)顆粒作芯核，用金屬或合金做包覆材料（Co/WC）。 b)減摩自潤(rùn)滑復(fù)合粉末：芯核材料為低摩擦系數(shù)、低硬度的自潤(rùn)滑軟質(zhì)顆粒。 c)耐高溫和隔