11.熱噴涂涂層

1、熱噴涂無機(jī)涂層 熱噴涂原理熱噴涂原理 l熱噴涂是采用各種熱源使無機(jī)涂層材料加熱熔化或半熔化;l然后用高速氣體使無機(jī)涂層材料分散細(xì)化并高速撞擊到基體表面;l形成無機(jī)涂層的工藝過程。 熱噴涂原理示意圖熱噴涂原理示意圖 從噴涂材料進(jìn)入熱源形成無機(jī)涂層從噴涂材料進(jìn)入熱源形成無機(jī)涂層經(jīng)歷四個(gè)階段經(jīng)歷四個(gè)階段 l噴涂材料的加熱、熔化：對(duì)于線材，當(dāng)端部進(jìn)入熱源高溫區(qū)域時(shí)，立即被加熱熔化；對(duì)于粉末，進(jìn)入熱源高溫區(qū)域，在行進(jìn)的過程中被加熱熔化或軟化。l熔化的噴涂材料被霧化：線材端部熔化形成的熔滴在外加壓縮氣流或熱源自身射流作用下脫離線材，并霧化成微細(xì)熔滴向前噴射：粉末一般不存在熔粒被進(jìn)一步破碎和霧化的過程，而是

2、被氣流或熱源射流推著向前噴射。l熔融或軟化的微細(xì)顆粒的噴射飛行：在飛行過程中，顆粒首先被加速形成粒子流，隨飛行距離增加，粒子運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小。l粒子與基材表面發(fā)生碰撞、變形、凝固和堆集：當(dāng)具有一定溫度和速度的微細(xì)顆粒與基體表面接觸時(shí)，顆粒與基材表面產(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材，同時(shí)微細(xì)顆粒沿凸凹不平表面產(chǎn)生變形，變形的顆粒迅速冷凝并產(chǎn)生收縮、呈扁平狀黏結(jié)在基材表面。噴涂的粒子束連續(xù)不斷的運(yùn)動(dòng)并沖擊表面，產(chǎn)生碰撞變形冷凝收縮的過程，變形的顆粒與基材之間，以及顆粒與顆粒之間互相黏結(jié)在一起，從而形成了無機(jī)涂層。無機(jī)涂層形成過程示意圖 熱噴涂發(fā)展歷史熱噴涂發(fā)展歷史l熱噴涂技術(shù)由

3、瑞士科學(xué)家肖普（Schoop）博士于1910年發(fā)明，1920年后出現(xiàn)了電弧噴涂技術(shù)。l20世紀(jì)50年代后期，為滿足航空、原子能、導(dǎo)彈、火箭等尖端技術(shù)對(duì)于高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度無機(jī)涂層的迫切要求，美國(guó)相繼發(fā)明了爆炸噴涂和離子噴涂。l20世紀(jì)80年代以來，低壓等離子噴涂和超音速火焰噴涂也相繼問世。熱噴涂技術(shù)在自身不斷發(fā)展與完善的同時(shí)，在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域也取得了很大的成就。l例如美國(guó)PWA飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司對(duì)2800多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的48種材料進(jìn)行熱噴涂，使發(fā)動(dòng)機(jī)的大修期從4000小時(shí)延長(zhǎng)到16000小時(shí)以上。 熱噴涂工藝分類熱噴涂工藝分類l根據(jù)所使用的熱源不同，一般將熱噴涂工藝分為：l燃燒法；l電加熱法。 熱噴涂

4、工藝的分類 常用的熱噴涂技術(shù)是線材火焰噴涂、粉末火焰噴涂、常用的熱噴涂技術(shù)是線材火焰噴涂、粉末火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂和超音速火焰噴涂技電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂和超音速火焰噴涂技術(shù)。下圖給出了各種熱源的典型噴槍特征。術(shù)。下圖給出了各種熱源的典型噴槍特征。 熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)熱噴涂可在各種基體上制備各種材質(zhì)的無機(jī)涂層 金屬、陶瓷、金屬陶瓷以及工程塑料等都可用作熱噴涂的材料；而金屬、陶瓷、金屬陶瓷、工程塑料、玻璃、石膏、木材等幾乎所有固體材料都可以作為熱噴涂的基材；l基體溫度低 基體材料溫度一般在30200之間，因此變形小，熱影響區(qū)淺；l操作靈活 可噴涂各種規(guī)格

5、和形狀的物體，特別適合于大面積噴涂，并可在野外作業(yè)；l無機(jī)涂層厚度范圍廣 從幾十微米到幾毫米的無機(jī)涂層都能制備，且容易控制；l噴涂效率高，成本低，噴涂時(shí)生產(chǎn)效率為每小時(shí)數(shù)公斤到數(shù)十公斤。 熱噴涂技術(shù)的局限性熱噴涂技術(shù)的局限性l熱噴涂技術(shù)的局限性主要體現(xiàn)在l熱效率低；l材料利用率低；l浪費(fèi)大；l和無機(jī)涂層與基材結(jié)合強(qiáng)度較低。l盡管如此，熱噴涂技術(shù)仍然以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)用。 熱噴涂材料的技術(shù)要求熱噴涂材料的技術(shù)要求l熱噴涂材料最好有較寬的液相區(qū)，因?yàn)闊o機(jī)涂層材料需要熔化后才能噴涂到基體上去，而較寬的液相區(qū)可以使熔滴在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持液相。一般金屬材料和氧化物陶瓷材料都適合熱噴涂技術(shù)。但如

6、果材料在高溫下易分解或揮發(fā)，則不適合用熱噴涂技術(shù)噴涂無機(jī)涂層。l其次，對(duì)無機(jī)涂層材料的形狀與尺寸也有要求。一般噴涂用材料都必須是線材或粉末材料。線材的規(guī)格一般為13mm，而粉末為1100m之間。用來生產(chǎn)線材和粉末材料的方法都可以用來生產(chǎn)噴涂用線材和粉末。l粉末材料熱噴涂的重要特點(diǎn)是材料成分可按任何比例調(diào)配，組成復(fù)合粉末，獲得某些特殊性能的無機(jī)涂層。l線材由于受加工性能的限制，只有塑性好的材料才可以制造成線材。 常用熱噴涂材料常用熱噴涂材料l雖然熱噴無機(jī)涂層適合的材料范圍很廣泛，但是由于熱噴涂技術(shù)工藝的特殊性，對(duì)熱噴涂材料仍有一定的限制。常用熱噴涂材料集中在以下范圍內(nèi)：l金屬熱噴涂材料l金屬熱噴

7、涂材料一般有線材和粉末兩種形式。線材是用普通的拉拔方法制造的，而粉末一般是用霧化法制造的。由于粉末材料表面積大，氧化程度高，所以在方便的條件下推薦采用線材。但粉末制造方法簡(jiǎn)單、靈活，材料成分不受限制，因此小批量熱噴涂時(shí)一般采用粉末材料。l陶瓷熱噴涂材料l陶瓷熱噴涂材料最主要的形式是粉末，制造方法有熔融破碎、化學(xué)共沉積、噴霧干燥等。另外，將陶瓷粉末燒結(jié)制成陶瓷棒可直接噴涂，但成本相對(duì)較高，因此應(yīng)用很少。常用金屬熱噴涂材料 金屬無機(jī)涂層材料種類 鐵基合金 低碳鋼材料高碳鋼材料不銹鋼材料鎳基合金 鎳鉻合金鎳銅合金鎳鉻鋁釔鈷基合金 鈷鉻鎢（司太立合金）鎳鉻鋁釔銅基合金 純銅（紫銅）常用的陶瓷熱噴涂材料

