第五章熱噴涂技術(shù)

1、2022-3-281第五章 熱噴涂技術(shù)2022-3-282熱噴涂 熱噴涂技術(shù)是采用氣體、液體燃料或電弧、等離子弧、激光等作熱源，使金屬、合金、金屬陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它們的復(fù)合材料等噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，通過(guò)高速氣流使其霧化，然后噴射、沉積到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的工件表面，從而形成附著牢固的表面層的加工方法。2022-3-283熱噴涂特性 熱噴涂能達(dá)到各種性能目的： 耐磨、耐熱、耐腐蝕、抗氧化和潤(rùn)滑。 適用材料廣： 金屬、合金、陶瓷、水泥、塑料、石膏、木材等。 噴涂層厚度達(dá)0.5-5mm，而且對(duì)基體材料的組織和性能影響很小。2022-3-284一、熱噴涂原理 1噴涂涂層形成過(guò)程和涂層

2、形成原理2022-3-2852涂層結(jié)構(gòu) 2022-3-286涂層的結(jié)構(gòu) 涂層是層狀結(jié)構(gòu)，是一層一層堆積而成 . 涂層的性能具有方向性，垂直和平行涂層方向上的性能是不一致的。 部分孔隙或空洞，其孔隙率一般在420之間。涂層中伴有氧化物和夾雜。 涂層經(jīng)適當(dāng)處理后，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。 2022-3-2873涂層結(jié)合機(jī)理 涂層的結(jié)合包括涂層與基體表面的結(jié)合和涂層內(nèi)部的結(jié)合。 結(jié)合力：涂層與基體表面的結(jié)合強(qiáng)度。 內(nèi)聚力：涂層內(nèi)部的結(jié)合強(qiáng)度。 2022-3-288涂層結(jié)合機(jī)理 （1）機(jī)械結(jié)合。 碰撞成扁平狀并隨基體表面起伏的顆粒，由于和凹凸不平的表面互相嵌合，形成機(jī)械釘扎而結(jié)合。 一般說(shuō)來(lái)，涂層與基體表面的

3、結(jié)合以機(jī)械結(jié)合為主。 2022-3-289（2）冶金-化學(xué)結(jié)合。 這是當(dāng)涂層和基體表面出現(xiàn)擴(kuò)散和合金化時(shí)的一種結(jié)合類型，包括在結(jié)合面上生成金屬間化合物或固溶體。 當(dāng)噴涂后進(jìn)行重熔即噴焊時(shí)，噴焊層與基體的結(jié)合主要是冶金結(jié)合。 （3）物理結(jié)合 顆粒對(duì)基體表面的結(jié)合，是由范德華力或次價(jià)鍵形成的結(jié)合。 2022-3-28104涂層殘余應(yīng)力當(dāng)熔融顆粒碰撞基體表面時(shí)，在產(chǎn)生變形的同時(shí)受到激冷而凝固，從而產(chǎn)生微觀收縮應(yīng)力，涂層的外層受拉應(yīng)力；基體，有時(shí)也包括涂層的內(nèi)層則產(chǎn)生壓應(yīng)力。涂層中的這種殘余應(yīng)力是由噴涂熱條件及噴涂材料與基體材料物理性質(zhì)的差異所造成的，它影響涂層質(zhì)量，限制涂層的厚度。工藝上要采取措施以

4、消除和減少涂層殘余應(yīng)力。2022-3-2811二、熱噴涂的種類和特點(diǎn) 1熱噴涂種類 按涂層加熱和結(jié)合方式，熱噴涂有噴涂和噴熔兩種。 熱噴涂：基體不熔化，涂層與基體形成機(jī)械結(jié)合； 噴熔：是涂層經(jīng)再加熱重熔，涂層與基體互溶并擴(kuò)散形成冶金結(jié)合。它們與堆焊的根本區(qū)別都在于母材基體不熔化或極少溶化。2022-3-2812熱噴涂技術(shù)按照加熱噴涂材料的熱源種類分為： 火焰噴涂、 電弧噴涂、 高頻噴涂、 等離子弧噴涂（超音速噴涂）、 爆炸噴涂、 激光噴涂和重熔、 電子束噴涂。 2022-3-28132022-3-28142022-3-28152022-3-28162熱噴涂特點(diǎn) （l）適用范圍廣。 涂層材料可以

