熱噴涂概述與材料

第二節(jié)熱噴涂技術(shù)概述一、熱噴涂概念

熱噴涂----利用某種熱源，如電弧、等離子弧或燃燒火焰等將粉未狀或絲狀的金屬或非金屬材料加熱熔化或軟化形成熔滴、并以一定速度射向預(yù)處理過的基體表面、形成具有一定結(jié)合強(qiáng)度涂層的工藝方法。噴焊---是指用熱源將噴涂層加熱到熔化，使噴涂層的熔融合金與基材金屬互溶、擴(kuò)散，形成類似釬焊的冶金結(jié)合，這樣所得到的涂層稱為噴焊層。熱噴涂技術(shù)的目的：

熱噴涂的目的：是提高工件的耐蝕、耐磨、耐高溫等性能，亦可用于修復(fù)因磨損或加工失誤造成尺寸超差的零部件。熱噴涂生產(chǎn)實(shí)例錄相

熱噴涂的工藝過程：噴涂材料加熱熔化熔滴霧化粒子飛行粒子噴涂涂層形成二、熱噴涂的原理

噴涂材料在熱源中被加熱的過程和顆粒與基體表面的結(jié)合過程是熱噴涂涂層制備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。（一）涂層的形成過程及特點(diǎn)熱源溫度越高，熔滴沖擊速度越大，形成的涂層越致密。涂層中顆粒與基體表面之間的結(jié)合以及顆粒之間的結(jié)合機(jī)理目前尚無定論，通常認(rèn)為有三種結(jié)合：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相互嵌合（即拋錨效應(yīng)），形成機(jī)械釘扎而結(jié)合。一般來說，涂層與基體的結(jié)合以機(jī)械結(jié)合為主。冶金-化學(xué)結(jié)合這是當(dāng)涂層和基體表面產(chǎn)生冶金反應(yīng)的一種結(jié)合類型，如出現(xiàn)擴(kuò)散和合金化，包括在結(jié)合面上形成金屬化合物或固溶體。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。物理結(jié)合顆粒與基體表面間由范德華力或其他次價(jià)鍵力形成的結(jié)合。

范德華力是存在于分子間的一種吸引力，它比化學(xué)鍵弱得多。

（二）熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)噴涂層的形成過程決定了涂層的結(jié)構(gòu)，噴涂層是由無數(shù)變形粒子互相交錯(cuò)呈波浪式堆疊在一起的層狀組織結(jié)構(gòu)。涂層的特點(diǎn)：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。有孔隙或空洞涂層中顆粒與顆粒之間不可避免地存在一部分孔隙或空洞，其孔隙率一般在0.025％～20％之間，涂層中還伴有氧化物等夾雜。涂層結(jié)構(gòu)可改變涂層經(jīng)適當(dāng)處理后，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。如涂層經(jīng)重熔處理，可消除涂層中氧化物夾雜和孔隙，層狀結(jié)構(gòu)變成均質(zhì)結(jié)構(gòu)，與基體表面的結(jié)合狀態(tài)也發(fā)生變化。涂層中存在殘留應(yīng)力殘留應(yīng)力是由于撞擊基體表面的熔融態(tài)變形顆粒在冷凝收縮時(shí)產(chǎn)生的微觀應(yīng)力的累積造成的，涂層的外層受拉應(yīng)力，而基體或涂層的內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力。Ni－Cr－B－Si火焰噴涂組織涂層的殘留應(yīng)力：

