热喷涂概述.

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1、 二、热喷涂技术的定义 GB/T187192002热喷涂 术语、分类中 定义： 热喷涂技术是利用热源将喷涂材料 加热至溶化或半溶化状态并以一定的速 度喷射沉积到经过预处理的基体表面形 成涂层的方法。 三、热喷涂技术的形成与发展 1908年由瑞士的肖普（schoop）博士发明（首创）并 用雾化装置进行喷涂试验 1913年制作出世界首台丝材喷枪，并在其后逐渐完善 和得到应用 1920年日本人去瑞士考察后发明了以交流电为热源的 电弧热喷涂装置，但因交流电不稳定，效率低，涂 层质量差等原因，这种交流电弧热喷涂技术及装置 未能得到实际的推广和应用 1938年，美国研制成功了电弧丝材喷枪，其后又研制 出粉

2、末氧乙炔火焰喷枪 1953年，当时的西德研制出自熔性合金粉，这是喷涂 材料发展的一次重大突破，是粉末喷涂材料从单一 金属向合金材料发展，从低熔点材料向高熔点材料 发展，从低耐磨性向高耐磨性发展的里程碑。 上世纪50年代后期，美国又相继研制出爆炸喷涂和等 离子喷涂，满足了当时航空、导弹等尖端技术对涂 层性能的需要 上世纪6070年代，是喷涂材料发展十分活跃的时期， 美国、加拿大、瑞士、西德、比利时等国分别研制生 产出系列的复合粉、多种自熔合金粉、陶瓷粉、金属 陶瓷粉和自粘结复合粉等，这其中包括以Ni-AL为基础 的放热型复合粉，这些材料的出现以及材料生产技术 的不断完善，使得喷涂材料更加齐备和商

3、品化，满足 了当时，直到今天人们在这方面的需求。 四、我国的热喷涂技术及工程应用 上世纪50年代初就开始了丝的电弧热喷涂（江浙一带 的高压输电钢结构塔上喷涂Zn涂层防腐，至今仍在 起着防腐蚀的作用） 60年代在某些军工部门，主要是航空部门开始研究等 离子喷涂 70年代由于一些大国对我国的限制，为了满足国防的 特殊需求，我国的一些科研单位以研制生产Ni 包 Al、Co和WC粉末热喷涂复合材料始，先后生产出品 种和型号较为齐全的材料和设备。 80年代初，北京矿冶研究总院首先研制出系列的自粘一次 喷涂粉末； 81年末，由当时的国家经委和国家科委联合召开了我国首 届热喷涂技术推广会。在此次会上，由国家

4、经委和国家 科委联合下文。（经技1981489号），成立了全国 热喷涂协作组。同时，在其后的“六五”、“七五”、 “八五”和“九五”连续四个“五年计划”中，将热喷 涂技术作为国家重点推广项目并给予政策和经费支持， 在 “十一五”，热喷涂技术研发和应用也同样列入许 多单项工程并得到国家的支持。 五、热喷涂技术的分类 依据GB/T18722002颁布的分类方 法有三种： 热喷涂材料类型 操作方法 热源 （1）按热喷涂材料类型分类 线材喷涂 wire spraying 棒材喷涂 rod spraying 芯材喷涂 cord spraying 粉末喷涂 powder spraying 熔液喷涂 mol

5、ten bath spraying （2）按操作方法分类 手工喷涂 manual spraying 机械化喷涂 mechanized spraying 自动化喷涂 automatic spraying （3）按热源分类(最常用) 熔液喷涂 moltenbath spraying 火焰喷涂 flame spraying 高速火焰喷涂 high velocity flame spraying 爆炸喷涂 detonation spraying 电弧喷涂 arc spraying 等离子喷涂 plasma spraying 激光喷涂 laser spraying 冷喷涂 Cold Spray，Cold

6、 Gas Dynamic Spray 热喷涂方法的典型特征参数 特征值火焰温 度/ 粒子速 度/m.s-1 结合强 度 /Nmm-2 气孔率 （） 喷涂效率 /kgh1 相对 成本 火焰喷涂3000408201015261 电弧喷涂4000 6000 10012251010252 高速火焰 喷涂 3000800 1700 701100.51523 火焰爆炸 喷涂 4000800701214 等离子喷 涂 12000- 16000 200 400 60800.52104 各种热喷涂方法的工作气体温度 六、热喷涂设备 热 喷 涂 设 备 喷枪 热源 涂层材料供给装置 控制系统 冷却系统 图1 火焰

