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1、第七单元,热喷涂技术,综合知识模块一,热喷涂技术概述,热喷涂技术 热喷涂技术的原理 热喷涂技术的分类 热喷涂技术的特点 热喷涂技术的产生和发展,热喷涂技术概述,1.1 热喷涂技术,热喷涂技术是表面工程技术的重要组成部分。 它利用电弧、等离子弧或燃烧火焰等将粉未状或丝状的金属或非金属材料加热熔化或软化形成熔滴、并以一定速度射向预处理过的基体表面、形成具有一定结合强度涂层的工艺方法。,1.2 喷焊技术,热喷涂技术也包含喷焊工艺。 喷焊是指用热源将喷涂层加热到熔化，使喷涂层的熔融合金与基材金属互溶、扩散，形成类似钎焊的冶金结合，这样所得到的涂层称为喷焊层。,1.3 热喷涂技术的目的,热喷涂的目的是提
2、高工件的耐蚀、耐磨、耐高温等性能，亦可用于修复因磨损或加工失误造成尺寸超差的零部件。,热喷涂生产实例,从喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经历程四个阶段：首先喷涂材料被加热达到熔化或半熔化状态；紧接着是熔滴雾化阶段；然后是被气流或热源射流推动向前喷射的飞行阶段；最后以一定的动能冲击基体表面，产生强烈碰撞展平成扁平状涂层并瞬间凝固。,2.1 热喷涂层的形成过程,涂层中颗粒与基体表面之间的结合以及颗粒之间的结合机理目前尚无定论，通常认为有机械结合、冶金-化学结合和物理结合三种,喷涂层的形成过程决定了涂层的结构，喷涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构。,2.2 热喷涂层
3、的结构特点,涂层的性能具有方向性，垂直和平行涂层方向上的性能是不一致的。 部分孔隙或空洞，其孔隙率一般在420之间。涂层中伴有氧化物和夹杂。 涂层经适当处理后，结构会发生变化。如涂层经重熔处理，可消除涂层中氧化物夹杂和孔隙，层状结构变成均质结构，与基体表面的结合状态也发生变化。,NiCrBSi火焰喷涂组织,3.1 热喷涂技术分类,3.2 各种热喷涂技术的典型特征参数,可喷涂材料广泛 几乎所有的金属、合金、陶瓷都可以作为喷涂材料,塑料、尼龙等有机高分子材料也可以作为喷涂料。 基体不受限制 在金属、陶瓷器具、玻璃、石膏，甚至布、纸等固体上都可以进行喷涂。 工艺灵活 既可对大型设备进行大面积喷涂，也
4、可对工件的局部进行喷涂；既可喷涂零件，又可对制成后的结构物进行喷涂。室内或露天均可进行喷涂，工序少、功效高，大多数工艺的生产率可达到每小时喷涂数千克喷涂材料。如对同样厚度的膜层,时间比电镀用的少得多。,4. 热喷涂技术的特点,工件受热温度可控 在喷涂过程中可使基体保持较低温度,基材变形小，一般温度可控制在30200,从而保证基体不变形、不弱化。 涂层厚度容易控制 涂层厚度由几十微米到几毫米，涂层表面光滑，加工余量少。 成本低,经济效益显著。,4. 热喷涂技术的特点,5.热喷涂技术的产生和发展,1908年瑞士的肖普（schoop）博士首创用雾化装置将低熔点金属熔体喷射在工件表面形成涂层，由此诞生
5、了热喷涂技术。 1913年瑞士制造出世界首台火焰丝材喷枪，并在其后逐渐完善和得到应用。 1920年后，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。后来德国改用直流电源后，电弧喷涂才有了真正的实用价值。,5.热喷涂技术的产生和发展,1938年，美国研制成功了电弧丝材喷枪，其后又研制出粉末氧乙炔火焰喷枪。 1953年，当时的西德研制出自熔性合金粉，这是热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）。
