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1、2020/9/18,1,第5章 热喷涂技术,一、热喷涂技术 1 技术原理与特点.2 2 热喷涂工艺方法.8 3 常用热喷涂材料.13 4 热喷涂技术应用例.16 二、热喷焊工艺与特点 .20 三、堆焊工艺 .26,附录1 粉末在热气流中熔化过程数学描述.30 附录2 热喷涂过程影响因素.31 附录3 线材火焰喷涂原理示意图及装置.32 附录4/5 热喷涂耐高温/功能涂层33/34 附录6 喷焊二步法操作示意图.35 附录7 几种堆焊工艺的稀释率.36,2020/9/18,2,第5章 热喷涂技术,指利用热能(如氧乙炔/电弧/等离子火焰)将具有特殊性能的涂料材料熔化后涂敷在工件B形成涂层的技术,一
2、、热喷涂技术,1. 技术原理与特点,目的在于制造具有复合结构的机械零件和各类零件的修复,热源将喷涂材料熔化或半熔化,然后用高速气体使涂层分散细化并高速撞击到基材B,冷却凝固后形成涂层,1) 原理,2020/9/18,3,2) 特点,热喷涂工艺分类,可在各种基材上制备各类涂层,操作灵活:可喷涂各种规格和形状的基材,特别是大面积涂层,基体T低:200,变形小,热影响区浅,基材:金属/陶瓷/工程塑料/玻璃/石膏/木材/布/纸,涂层:金属/陶瓷/金属陶瓷/工程塑料,涂层厚度范围宽:几十微米数毫米;容易控制,成本低,局限性:热效率低/材料利用率低/涂层与基体结合强度较低,2020/9/18,4,若液滴过
3、热,则其粘度过低,熔滴扩展后不会立即凝固,形成的薄膜边缘变厚,趋于破裂并收缩,凝固成小球状,不能与基材结合,1. 技术原理与特点(续3),3)涂层材料,熔化后的液滴在较长时间保持液相并且不发生分解,主要取决于加热熔化/喷涂速度/凝固三方面,熔化:,要求如下:,形状和尺寸:线材13mm,粉末 1100m,4)涂层形成控制,固体粉末在热气流中熔化成为液滴,液滴在飞行过程中必须保持熔化状态,其存在的时间主要取决于焰流速度/火焰T和喷涂距离,固体粉末变为液滴存在一临界尺寸,与粉末熔点有关,喷涂速度,对高熔点氧化物:545m；低熔点金属粉末45160m,颗粒在飞行速度最大时动能最大,这时冲击基材形成的涂
4、层结合力强,凝固:避免颗粒未熔和过热;基材B的T要与液滴的T相适应,一般要求将喷嘴与工件的距离调整到最佳位置,若部分未熔,则可能从基材反弹回来或包在涂层内,形成空洞或夹杂,即要求材料具有较宽的液相区间,二者的T相差过大,凝固时会发生收缩/应力集中/孔隙过多等情况,液滴从接触基材B到凝固的时间一般1s,2020/9/18,5,降低涂层结合强度;但有些涂层允许存在部分氧化物夹杂,但另一方面,孔隙可以储存润滑剂,提高涂层的隔热性能,减小内应力以及提高抗热震性能,1. 技术原理与特点(续4),5)涂层结构,由大量扁平颗粒部分未熔球形颗粒夹杂(黑色细长物)孔隙(黑色)组成,孔隙产生的原因,图:等离子喷涂
5、钼涂层微观结构,6)热喷涂中的相变,由于液滴氧化形成氧化膜或未熔颗粒产生,未熔颗粒冲击动能低喷涂角度不同部分部位重叠 凝固收缩和应力释放,孔隙的影响:损害涂层耐蚀性,使B粗糙,降低其结合强度/硬度/耐磨性;,由于熔滴尺寸很小,冷却速度可达106K/s,冷却后会形成非晶态/亚稳相,扁平颗粒,夹杂的影响,如含钼涂层中的氧化钼具有减摩作用;含钛涂层中的氧化钛具有耐磨作用,在高温时这些非晶态/亚稳相会向稳定相转变或分解,如-Al2O3材料硬度高,耐磨性好;但等离子喷涂获得的是性能不同的-Al2O3,2020/9/18,6,1. 技术原理与特点(续5),7)涂层应力,涂层冷却收缩,图:涂层中的残余应力,