8、 陶瓷無機(jī)涂層材料種類 氧化鋁基材料 氧化鋁氧化鋁-氧化鈦氧化鉻 氧化鉻氧化鋯 氧化鋯-氧化鈣氧化鋯-氧化鎂氧化鋯-氧化釔莫來石莫來石尖晶石尖晶石鋯英石鋯英石 塑料熱噴涂材料塑料熱噴涂材料l熱噴涂塑料涂層比傳統(tǒng)的刷涂、靜電噴涂、流化床噴涂塑料無機(jī)涂層的成本低、投資少，無機(jī)涂層厚度與工作場(chǎng)地?zé)o限制，不含溶劑，符合環(huán)保要求。l采用的塑料涂層材料熔化溫度范圍應(yīng)較寬、粘度較低、熱穩(wěn)定性好，一般采用粉末形式。 熱噴涂用復(fù)合粉末材料熱噴涂用復(fù)合粉末材料l熱噴涂用復(fù)合材料分為兩種：l一種是為適應(yīng)熱噴涂工藝而制備的復(fù)合材料，例如，為防止碳化鎢材料在噴涂過程中氧化分解而制備的鎳包碳化鎢復(fù)合粉末材料，它們是當(dāng)前熱

9、噴涂用復(fù)合材料的主流：l另一類是通過增強(qiáng)相增強(qiáng)無機(jī)涂層性能的復(fù)合材料，如纖維增強(qiáng)無機(jī)涂層材料，這類材料目前還在研究探索過程中。l從形式上看，熱噴涂復(fù)合材料分為復(fù)合絲材和復(fù)合粉末材料。 熱噴涂無機(jī)涂層形成過程熱噴涂無機(jī)涂層形成過程l無機(jī)涂層形成的大致過程是：l無機(jī)涂層材料經(jīng)加熱熔化和加速撞擊基體冷卻凝固形成無機(jī)涂層。l其中無機(jī)涂層材料的加熱、加速和凝固過程是三個(gè)最主要的方面。 熱噴涂無機(jī)涂層熱噴涂無機(jī)涂層l無機(jī)涂層材料的熔化非常關(guān)鍵，一般希望所有無機(jī)涂層材料都完全熔化并一直保持到撞擊基體表面之前，并且不發(fā)生揮發(fā)，一些簡(jiǎn)單的模型可以描述熱氣流中固體粉末的熔化過程。l將材料參數(shù)及有關(guān)變量，如熱導(dǎo)率、

10、熔化溫度等，統(tǒng)一納入到加熱條件及氣流動(dòng)力學(xué)方程中，可以得到不等式：l式中，S為粉末在焰流中的運(yùn)動(dòng)距離；為平均邊界層的熱導(dǎo)率；T為平均邊界層的溫度梯度；V為平均焰流速度；為平均焰流粘度；L為粉末材料的熔化潛熱；D為粉末的平均直徑；P為粉末密度。PDLVS16)(222 熱噴涂工藝熱噴涂工藝l無機(jī)涂層材料的噴涂速度主要由焰流速度決定，同時(shí)也與材料的粒度有關(guān)。噴涂材料在飛行速度最大時(shí)撞擊基體的顆粒動(dòng)能與沖擊變形最大，形成的無機(jī)涂層結(jié)合較好。因此，調(diào)整噴嘴與工件的距離到最佳位置非常重要。l熔滴撞擊基材后擴(kuò)展成薄膜，撞擊時(shí)的高速度有助于熔滴的擴(kuò)展，但會(huì)因?yàn)楸砻鎻埩蚰踢^程而停止擴(kuò)展，并凝固成一種扁平的

11、薄餅狀結(jié)構(gòu)。l如果顆粒有部分未熔，則未熔部分會(huì)從基板反彈出來，留下空洞或包裹在無機(jī)涂層中形成類似于“夾雜”的組織。l如果液滴過熱，則撞擊基體時(shí)溫度過高、液滴粘度太低，會(huì)造成“噴濺”現(xiàn)象，即熔滴擴(kuò)展后不會(huì)立即凝固，而是邊緣變厚，趨于破裂，脫離中心液滴并收縮、凝固成許多小球狀液滴。l熱噴涂工程中的未熔和過熔都是噴涂過程中應(yīng)避免的。 熱噴涂無機(jī)涂層結(jié)構(gòu)熱噴涂無機(jī)涂層結(jié)構(gòu)l左上圖是等離子鉬無機(jī)涂層微觀結(jié)構(gòu)l可見無機(jī)涂層由大小不一的扁平顆粒，未熔化的球形顆粒、夾雜和孔隙組成。l幾乎所有熱噴無機(jī)涂層都具有上述相同的特征，差別只在于尺寸的大小和數(shù)量的多少。圖中的黑色細(xì)長(zhǎng)物為夾雜，它是由于噴涂過程中熔滴發(fā)生氧

12、化而形成氧化膜，最后以?shī)A雜形式存在于無機(jī)涂層中。l未熔化顆粒也會(huì)在無機(jī)涂層中形成夾雜。夾雜一般來說會(huì)損壞無機(jī)涂層的結(jié)合強(qiáng)度。但有些夾雜也有有利一面，如含鉬無機(jī)涂層中形成的氧化鉬具有減摩作用，含鈦無機(jī)涂層中形成的氮化鈦硬度很高具有耐磨作用。l熱噴無機(jī)涂層一般都會(huì)有一部分孔隙（0.025%50%），其產(chǎn)生原因主要有三個(gè)：第一是未熔化顆粒的低沖擊動(dòng)能；第二是噴涂角度不同時(shí)造成的遮蔽效應(yīng)；第三是凝固收縮和應(yīng)力釋放效應(yīng)。無機(jī)涂層中的孔隙特別是穿孔將損壞無機(jī)涂層的耐腐蝕性能，增加無機(jī)涂層表面加工后的粗糙度，降低無機(jī)涂層的結(jié)合強(qiáng)度、硬度、耐磨性。但是，孔隙可以貯存潤(rùn)滑劑，提高無機(jī)涂層的隔熱性能，減少內(nèi)應(yīng)力并

13、因此增加無機(jī)涂層厚度，以及提高無機(jī)涂層抗熱震性能。此外，孔隙還有助于提高無機(jī)涂層的可磨耗性能，特別適合于可磨耗封嚴(yán)無機(jī)涂層中。 熱噴涂中的相變熱噴涂中的相變l噴涂過程中熔滴撞擊基體冷卻凝固形成無機(jī)涂層。l相對(duì)基體來說，熔滴尺寸非常小，冷卻速度可以達(dá)到106K/s，冷卻后會(huì)形成非晶態(tài)或亞穩(wěn)相，完全不同于同樣材料在軋制態(tài)或鑄態(tài)的組織結(jié)構(gòu)。l在高溫環(huán)境下使用時(shí)，無機(jī)涂層的這些亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)會(huì)向穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變，或發(fā)生分解。有些相變甚至?xí)a(chǎn)生相變應(yīng)力，導(dǎo)致無機(jī)涂層破壞，因此在設(shè)計(jì)無機(jī)涂層時(shí)應(yīng)引起注意。l例如-AL2O3材料硬度高耐磨性好，但是-AL2O3材料的等離子噴無機(jī)涂層，由于快速凝固，形成的是-AL2O3

