热喷涂、喷焊与堆焊技术

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1、6 热喷涂、喷焊与堆焊技术教学目的和要求学习热喷涂、喷焊与堆焊技术的工艺流程，主要工艺方法及其基本原理与主要特点；热喷涂层的组织特征及涂层应力特点。重点：热喷涂技术的技术原理与特点、工艺流程、涂层形成过程、喷涂层的组织特征及涂层应力特点。前言n热喷涂、喷焊、堆焊技术都是利用热能(如氧-乙炔火焰、电弧、等 离子火焰等)将具有特殊性能的涂层材料熔化后涂敷在工件上形成涂 层的技术。n重要特点：可以制备比较厚的涂层(0.1-10mm)。n主要应用：制造复合层零件修复6.1 热喷涂技术一、热喷涂技术原理与特点1.热喷涂原理n定义：采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速 气体使涂层材料分散细化

2、并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺 过程。n分类：各喷涂方法的焰流温度和粒子速度不同。2. 热喷涂技术的特点n涂层及基体材质广泛n基体温度低n操作灵活n喷涂效率高、涂层厚度范围宽n(不足)热效率低、材料利用率低、涂层与基体结合强度较低。(三低)3. 涂层材料n有较宽的液相区，在喷涂温度下不易分解或挥发；n必须是线材或粉末材料热喷涂材料按材料的形态分线材、棒材和粉末三大类。（1）热稳定性好，在高温焰流中不升华，不分解(复合粉末） 。（2） 有较宽的液相区，使熔滴在较长时间内保持液相。（3）与基材有相近的热膨胀系数，以防止因膨胀系数相差过 大产生较大的热应力。（4） 喷涂材料在熔融状态下应和基材有

3、较好的浸润性，以保 证涂层与基材之间有良好的结合性能。热喷涂材料的要求（1） 要把实用性、工艺性和经济性结合起来考虑，尽量选择 合理的喷涂材料。（2） 对于重要的部件以获得最优涂层性能为准则；不十分重 要的部件则以获得最大的经济效益为准则。（3） 根据工件的工作环境选择合适的工作涂层。（4） 为满足喷涂工件的使用要求，可采用复合涂层和梯度涂 层。热喷涂材料的选材原则4. 涂层形成过程涂层材料经加热熔化和加速撞击基体冷却凝固形成涂层（1） 喷涂材料被加热到熔融状态。（2） 喷涂材料被雾化成微小熔滴并高速撞击基体表面，撞击 基体的颗粒动能越大和冲击变形越大，形成的涂层结合越好。（3） 熔融的高速粒

4、子在冲击基材表面后发生变形，冷凝后形 成涂层。涂层形成过程5. 涂层结构n组成：由大小不一的扁平颗粒、未熔化的球形颗粒、夹杂和孔隙组成。n孔隙产生原因：未熔化颗粒的低冲击动能；喷涂角度不同时造成的遮蔽效应；凝固收缩和应力释放效应。n孔隙的影响：(不利)将损坏涂层的耐腐蚀性能，增加涂层表面加工后的粗糙度，降低涂层的结合 强度、硬度、耐磨性。(有利)孔隙可以储存润滑剂，提高涂层的隔热性能，减小内应力并因此增加涂层 厚度，以及提高涂层抗热震性能。此外，孔隙还有助于提高涂层的可磨耗性能，特别 适用于可磨耗封严涂层中。热喷涂涂层结构示意图1-涂层;2-氧化物夹杂;3-孔隙或空洞;4-颗粒间 的粘接;5-

5、变形颗粒;6-基体粗糙度;7-涂层与基 体结合面 6. 热喷涂中的相变高冷速亚稳相使用时相变或分解相变应力7. 涂层应力n喷涂完成后，在涂层内部会产生残余张应力而在基体表面产生压 应力。其大小与涂层厚度成正比。n薄涂层一般比厚涂层更加经久耐用。n涂层结构和喷涂方法影响涂层的应力水平。残余应力限制了涂层的厚度。减少涂层残余应力措施：（1） 调整喷涂工艺参数；（2）致密涂层的残余应力要比疏松涂层大；（3） 采用梯度过渡层缓和涂层内应力。8. 涂层的结合强度n结合强度较差。n结合机理：机械结合(抛锚作用)：机械咬合微冶金结合：局部扩散和焊合结合强度只相当于母体材料的530%（1090MPa）。9.