6、8)涂层结合强度,涂层受拉应力,基体受压应力,基材,喷涂完毕,涂层内有残余拉应力,与厚度成正比,措施,残余拉应力涂层与基体结合强度涂层破坏,限制涂层厚度0.5mm,限用收缩性高的材料,如不锈钢,采用梯度过渡层缓和涂层应力,涂层与基材的结合:机械结合微冶金结合,最先形成的薄片状颗粒与基材B凹凸不平处产生机械咬合,随后飞来的敷在先到的颗粒B,依次堆放,由于颗粒在撞击过程中释放出大量能量,引起局部扩散和焊合,产生微冶金结合(扩散厚度0.5m),结合强度70MPa,2020/9/18,7,封孔:采用封孔剂填充涂层内的孔隙;目的在于提高涂层的抗蚀能力/密封性/其它污染/一些陶瓷涂层的绝缘性,1. 技术原
7、理与特点(续6),9)涂层工艺流程与质量控制,工艺流程,清洗/粗化/粘结底层,封孔/密实化,清洗:清除所有B污垢,如氧化皮/油渍/油脂/油漆,粗化:在B作沟槽/粗车削加工/喷砂处理等以提高涂层与基材结合强度,粘结底层:在清洁/光滑B上的喷涂层,用于增强工作涂层与基材结合力,图:一种梯度涂层结构,粘结底层为镍包铝(Ni-Al)复合粉末合金涂层,面层为金属陶瓷,过渡层为以上二者混合料,预处理,与设备/喷涂材料/焰流状况/基材等多项因素有关,热喷涂,封孔剂有:石蜡/油类/油漆/树脂类/硅酸钠等,后处理,机加工:车削/磨削/抛光,达到最终尺寸要求,铣削的B(6.3m)喷涂镍包铝时结合强度3641MPa
8、,喷砂后45MPa,小结,整个热喷涂过程取决于4个基本要素:设备/材料/工艺/人员,2020/9/18,8,2. 热喷涂工艺方法,1)火焰喷涂,用少量气体将粉末输送到喷嘴前端,通过燃气加热/熔化并加速喷涂到基材B,形成涂层,图:粉末火焰喷涂工作原理图,基材,涂层,火焰,压缩空气不仅起雾化作用,并且起送料作用,可提供的粉末有:锌/铝/铜合金,不锈钢/高合金钢/钴基合金及陶瓷等,在喷嘴前端加上空气帽,可以压缩燃烧焰流并提高喷涂速度,2020/9/18,9,2.1 火焰喷涂(续1),图:线材火焰喷涂工作原理图,基材,线材火焰喷涂工作原理与粉末法类似,熔点低于2700的材料均能喷涂,线材,喷嘴,压缩空
9、气,氧乙炔气体,喷涂焰流,送入火焰区的线端熔化后,由导入的压缩空气雾化并喷向工件,压缩空气压力0.50.6MPa,喷枪与基材距离1025cm,涂层厚度可达6mm.用于耐磨和修理的为0.751.25mm,优势为设备投资少,操作容易,可野外作业,无电力要求,沉积效率高等,劣势为涂层含氧量高,孔隙较多,结合强度偏低(1040MPa),质量不高等,火焰喷涂特点,涂层,2020/9/18,10,2.2 电弧喷涂,两根彼此绝缘并加有直流电压1830V的线材当作电极被送进喷涂枪的两个导电嘴内;导电嘴分别接电源的两极,图:电弧喷涂工作原理图,该法只适合导电线材.电流为300A时,喷锌速度30kg/h;喷铝 1
10、0kg/h,基材,涂层,与火焰喷涂相比的优点,压缩空气,电源,空压机,丝盒,送丝轮,送丝动力,涂层结合强度高2倍以上,生产效率高26倍,节能/经济,费用少1/10,使用安全,不用易燃气体,是大面积喷涂长效锌/铝涂层的最佳选择,电弧,导电嘴,两极靠近时,线材端部短路而熔化,并由吹入的压缩空气把熔融液滴雾化,高速喷向工件,形成喷涂层,由(电源/导电嘴+送丝+送气)部分组成,1830V 300A,涂层密度7090%热效率90%,沉积效率7090%,涂层厚度0.050.5mm,焰流速度2001200m/s,2020/9/18,11,离子气从阴极流向阳极,经压缩后喷出;由于急剧膨胀使等离子弧T升高,气流
11、喷射速度加大,达音速或超音速,2.3 等离子喷涂,有电气喷枪供气供粉供水等部分,图:等离子喷涂原理示意,高频电源接通使电子枪的钨阴极端部与铜嘴阳极之间产生火花放电,引燃电弧,水,进气,铜嘴阳极,高频发生器,电源,焰流,基材,涂层,通入气体为氮气或氩气.可再通入510%的氢气以提高等离子体能量,焰流心部的T可达20000K,送入的粉末被迅速加热到熔融状态,并高速射向基材,粘附在其B,形成涂层,系统由高压水冷却,焰流速度2001200m/s;涂层厚度0.050.5mm,2020/9/18,12,孔隙率小(2%),涂层密度可达7090%,结合强度4080MPa(火焰喷40MPa),2.3 等离子喷涂