14、無機(jī)涂層，其性能特點(diǎn)不同于-AL2O3材料。 熱噴涂無機(jī)涂層應(yīng)力熱噴涂無機(jī)涂層應(yīng)力l大部分無機(jī)涂層材料的冷卻凝固伴隨著收縮過程。當(dāng)熔滴撞擊基體并快速冷卻、凝固時(shí)顆粒內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生張應(yīng)力，其大小與無機(jī)涂層厚度成正比。無機(jī)涂層厚度達(dá)到一定程度時(shí)，無機(jī)涂層內(nèi)的張應(yīng)力超過無機(jī)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度或無機(jī)涂層自身的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，無機(jī)涂層就會(huì)發(fā)生破壞。l薄無機(jī)涂層一般比厚無機(jī)涂層更加經(jīng)久耐用。高收縮材料如某些奧氏體不銹鋼易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，因此不能噴涂厚的無機(jī)涂層。由于無機(jī)涂層應(yīng)力的限制，熱噴無機(jī)涂層的最佳厚度一般不超過0.5mm。l噴涂方法和無機(jī)涂層結(jié)構(gòu)也影響無機(jī)涂層的應(yīng)力水平。致密無機(jī)涂層中的殘余應(yīng)力要比疏

15、松無機(jī)涂層的要大。無機(jī)涂層應(yīng)力大小還可以通過調(diào)整噴涂工藝參數(shù)而部分控制，但更有效的辦法是通過無機(jī)涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用梯度過度層緩解無機(jī)涂層應(yīng)力。 無機(jī)涂層的結(jié)合強(qiáng)度無機(jī)涂層的結(jié)合強(qiáng)度l熱噴涂無機(jī)涂層中，無機(jī)涂層與基體的結(jié)合機(jī)理主要為機(jī)械結(jié)合或稱“拋錨作用”，即最先形成的薄片狀顆粒與基體表面凹凸不平處產(chǎn)生機(jī)械咬合，隨后飛來的顆粒敷在先到的顆粒表面，依照次序堆疊鑲嵌，形成以機(jī)械結(jié)合為主的噴無機(jī)涂層。l此外，噴涂過程中顆粒在撞擊到基體時(shí)釋放出大量能量，使基體表面局部達(dá)到瞬時(shí)高溫，導(dǎo)致無機(jī)涂層材料與基體之間發(fā)生局部擴(kuò)散和焊合，形成冶金結(jié)合。例如用具有放熱反應(yīng)效應(yīng)的鎳包鋁復(fù)合粉末噴涂時(shí)鎳和鋁兩種元素會(huì)發(fā)生

16、反應(yīng)形成金屬間化合物，同時(shí)釋放出大量熱量，使基體與顆粒接觸表面瞬時(shí)達(dá)到高溫，無機(jī)涂層與基體表面原子相互擴(kuò)散，形成冶金結(jié)合。因?yàn)轭w粒撞擊無機(jī)涂層時(shí)冷卻速度非?？欤?06K/s），擴(kuò)散反應(yīng)過程非常短，一般不超過0.5m，所以常稱其為微冶金結(jié)合。l機(jī)械結(jié)合為主的結(jié)合機(jī)理決定了熱噴涂無機(jī)涂層的結(jié)合強(qiáng)度比較差，只相當(dāng)于其母體材料的5%30%強(qiáng)度，最高也只能達(dá)到70Mpa。 熱噴涂工藝方法熱噴涂工藝方法l不同的熱噴涂工藝，盡管所用的熱源、設(shè)備、無機(jī)涂層材料、工藝參數(shù)和環(huán)境氣氛不同，但都必須要把無機(jī)涂層材料熔化、霧化，然后以一定的速度噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面形成無機(jī)涂層。l因此，各種工藝的工序流程是大體相

17、同的，基本上包括基體的預(yù)處理、噴涂施工、無機(jī)涂層后處理及精加工等步驟。 基體的預(yù)處理基體的預(yù)處理l基體的預(yù)處理的目的是獲得新鮮、清潔、有活性的表面，即凈化、粗化、活化的表面，以增大與噴射粒子和無機(jī)涂層的粘結(jié)強(qiáng)度。l由于熱噴涂無機(jī)涂層的粘結(jié)是以機(jī)械嵌合和粘合為主，因此，無機(jī)涂層與基體的粘結(jié)強(qiáng)度直接受到基體表面狀態(tài)，即表面預(yù)處理的影響和制約。l表面預(yù)處理質(zhì)量的好壞直接決定噴涂工藝和無機(jī)涂層的成敗。 基體的預(yù)處理基體的預(yù)處理l常用的表面預(yù)處理方法：l清洗、l除油、l噴砂、l車螺紋或滾花、l電拉毛。 金屬基體的清洗、除油金屬基體的清洗、除油l可采用工業(yè)汽油、航空煤油、四氯化碳、甲苯和丙酮等有機(jī)溶劑及合

18、成水基防銹清洗劑，對(duì)工件進(jìn)行清洗除油?？梢圆料?、刷洗、浸洗和噴洗，也可以用酸液或堿液浸洗，工件清洗除油后，應(yīng)即時(shí)用清水洗凈或用丙酮去濕。對(duì)于大批量生產(chǎn)的工件的清洗除油，最好采用三氯乙烯蒸汽除油。l對(duì)于鑄鐵件、多孔件和具有窄縫的工件內(nèi)的油污，可采用爐內(nèi)加熱或用火焰加熱的方法，讓油污流出燃燒。加熱溫度為300350，溫度不宜過高，否則會(huì)使工件組織發(fā)生變化或使工件變形。l如油污過多，可反復(fù)進(jìn)行清洗，直至無油污滲析斑點(diǎn)為止。同時(shí)，要及時(shí)將油污燃燒產(chǎn)生的炭黑清洗干凈。 粗化處理粗化處理l表面粗化可以凈化表面、增大結(jié)合面積、構(gòu)成無機(jī)涂層顆?；ユi的結(jié)構(gòu)，提供表面壓應(yīng)力。l粗化處理可以顯著地使無機(jī)涂層與無機(jī)涂

19、層之間以及無機(jī)涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度得到強(qiáng)化。l表面粗化的方法主要有：噴砂（或噴丸），加粘結(jié)底層以及宏觀粗化。 噴砂處理噴砂處理l基體表面的噴砂預(yù)處理是采用高硬度的磨料顆粒高速噴射基體表面，對(duì)基體表面產(chǎn)生沖刷、鑿削和錘擊作用，以除去基體表面的鐵銹、鱗皮、毛刷、焊渣、舊陶瓷無機(jī)涂層等污物，并形成具有相當(dāng)粗糙度的基體表面，使金屬基體裸露出活性新鮮的活性表面，同時(shí)產(chǎn)生凈化、粗化和話化效果。l常用的噴砂磨料有氧化鋁、鐵砂、鋼砂、碳化硅和金剛砂和鐵砂等，噴砂介質(zhì)的選擇取決于基體的材質(zhì)和硬度。砂粒粒度的大小主要取決于所需要的表面粗糙度，也與磨料的硬度、無機(jī)涂層的厚度和噴砂用空氣壓力等因素有關(guān)。實(shí)際使用的