6、 20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。,5.热喷涂技术的产生和发展,我国的热喷涂技术及工程应用早在上世纪50年代初就开始了丝材的电弧热喷涂，1952年，在淮南电厂田家庵至蚌埠之间264座3.5万伏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。 20世纪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。 20世纪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包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。 20世纪80年代
7、后，我国的热喷涂技术得以迅速发展，目前，热喷涂技术已在我国的各工业领域得到更加广泛应用。,综合知识模块二,热喷涂材料,热喷涂材料的性能要求和分类 常用的热喷涂材料 热喷涂材料的选用,热喷涂技术的发展除了设备和工艺外，就是热喷涂材料的开发。热喷涂材料必须满足下列要求，才有实用价值： （1）稳定性好 （2）使用性能好 （3）润湿性好 （4）固态流动性好（粉末） （5）热膨胀系数合适,1.1 热喷涂材料的性能要求,1.2 热喷涂材料的分类,随着热喷涂技术的快速发展，热喷涂材料也得到快速发展，应用十分广泛，几乎涉及所有的固态工程材料领域。热喷涂材料可以从材料形状、成分和性质等不同角度进行分类。,根据热
8、喷涂材料的不同形状，可以分为丝材、棒材、软线和粉末四类，其中丝材和粉末材料使用较多。 根据喷涂材料的成分，可以分为金属、合金、陶瓷和塑料喷涂材料四大类。 按涂层结构有纳米涂层材料、合金涂层材料、非晶态涂层材料以及由这些材料复合构成的复合涂层材料。,2.常用的热喷涂材料,2.1 热喷涂丝材,2.1.1 非复合丝材,1 碳钢及低合金钢丝,常用的是 85优质碳素结构钢丝和T10A碳素工具钢丝。 一般采用电弧喷涂，用于喷涂曲轴、柱塞、机床导轨等常温工作的机械零件滑动表面耐磨涂层及磨损部位的修复。,2 不锈钢丝,1Cr13、2Cr13、3Cr13等马氏体不锈钢丝主要用于强度和硬度较高、耐蚀性要求不太高的
9、场合，其涂层不易开裂。 1Cr17在氧化性酸类、多数有机酸、有机酸盐水溶液中有良好的耐蚀性。 1Cr18Ni9Ti等奥氏体不锈钢丝有良好的工艺性能，在多数氧化性介质和某些还原性介质中都有较好的耐蚀性，用于喷涂水泵轴等。 由于不锈钢涂层收缩率大，易开裂，适于喷涂薄层。,3 铝丝,铝和氧有很强的亲和力，铝在室温下大气中就能形成致密而坚固的Al2O3氧化膜，能防止铝进一步氧化。 纯铝喷涂除大量用于钢铁保护涂层外，还可作为钢的抗高温氧化涂层、导电涂层和改善电接触的涂层。 一般铝丝纯度（质量分数）应大于99.7。铝丝直径23mm，喷涂时，表面不得有油污和氧化膜。,4 锌丝,在钢铁件上，只要喷涂0.2mm
10、的锌层，就可在大气、淡水、海水中保持几年至几十年不锈蚀。 锌的纯度要求（质量分数）在99.85以上的纯锌丝。 在锌中加铝可提高涂层的耐蚀性能，若铝的质量分数为30，则耐蚀性最佳。 锌喷涂广泛用于大型桥梁、铁路配件、钢窗、电视台天线、水闸门和容器等。,5 钼丝,钼与氢不产生反应，可用于氢气保护或真空条件下的高温涂层。 钼是一种自粘结材料，可与碳钢、不锈钢、铸铁、蒙乃尔合金、镍及镍合金、镁及镁合金、铝及铝合金等形成牢固的结合。 钼可在光滑的工件表面上形成1um的冶金结合层，常用作打底层材料。,如机床导轨喷涂钢时，用钼作为打底层可增加钢喷涂层与基体的结合强度。 钼的摩擦系数小，适用于喷涂活塞环和摩擦
11、片。但钼不能作为铜及铜合金、镀铬表面和硅铁表面的涂层。,6 锡及锡合金丝,锡涂层具有很高的耐腐蚀性能，常用作食品器具的保护涂层，但锡中砷的质量分数不得大于0.015。 含锑和钼的锡合金丝具有摩擦系数低、韧性好、耐蚀性和导热性良好等特性。 在机械工业中，广泛应用于轴承、轴瓦和其他滑动摩擦部件的耐磨涂层。此外，锡可在熟石膏等材料上喷涂制成低熔点模具。,7 铅及铅合金丝,铅具有很好的防X射线辐射的性能，在原子能工业中广泛用于防辐射涂层。 含锑和铜的铅合金丝材料的涂层具有耐磨和耐蚀等特性，用于轴承、轴瓦和其他滑动摩擦部件的耐磨涂层。 但涂层较疏松，用于耐腐蚀时需经封闭处理。由于铅蒸气对人体危害较大，喷