涂層中存在的殘留應(yīng)力會(huì)影響涂層的質(zhì)量，殘留應(yīng)力的大小與涂層的厚度成正比，限制了涂層的厚度。因此，薄涂層一般比厚涂層具有更好的結(jié)合強(qiáng)度，受殘留應(yīng)力的限制，熱噴涂層的最佳厚度一般不超過0.5mm。熱噴涂層殘留應(yīng)力的大小可通過調(diào)整噴涂工藝參數(shù)進(jìn)行控制，但更有效的方法是通過涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用梯度過渡層緩和涂層殘留應(yīng)力。熱源噴涂方法火焰線材火焰噴涂粉末火焰噴涂高速火焰噴涂爆炸噴涂自由電弧電弧噴涂等離子弧大氣等離子弧噴涂(APS)低壓等離子弧噴涂(LPPS)水穩(wěn)等離子弧噴涂三、熱噴涂技術(shù)分類及特點(diǎn)1.熱噴涂技術(shù)的分類噴涂方法溫度/℃粒子速度/m.s-1結(jié)合強(qiáng)度/MPa氣孔率/（%）噴涂效率/kg·h－1相對(duì)成本火焰噴涂3000408～2010～152～61高速火焰噴涂3000800～170070～110＜0.51～52～3爆炸噴涂4000800＞701～214電弧噴涂500010012～251010～252等離子弧噴涂>10000200～40060～80＜0.52～104各種熱噴涂技術(shù)的典型特征參數(shù)可噴涂的材料廣泛幾乎所有的金屬、合金、陶瓷都可以作為噴涂材料，塑料、尼龍等有機(jī)高分子材料也可以作為噴涂材料。基體不受限制在金屬、陶瓷器具、玻璃、石膏，甚至布、紙等固體上都可以進(jìn)行噴涂。工藝靈活既可對(duì)大型設(shè)備進(jìn)行大面積噴涂，也可對(duì)工件的局部進(jìn)行噴涂；既可噴涂零件，又可對(duì)制成后的結(jié)構(gòu)物進(jìn)行噴涂。室內(nèi)或露天均可進(jìn)行噴涂，工序少，功效高，大多數(shù)工藝的生產(chǎn)率可達(dá)到每小時(shí)噴涂數(shù)千克噴涂材料。如對(duì)同樣厚度的涂層，時(shí)間比電鍍用的少得多。工件受熱溫度可控在噴涂過程中可使基體保持較低溫度，基體變形小，一般溫度可控制在30～200℃，從而保證基體不變形、不弱化。涂層容易控制涂層厚度由幾十微米到幾毫米，涂層表面光滑，加工余量少。成本低2.熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)但目前該技術(shù)仍存在著結(jié)合力低、孔隙率較高、均勻性差等缺點(diǎn)，有待于進(jìn)一步發(fā)展。第三節(jié)熱噴涂材料一、熱噴涂材料的性能和分類

1.熱噴涂材料必須滿足的性能：穩(wěn)定性好熱噴涂材料在噴涂過程中，必須能夠耐高溫，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，即在高溫下不發(fā)生有毒的化學(xué)反應(yīng)及性能上的轉(zhuǎn)變。使用性能好根據(jù)工件的要求，所得涂層應(yīng)該滿足各種使用要求，即噴涂材料也必須具有相應(yīng)的性能，如耐磨、耐蝕、導(dǎo)電、絕緣等。潤(rùn)濕性好潤(rùn)濕性好，則得到的涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高；自身密度好，且涂層平整。固態(tài)流動(dòng)性好固體粉末的流動(dòng)性與粉末形狀、濕度和粒度有關(guān)。流動(dòng)性好，才能保證送粉的均勻性。熱膨脹系數(shù)合適若涂層與工件的熱膨脹系數(shù)相差甚遠(yuǎn)，則可能導(dǎo)致工件在噴涂后的冷卻過程中引起涂層龜裂。

2.熱噴涂材料分類1）根據(jù)熱噴涂材料的不同形狀：線材棒材管材粉末由高分子材料做成的長(zhǎng)柔性管中裝有各種性能粉末和管材2）根據(jù)噴涂材料的成分：金屬合金自熔性合金復(fù)合材料陶瓷塑料3）按涂層結(jié)構(gòu)有納米涂層材料、合金涂層材料、非晶態(tài)涂層材料以及由這些材料復(fù)合構(gòu)成的復(fù)合涂層材料。二、熱噴涂用金屬及合金線材熱噴涂用金屬及合金線材包括：非復(fù)合噴涂線材復(fù)合噴涂線材用機(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。非復(fù)合噴涂線材是指只用一種金屬或合金的材料制成的線材，這些線材是用普通的拉拔方法制造的。碳鋼及低合金鋼噴涂絲常用的是85優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼絲和T10A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)。（一）非復(fù)合噴涂線材不銹鋼噴涂絲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，易開裂，適于噴涂薄層。

鋁及鋁合金噴涂絲鋁和氧有很強(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2～3mm，噴涂時(shí)，表面不得有油污和氧化膜。鋅及鋅合金噴涂絲在鋼鐵件上，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、電視臺(tái)天線、水閘門和容器等。非復(fù)合噴涂線材鉛及鉛合金噴涂絲鉛具有很好的防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。錫及錫合金噴涂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)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。非復(fù)合噴涂線材鎳及鎳合金噴涂絲鎳涂層即使在1000℃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。應(yīng)用最為廣泛的鎳基合金噴涂絲線材主要有Ni-Cr絲和蒙乃爾合金（Mmel合金）。Ni-Cr合金涂層作為耐磨、耐高溫涂層，可在800℃－1000℃高溫下使用，但其耐硫化氫、亞硫酸氣體及鹽類腐蝕性能較差；蒙乃爾合金涂層具有優(yōu)異的耐海水和耐稀硫酸腐蝕的性能，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。鉬噴涂絲鉬與氫不產(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。非復(fù)合噴涂線材鎳合金:又稱蒙乃爾合金，是一種以金屬鎳為基體添加銅、鐵、錳等其它元素而成的合金。