20、粒度范圍通常分為三擋：粗砂（0.62.0mm，-10+30目），中粗砂（0.4251.4mm，-14+40目），細(xì)砂（0.180.6mm，-30+80目）。l無機(jī)涂層厚度超過0.25mm時(shí)推薦采用粗砂，以提高基體的表面粗糙度獲得最佳的結(jié)合強(qiáng)度；當(dāng)無機(jī)涂層厚度小于0.25mm時(shí)要求基體表面的粗糙度比較均勻時(shí)，則宜采用中粗砂。細(xì)砂噴砂時(shí)，單位時(shí)間單位面積上沖擊基體表面的磨料數(shù)目和接觸面積均大，因而噴砂效率高，但表面粗糙度??；反之，磨料粒度大噴砂效率低，表面粗糙度增大。l噴砂用磨料必須清潔、干燥、有棱有角，使用過且受到污染的磨料不能再用。 噴涂粘結(jié)底層噴涂粘結(jié)底層l在基體金屬上噴涂陶瓷無機(jī)涂層時(shí)，為

21、改善基體金屬與陶瓷無機(jī)涂層之間的結(jié)合力，一般都要噴涂一層粘結(jié)底層。粘結(jié)底層具有如下的特性：la.“自粘結(jié)”效應(yīng) 在等離子焰流的高溫下，無機(jī)涂層材料的不同組分間能發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)，使無機(jī)涂層與基體形成微區(qū)冶金結(jié)合。最典型和應(yīng)用最廣的“自粘結(jié)”無機(jī)涂層材料是Ni-Al復(fù)合粉末。lb.“粗化”效應(yīng) 熱噴涂的自粘結(jié)無機(jī)涂層表面非常粗糙，甚至比噴砂處理的粗化效果更好，因而陶瓷無機(jī)涂層能與之形成更強(qiáng)的機(jī)械嵌合，可不再對(duì)基體進(jìn)行噴砂預(yù)處理。lc.“簾柵屏蔽”效應(yīng) 自粘結(jié)底層具有比基體材料更好的抗氧化能力和耐蝕性能，因而能在陶瓷無機(jī)涂層與基體之間起“屏蔽簾柵”的隔離作用，能將陶瓷無機(jī)涂層由于有孔隙而引起的基體

22、的氧化和腐蝕降至最小。ld.“緩沖效應(yīng)”自粘結(jié)無機(jī)涂層的熱膨脹系數(shù)介于基體金屬與陶瓷無機(jī)涂層之間，且自粘結(jié)無機(jī)涂層的強(qiáng)韌性好，在機(jī)械和熱疲勞的作用下具有足夠的韌性，能對(duì)因基體金屬與陶瓷無機(jī)涂層的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的應(yīng)力起“緩沖”作用，減少甚至消除陶瓷無機(jī)涂層的應(yīng)力開裂和剝落。 熱噴涂方法熱噴涂方法l熱噴涂方法有很多。l根據(jù)熱源種類、噴涂材料的形狀及噴涂時(shí)的工藝特點(diǎn)可分為表11-6所示的多種方法。 火焰熱噴涂工藝火焰熱噴涂工藝l火焰熱噴涂（Flame Speay）是對(duì)線材火焰噴涂（Wire Flame Spray）和粉末火焰噴涂（Powder Flame Spray）的總稱。l火焰噴涂一般通過

23、氧-乙炔氣體燃燒提供熱量加熱熔化噴涂材料，通過壓縮氣體霧化并加速噴涂材料，隨后在基體上沉積成無機(jī)涂層。l燃燒氣體還可以使用丙烷、氫氣或天然氣等。燃燒氣體的自由膨脹對(duì)無機(jī)涂層材料加速的效果有限。為了實(shí)現(xiàn)噴涂，噴嘴上通有壓縮空氣流或者高壓氧氣流，使熔融材料霧化并加速。在特殊場(chǎng)合下，也可用惰性氣體作壓縮氣流。l根據(jù)無機(jī)涂層材料形狀的不同，火焰噴涂可分為線材火焰噴涂和粉末火焰噴涂。 線材火焰噴涂原理l線材火焰噴涂的原理示意圖如圖所示。l噴涂用線材送入噴槍后，由噴槍內(nèi)的驅(qū)動(dòng)輪連續(xù)輸送到噴嘴，在噴嘴前端被同軸燃燒氣的火焰加熱而熔化，然后被壓縮空氣霧化并加速，噴涂在基體表面。l除了線材（連續(xù)的金屬絲）可以用

24、這種方法噴涂外，棒材（約60cm長(zhǎng)的脆性陶瓷棒）和帶材（裝有金屬粉末的柔性塑料管）都可以用同樣的方法進(jìn)行噴涂。粉末火焰噴涂的原理l粉末火焰噴涂與線材火焰噴涂的不同之處在于噴涂材料不是線材而是粉末，其原理示意圖如圖所示。l用少量氣體將噴涂粉末輸送到噴槍的噴嘴前端，通過燃?xì)饧訜?、熔化并加速噴涂到基體表面。在噴嘴前端加上空氣帽，可以壓縮燃燒焰流并提高噴涂速度。l線材火焰噴涂比粉末火焰噴涂便宜，但選材要窄，因?yàn)橛行┎牧虾茈y加工成線材。不論線材火焰噴涂還是粉末火焰噴涂，其工藝特點(diǎn)是相同的。 火焰噴涂的原理l火焰噴涂的焰流溫度較低，一般用于金屬材料和塑料的噴涂。l火焰噴涂的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備投資少，操作容易，設(shè)

25、備可攜帶到現(xiàn)場(chǎng)施工，無電力要求，沉積效率高等。l無機(jī)涂層氧含量較高，孔隙較多，無機(jī)涂層結(jié)合強(qiáng)度偏低，無機(jī)涂層質(zhì)量不高。 電弧噴涂工藝電弧噴涂工藝l電弧噴涂（Arc Spray）的原理示意圖如圖所示，兩根彼此絕緣并加有18-24V直流電壓的線形電極，由送絲機(jī)構(gòu)向前輸送，當(dāng)兩極靠近時(shí)，在兩線頂端產(chǎn)生電弧并使頂端熔化，同時(shí)吹入的壓縮空氣使熔化的液滴霧化并形成噴涂束流，沉積在工件表面。l電弧噴涂只能用于具有導(dǎo)電性能的金屬線材，當(dāng)前主要用于噴涂鋅鋁防腐蝕無機(jī)涂層、不銹鋼無機(jī)涂層、高鉻鋼無機(jī)涂層，用于大型零件的修復(fù)和表面強(qiáng)化。l電弧噴涂的無機(jī)涂層密度可達(dá)70%-90%理論密度，比同樣的火焰噴涂無機(jī)涂層要致

26、密，結(jié)合強(qiáng)度（1040Mpa）要高。而且電弧噴涂的運(yùn)行費(fèi)用較低，噴涂速度和沉積效率都很高，因此是噴涂大面積無機(jī)涂層的最佳選擇。 等離子噴涂工藝等離子噴涂工藝l等離子噴涂（Plasma Spray）采用等離子火焰作為熱源對(duì)噴涂材料進(jìn)行加熱。l等離子體是由電離了的原子、分子、離子與電子組成的導(dǎo)電氣體。當(dāng)氣體中的原子被激發(fā)到高能級(jí)上，這些原子會(huì)釋放出電子并成為帶正電荷的離子，從而組成了導(dǎo)電氣體等離子體。等離子體稱為物質(zhì)的第四態(tài)，它整體呈電中性，但內(nèi)部導(dǎo)電。l根據(jù)電離程度高低，通常將等離子體分為三大類：高溫高壓等離子體，電離度100%，溫度可達(dá)幾億度，可用于核聚變；低溫低壓等離子體，電離度不足1%，溫