6、热喷涂工艺流程和质量控制n工艺流程：基体表面预处理、热喷涂、后处理、精加工等过程。n清洗与粗化是两个非常重要工艺步骤，直接影响涂层的结合质量 。n粗化表面可使涂层与基体之间、涂层颗粒之间的结合得到强化：提供表面压应力；提供涂层颗粒互锁的结构；增大结合面积；净化表面。n粗化处理一般采用喷砂加粘结底层的办法。 n粘结底层：能够在很宽的条件下喷涂并粘 结在清洁、光滑的表面上的涂层，且其表 面粗糙度适中，对随后喷涂的其它涂层有 良好的粘结作用。n粘结底层适用于太薄或太硬的基体材料。n采用喷砂加粘结底层的粗化处理方法，可 明显提高结合强度。n喷涂质量控制：热能的产生热能与喷涂材料交互作用颗粒与基体交互作

7、用（1） 净化处理：清除表面污垢。（2） 粗化处理：提高涂层与基体之间的结合牢度。基材表面预处理粗化处理可提高涂层结合强度的理由是：1） 提供表面压应力；2） 提供与涂层颗粒互锁机会；3） 增大结合面积；4） 净化表面。 1） 表面喷砂，使其粗糙度为Ra3.212.5m；粗化处理的方法2） 开槽；4） 喷涂粘结底层。3） 电火花拉毛；n涂层的后处理包括封孔处理和致密化处理。n多孔隙是热喷涂层的固有缺陷(孔隙度可大于15%)。n封孔处理的作用：防止或阻止涂层界面处的腐蚀；延长铝和锌防护涂层的寿命；在某些机械部件中防止液体和压力的密封泄露；防止污染或研磨碎屑碎片进入涂层；保持陶瓷涂层的绝缘强度。封

8、孔处理是在喷涂之 后、机加工之前进行 。n致密化处理的方法及技术：1.重熔致密化处理：火焰重熔，炉内重熔，感应重熔，激光束重 熔，电子束重熔等；2.高温致密化合金化处理：热等静压，热扩散，高温烧结等；3.复合工艺处理：喷涂电镀工艺，喷涂轧制工艺等。 n机加工对热喷涂层是必要的，也是较困难的。“两步法”热喷焊质量控制要素（4M）：设备（Machine）、材料（ Materials）、工艺（Methods）和人员（Man）。质量控制二、热喷涂工艺方法涂层材料受热 后的温度和加 速后的速度是 决定热喷涂层 结合强度的两 个关键因素。1. 火焰喷涂工艺n种类：线材火焰喷涂粉末火焰喷涂n历史悠久，且目前

9、仍广泛使用。n热源：氧-乙炔、丙烷、氢气、天然气等n特点：(优点)设备投资少，无电力要求，操作容易，沉积效率高等(缺点)涂层氧含量较高，孔隙较多，焰流温度较低，涂层种类较少，涂层结合强度 偏低，涂层质量不高。火焰喷涂主 要用于低熔 点金属和塑 料的喷涂。线材火焰喷涂设备示意图和喷涂枪。（1）线材火焰喷涂（1）线材火焰喷涂线材火焰喷涂原理图。（2）粉末火焰喷涂粉末火焰喷涂的基本原理和喷涂枪。（2）粉末火焰喷涂工艺流程工件表面预处理预热喷涂打底层喷涂工作层后处理。a) 预热目的：1） 去除工件表面的水分；2） 提高工件表面与熔粒的接触温度；3） 降低涂层冷却速度，减小涂层内应力。预热温度一般控制在

10、150300为宜。可直接用喷枪预热。火焰喷涂工艺b) 喷涂需打底层时，可在喷涂工作层之前用 钼或放热型的镍包铝、铝包镍粉末先喷涂一层厚度约0.100.15mm的打底层。严格控制喷涂材料的供给速度、喷涂距离（100150mm）、每道涂层的厚度（0.10.15mm）、喷枪与工件的移动速度（718mmin）和层间温度（ 85MPa）。2） 涂层致密（最高密度可达99.9）。3） 工件表面温度低。4） 效率非常低，运行成本高，只用于含碳化物涂层的喷涂。（3）爆炸喷涂特点1） 航空发动机钛合金风扇叶片阻尼台上用爆炸喷涂0.25mn厚 的WC，寿命提高10倍；2） 燃烧室的定位卡环上喷一层0.12mm厚C

11、r3C2，寿命提高7倍 。（4）爆炸喷涂应用（1）超音速火焰喷涂原理超音速火焰喷涂原理图。5. 超音速火焰喷涂 (High Velocity Oxygen Fuel，简称HVOF)1） 焰流速度高但温度相对较低，适合喷涂含碳化物材料。2） 涂层致密（99.9），表面粗糙度低。3） 结合强度略低于爆炸喷涂，达70MPa以上。4） 喷涂效率高，但燃料消耗大，喷涂成本比较高。；5） 噪音大(120dB)，需有隔音和防护装置。（3）超音速喷涂的特点超音速喷涂的涂层质量优于等离子喷涂的涂层。（4）涂层性能及应用各种热喷涂方法比较1 对涂层结合力要求不高，喷涂材料熔点900。2）结合状态：喷涂层以机械结合