復(fù)合噴涂線材中大部分是增效復(fù)合噴涂線材，即在噴涂過程中不同組元相互發(fā)生熱反應(yīng)生成化合物，反應(yīng)熱與火焰熱相疊加，提高了熔滴溫度，達(dá)到基體后會(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，從而提高結(jié)合強(qiáng)度。（二）復(fù)合噴涂線材目前發(fā)現(xiàn)143組“組元對(duì)”有放熱反應(yīng)。常用的有Ni-AI、Al-Cr、Al-Nb、Al-Ta、Al-B、Al-Ni-WC、Al-Ni-Al2O3等復(fù)合絲線材。利用組元對(duì)放熱反應(yīng)，再加入其他強(qiáng)化組元可制成自結(jié)合一步噴涂絲。這種絲的特點(diǎn)是兼有打底層及工作層的性能，利用放熱方法可使涂層結(jié)合牢固，又因其他組元的強(qiáng)化作用而得到高的綜合性能。如不銹鋼一Ni／AI絲、Ni-AI-Mo絲等。制造復(fù)合噴涂線材常用的復(fù)合方法:絲-絲復(fù)合法將各種不同的組分的絲絞、軋成一股。絲-管復(fù)合法將一種或多種金屬絲穿入某種金屬管中壓軋而成。粉-管復(fù)合法將一種或多種粉末裝入金屬管中加工成絲。粉-皮壓結(jié)復(fù)合法將粉末包在金屬殼內(nèi)加工成絲。粉-粘合劑復(fù)合法把多種粉末用粘合劑混合擠壓成絲。三、熱噴涂用粉末熱噴涂用金屬及合金線材包括：非復(fù)合噴涂粉末復(fù)合噴涂粉末由兩種或更多種金屬和非金屬（陶瓷、塑料、非金屬礦物）固體粉末混和而成。屬簡(jiǎn)單粉末，每個(gè)粉粒僅由單一的成分組成。熱噴涂材料應(yīng)用最早的是一些線材，但只有塑性好的材料才能做成線材，而粉末噴涂材料卻可不受線材成形工藝的限制，成本低，來源廣，組無間可按任意比例調(diào)配，組成各種組合粉、復(fù)合粉，從而得到相圖上存在或不存在的相和組織，獲得某些特殊性能。金屬及合金粉末（一）非復(fù)合噴涂粉末噴涂合金粉末（也稱冷噴合金粉末）噴熔合金粉末（又稱自熔性合金粉末）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：金屬氧化物（如Al2O3、TiO2等）、碳化物（如WC、SiC等）、硼化物（如ZrB2、CrB2等）、硅化物（如MoSi2

等）、氮化物（如VN、TiN等）。采用等離子弧噴涂可解決陶瓷材料熔點(diǎn)高的問題，幾乎可以噴涂所有的陶瓷材料。用火焰噴涂也可獲得某些陶瓷涂層。塑料粉末塑料涂層具有美觀、耐蝕性好的特點(diǎn)，有熱塑性（受熱熔化或冷卻時(shí)凝固，如聚乙烯、尼龍粉等）和熱固性（固化成型后不再熔化，如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等）兩類。Zr-鋯金屬及合金粉末噴涂合金粉末噴涂合金粉末，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，以避免涂層開裂。氧-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。噴熔合金粉末噴熔合金粉末，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。大量應(yīng)用的合金粉末主要是Ni基、Fe基、Co基、Cu基合金粉末，一般都可用水霧法、氣霧法或其他方法制得。（二）復(fù)合噴涂粉末包覆型粉由不同相混雜而成的顆粒，沒有核殼之分。組合型粉

由一種或幾種成分作為外殼，均勻連續(xù)或星點(diǎn)間斷地包覆由一種或幾種成分組成的核心的粉體，包覆層與核心的重量比可為1％－99％，包覆層的宏觀厚度最低可為2－3μm.圖a～d復(fù)合型粉末結(jié)構(gòu)示意圖（Ni/Al為Ni包Al，余同）絲材純金屬絲材Zn、Al、Cu、Ni、Mo等合金絲材

Zn-Al-Pb-Sn、Cu合金、巴氏合金、Ni合金、碳鋼、合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼復(fù)合絲材金屬包金屬（鋁包鎳、鎳包合金）、金屬包陶瓷（金屬包碳化物、氧化物等）、塑料包覆（塑料包金屬、陶瓷等）粉芯絲材

7Cr13、低碳馬氏體等棒材陶瓷棒材

Al2O3、TiO2、Cr2O3、Al2O3-MgO、Al2O3-SiO