表面工程技术实验指导Word下载.docx

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4－冷却水出口；

5－等离子气进口；

6－绝缘套；

7－冷却水进口；

8－钨电极；

9－后枪体；

10－送粉口

图1-1等离子喷涂原理图

五、实验步骤

1.表面预处理：

将工件表面去油除漆，采用喷砂进行预处理，保持一定的粗糙度；

2．预热：

将工件预热至80-120℃，有助于表面分子活化能增加，提高分子的扩散能力，保证涂层与基体表面的有效结合；

3.喷涂过程：

1）喷打底层：

在经过预处理的试样表面喷涂0.1-0.15mm厚的NiCrAl粉；

2）喷表面层：

将送粉器中的打底粉倒出并将送粉器清洗干净，倒入面层喷涂粉，按照试验要求喷涂0.15-0.40mm厚的面层；

4.将喷涂后的试样进行涂层表面观察、厚度测试，记录结果。

六、实验过程记录

由于实验室用于等离子喷涂的设备有故障，老师只是讲解了实验原理后，带我们观看实验设备，结合试验设备讲解工作原理以及工艺过程。

七、实验分析

1.影响等离子喷涂质量的各种影响因素及其影响规律。

①输入功率和电参数：

确保粉末熔化良好，防止出现生粉。

②等离子气体的选择：

氮气：

热焓高，价格低廉，是等离子喷涂主要工作气体。

氩气：

易于引弧，等离子弧稳定，有很好的气体保护作用。

氢气：

可作为辅助气体起到提高热焓和防氧化的作用。

③供粉：

供粉速度必须与输入功率相适应，过大，会出现生粉（未熔化），导致喷涂效率降低；

过低，粉末氧化严重，并造成基体过热。

④喷涂距离：

喷涂距离过大，粉粒的温度和速度均将下降，结合力、气孔、喷涂效率都会明显下降；

过小，会使基体温升过高，基体和涂层氧化，影响涂层的结合。

在机体温升允许的情况下，喷距适当小些为好。

⑤喷涂角：

指的是焰流轴线与被喷涂工件表面之间的角度。

该角小于45度时，由于“阴影效应”的影响，涂层结构会恶化形成空穴，导致涂层疏松。

⑥喷枪与工件的相对移动速度：

移动速度快些为好，可防止一次喷涂过厚导致涂层内应力过大，还可避免局部过热。

2.等离子喷涂的应用范围及优缺点。

①应用范围：

1）耐磨、减磨涂层；

2）耐蚀涂层；

3）抗高温氧化、抗高温气流冲刷、热障涂层；

4）制造金属、陶瓷类高熔点复合材料。

②优点：

超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂；

喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高；

由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。

③缺点：

粉末加热均匀性较差

八、注意事项

1.喷砂、喷涂过程中操作间噪音较大，进入前要戴上防噪耳塞；

2.等离子喷涂试验设备功率较大，请勿任意调节试验参数，防止烧损设备。

九、思考题

1.等离子喷涂的基本原理是什么？

其设备主要构成及作用？

答：

等离子涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。

等粒子喷涂设备：

等离子喷涂设备主要包括：

①喷枪：

实际上是一个非转移弧等离子发生器，是最关键的部件，其上集中了整个系统的电，气，粉，水等。

②电源：

用以供给喷枪直流电。

通常为全波硅整流装置。

③送粉器：

用来贮存喷涂粉末并按工艺要求向喷枪输送粉末的装置。

④热交换器：

主要用以使喷枪获得有效的冷却，达到使喷嘴延寿的目的。

⑤供气系统：

包括工作气和送粉气的供给系统。

⑥控制框：

用于对水，电、气、粉的调节和控制。

2.如何调节等离子喷涂工艺参数使其达到最优？

先根据可调的几个工艺参数制作正交表，由于前人的经验，我们大概可以得到各个工艺参数的范围，从其中取几个量，对正交表中的试验组进行试验，对喷涂后的工件进行质量分析，得到质量较好的那组数据，然后再依此缩小数据范围，即可得到最优的工艺参数。