5、是金屬和非金屬（如聚乙烯、尼龍等塑料，氧化物、氮化硅、氨化硼等陶瓷）以及復(fù)合材料。 被噴涂工件也可以是金屬和非金屬（如木材）。 用復(fù)合粉末噴成的復(fù)合涂層可以把金屬和塑料或陶瓷結(jié)合起來(lái)，獲得良好的綜合性能。其他方法難以達(dá)到。 2022-3-2817（2）工藝靈活 施工對(duì)象小到10mm內(nèi)孔，大到鐵塔、橋梁等大型結(jié)構(gòu)。 噴涂既可在整體表面上進(jìn)行，也可在指定區(qū)域內(nèi)涂敷， 既可在真空或控制氣氛中噴涂活性材料，也可在野外現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。 2022-3-2818（3）工件受熱程度可以控制 除噴熔外，熱噴涂是一種冷工藝. 例如氧-乙炔焰噴涂、等離子噴涂或爆炸噴涂，工件受熱程度均不超過(guò)250，工件不會(huì)發(fā)生畸變，不改變

6、工件的金相組織。 2022-3-2819 （4）噴涂層的厚度可調(diào)范圍大 涂層厚度可從幾十微米到幾毫米，表面光滑，加工量少。用特細(xì)粉末噴涂時(shí)，不加研磨即可使用。（5）生產(chǎn)率高 大多數(shù)工藝方法的生產(chǎn)率可達(dá)到每小時(shí)噴涂數(shù)千克噴涂材料，有些工藝方法可高達(dá)50kgh以上。 2022-3-2820三、熱噴涂預(yù)處理 是噴涂工藝中一個(gè)重要工序 為了提高涂層與基體表面的結(jié)合強(qiáng)度，在噴涂前，對(duì)基體表面進(jìn)行清洗、脫脂和表面粗糙化等預(yù)處理，是噴涂工藝中一個(gè)重要工序。 2022-3-28211基體表面的清洗、脫脂 （l）堿洗法。堿洗法是將基體表面放到氫氧化鈉或碳酸鈉等堿性溶液中，待基體表面的油脂溶解后，再用水沖洗干凈。

7、 （2）溶液洗滌法。溶液洗滌法是采用揮發(fā)性溶液，如雨酮、汽油、三氯乙烯和過(guò)氯乙烷乙烯等，它們的主要作用是把基體表面的礦物油溶解掉，再加以清除。2022-3-2822（3）蒸氣清洗法。 蒸氣清洗法是采用三氯乙烯蒸氣進(jìn)行清洗，盡管這種方法的清洗效果很好，但是對(duì)人體有一定的危害。2022-3-2823（4）對(duì)疏松表面的清洗、脫脂 對(duì)疏松表面（如鑄鐵件）的清洗、脫脂是比較困難的。 盡管油脂不在工件表面，但在噴涂時(shí)，由于基體表面的溫度升高，疏松孔中的油脂就會(huì)滲透到基體表面，對(duì)涂層與基體的結(jié)合極為不利。因此，對(duì)疏松基體表面，經(jīng)過(guò)清洗、脫脂后，還需要將其表面加熱到250左右，盡量將油脂滲透到表面，然后再加以

8、清洗。 2022-3-28242基體表面氧化膜的處理 一般采用機(jī)械方法去氧化膜： 如切削加工方法和人工除銹法，也可以采用硫酸或鹽酸進(jìn)行酸洗。 2022-3-28253基體表面的粗化處理 是提高涂層與基體表面機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度的一個(gè)重要措施。 噴涂前4h8h內(nèi)必須對(duì)工件表面進(jìn)行粗糙化處理。常用的表面粗化處理方法如下： （1）噴砂法 噴砂是最常用的粗糙化工藝方法。砂粒有冷硬鐵砂、氧化鋁砂、碳化硅砂等多種，可根據(jù)工件表面的硬度選擇使用。 2022-3-2826（2）機(jī)械加工法 對(duì)軸、套類零件表面的粗化處理，可采用挑扣、開(kāi)槽、滾花等簡(jiǎn)便切削加工方法，這樣它可限制涂層的收縮應(yīng)力，增加涂層與基體表面的接觸面積，