27、度僅為50250；高溫低壓等離子體，約有1%以上的氣體被電離，具有幾萬(wàn)度的溫度。熱噴涂所利用的正是這類等離子體。 等離子噴涂工藝等離子噴涂工藝l用于等離子噴涂的等離子體通常由下列一種或幾種氣體混合產(chǎn)生：氬、氦、氮、氫。等離子火焰溫度可達(dá)到20000K，遠(yuǎn)高于所有材料的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)。l但是等離子火焰溫度并不是等離子體高效加熱性能的唯一原因。例如氦氣加熱到13000K還沒有形成等離子體，因此無法 提供噴涂所需的熱能，而氮?dú)鈨H需加熱到10000K就分解和電離成等離子體，可以提供噴涂的熱量是氦氣在130000K時(shí)的六倍。等離子體提供巨大能量的一個(gè)重要原因是分子氣體分解成原子氣體以及電離時(shí)發(fā)生的能量變化。

28、氬氣、氮?dú)?、氫氣和氦氣的分解和電離能 等離子噴涂工藝等離子噴涂工藝l等離子噴涂設(shè)備由電源、電器控制系統(tǒng)、噴槍、氣源和氣路、供粉系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等組成，設(shè)備相對(duì)比較復(fù)雜，價(jià)格較貴。l等離子噴槍的的作用是產(chǎn)生等離子火焰并噴射出高速氣流。等離子噴槍由銅陽(yáng)極嘴和鎢陰極頭組成。l陽(yáng)極嘴和陰極頭都采用高壓水冷卻。離子氣由陰極流向陽(yáng)極，經(jīng)壓縮后從陽(yáng)極噴射出去。壓縮后的等離子電弧，通過陽(yáng)極孔道噴出后，離子氣發(fā)生急劇膨脹，將壓縮氣流加速到亞音速甚至超音速水平，焰心的最高溫度可達(dá)20000-30000。l粉末送入方式有兩種，一種是外送式，即在噴嘴之外的區(qū)域送入等離子體焰心中；另一種是內(nèi)送式，是用送粉管將粉末從噴嘴內(nèi)

29、部送到等離子火焰中。然后，粉末被迅速加熱、加速，并噴涂到基體表面。等離子噴涂原理示意圖 等離子噴涂原理l等離子噴涂一般在大氣環(huán)境下噴涂。為避免噴涂材料的氧化，也可以在充滿低壓保護(hù)氣體的真空室內(nèi)進(jìn)行，稱為真空等離子噴涂（Vacuum Plasma Spraying VPS）或低壓等離子噴涂（Low Pressure Plasma Spraying，LPPS）。l在真空（低壓）等離子噴涂中的束流密度較低，因此熱能的動(dòng)能的轉(zhuǎn)移率較低，對(duì)噴涂高熔點(diǎn)材料反而不利。l等離子噴涂的最大優(yōu)勢(shì)是焰流溫度高，噴涂材料適用面廣，特別適合噴涂高熔點(diǎn)材料。l等離子噴無機(jī)涂層的密度可達(dá)理論密度的85%98%，真空噴涂可達(dá)

30、到95%99.5%，結(jié)合強(qiáng)度也很高（35-70Mpa），而且無機(jī)涂層中夾雜較少，噴涂質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于火焰噴無機(jī)涂層。 爆炸噴涂和超音速火焰噴涂爆炸噴涂和超音速火焰噴涂l爆炸噴涂也屬于燃燒噴涂的一種，最早由美國(guó)聯(lián)合碳化物公司發(fā)明。l當(dāng)時(shí)他們只提供噴涂服務(wù)，不轉(zhuǎn)讓專利，其設(shè)備和工藝參數(shù)至今仍然保密。不過，現(xiàn)在我國(guó)和俄羅斯巴頓焊接研究所都能生產(chǎn)這一裝置。l其技術(shù)關(guān)鍵在于爆炸槍的構(gòu)造，包括一個(gè)長(zhǎng)的水冷槍筒，并開有進(jìn)氣門和送粉口。氧氣和燃料（通常使用乙炔）輸送到槍管內(nèi)，同時(shí)喂入一份噴涂粉末。然后點(diǎn)火器點(diǎn)燃混合氣體，引起燃燒爆炸，使噴涂粉末加熱和加速，并以超音速的速度噴射出槍管，沉積在基體表面。l粉末每噴射一次

31、，就通入一股脈沖氮?dú)饬髑逑礃尮?。此過程重復(fù)多次就可獲得無機(jī)涂層?，F(xiàn)在，爆炸噴涂的頻率已達(dá)到60Hz。爆炸噴涂的工藝特性，最大特點(diǎn)是射流速度高。但是采用氧氣-乙炔燃燒爆炸，焰流溫度不很高，因此不適合噴涂陶瓷等高熔點(diǎn)材料。噴涂碳化物類金屬陶瓷（如WC-Co,WC-Ni,Cr2C3-NiCr等）材料時(shí)，由于碳化物在高溫時(shí)易分解，用等離子噴涂技術(shù)很難通過控制工藝參數(shù)來防止分解，而火焰噴無機(jī)涂層質(zhì)量差，結(jié)合強(qiáng)度低，爆炸噴涂的溫度低，可以有效地抑制碳化物的分解，同時(shí)其超音速的噴射速度可以保證獲得高密度，高結(jié)合強(qiáng)度的無機(jī)涂層。所以爆炸噴涂是噴涂含碳化物金屬陶瓷無機(jī)涂層的理想方法。爆炸噴涂示意圖 超音速火焰噴

32、涂超音速火焰噴涂l爆炸噴涂無機(jī)涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度非常高，最高可以超過85Mpa；無機(jī)涂層最高密度可達(dá)到理論的99.9%，雜質(zhì)含量也較低。但是爆炸噴涂的噴涂效率非常低，運(yùn)行成本相對(duì)較高，所以一般專門用于碳化物無機(jī)涂層的噴涂。l在20世紀(jì)60年代初期美國(guó)Browning公司開始研究超音速火焰噴涂技術(shù)，1983年獲得專利。目前世界上的各大噴涂公司都能生產(chǎn)這種設(shè)備。超音速火焰典型特征是距離噴嘴一定距離的位置可看到一列菱形花紋，向金剛石一樣閃閃發(fā)光。因此，1989年美國(guó)Metco熱噴涂公司將推出的超音速火焰噴涂取名“Diamond Jet”。l超音速火焰噴涂實(shí)際上與普通火焰噴涂一樣，只是多了一個(gè)使噴涂火