实验二超音速火焰喷涂工艺实验

一、实验目的

1.熟悉超音速火焰喷涂设备组成；

2.掌握超音速火焰喷涂技术的基本原理；

3.通过实际的操作过程，熟悉超音速火焰喷涂工艺过程；

4.通过观察分析喷涂过程中各个因素对工艺质量的影响。

二、实验内容

2.观察并熟悉超音速火焰喷涂工艺过程，掌握工艺参数的控制。

三、实验仪器、设备及材料

2.超音速火焰喷涂设备一套（①TJ-9100型超音速火焰喷涂控制柜；

②送粉器一套；

③机械手一套；

④冷却系统一套；

⑤氧气、丙烷、氩气各一瓶）；

3.喷涂粉WC-Co粉若干；

4.压缩空气机一台；

5.涂层测厚仪一台或千分尺一只。

四、实验原理

典型的超音速火焰喷涂设备系统总体设计如图2-1。

系统基本原理是：

利用丙烷为燃料，氧气、压缩空气为助燃剂，控制系统将煤油和助燃剂（氧气、压缩空气、氧气与压缩空气的混合气）以一定的压力和流量输送到喷枪，经高性能雾化喷嘴雾化混合成可燃液雾后喷入喷枪燃烧室，液雾经火花塞点火燃烧后形成高温高压的燃气，通过拉伐尔喷嘴将其加速到超音速。

送粉系统将喷涂粉末从拉伐尔喷嘴的低压区送入超音速焰流，经焰流加温加热后从喷枪喷出，高速喷向工件表面沉积形成涂层。

图2-1超音速火焰喷涂示意图

五、实验步骤

1.表面清洗：

将工件表面去油除锈，采用喷砂进行预处理，保持一定的粗糙度；

2.预热：

3.喷涂过程：

将已烘干的喷涂粉倒入送粉器，按照试验要求喷焊加厚到

0.25-0.40mm；

4.将喷涂后的试样进行涂层表面观察、涂层厚度测试，并记录结果。

六、实验过程记录

1.实验进行前要先讲装丙烷的气罐用热水进行预热，使气罐内的丙烷汽化充分些；

2.超音速火焰在未送入材料时，枪口火焰中有明显的菱形块，称之为马赫锥；

马赫锥的数量不代表焰流速度，而是马赫锥的夹角（锐角）角度才能反映其速度；

3.该实验所用的送粉设备与等离子喷焊工艺所用的送粉设备一样

七、实验分析

1.影响超音速火焰喷涂质量的各种影响因素及其影响规律。

（1）粉末特性：

粉末特性包括粉末粒度分布、颗粒形状、表面粗糙度等。

（2）氧-燃气流量和比例：

喷涂时，首先应按照设备的规定要求确定氧气和燃气的流量，以保证喷枪焰流达到设计的功率水平。

实际生产过程中有多种因素可导致氧-燃气比例的波动，而氧-燃气比例对确定最终的涂层组织十分重要.理论上，丙烷完全燃烧要求氧与丙烷的比例为5∶1，这一燃烧比例产生的是中性焰（即，燃烧时氧与燃气分子全部耗尽）。

若燃气比例下降，焰流中未消耗尽的氧分子将产生“氧化”气氛，导致熔融粉末粒子的过度氧化，涂层中氧化物含量增多。

混合气中燃气过多会产生低温贫氧的火焰，所得涂层中未熔粒子和孔洞增多，而氧化物含量降低。

（3）喷涂距离：

较大的喷距可调范围对实际生产十分有利，因为可以根据工件的形状、大小、涂层厚度等要求选择适宜的喷距，以得到综合性能最好的涂层。

（4）送粉量：

若送粉量过小，可能的不利影响有：

1）被喷涂粉末过熔，粉末烧损，烟雾大，易污染涂层。

2）每一遍喷涂不能完全覆盖其扫过的路径，造成涂层孔隙率增大。

3）延长了喷涂时间易造成工件过热涂层开裂和生产成本的增大。

若送粉量过大，可能的不利影响有：

1）粉末熔化不充分，涂层结合强度降低，孔隙率增大。

2）涂层应力增大，导致涂层开裂。

3）粉末沉积率下降，生产成本提高。

2.分析超音速火焰喷涂技术的应用范围、优缺点。

（1）应用范围：

超音速喷涂已经成为热喷涂技术的主流发展方向,目前在国外已经渗透到各种领域:

石油化工、机械、印刷、航空、冶金、电力、塑料等工业部门。

特别是在高科技领域,超音速喷涂的高质量涂层能满足航天、航空、原子能等尖端领域对材料的苛刻要求。

近年来,超音速喷涂制备纳米结构涂层成为目前表面工程领域的一个研究热点。

（2）优点：

1）焰流速度高，颗粒速度最高可达900m/s；

2）涂层结合强度高；

3）涂层非常致密，孔隙率极低，小于1%；

4）涂层硬度高；

5）涂层应力为压应力，且残余应力低，可喷涂厚涂层；

6）火焰温度在2900～3300℃之间，比等离子喷涂和电弧喷涂低，且颗粒在焰流中的飞行时间短，因而粉末的氧化、烧损小，特别适合喷涂碳化物等易氧化粉末材料。

（3）缺点：

1）能喷涂的材料有限；

2）热效率低，成本高；

3）沉积效率低；

4）供气系统庞大，操作不方便；

5）工件受热大。

八、实验注意事项

2.试验设备功率较大，请勿任意调节试验参数，防止烧损设备。

九、思考题

1.超音速火焰喷涂的基本原理是什么？

有何特点？

超音速火焰喷涂是利用可燃气（如氢气、丙烷或丙烯）或液体燃料（如航空煤油）等与氧气混合,在燃烧室点燃,剧烈膨胀的气体受喷嘴的约束形成超音速高温火焰流,粉末沿燃烧室轴心由惰性气体（如氮气）送入,受到加热与加速而喷出。

特点：

（1）火焰及喷涂粒子速度高。

火焰速度达到1800m/s以上，粒子速度：

300-650m/s。

（2）粉粒受热均匀。

喷涂粉粒沿轴向或径向注入燃烧室，使粉末在火焰中停留时间相对较长，熔融充分，产生集中的喷射束流。

（3）粉粒与周围大气接触时间短，粉末粒子飞行速度高，和周围大气接触时间短，很少与大气发生反应，喷涂材料中活泼元素烧损少。

这对碳化物材料尤为有利，可避免分解和脱碳。

（4）喷涂粉末细微，涂层光滑用于高速火焰喷涂的粉末粒度一般为：

10-45μm，属于细粒度粉末，同时喷涂粒子速度高，熔融充分，形成涂层时变形充分，使得涂层表面粗糙度小。

（5）涂层致密，结合强度高一般高速火焰喷涂涂层的孔隙率＜2%，结合强度＞70MPa。

实验三、高速火焰喷涂工艺实验

1.熟悉高速火焰喷涂设备组成；

2.掌握高速火焰喷涂技术的基本原理；

3.通过实际的操作过程，熟悉火焰喷涂工艺过程；

2.观察并熟悉高速火焰喷涂工艺过程，掌握工艺参数的控制。

2.高速火焰喷涂设备一套（①CP-3000型亚音速喷枪一只；

②氧气、乙炔瓶各一只）；

3.喷涂粉PTAl/Ni粉、PT铁基、镍基粉若干；

高速火焰喷涂是将助燃气体与燃烧气体在燃烧室中连续燃烧，燃烧的火焰在燃烧室内产生高压并通过与燃烧室出口联接的膨胀喷嘴产生高速焰流，喷涂材料送入高速射流中被加热、加速喷射到经预处理的基体表面上形成涂层的方法。

可使用乙炔、丙烷、丙烯、氢气等作为燃气，也可使用柴油或煤油等液体燃料。

本试验采用乙炔为燃气。

图3-1为粉末火焰喷枪剖面图。

1-氧气；

2－燃料器；

3－喷枪；

4－粉末；

5－喷嘴；

6－火焰；

7－喷涂束流；

8－基体

图3-1粉末火焰喷枪剖面图

1）喷打底层：

在经过预处理的试样表面喷涂0.1-0.15mm厚的Ai/Ni粉;

2）喷表面层：

换喷涂粉，按照试验要求喷焊加厚到0.25-0.40mm；

1.实验过程中，氧气流量一般在0.7L/H，而乙炔流量一般在0.06~0.09L/H。

喷涂距离一般在102~254mm之间。

2.实验操作要严格按照老师指导的操作顺序来进行，由于点火喷涂的声音较大，实验过程中可塞耳塞。

3.燃气罐即乙炔罐旁边应该随时让一位同学看守，若出现紧急情况，应及时关掉燃气罐，防止意外发生

1.影响高速火焰喷涂质量的各种影响因素及其影响规律。

（1）燃气压力：

随着燃气压力的增加，涂层与基体的结合强度先增加后降低，达到中间的某一个特定值，结合强度最高。

（2）喷涂距离：

喷涂距离较短或较长时涂层与基体的结合强度偏低，对镍基复合涂层而言,喷涂距离在170mm时可获得较高的结合强度。

（3）喷砂压力：

当喷砂压力较小时,涂层与基体的结合强度相对较差;