7、线材金属喷涂设备原理图 1-空压机 2-冷凝器 3-油水分离器 4-贮气罐 5-空气滤清器 6-盘丝架 7-喷涂枪 8-工件 9-氧气瓶 10-乙炔瓶 图2 超音速火焰喷涂设备 图3 爆炸喷涂设备原理图 图4 CMD-DG2000型爆炸喷涂机 图5 电弧喷涂设备配置图 图6 CMD-AS3000型电弧喷涂机 图7 等离子喷涂的设备配置图 图8 JX-80 等离子喷涂系统 图9 激光喷涂设备 七、热喷涂工艺 热喷涂工艺过程一般包括： 工件表面预处理 工件预热 喷涂 涂层后处理 （1） 表面预处理 工件表面预处理包括净化和粗化两个过程 净化处理的目的是除去工件表面的所有污垢, 如氧化皮、油渍、油漆

8、及其他污物, 关键是除去 工件表面和渗入其中的油脂。 净化处理的方法有溶剂清洗法、蒸汽清洗法 、碱洗法及加热脱脂法等。 粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接 触面, 增大涂层与基材的机械咬合力,使净化处 理过的表面更加活化,以提高涂层与基材的结合 强度。 粗化处理的方法有喷砂、机械加工法(如车 螺纹、滚花)、电拉毛等，其中喷砂处理是最常 用的粗化处理方法，常用的喷砂介质有氧化铝 、碳化硅和冷硬铸铁等。 （2）预热 预热的目的是为了消除工件表面的水分和 湿气, 提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度, 以提高涂层与基体的结合强度；减少因基材与 涂层材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂 层开裂。 预热

9、温度取决于工件的大小、形状和材质, 以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素,一般 情况下预热温度控制在60 - 120 之间。 （3）喷涂 采用何种喷涂方法进行喷涂主要取决于选用的喷涂 材料、工件的工况及对涂层质量的要求。 陶瓷涂层：最好选用等离子喷涂； 碳化物金属陶瓷涂层：最好采用高速火焰喷涂； 喷涂塑料：只能采用火焰喷涂； 户外大面积防腐工程喷涂：灵活高效的电弧喷涂或 丝材火焰喷涂； 总之，喷涂方法的选择一般来说是多样的，但对某 种应用来说总有一种方法是最好的。 （4）涂层后处理 喷涂所得涂层有时不能直接使用, 必须进行 一系列的后处理。 用于防腐蚀的涂层,为了防止腐蚀介质透过 涂层的孔隙到

10、达基材引起基材的腐蚀,必须对涂 层进行封孔处理。 用作封孔剂的材料很多,有石腊、环氧树脂 、硅树脂等有机材料及氧 化物等无机材料, 如 何选择合适的封孔剂, 要根据工件的工作介质、 环境、温度及成本等多种因素进行考虑； 对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件,为了 提高涂层的结合强度,要对喷涂层进行重熔处理( 如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等静压 等), 使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为 与基材呈冶金结合的致密涂层； 有尺寸精度要求的,要对涂层进行机械加工。 热喷涂技术的特点 （1）由于热源的温度范围很宽,因而可喷涂的 涂层材料几乎包括所有固态工程材料,如金属、 合金、陶瓷、金属陶瓷、

11、塑料以及由它们组成 的复合物等.因而能赋予基体以各种功能(如耐磨 、耐蚀、耐高温、抗氧化、绝缘、隔热、生物 相容、红外吸收等)的表面。 （ （2）喷涂过程中基体表面受热的程度较小 而且可以控制,因此可以在各种材料上进行喷 涂(如金属、陶瓷、玻璃、布疋、纸张、塑料 等),并且对基材的组织和性能几乎没有影响,工 件变形也小。 （3）设备简单、操作灵活, 既可对大型构件 进行大面积喷涂,也可在指定的局部进行喷涂 ；既可在工厂室内进行喷涂也可在室外现场进 行施工。 （4）喷涂操作的程序较少,施工时间较短,效 率高,比较经济。 八、各种热喷涂方法概述 （1）氧乙炔火焰喷涂(焊) 氧乙炔火焰喷涂(焊)是最

