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1、1热喷涂技术 概述众所周知, 除少数贵 金属外,金属材料会与周围介质发生化学反应和 电化学反应而遭受腐蚀. 此外,金属表面受各种机械作用而引起的磨损 也极 为严重. 大量的金属构件因腐蚀和磨损而失效 , 造成极大的浪费和损 失. 据一些工业发达国家统计, 每年 钢 材因腐蚀和磨损 而造成的损 失约占钢 材总产 量的 10 %,损 失金 额约占国民 经济总产值 的 2 - 4 %. 如果将因金属腐蚀和磨损而造成的停工、停产和相应引起的工伤 、失火、爆炸事故等损失 统计 在内的话, 其数值更加惊人 . 因此, 发展金属表面防 护和 强化技术, 是各国普遍关心的重大课题.随着尖端科学和现 代工 业
2、的发 展,各工业部门 越来越多地要求机械 设备能在高参数(高温、高压、高速度和高度自动化)和恶劣的工况条件(如严重的磨损和腐蚀 )下长期稳 定的运行.因此, 对材料的性能也提出更高要求. 采用高性能的高级 材料制造整体设备及零件以 获 得表面防护和 强化的效果, 显然是不经济的,有时甚至是不可能的。所以, 研究和发展材料的表面处理技术就具有重大的技术和经济意义 。而表面处 理技 术也在 这种需求的推 动下获 得了 飞速的发展和提高. 热喷涂技术 就是这 种表面防 护 和强 化的技术之一, 是表面工程中一门 重要的学科. 所谓热喷 涂, 就是利用某种热源, 如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或
3、丝状的金属和非金 属涂层材料加热到熔融或半熔融状 态, 然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾 化并以一定的速度喷 射到 经过预处理的基体材料表面, 与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层 的一种技术。一. 热喷涂技术的分类根据热源的种类热喷涂技术主要分 类为 ：热 源温 度 喷 涂 方 法粉末火焰喷涂(焊)火 丝材火焰喷涂约 3000 陶瓷棒材火焰喷涂焰 高速火焰喷涂(HVOF)爆炸喷 涂(D - GUN)电 弧 约 5000 电弧喷涂大气等离子喷涂(APS)等离子弧 10000 以上 低压等离子 喷涂(LPPS)水稳等离子喷涂2各种热喷涂方法的热源温度和流速二. 热喷涂设备虽然因
4、 热喷涂的方法不同其设备也各有差异, 但依据热喷 涂技术的原理, 其设备都主要由喷枪、热源、涂层 材料供给装置以及控制系统和冷却系统组成. 下 图为等离子 喷涂的设备配置 图 .三. 热喷涂工艺热喷工艺过 程如下：工件表面 预处 理 工件 预热 喷 涂 涂 层 后 处 理1. 表面预处理为了使涂层 与基体材料很好地 结合 ,基材表面必须清 洁及粗糙, 净化和粗化表面的方法很多, 方法的选择要根据涂层的设计要求及基材的材质、形状、厚薄、表面原始状况以及施工条件等因素而定.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
5、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低速火焰喷涂250 500 750 1000 m/s2500 5000 7500 10000 oC00电弧喷涂等离子喷涂高速火焰喷涂温度速度3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. 同 时基材表面粗化还改变涂层 中的残余应力分布, 对提高涂层的结 合强度也是有利的. 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。喷砂时，喷砂介质 的种
6、类和粒度、喷 砂时风压的大小等条件必须根据工件材质的硬度、工件的形状和尺寸等进行合理的选择 。对于各种金属基体，推荐采用的砂粒粒度约为 1660 号砂，粗砂用于坚固件和重型件的喷砂，喷砂压力为 0.50.7Mpa ，薄工件易于变形，喷 砂压力为 0.30.4 Mpa。特别值得注意的一点是，用于喷 砂的压缩空气一定要是无水无油的，否则会严重影响涂层的质量。喷涂前工件表面的粗化程度对大多数金属材料来说2.513 mRa 就够了。随着表面粗糙度的增加涂层与基体材料的结合增强，但是当表面粗糙度超过 10mRa 后，涂层结合强 度的提高程度便会减低。对于一些与基材粘结不好的涂层材料, 还应选择一种与基体
7、材料粘结好的材料喷 涂一 层过渡层 ,称为 粘结底 层, 常用作粘结 底层的材料有Mo、NiAl、NiCr 及铝 青铜 等.粘 结底 层的厚度一般 为 0.080.18m。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 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。例如