当喷砂压力达到某一特定合适值时,涂层与基体的结合强度最高;

当喷砂压力过大时,涂层与基体的结合强度又有所降低。

2.分析高速火焰喷涂技术的应用范围、优缺点。

最初高速火焰喷涂主要用于航空工业和涡轮机制造方面。

随着应用领域不断开发,目前不仅在机器制造工业,特别是在造纸、钢铁、高分子材料及发电等多种行业,通过这一新型涂层应用,很好地解决了零件的磨损和腐蚀问题。

优点：

①一般金属、非金属基体均可喷涂，对基体的形状和尺寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能喷涂；

②涂层材料广泛，金属、合金、陶瓷、复合材料均可为涂层材料，可使表面具有各种性能，如耐腐蚀、耐磨；

耐高温、隔热等：

③涂层的多孔性组织有储油润滑和减摩性能，含有硬质相的喷涂层宏观硬度可达450HB，喷焊层可达65HRC；

④火焰喷涂对基体影响小，基体表面受热温度为200～250℃，整体温度约70℃～80℃，故基体变形小，材料组织不发生变化。

缺点：

①喷涂层与基体结合强度较低，不能承受交变载荷和冲击载荷；

②基体表面制备要求高；

③火焰喷涂工艺受多种条件影响，涂层质量尚无有效检测方法。

八、思考题

1.高速火焰喷涂的基本原理是什么？

举例说明高速火焰喷涂工艺具体的应用实例。

原理：

（1）火焰温度能够达到3000℃左右，几乎可以熔化所有的固体物质；

（2）喷枪喷焰速度＞2000m/s,喷涂粉末体的速度＞600m/s;

（3）喷涂效率可达15kg/h，比等离子喷涂高。

应用实例：

炼钢厂。

用于汽车制造的镀锌铁皮,其生产过程中设备导向辊轮表面磨损很严重。

为了解决这一问题,由日本人首先开发应用了该涂层技术,结果改善了辊轮的耐磨性。

类似的表面磨损问题在冷轧生产中也会遇到。

实验四、等离子喷焊工艺实验

1.了解和掌握等离子喷焊的特点和应用范围。

2.了解和掌握等离子喷焊的基本原理和工艺过程。

1.观察并熟悉等离子喷焊工艺过程，并进行实际喷焊操作，掌握工艺参数的控制；

2.分析喷焊工艺对焊缝质量的影响。

1．202-1A型电热恒温干燥箱；

2．Ni基合金粉末若干；

3.Q345钢板若干块；

4.L5-400型等离子喷焊设备一套（①QL-400型喷枪一只；

②喷焊机床一台；

③刮板式送粉器一套；

④氩气一瓶）。

四、等离子喷焊原理

粉末等离子喷焊是利用压缩等离子弧产生的高温熔化金属粉末，在工件表面形成一层与基体冶金结合的、具有特定性能熔敷层的表面堆焊技术。

和手工电弧堆焊、埋弧堆焊、钨极氩弧堆焊相比，粉末等离子喷焊具有电弧能量集中、堆焊层稀释率低、焊层硬度均匀、适用材料范围广、堆焊材料消耗少、喷焊设备机械化及自动化程度高、堆焊速度快、质量稳定等优点，适合用于大批量制备高合金、有色金属合金焊层。