12、为主；喷焊层是冶金结合。3）粉末材料：喷焊用自熔性合金粉末，喷涂粉末不受限制。4）涂层结构：喷涂层有孔隙，喷焊层均匀致密无孔隙。5）承载能力：喷焊层可承受冲击载荷和较高的接触应力。6）稀释率：喷焊层的约510，喷涂层的几乎为零。热喷焊工艺与热喷涂工艺的区别二、氧乙炔火焰喷焊n特点：设备简单、工艺简单易学；结合强度高，耐冲蚀磨损性能好。n工艺过程：预处理喷焊：预热、喷粉、重熔后处理n被认为是介于热喷涂和堆焊技术之间的一项“中间”技术。三、等离子喷焊n定义：采用等离子弧作为热源加热基体，使其表面形成熔池，同时将喷 焊粉末材料送入等离子弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半 熔化状态，被焰流喷射至熔

13、池后，充分熔化并排出气体和熔渣，喷 枪移开后合金熔池凝固，形成喷焊层的工艺过程。n与氧-乙炔火焰喷焊相比：其工艺重复性好、材料范围宽。n转移弧：主弧n非转移弧：工作时首先引燃等离子喷焊一般采用双电源 。n特点：(1)生产效率高、可喷焊难熔材料；(2)稀释率低；(3)工艺稳定性好，易实现自动化；(大批量加工)(4)喷焊层平整光滑，成分、组织均匀，厚度更大（0.258mm，火焰喷焊：0.23mm）且可精确控制。n工艺过程：与氧乙炔火焰喷焊相同。n离子喷焊工艺已成为内燃机排气门表面喷焊耐磨涂层的专用工艺 。等离子喷焊的应用四、常用热喷焊材料n一般为粉末n材料的熔点要求比基体熔点低，有自脱氧造渣性能(

14、也称为自熔性 )。 (自熔性合金)自熔性合金粉末：利用合金中B、Si元素的作用，获得高质量 的喷焊层。B、Si的作用是：（1）降低合金熔点，扩大固液两相区（熔点9501200）。（2）起到脱氧还原作用。（3）起到造渣作用。（4）利用B、Si固溶强化、弥散强化、生成的金属间化合物以及 硼碳化合物等，提高合金的硬度和耐磨性。（5）使自熔性合金有良好的喷焊工艺性能。常用的热喷焊材料分为铁基、镍基、钴基和铜基四大类。热喷焊材料分类喷焊层主要评定指标有涂层厚度、硬度、稀释率、结合强 度以及界面和涂层显微结构等。五、喷焊层质量评定6.3 堆焊工艺及特点n定义：在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊

15、性能合金层 的技术。n厚度：0.8-15mmn目的：为了发挥堆焊层的优良性能。n用途：零件修复或制造特殊表面性能的新零件。n意义：合理使用材料、节约贵重金属、提高产品使用寿命、降低制造成 本等。n其物理本质和冶金过程与一般的熔焊工艺基本相同。n在堆焊时必须控制尽可能低的稀释率，有足够高的生产效率，并保 证焊层的冶金质量。n常规堆焊一般采用线材或焊条。n与热喷涂相比：优势：熔敷效率高，技术更成熟不足：稀释率大堆焊技术应用非常广泛。一、堆焊层的形成和控制1. 堆焊层的形成堆焊时必定会产生过渡层。2. 相容性冶金相容性：互溶性、金属间化合物是否产生物理相容性：熔化温度、热膨胀系数、热导率、比电阻等。

16、 3. 熔合区n定义：堆焊层与基体之间的分界区，n包括：熔合线、过渡区段(过渡层)n熔合线：过渡层与基体之间的界线。 n注意控制过渡层中脆性金属间化合物的形成。n堆焊过程中应尽量避免或控制过渡层的产生和长大。应根据基体材料合理 选用堆焊材料。4. 稀释率稀释率的控制：(1)控制堆焊工艺参数(2)向熔池中补加填充金属5. 内应力减少堆焊层内应力的方法：(1)焊前预热(2)焊后缓冷(3)堆焊底层二、堆焊工艺方法n各种焊接方法都可以用来进行堆焊。n常用堆焊工艺方法：氧乙炔焰堆焊手工电弧堆焊钨极氩弧堆焊熔化极气体保护电弧堆焊埋弧堆焊等离子弧堆焊电渣堆焊n堆焊材料通常为棒状、管状、带状。n稀释率、熔敷速度和堆焊层厚度是最重要的指标。（1） 在允许的稀释率下具有最高的熔敷速度。（2） 能获得符合要求最小堆焊层厚度。（3） 经济性。选择堆焊方法的原则三、堆焊材料n铁基、镍基、钴基、铜基和碳化钨复合堆焊材料等1 电火花涂敷通过电极与金属之间的火花放电，使