8、，如果是陶瓷涂层 ，则最好 选 用等离子喷涂；如果是碳化物金属陶瓷涂层则最好采用高速火焰喷 涂；若是喷涂塑料则只能采用火焰喷 涂；而若要在 户 外 进 行大面积防腐工程的 喷涂的话，那就非灵活高效的电 弧 喷涂或 丝材火焰 喷 涂莫属了。 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。预处理好的工件要在尽可能短的时间内进行喷 涂,喷 涂参数要根据涂 层材料、喷枪性能和工件的具体情况而定, 优 化的喷涂条件可以提高喷涂效率、并获得致密度高、结合强度高的高质 量涂 层.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
9、的涂层 ,为了防止腐蚀介 质透过涂 层的孔隙到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4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. 由于喷涂涂层具有与一般的金属及陶瓷材料不同的特点, 如涂层有微孔,
10、 不利于散热；涂层本身的强度 较低, 不能承受很大的切削力；涂 层 中有很多硬的质 点,对刀具的磨 损很快等,因而形成了喷 涂涂层不同于一般材料的难于加工的特点 .所以必须选 用合理的加工方法和相应的工艺参数才能保 证喷 涂 层机械加工的 顺利进 行和保 证 达到所要求的尺寸精度.四. 热喷涂技术的特点从热喷 涂技术的原理及工艺过程分析,热喷 涂技术具有以下一些特点. 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、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
11、、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.随着热喷涂 应用要求的提高和 领域的扩大, 特 别是喷 涂技 术本身的进步 , 如喷涂设备的日益高能和精良 ,涂层 材料品种的逐渐 增多、性能逐 渐 提高 , 热喷涂技术近十年来获得了飞
12、速的发 展, 不但应用领域大为扩展, 而且该技 术已由早期的制备一般的防护涂 层发展到制备各种功能涂 层；由单个工件的维修发展到大批的产品制造；由单 一的涂层制备发 展到包括产 品失效分析、表面预处理、 涂层材料和设备的研制、选择, 涂层系 统设计和涂 层后加工在内的喷涂系统 工程；成 为材料表面科学领 域中一个十分活跃的学科。并且在现代工业中逐渐形成 象铸 、锻、焊 和热处理那样的独立的材料加工技 术 。成为工业部门节约贵重材料、节约能源、提高 产品质量、延长产品使用寿命、降低成本、提高工效的重要的工艺手段, 在国民经济 的各个领 域内得到越来越广泛的应用。五. 各种热喷涂方法概述1. 氧乙
13、炔火焰 喷涂 (焊)是最早的一种喷涂方法。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。它可制5备各种金属、合金、陶瓷及塑料涂 层, 是目前国内最常用的喷 涂方法之一。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。但是, 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
14、应 用于冲击大、负荷重的工况下 ,如连续铸 造拉 矫辊、热轧矫直辊表面采用镍 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 1200 m / 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 / m
15、m2. 该法的缺点是噪音大, 而且爆炸是不连续 的 , 因而效率较低。爆炸 喷涂是 20 世纪 50 年代由美国联合碳化物公司 发明,但 问世后 许 多年都由该公司所垄断, 不对外出售技术和 设备, 只在其服务公司内为用户进行喷 涂加工 , 主要喷涂陶瓷和金属陶瓷, 进 行航空发动机的维修.3. 高速火焰喷涂(HVOF)高速火焰喷 涂（或称超音速火焰喷涂）是 20 世纪 80 年代出现 的一种高能喷涂方法, 它的开发 是继 等离子喷涂之后热喷 涂工业最具创造性的进展。虽然高速火焰喷涂方法可喷涂的材料很多, 但由于其火焰含氧少温度适中, 焰流速度很高, 能有效地防止粉末涂 层 材料的氧化和分解,
16、 故特别适合碳化物类涂层的喷涂。该设备发展到第三代, 性能有了大幅度的提高, 例如 JP-5000、DJ - 2700 等设备其室压达到 8 -12 bar,功率达到 100 -120 kw, 喷 涂效率可达 10 kg / h ( WC -Co), 涂 层厚度可达数 mm, 涂层性能已能达到爆炸喷 涂的水平。在许多工业部门获得广泛的应用. 如航空发动中的耐磨涂 层 、造纸机械用的镜面涂层等.近年来,由于电镀铬 工艺的环境 污染问题,电镀铬工业在一些工业发达国家受到严格的限制,并逐渐 被淘汰, 采用高速火焰喷涂涂层代替镀铬层的应 用越来越受到工业 界的关注和重视 . 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,