9、提高涂層與基體以及涂層間的結(jié)合強(qiáng)度。 對(duì)涂層結(jié)合力要求不高的軸類工件，可在要求修復(fù)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行車螺紋和滾壓處理，形成粗糙表面，一般為每厘米10條紋左右。 需高結(jié)合力時(shí)，則可車20條左右。車削形狀為階梯狀，階梯的尖角最好加工成圓角，噴涂后不易產(chǎn)生缺陷。 2022-3-2827（3）化學(xué)腐蝕法 基體表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕，由于晶粒上各個(gè)晶面的腐蝕速度不同，可形成粗糙的表面。 （4）電弧法（又稱電火花拉毛法） 是將直徑比較細(xì)的鎳（或鋁）絲作為電極，在電弧作用下，電極材料與基體表面局部熔合，產(chǎn)生粗糙的表面。這種方法適用于硬度比較高的基體表面，但不適用于比較薄的零件表面。2022-3-28284基體表面的預(yù)熱

10、處理 涂層與基體表面的溫度差會(huì)使涂層產(chǎn)生收縮應(yīng)力，從而引起涂層開(kāi)裂和剝落。 基體表面的預(yù)熱可降低和防止上述不利影響。但預(yù)熱溫度不宜過(guò)高，以免引起基體表面氧化而影響涂層與基體表面的結(jié)合強(qiáng)度。 一般基體表面的預(yù)熱溫度在200300之間2022-3-28295非噴涂表面的保護(hù) 在噴砂和噴涂前，必須對(duì)基體的非噴涂表面進(jìn)行保護(hù)，其保護(hù)方法可根據(jù)非噴涂表面的形狀和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)易的保護(hù)罩。 保護(hù)罩材料可采用薄銅皮或鐵皮。對(duì)基體表面上的鍵槽和小孔等不允許外物進(jìn)入的部位，噴砂前可以用金屬、橡膠或石棉繩等堵塞，噴砂后換上炭素物或石棉等，以防止熔融的熱噴涂材料進(jìn)入。 2022-3-2830四、熱噴涂材料（線材和

11、粉末） （一）熱噴涂線材 （1）碳鋼及低合金鋼絲 最常用的是 85優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼絲和碳素工具鋼絲。 一般采用電弧噴涂，用于噴涂曲軸、柱塞、機(jī)床導(dǎo)軌等常溫工作的機(jī)械零件滑動(dòng)表面耐磨涂層及磨損部位的修復(fù)。 2022-3-2831(2) 不銹鋼絲 1Cr13、2Cr13、3Cr13等馬氏體不銹鋼絲主要用于強(qiáng)度和硬度較高、耐蝕性要求不太高的場(chǎng)合，其涂層不易開(kāi)裂。 1Cr17在氧化性酸類、多數(shù)有機(jī)酸、有機(jī)酸鹽水溶液中有良好的耐蝕性。 1Cr18Ni9Ti等奧氏體不銹鋼絲有良好的工藝性能，在多數(shù)氧化性介質(zhì)和某些還原性介質(zhì)中都有較好的耐蝕性，用于噴涂水泵軸等。 由于不銹鋼涂層收縮率大，易開(kāi)裂，適于噴涂薄層。