12、涂时应加强防护措施。,8 铜及铜合金丝,铜主要用于电器开关的导电涂层、塑料和水泥等建筑表面的装饰涂层； 黄铜涂层则用于修复磨损及超差的工件，如修补有铸造砂眼、气孔的黄铜铸件，也可作装饰涂层。黄铜中加入质量分数为1左右的锡，可改善耐海水腐蚀性能。 铝青铜的强度比一般黄铜高，耐海水、硫酸和盐酸的腐蚀，有良好的耐磨性和抗腐蚀疲劳性能，采用电弧喷涂时与基体结合强度高，可作为打底涂层，常用于水泵叶片、气闸活门、活塞及轴瓦等的喷涂。 磷青铜涂层比其他青铜涂层更为致密，有良好的耐磨性，可用来修复轴类和轴承等的磨损部位，也可用于美术工艺品的装饰涂层。,9 镍及镍合金丝,蒙乃尔合金对氨水、海水、照相用药剂、酚醛
13、、甲酚、汽油、矿物油、酒精、碳酸盐水溶液及熔盐、脂肪酸以及其他有机酸的耐蚀性优良， 对硫酸、醋酸、磷酸和干燥氯气等介质的耐蚀性较好； 但对盐酸、硝酸、铬酸等介质不耐蚀。常用于水泵轴、活塞轴、耐蚀容器的喷涂。,80Ni20Cr在高温下几乎不氧化，是最好的耐热耐蚀材料，常用于高温耐腐蚀涂层。 镍铬耐热合金丝涂层致密，与母材金属的结合性好，常用于A12O3、ZrO2等陶瓷涂层的打底层，但不能用于硫化氢、亚硫酸气体以及硝酸和盐酸介质中。,80Ni20Cr在高温下几乎不氧化，是最好的耐热耐蚀材料，常用于高温耐腐蚀涂层。 镍铬耐热合金丝涂层致密，与母材金属的结合性好，常用于A12O3、ZrO2等陶瓷涂层的
14、打底层，但不能用于硫化氢、亚硫酸气体以及硝酸和盐酸介质中。,2.1.2 复合丝材,用机械方法将两种或更多种材料复合压制成喷涂线材称复合喷涂丝。,制造复合喷涂线材常用的复合方法,丝-丝复合法 将各种不同的组分的丝绞、轧成一股。 丝-管复合法 将一种或多种金属丝穿入某种金属管中压轧而成。 粉-管复合法 将一种或多种粉末装入金属管中加工成丝。 粉-皮压结复合法 将粉末包在金属壳内加工成丝。 粉-粘合剂复合法 把多种粉末用粘合剂混合挤压成丝。,复合喷涂线材中大部分是增效复合喷涂线材，即在喷涂过程中不同组元相互发生热反应生成化合物，反应热与火焰热相叠加，提高了熔滴温度，达到基体后会使基体局部熔化产生短时
15、高温扩散，形成显微冶金结合，从而提高结合强度。 不锈钢、镍、铝等组成的复合喷涂丝，利用镍、铝的放热反应使涂层与多种基体（母材）金属结合牢固，而且因复合了多种强化元素，改善了涂层的综合性能，涂层致密，喷涂参数易于控制，便于火焰喷涂。,因此，它是目前正在扩大使用的喷涂材料，主要用于油泵转子、轴承、汽缸衬里和机械导轨表面的喷涂，也可用于碳钢和耐蚀钢磨损件的修补。,2.常用的热喷涂材料,2.2 热喷涂粉末,金属及合金粉末、 陶瓷材料粉末和 复合材料粉末,2.2.1非复合粉末,1金属及合金粉末,喷涂合金粉末，又称冷喷合金粉末，这种粉末不需或不能进行重熔处理。按其用途分为打底层粉末和工作层粉末。 打底层粉
16、末用来增加涂层与基体的结合强度；工作层粉末保证涂层具有所要求的使用性能。放热型自粘结复合粉末是最常用的打底层粉末。工作层粉末熔点要低，具有较高的伸长率，以避免涂层开裂。 氧一乙炔焰喷涂工作层粉末最常用的是镍包铝复合粉末与自熔性合金的混合粉末。,喷熔合金粉末，又称自熔性合金粉末 因合金中加入了强烈的脱氧元素如 Si、 B等，在重熔过程中它们优先与合金粉末中氧和工件表面的氧化物作用，生成低熔点的硼硅酸盐覆盖在表面，防止液态金属氧化，改善对基体的润湿能力，起到良好的自熔剂作用，所以称之为自熔性合金粉末。 喷熔用的自熔性合金粉末有镍基、钴基、铁基及碳化钨等四种系列。,2陶瓷材料粉末,陶瓷属高温无机材料，是金属氧化物、碳化物、硼化物、硅化物等的总称，其硬度高，熔点高，但脆性大。 常用的陶瓷粉末有：金属氧化物（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）。 采用等离子弧喷涂可解决陶瓷材料熔点高的问题，几乎可以喷涂所有的陶瓷材料。用火焰喷涂也