33、焰達(dá)到超音速的機(jī)構(gòu)。l噴涂粉末可以用高壓軸向送入或從噴射管側(cè)面送入（此處壓力小一些）。另一種辦法是將燃料（煤油、乙炔、丙烯和氫氣）和氧氣用高壓噴射出噴嘴，在噴嘴外燃燒，噴涂粉末用高壓氣體從噴嘴內(nèi)軸向送入火焰中，然后通過噴嘴外空氣罩中的壓縮空氣將燃燒火焰壓縮、加速，并將熔融的粉末噴向基體。超音速火焰噴涂示意圖 超音速火焰噴涂l超音速火焰噴涂的工藝特性與爆炸噴涂一樣，射流速度高而焰流溫度相對(duì)較低，同樣適合噴涂含碳化物無機(jī)涂層材料。l采用超音速火焰噴涂獲得的無機(jī)涂層最高密度可達(dá)到理論密度的99.9%，結(jié)合強(qiáng)度略低于爆炸噴涂，達(dá)70Mpa以上。無機(jī)涂層雜質(zhì)較少，無機(jī)涂層殘余應(yīng)力小，在某些情況下甚至可以

34、得到殘余壓應(yīng)力，因此可以噴涂更厚的無機(jī)涂層。l據(jù)報(bào)道，采用Tafa公司JP-5000型超音速火焰噴涂設(shè)備，最高噴涂過12.7mm厚的不銹鋼無機(jī)涂層。超音速火焰噴涂燃料消耗大，雖然其噴涂效率比爆炸噴涂有提高，噴涂成本目前仍然比較高。 熱噴涂無機(jī)涂層的后處理封孔處理熱噴涂無機(jī)涂層的后處理封孔處理 l熱噴涂無機(jī)涂層總含有或多或少的氣孔，這些氣孔分為開孔、盲孔和通孔幾種類型。封孔處理的目的主要是填充和封閉所有的開孔和通孔，以提高無機(jī)涂層的耐蝕性、抗氧化性、電絕緣性和無機(jī)涂層的密封性能，同時(shí)有助于無機(jī)涂層加工過程中防止磨屑等污物污染無機(jī)涂層，改善無機(jī)涂層形貌l封孔處理時(shí)可將封孔劑進(jìn)行噴涂、刷涂、浸涂、真

35、空浸滲等。封孔處理應(yīng)在噴涂施工之后盡可能快地進(jìn)行，以防止無機(jī)涂層孔隙中吸附潮氣等而影響封孔效果。固態(tài)的微晶石蠟封孔劑最好借噴涂的余熱使其熔化而將無機(jī)涂層孔隙封閉。l車磨削前應(yīng)對(duì)無機(jī)涂層進(jìn)行封孔處理，以防止磨粒或碎屑嵌入無機(jī)涂層孔隙損傷無機(jī)涂層。車、磨削機(jī)加工后，無機(jī)涂層中原有的部分盲孔會(huì)暴露出來成為開孔，最好再次進(jìn)行封孔處理，以改善無機(jī)涂層的外觀質(zhì)量。l真空浸滲是最有效的封孔方法，它是將噴涂后零件放入真空室中，在抽真空過程中就能把無機(jī)涂層孔隙中的空氣抽出，此時(shí)向真空室的盛部件的容器中注入封孔劑，通過毛細(xì)作用使封孔劑吸入到抽真空后的孔隙、空穴和裂紋處，達(dá)到良好的滲透封孔的目的。 熱噴涂無機(jī)涂層的

36、后處理致密化熱噴涂無機(jī)涂層的后處理致密化l熱噴涂無機(jī)涂層的致密化處理：通常是采用加熱的方法，將金屬或合金特別是自熔性合金無機(jī)涂層熔融成完全致密無孔且與基體呈高溫釬焊結(jié)合甚至冶金結(jié)合的無機(jī)涂層的處理工藝，包括火焰噴涂重熔、感應(yīng)重熔、激光重熔和電子束重熔。等離子噴焊實(shí)質(zhì)上也是一種無機(jī)涂層致密化工藝。l近代采用激光束對(duì)金屬無機(jī)涂層和某些陶瓷無機(jī)涂層進(jìn)行熔融處理已取得可喜進(jìn)展，更擴(kuò)大了重熔處理的范圍。 火焰噴涂重熔（火焰噴焊）火焰噴涂重熔（火焰噴焊）l火焰噴涂重熔（火焰噴焊） 這是采用氧-乙炔火焰將自熔性合金粉末或自熔性合金+碳化物類金屬陶瓷復(fù)合粉末（或混合粉末）熔焊在表面上形成焊層的工藝方法，分為火

37、焰噴焊（俗稱一步法）和火焰噴涂重熔（俗稱二步法）兩種。金屬陶瓷粉末只能使用火焰噴涂重熔工藝處理。l火焰噴涂重熔工藝的優(yōu)點(diǎn)是適合于較大工件、較大面積的噴焊，噴焊層比較平整、光滑，厚度比較均勻、焊層與基體呈冶金結(jié)合或高溫釬焊結(jié)合，結(jié)合十分牢固。含碳化物類硬質(zhì)相的硬質(zhì)合金焊層可顯著進(jìn)一步提高自熔性合金焊層的硬度和耐磨性，特別適合于耐高應(yīng)力磨粒磨損、沖蝕磨損和沖擊磨損的場(chǎng)合。其缺點(diǎn)是工件要整體加熱至紅熱狀態(tài)，熱量輸入大、工件變形大、基體的組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，無機(jī)涂層成分尤其是碳化物硬質(zhì)相會(huì)發(fā)生一定程度的失碳和燒損，無機(jī)涂層組分中硬質(zhì)相的比例不能過大，一般為35%左右，材料品種有限。 爐內(nèi)重熔爐內(nèi)重熔l

38、爐內(nèi)重熔： 這是將已噴涂自熔性合金、自熔性合金加碳化物類硬質(zhì)合金無機(jī)涂層的工件，放入加熱爐中加熱至自熔性合金的熔點(diǎn)，約10501150，停留一段時(shí)間，使無機(jī)涂層充分熔融成完全致密的焊層。l這種方法對(duì)爐溫或爐溫均勻性的控制要求嚴(yán)格，若爐溫過高，會(huì)使合金熔體黏度變小，容易流淌，且使無機(jī)涂層氧化加重；若爐溫偏低，無機(jī)涂層熔融不充分，亦會(huì)出現(xiàn)未熔透、無機(jī)涂層不完全致密、硬度不均勻等現(xiàn)象。一般爐溫應(yīng)控制在自熔性合金熔點(diǎn)（35）范圍內(nèi)。如能在無機(jī)涂層表面撒布一層無機(jī)覆蓋劑，則既可保護(hù)無機(jī)涂層免遭氧化，又能防止無機(jī)涂層熔融后流溢。也可在爐內(nèi)通入保護(hù)氣體，或在真空爐內(nèi)重熔，有效地防止基體無機(jī)涂層的的氧化，特別

39、是碳化物類易氧化硬質(zhì)相的氧化，獲得優(yōu)質(zhì)的高耐磨焊層。l這種方法特別適用于平板類部件表面制備高耐磨耐蝕焊層，適合于大批量生產(chǎn)。 感應(yīng)重熔感應(yīng)重熔l感應(yīng)重熔：這是利用電磁感應(yīng)裝置的感應(yīng)線圈所產(chǎn)生的高頻或中頻磁場(chǎng)，根據(jù)磁場(chǎng)感應(yīng)的“趨膚效應(yīng)”和“渦流發(fā)熱效應(yīng)”，使基體表面或無機(jī)涂層材料迅速加熱并熔化成致密焊層的處理方法。l工業(yè)上，根據(jù)感應(yīng)設(shè)備所產(chǎn)生電磁波的頻率，常用高頻感應(yīng)和中頻感應(yīng)兩種頻率進(jìn)行感應(yīng)重熔。高頻感應(yīng)頻率高，升溫快，“趨膚效應(yīng)”強(qiáng)，熔深淺，但高頻磁場(chǎng)對(duì)人體有害；中頻感應(yīng)頻率降低，升溫速度減慢，“渦流發(fā)熱效應(yīng)”強(qiáng)，熔深增大操作條件得到改善。l不同的設(shè)備，通過感應(yīng)器的設(shè)計(jì)調(diào)整和控制感應(yīng)磁場(chǎng)的頻