12、 2022-3-2832（3）鋁絲 鋁和氧有很強(qiáng)的親和力，鋁在室溫下大氣中就能形成致密而堅(jiān)固的Al2O3氧化膜，能防止鋁進(jìn)一步氧化。 純鋁噴涂除大量用于鋼鐵保護(hù)涂層外，還可作為鋼的抗高溫氧化涂層、導(dǎo)電涂層和改善電接觸的涂層。 一般鋁絲純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）應(yīng)大于99.7。鋁絲直徑23mm，噴涂時(shí)，表面不得有油污和氧化膜。 2022-3-2833（4）鋅絲 在鋼鐵件上，只要噴涂0.2mm的鋅層，就可在大氣、淡水、海水中保持幾年至幾十年不銹蝕。 鋅的純度要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在99.85以上的純鋅絲。 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。 鋅噴涂廣泛用于大型橋梁、鐵路配件、鋼窗

13、、電視臺(tái)天線、水閘門(mén)和容器等。 2022-3-2834（5）鉬絲 鉬與氫不產(chǎn)生反應(yīng)，可用于氫氣保護(hù)或真空條件下的高溫涂層。 鉬是一種自粘結(jié)材料，可與碳鋼、不銹鋼、鑄鐵、蒙乃爾合金、鎳及鎳合金、鎂及鎂合金、鋁及鋁合金等形成牢固的結(jié)合。 鉬可在光滑的工件表面上形成1um的冶金結(jié)合層，常用作打底層材料。 2022-3-2835 如機(jī)床導(dǎo)軌噴涂鋼時(shí)，用鉬作為打底層可增加鋼噴涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。 鉬的摩擦系數(shù)小，適用于噴涂活塞環(huán)和摩擦片。但鉬不能作為銅及銅合金、鍍鉻表面和硅鐵表面的涂層。 2022-3-2836（6）錫及錫合金絲 錫涂層具有很高的耐腐蝕性能，常用作食品器具的保護(hù)涂層，但錫中砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

14、不得大于0.015。 含銻和鉬的錫合金絲具有摩擦系數(shù)低、韌性好、耐蝕性和導(dǎo)熱性良好等特性。 在機(jī)械工業(yè)中，廣泛應(yīng)用于軸承、軸瓦和其他滑動(dòng)摩擦部件的耐磨涂層。此外，錫可在熟石膏等材料上噴涂制成低熔點(diǎn)模具。 2022-3-2837（7）鉛及鉛合金絲 鉛具有很好的防X射線輻射的性能，在原子能工業(yè)中廣泛用于防輻射涂層。 含銻和銅的鉛合金絲材料的涂層具有耐磨和耐蝕等特性，用于軸承、軸瓦和其他滑動(dòng)摩擦部件的耐磨涂層。 但涂層較疏松，用于耐腐蝕時(shí)需經(jīng)封閉處理。由于鉛蒸氣對(duì)人體危害較大，噴涂時(shí)應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施。 2022-3-2838（8）銅及銅合金絲 銅主要用于電器開(kāi)關(guān)的導(dǎo)電涂層、塑料和水泥等建筑表面的裝飾涂

15、層； 黃銅涂層則用于修復(fù)磨損及超差的工件，如修補(bǔ)有鑄造砂眼、氣孔的黃銅鑄件，也可作裝飾涂層。黃銅中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1左右的錫，可改善耐海水腐蝕性能。 鋁青銅的強(qiáng)度比一般黃銅高，耐海水、硫酸和鹽酸腐蝕，有良好的耐磨性和抗腐蝕疲勞性能，采用電弧噴涂時(shí)與基體結(jié)合強(qiáng)度高，可作為打底涂層，常用于水泵葉片、氣閘活門(mén)、活塞及軸瓦等的噴涂。 磷青銅涂層比其他青銅涂層更為致密，有良好的耐磨性，可用來(lái)修復(fù)軸類和軸承等的磨損部位，也可用于美術(shù)工藝品的裝飾涂層。 2022-3-2839（9）鎳及鎳合金絲 蒙乃爾合金對(duì)氨水、海水、照相用藥劑、酚醛、甲酚、汽油、礦物油、酒精、碳酸鹽水溶液及熔鹽、脂肪酸以及其他有機(jī)酸的耐蝕性