12、早的喷涂方法。它是利用氧 和乙炔的燃烧火焰将粉末状或丝状、棒状的涂层材料加 热到熔融或半熔融状态后喷向基体表面而形成涂层的一 种方法。 它具有设备简单、工艺成熟、操作灵活、投资少、 见效快的特点。 它是目前国内最常用的喷涂方法之一，可制备各种 金属、合金、陶瓷及塑料涂层。但是由该方法制备的涂 层孔隙度较大, 与基体材料的结合强度也较低。 对于自熔合金而言,如若采用燃烧火焰将其一次喷融 或将喷涂层进行二次重熔(有火焰重熔、感应重熔和炉熔 等)的方法则称为喷焊, 喷焊涂层由于与基体材料呈冶金 结合状态, 因而与基体材料的结合强度大大提高,可以应 用于冲击大、负荷重的工况下, 如连续铸造拉矫辊、热轧

13、 矫直辊表面采用镍基自熔合金喷焊涂层进行强化, 均获得 了十分良好的耐蚀、耐磨和抗热疲劳的强化效果。 （2）爆炸喷涂(D - GUN) 本方法是利用氧和可燃性气体的混合气，经点火 后在喷枪中爆炸,利用脉冲式气体爆炸的能量, 将被 喷涂的粉末材料加热、加速轰击到工件表面而形成涂 层。 气体燃烧和爆炸的结果可产生超音速高能气流, 爆炸波的传播速度高达3000 m /s,其中心温度可达 3450, 粉末粒子的飞行速度可达1200m /s，因而爆 炸喷涂层涂层致密, 与基体的结合强度高, 最高可达 24 kg /mm2，该法的缺点是噪音大, 而且爆炸是不连 续的, 因而效率较低。 （3）超音速火焰喷涂

14、(HVOF) 超音速火焰喷涂(High Velocity Oxy Fuel,简称 HVOF)是在20世纪80年代初在普通火焰喷涂的基础上发 展起来的一种新型热喷涂技术。它是利用丙烷、丙烯等 碳氢系燃气或氢气与高压氧气在燃烧室或特殊的喷嘴中 燃烧，产生高达3200的高温高压燃气，焰流速度高达 1500m/s以上,将粉末送进火焰中,产生熔化或半熔化的粒 子,高速撞击在基体表面上沉积形成涂层,能够获得比普通 火焰喷涂或等离子喷涂结合强度更高的致密涂层。 由于喷涂颗粒以超音速飞行而撞击到基体 表面，所以HVOF喷涂涂层的结合强度、密度 和硬度都非常高。 高速（可使颗粒获得高的动能和较短的氧 化暴露时间

15、）和相对较低的温度是HVOF热喷 涂工艺方法最重要的两个特征。 （4）电弧喷涂 电弧喷涂是在两根丝状的金属材料之间产生 电弧, 电弧产生的热使金属丝熔化, 熔化部分由压 缩空气气流雾化并喷向基体表面而形成涂层。该 工艺也具有设备一次投资少, 使用方便、效率高 等特点, 但喷涂材料必须是导电的金属及合金丝, 因而其应用受到了一定的限制, 但它的高效率使 得它在喷涂Al、Zn 及不锈钢等大面积防腐应用 方面成为首选工艺。 （5）等离子喷涂(APS) 当某种气体如氮、氩、氢及氦等通过一压 缩电弧时产生电离而形成电中性的等离子体(是 物质除气、液、固态外的第四态)。等离子弧的 能量集中温度很高, 其焰流的温度在万度以上, 可以将所有固态工程材料熔化。以这种高温等 离子体作热源将涂层材料熔化制备涂层的工艺 就是等离子喷涂。 等离子喷涂涂层的致密度及与基体材料的结 合强度均比火焰喷涂涂层和电弧喷涂涂层的高, 而且也是制备陶瓷涂层的最佳工艺。