40、率，合理匹配工件轉(zhuǎn)速與感應(yīng)器的移動(dòng)速度，控制好感應(yīng)重熔時(shí)間，就能有效地控制感應(yīng)重熔過程，獲得滿意的焊層。l感應(yīng)重熔具有升溫快、重熔效率高、基體熱輸量小、易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)控制、生產(chǎn)費(fèi)用低等特點(diǎn)，特別適合形狀一致的圓柱形回轉(zhuǎn)體和平板工件表面噴無機(jī)涂層的重熔處理，具有顯著高效、節(jié)能、節(jié)材效果。l 激光重熔激光重熔l激光重熔 利用激光束的高能量密度，對(duì)等離子噴涂陶瓷無機(jī)涂層進(jìn)行激光重熔處理，能獲得完全致密的無孔隙陶瓷熔合層，無機(jī)涂層組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大變化，晶粒細(xì)化，硬度大大提高，耐磨性和耐蝕性大大提高，并顯著改善陶瓷無機(jī)涂層與基體金屬的結(jié)合強(qiáng)度和抗熱震性能。l由于激光重熔時(shí)的溫度很高，遠(yuǎn)高于陶瓷無機(jī)涂

41、層的固溶溫度，且冷凝和冷卻速度也相當(dāng)高，因而會(huì)出現(xiàn)快速凝固和高的非穩(wěn)定態(tài)相變過程，導(dǎo)致無機(jī)涂層中出現(xiàn)相當(dāng)大的熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，處理不好，重熔陶瓷無機(jī)涂層會(huì)迅速出現(xiàn)開裂甚至崩落，因此并非所有陶瓷無機(jī)涂層都能夠進(jìn)行激光重熔。l激光重熔陶瓷無機(jī)涂層的質(zhì)量主要取決于陶瓷無機(jī)涂層的化學(xué)成分、無機(jī)涂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)和激光重熔參數(shù)的合理選擇。 熱處理熱處理l對(duì)熱噴涂無機(jī)涂層進(jìn)行低溫?zé)崽幚恚欣谙裏釃娡繜o機(jī)涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高其使用壽命。l對(duì)高溫合金噴涂的NiCr、Ni-Al、NiCr-Al等粘結(jié)底層在真空、氫氣或氬氣保護(hù)氣氛下，于9801090下進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散熱處理，能使粘結(jié)無機(jī)涂層的成分與高溫合金成分發(fā)生互擴(kuò)散

42、，形成致密的冶金結(jié)合粘結(jié)底層。從而有利于在高溫燃?xì)馐褂脳l件下防止因粘結(jié)底層的氧化而使其耐熱震壽命降低。l在不銹鋼或鈦合金基體上噴涂羥基磷灰石生物功能陶瓷時(shí)，對(duì)無機(jī)涂層采用蒸汽熱處理，使基體表面預(yù)氧化，與噴涂的羥基磷灰石層具有更好的親和性與齒合性，可提高無機(jī)涂層在體液中的耐蝕性。 浸滲處理浸滲處理l將等離子噴涂的Co-WC金屬陶瓷無機(jī)涂層在低溫焊料或釬焊料的熔體中進(jìn)行熔浸處理，熔融釬焊料通過毛細(xì)管作用，能迅速滲透填滿未熔化的Co-WC無機(jī)涂層的孔隙，像低溫下用液態(tài)封孔劑對(duì)無機(jī)涂層進(jìn)行浸滲處理一樣。l熱浸滲處理可在1000真空中或800氫氣氛中進(jìn)行，浸滲處理時(shí)間約為12min，對(duì)于大多數(shù)Pb、Sn

43、、Ag和Cu焊料的浸滲，可獲得滿意的結(jié)果，能顯著改善Co-WC無機(jī)涂層的強(qiáng)度和耐磨性。l例如，等離子噴涂的12Co-WC金屬陶瓷無機(jī)涂層，在一種CuNi-P低熔點(diǎn)合金的熔體中進(jìn)行浸滲處理，熔浸溫度為810，真空度為13.3mPa（10-4Torr）,浸滲時(shí)間為30min。熔浸處理后無機(jī)涂層的硬度（HV）達(dá)到14001500，顯著地提高無機(jī)涂層的耐磨性能，并可與燒結(jié)生產(chǎn)的超硬質(zhì)合金的耐磨性能相比。 無機(jī)涂層的磨削加工無機(jī)涂層的磨削加工l無機(jī)涂層的磨削加工：熱噴涂無機(jī)涂層是含有孔隙和夾雜的層疊狀堆積的各向異性的不均勻物質(zhì)，無機(jī)涂層的使用效果在很大程度上取決于加工工藝。l陶瓷無機(jī)涂層的磨削加工是陶瓷

44、制品達(dá)到高的公差要求和表面光潔度的唯一有效方法。磨削方法主要有磨床磨削、砂輪磨削和砂帶磨削。 熱噴涂無機(jī)涂層質(zhì)量評(píng)定熱噴涂無機(jī)涂層質(zhì)量評(píng)定l熱噴涂無機(jī)涂層的質(zhì)量應(yīng)根據(jù)其用途來評(píng)定。l例如GE，P&W以及RR等航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司建立的熱噴涂最終質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，常用的指標(biāo)為顯微硬度和（或）宏觀硬度、結(jié)合強(qiáng)度、界面和無機(jī)涂層顯微結(jié)構(gòu)以及無機(jī)涂層厚度。l其他的指標(biāo)如磨損率、熱震、沖蝕率、摩擦系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等則視無機(jī)涂層應(yīng)用環(huán)境的需要而測(cè)定。l以下僅介紹常用熱噴涂無機(jī)涂層性能的測(cè)定方法。 無機(jī)涂層厚度的測(cè)定無機(jī)涂層厚度的測(cè)定l簡(jiǎn)單幾何形狀基體表面，可直接用游標(biāo)卡尺或千分尺測(cè)量無機(jī)涂層厚度。l對(duì)形狀較復(fù)

45、雜的零件，可采用磁性法和渦流法測(cè)厚儀測(cè)量無機(jī)涂層厚度（參考GB1137489）。l磁性法是以探頭對(duì)磁性基體磁通量或互感電流為基準(zhǔn)，利用非磁性無機(jī)涂層的厚度不同，以探頭磁通量或互感電流的變化值來測(cè)量覆蓋層厚度。因此只適合測(cè)量磁性基體上非磁性無機(jī)涂層的厚度，如鋼鐵表面的非磁性膜。l渦流法利用一個(gè)載有高頻電流線圈的探頭，在被測(cè)試樣表面產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，由此引起金屬內(nèi)部渦流，此渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)又反作用于探頭內(nèi)線圈，使其阻抗變化。通過測(cè)量阻抗變化值就可確定無機(jī)涂層的厚度。l磁性法和渦流法直觀簡(jiǎn)單，但其測(cè)量校準(zhǔn)工作非常重要，否則容易產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差。 孔隙率測(cè)定孔隙率測(cè)定l無機(jī)涂層中的孔隙率可以采用阿基米德方