16、優(yōu)良， 對(duì)硫酸、醋酸、磷酸和干燥氯氣等介質(zhì)的耐蝕性較好； 但對(duì)鹽酸、硝酸、鉻酸等介質(zhì)不耐蝕。常用于水泵軸、活塞軸、耐蝕容器的噴涂。 2022-3-2840 80Ni20Cr在高溫下幾乎不氧化，是最好的耐熱耐蝕材料，常用于高溫耐腐蝕涂層。 鎳鉻耐熱合金絲涂層致密，與母材金屬的結(jié)合性好，常用于A12O3、ZrO2等陶瓷涂層的打底層，但不能用于硫化氫、亞硫酸氣體以及硝酸和鹽酸介質(zhì)中。 2022-3-2841（10）復(fù)合噴涂絲 用機(jī)械方法將兩種或更多種材料復(fù)合壓制成噴涂線材稱復(fù)合噴涂絲。 不銹鋼、鎳、鋁等組成的復(fù)合噴涂絲，利用鎳、鋁的放熱反應(yīng)使涂層與多種基體（母材）金屬結(jié)合牢固，而且因復(fù)合了多種強(qiáng)化元

17、素，改善了涂層的綜合性能，涂層致密，噴涂參數(shù)易于控制，便于火焰噴涂。 因此，它是目前正在擴(kuò)大使用的噴涂材料，主要用于油泵轉(zhuǎn)子、軸承、汽缸襯里和機(jī)械導(dǎo)軌表面的噴涂，也可用于碳鋼和耐蝕鋼磨損件的修補(bǔ)。 2022-3-2842（二）熱噴涂粉末 粉末材料可分為: 金屬及合金粉末、陶瓷材料粉末和復(fù)合材料粉末。1金屬及合金粉末 （1）噴涂合金粉末。又稱冷噴合金粉末，這種粉末不需或不能進(jìn)行重熔處理。按其用途分為打底層粉末和工作層粉末。 打底層粉末用來(lái)增加涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度；工作層粉末保證涂層具有所要求的使用性能。放熱型自粘結(jié)復(fù)合粉末是最常用的打底層粉末。工作層粉末熔點(diǎn)要低，具有較高的伸長(zhǎng)率，以避免涂層開(kāi)裂

18、。 氧一乙炔焰噴涂工作層粉末，最常用的是鎳包鋁復(fù)合粉末與自熔性合金的混合粉末。2022-3-2843（2）噴熔合金粉末 又稱自熔性合金粉末 因合金中加入了強(qiáng)烈的脫氧元素如 Si、 B等，在重熔過(guò)程中它們優(yōu)先與合金粉末中氧和工件表面的氧化物作用，生成低熔點(diǎn)的硼硅酸鹽覆蓋在表面，防止液態(tài)金屬氧化，改善對(duì)基體的潤(rùn)濕能力，起到良好的自熔劑作用，所以稱之為自熔性合金粉末。 噴熔用的自熔性合金粉末有鎳基、鈷基、鐵基及碳化鎢等四種系列。 2022-3-28442陶瓷材料粉末 陶瓷屬高溫?zé)o機(jī)材料，是金屬氧化物、碳化物、硼化物、硅化物等的總稱，其硬度高，熔點(diǎn)高，但脆性大。常用的陶瓷粉末有： 2022-3-284

19、5 (1) 氧化物 它是使用最廣泛的高溫材料。氧化物陶瓷粉末涂層與其他耐熱材料涂層相比，絕緣性能好，熱導(dǎo)率低，高溫強(qiáng)度高，特別適合作熱屏蔽和電絕緣涂層。 (2)碳化物 它包括碳化鎢、碳化鉻、碳化硅等，很少單獨(dú)使用，往往采用鈷包碳化鎢或鎳包碳化鎢，以防止噴涂時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重失碳現(xiàn)象。為保證涂層質(zhì)量，須嚴(yán)格控制噴涂工藝參數(shù)，或在含碳的保護(hù)氣氛中噴涂。碳化鎢是一種超硬耐磨材料，由于溫度和均勻度等因數(shù)，其組織及性能很難達(dá)到燒結(jié)碳化鎢硬質(zhì)合金的性能。碳化鉻、碳化硅也可用作耐磨或耐熱涂層。2022-3-28463復(fù)合材料粉末 復(fù)合材料粉末是由兩種或更多種金屬和非金屬（陶瓷、塑料、非金屬礦物）固體粉末混合而成。其