12、(续1),特点,零件无变形,涂层种类多,可喷高熔点材料,获得耐磨/隔热/抗高温氧化/绝缘涂层,工艺稳定,涂层质量高,不足:设备运转复杂,电能消耗大,成本高以及噪音和强紫外线,基体T不超过200,等离子焰,热效率3555%,沉积效率5080%,常用涂层材料,2020/9/18,13,基材,喷涂材料,喷射焰流,火花塞,冷却水,2.4 爆炸喷涂,长的水冷爆炸枪,设有进气门和送粉口,图:爆炸喷涂原理示意图,先将一定比例的氧和乙炔送入枪内,后将氮气与粉末混合输入,由火花塞点火,使混合气体燃烧爆炸,粉末被加热和加速,由枪口喷出,每爆炸一次,就通入氮气流清洗枪管,再进行下一次爆炸,频率为4次/s,粉末,氮气
13、,氧气,可燃气,每次喷涂的厚度为46m,花样直径为25mm;涂层结合强度70MPa,粉末进入燃烧室的T约为2980,喷射焰流的速度高达1370m/s,涂层致密度高,孔隙率2%;沉积速度45kg/h,不足:耗气量大,成本高,特别适合喷涂M陶瓷,WCCo, WCNi, Cr3C2NiCr,2020/9/18,14,2020/9/18,15,2.5 超音速喷涂,火焰喷枪包括:长的高压水冷燃烧室细长的喷射管,图:超音速喷涂原理示意图,氧和乙炔(或煤油/丙稀/氢气)在燃烧室燃烧后被压缩/加速,喷向工件,实质是火焰喷涂超音速,粉末从火焰中央通过,保护好, T高;所获涂层杂质少,可得到厚的涂层,High V
14、elocity Oxygen Fuel HVOF,火焰T约为2760,喷涂速度1400m/s,涂层致密度达理论值99.9%;结合强度达70MPa,据报道,Tafa公司的JP-5000设备,得到厚12.7mm的不锈钢涂层,广泛用于喷涂切割刀片/风机叶片/泵叶轮/挤压螺旋/密封环/锅炉管道,基材,2020/9/18,16,3. 常用热喷涂材料,1)金属类,材料名称 工艺 用途,火焰,只有粉末,只有粉末,司太立合金13%C,4060%Co,1535Cr,1015W,2020/9/18,17,3. 常用热喷涂材料(续1),2)陶瓷类,材料名称 工艺 用途,等离子 除氧化铝类外均为粉末料,3)塑料类,聚
15、酰胺(尼龙)/聚氨酯/用于耐蚀/绝缘/减摩/装饰,聚乙烯类用于耐磨/耐蚀/装饰,聚苯硫醚(PPS)/PEEK用于高温耐蚀,均为粉末料,火焰喷涂,PEEK新型半晶态芳香族工程塑料,许多领域可替代M/陶瓷,2020/9/18,18,可磨耗密封与间隙控制涂层目的是使配合件自动形成所必须的间隙,提供最佳的密封状态.,3 常用热喷涂材料(续1),4)复合材料,通过在一种核心粉末材料的颗粒B上均匀完整地包覆另一种或多种M/化合物制成,a)包覆型,如镍包铝/镍包碳化钨等,镍包铝粉末被加热到660时,铝与镍之间发生化学反应,生成高熔点的M间化合物NiAl, Ni3Al并放出大量的热,使合金涂层熔化形成熔融的薄
16、层,使涂层和基体的结合力增强,如等离子喷涂柴油机缸套,用镍包铝打底;工作层选用30钼粉70铁基自熔合金,镍包铝涂层B粗糙且镍铝化合物的膨胀系数和一般M材料相近,故常用来作粘结底层,镍包碳化钨/钴包碳化钨涂层具有很高的耐磨粒磨损/耐冲蚀性能;要采用等离子/超音速喷涂,减摩自润滑涂层方面的材料:镍包石墨/二硫化钼/聚四氟乙烯,由M/合金/陶瓷粉末按比例混合填料树脂溶液制成,b)组合型,如在航空发动机中减小转子与机壳的间隙,M选用铝/铜/镍/钴及其合金;填料有石墨/聚苯脂/硅藻土/膨润土等,此外,它具有很好的抗高温氧化性/耐熔体浸蚀性,2020/9/18,19,4. 热喷涂技术应用例,1)耐蚀涂层,目前最成功的是喷涂Zn/Al涂层,大型水闸钢闸门及水工结构/大型桥梁/海洋钻井平台.喷涂Zn/A