46、法和金相法測(cè)定；l阿基米德方法是通過比較無機(jī)涂層實(shí)際密度和無機(jī)涂層材料理論密度的差別來確定；l金相法是通過圖象分析確定。l封孔處理后無機(jī)涂層的殘余穿孔測(cè)定可以采用試劑試驗(yàn)方法，即通過貼附在無機(jī)涂層表面試紙上亞鐵氰酸的蘭色斑點(diǎn)情況，檢查在鋼鐵基體上無機(jī)涂層通向基體表面的氣孔存在情況；l也可以采用高壓放電試驗(yàn)方法來測(cè)定，即通過火花放電的原理來檢查在鋼鐵基體上無機(jī)涂層通向基體表面的氣孔存在。 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定l熱噴無機(jī)涂層結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定一般采用拉伸法（參考GB864288）。將膠粘好的試樣，裝在試驗(yàn)機(jī)上，在規(guī)定的條件下，均勻、連續(xù)地施加載荷，至試樣斷裂，記錄最大斷裂強(qiáng)度。l用下式計(jì)算無機(jī)涂層

47、結(jié)合強(qiáng)度：l b=F/A0l式中，b為無機(jī)涂層結(jié)合強(qiáng)度；F為試樣斷裂載荷；A0為試樣無機(jī)涂層面積。 無機(jī)涂層顯微結(jié)構(gòu)觀察無機(jī)涂層顯微結(jié)構(gòu)觀察l無機(jī)涂層顯微結(jié)構(gòu)分析與一般材料顯微分析手段相同，如金相分析、SEM、TEM等。l但是進(jìn)行無機(jī)涂層截面分析時(shí)，試樣制作非常關(guān)鍵。因?yàn)闊o機(jī)涂層較薄，而且大部分較脆，所以對(duì)試樣的切割、鑲樣以及研磨拋光都有特殊要求。l在切割過程中應(yīng)選擇合適的切割砂輪和切割速度，切割方向應(yīng)垂直于無機(jī)涂層表面、從無機(jī)涂層表面向基體方向切割。熱噴無機(jī)涂層結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試原理 熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用l1.噴涂耐腐蝕無機(jī)涂層l采用熱噴涂技術(shù)可以噴涂耐各種介質(zhì)腐蝕的保護(hù)無機(jī)涂層，如

48、鋅、鋁、不銹鋼、鎳合金、蒙乃兒合金、青銅以及氧化鋁、氧化鉻陶瓷無機(jī)涂層和塑料等。但是不銹鋼、鎳合金、蒙乃兒合金、青銅等金屬無機(jī)涂層的電極電位比鋼鐵高，因此易在無機(jī)涂層孔隙處產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，只用于機(jī)械部件如柱塞泵的活塞和活塞桿、液壓油缸、蒸汽輪機(jī)軸的密封部件、船舶尾軸、閥門等，而且必須封孔處理。l陶瓷無機(jī)涂層用于防腐也必須經(jīng)過封孔處理。最成功的熱噴涂防腐無機(jī)涂層是鋅、鋁無機(jī)涂層，它們除了具有大多數(shù)油漆和涂料對(duì)鋼基體形成的“隔離”和“阻擋”功能外，由于鋅、鋁的腐蝕電極電位高于鐵，即使無機(jī)涂層有孔隙、缺陷或出現(xiàn)裂紋時(shí)，腐蝕介質(zhì)將首先腐蝕鋅和鋁，而使鐵基體作為陰極而得到保護(hù)，可用于大型橋梁、海洋鉆井平

49、臺(tái)、水利設(shè)施等，使用壽命可達(dá)到20年以上，是極有希望的替代油漆的表面保護(hù)無機(jī)涂層l。例如英國(guó)普利茅斯公路大橋，處于海洋和工業(yè)性氣候，1961年建成，噴涂0.08mm 鋁-鋅復(fù)合無機(jī)涂層，至今只重新噴涂過一次。 2. 2.噴涂耐磨無機(jī)涂層噴涂耐磨無機(jī)涂層l熱噴涂技術(shù)被成功地應(yīng)用于噴涂機(jī)械零件表面的耐磨無機(jī)涂層，延長(zhǎng)零件的使用壽命，或修復(fù)磨損失效的機(jī)械零件。l采用等離子噴涂氧化鋁、氧化鉻等耐磨陶瓷無機(jī)涂層可以有效減少磨損，提高壽命。對(duì)于可能遭遇磨料磨損的機(jī)械部件如泥漿泵活塞桿、螺旋送料器等零件，要求無機(jī)涂層的硬度超過磨料的硬度，因此最好選用超音速火焰噴涂或爆炸噴涂技術(shù)噴涂鎳基或鈷基碳化鎢無機(jī)涂層。

50、對(duì)于在沖蝕和氣蝕環(huán)境下工作的水輪機(jī)、抽風(fēng)機(jī)、旋風(fēng)除塵器等的零件，要求無機(jī)涂層硬度高、韌性好，采用等離子噴涂超細(xì)氧化鋁、氧化鉻等耐磨陶瓷無機(jī)涂層，或選用超音速或爆炸噴涂鈷基碳化鎢復(fù)合無機(jī)涂層可以獲得較好的效果。l美國(guó)Metco公司在中國(guó)小浪底水電站建設(shè)工作中承擔(dān)了水輪機(jī)耐沖蝕無機(jī)涂層的施工任務(wù)，共耗噴涂材料13噸多，項(xiàng)目總投資達(dá)到6-7千萬(wàn)美元。采用耐沖蝕無機(jī)涂層后預(yù)計(jì)水輪機(jī)葉輪壽命將從三年提高到幾十年。l在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，采用可磨耗無機(jī)涂層能成功地減小轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間的間隙?？赡ズ臒o機(jī)涂層一般采用等離子噴涂或火焰噴涂技術(shù)制備，無機(jī)涂層成分由金屬基體和非金屬填料組成，金屬通?？蛇x用鋁、銅、鎳、鈷及其合金等，而填料通常有石墨、聚苯脂、硅藻土、膨潤(rùn)土、六方氮化硼等。 3. 3.噴涂耐高溫?zé)o機(jī)涂層噴涂耐高溫?zé)o機(jī)涂層l熱噴涂技術(shù)同樣可用于改善機(jī)械零件的抗高溫氧化性能。l超音速火焰噴涂Cr2C3-NiCr無機(jī)涂層，在900以下是非常好的耐磨無機(jī)涂層，是冶金工業(yè)中連續(xù)退火爐爐底輥的主要高溫保護(hù)無機(jī)涂層。如果溫度在900以上，則可以采用大氣等離子噴涂氧化鋯無機(jī)涂層。采用真空等離子噴涂NiCrAI或Ni(Co)CrAIY無機(jī)涂層，或者用等離子噴涂氧化鋁氧化鈦等陶瓷無機(jī)涂層，都可以改善機(jī)械零件的抗高溫氧化性能，防止熔融金屬的侵蝕。l采用熱障無機(jī)涂層隔離金屬基體與高溫