20、特點(diǎn)是： （1）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。 2022-3-2847 （2）復(fù)合材料之間在噴涂時(shí)可發(fā)生某些希望的有利反應(yīng)，改善噴涂工藝，提高涂層質(zhì)量（例如，可制成放熱型復(fù)合粉，使涂層與基體除機(jī)械結(jié)合外，還有冶金結(jié)合，提高涂層結(jié)合強(qiáng)度）。 （3）包覆型復(fù)合粉的外殼，在噴涂時(shí)可對(duì)核心物質(zhì)提供保護(hù)，使其免于氧化和受熱分解。2022-3-2848 按照復(fù)合粉末的結(jié)構(gòu)，一般分為包覆型、非包覆型和燒結(jié)型。 包覆型復(fù)合粉末的芯校被包覆材料完整地包覆著； 非包覆型粉末的芯核被包覆材料包覆程度是不均勻和不完整的。 2022-3-2849 按照復(fù)合粉末形成涂層

21、的機(jī)理可分為 自粘結(jié)（增效或自放熱）復(fù)合粉末和工作層粉末。 工作層復(fù)合粉末品種較多。 自粘結(jié)復(fù)合粉末多用作基體與工作層間的過(guò)渡層，即打底層粉末。它在噴涂時(shí)產(chǎn)生放熱反應(yīng)，有助于涂層與基體的結(jié)合，形成致密而又粗糙的過(guò)渡層，有效地改善涂敷性能。 2022-3-2850涂層功能 按照涂層功能，復(fù)合粉末有： 硬質(zhì)耐磨復(fù)合粉末、 耐高溫和隔熱復(fù)合粉末、 耐腐蝕和抗氧化復(fù)合粉末、 絕緣和導(dǎo)電復(fù)合粉末、 以及減摩潤(rùn)滑復(fù)合粉末等多種。 2022-3-28514塑料 塑料具有良好的防粘、低摩擦系數(shù)和特殊的物理化學(xué)性能。 2022-3-2852熱噴涂裝置和設(shè)備 1） 氧一乙炔焰噴涂裝置 噴槍主要由兩部分組成：產(chǎn)生火

22、焰的氧、乙炔供給系統(tǒng)和噴涂粉末供給系統(tǒng)。 2022-3-28532022-3-2854 爆炸噴涂是氧一乙炔焰噴涂技術(shù)中最復(fù)雜的一種方法。 它是將一定量的粉末注人噴槍的的同時(shí)，引人一定量的氧一乙炔混合氣體，將混合氣體點(diǎn)燃引爆產(chǎn)生高溫（可達(dá)3300），使粉末加熱到高塑性或熔融狀態(tài)，以每秒48次的頻率高速（可達(dá)700ms760ms）射向工件表面，形成高結(jié)合強(qiáng)度和高致密度的涂層。 爆炸噴涂 2022-3-28552022-3-28562）等離子弧噴涂原理 等離子噴涂是利用等離子焰流，即非轉(zhuǎn)移等離子弧作熱源，將噴涂材料加熱到熔融或高塑性狀態(tài)，在高速等離子焰流引導(dǎo)下高速撞擊工件表面，并沉積在經(jīng)過(guò)粗糙處理的工件表面形成很薄的涂層。 涂層與母材的結(jié)合主要是機(jī)械結(jié)合。 2022-3-28572）等離子弧噴涂原理2022-3-28582022-3-28592022-3-2860 等離子焰溫度高達(dá)1000以上，可噴涂幾乎所有固態(tài)工程材料，包括各種金屬和合金、陶瓷、非金屬礦物及復(fù)合粉末材料等。 等離子焰流速達(dá)