离子弧喷焊的基本过程如图4-1所示。

图4-1等离子弧喷焊过程示意图

五、实验步骤

1.喷焊合金粉末烘干：

每次试验之前，需要对合金粉末在电烘箱中进行烘干处理（200℃保温40min）。

2.喷焊试件准备：

选取Q345钢作为基材，其规格为150mm×

50mm×

20mm。

用机械打磨法去除工件表面在轧制、切削等过程中产生的油污，清理表面的铁锈、氧化皮等不利于喷焊的污物，并且使用丙酮进行清洗以获得洁净表面，为后续喷焊做准备工作。

3.喷焊过程：

将工件放置在直焊道喷焊装置载物台上，使工件在喷焊过程中能通过小车的移动使得焊枪与工件存在相对位移，同时确保转移弧导电性能良好。

调节等离子弧喷枪位置。

由于按照等离子喷焊控制动作顺序，应使等离子弧喷枪位于距工件边缘1~2cm处，同时调整喷枪升降系统，使得喷距在10~12mm。

将自熔性合金粉末加入送粉器，并旋紧送粉器顶端螺母，避免氩气泄漏。

接通水源，打开增压泵开关，并确保水压稳定。

接通气源，检查装置应无渗水、漏气现象。

接通电源，将控制柜的工作方式开关置于“手动”档，将工作转弧形式置于“切断”挡。

打开气瓶开关，调节离子气和送粉气的浮子流量计针阀，按工艺参数要求调到相应刻度，检查气路管道是否漏气。

点触“高频引弧”按钮，接通高频引弧器约0.5秒钟后，断开高频引弧。

若不能成功引弧，再次按下“高频引弧”按钮，重复2次若仍不能引燃非转移弧，则应暂停装置运行，对装置进行检查。

触摸“转弧”按钮，启动转弧电源，调节转弧焊接电流到工艺参数要求的相应值。

按下“送粉器”按钮，送粉器开始工作，调整“送粉调节”旋钮，调节送粉速度到工艺参数要求的相应值，等离子喷焊工作开始进行。

开启直焊道喷焊小车，调节所需焊接速度，小车行走将通过连杆推动载物台前行，在工件与喷焊枪间相对移动下，将焊出直线性焊道。

等离子粉末喷焊处理结束后，相继按下“送粉停止”、“转弧停止”按钮及“小车停止”开关。

4.调节不同工艺参数喷焊，观察焊缝外观，并记录。

1.实验操作要严格按照老师指导的操作顺序来进行。

2.严格控制好气体流量，保证喷焊过程的顺利进行。

3.实验过程中不可乱按操作面板上的按钮，保证实验安全进行。

七、实验注意事项

喷焊过程注意弧光灼伤眼睛。

1.喷涂和喷焊有何区别?

（1）与基体金属的结合形成不同：

喷涂层与零件表面主要为机械结合，结合强度低，约为5MPa～50MPa，抗冲击性能差。

喷熔涂层与零件表面为冶金结合，结合强度高，约为300MPa～700MPa。

（2）喷涂材料不同：

喷焊要求使用自熔性合金粉末,而喷涂则对粉末的自熔性要求不高,且不一定是自熔性合金粉末,各种自熔性合金粉末既可用于喷焊又可用于喷涂,但喷涂粉末不具备自熔性只能用于喷涂而不能用于喷焊工艺。

（3）工件受热情况不同：

喷涂与喷焊过程中,喷前预热温度不同,工件受热影响不同,喷后工件的组织、性能亦不同。

（4）涂层的致密性不同：

喷焊层致密,而喷涂层中有少量孔隙。

（5）承受载荷的能力不同：

喷涂层一般能承受大面积接触,多在有润滑条件的工作表面,配合面以及其它受力较小的工况条件下使用,喷焊层却能承受较大的冲击力,挤压应力或接触应力等。

实验五、堆焊工艺实验

1.了解自保护药芯焊丝堆焊的用途、基本原理；

2.观察自保护药芯焊丝堆焊方法的过程，掌握简单的操作；

3.加深对课堂知识的理解，强调动手能力的培养。

1.观察和熟悉自保护药芯焊丝堆焊方法，并进行实际操作，掌握不同工艺参数的控制；

2.分析自保护药芯焊丝堆焊工艺的优缺点及应用范围。

1、NB-350IGBT型逆变焊机；

2、送丝机控制箱1个；

3、轻型单丝埋弧自动焊小车一台；

4、JDHS-38#药芯焊丝一盘；

5、钢板若干块。

堆焊方法是焊接技术的一个分支。

就其物理本质、冶金过程和热过程的基本规律而言，与一般焊接过程是相同的。

但是，它的目的不一样，它不是为了联接工件，而是采用焊接的方法，在零件的表面堆敷一层或几层具有一定性能材料的工艺过程，主要用于修复零件或者增加其耐磨、耐热、耐蚀等方面的特殊性能。

自保护药芯焊丝是一种高效、低成本的新型焊接材料，自保护药芯焊丝堆焊方法是一种新型表面强化技术，是目前堆焊方法中最经济、环保的绿色焊接技术。

1.用砂纸打磨药芯焊丝除锈，并用丙酮清洗油污；

2.准备试板，尺寸为500×

50mm，板厚为10mm，用砂轮打磨试件表面，除锈；

3.熟悉各种仪表及设备的操作规程，小心使用各种带电设备；

4.试板预热，预热温度为150℃-180℃；

5.采用不同的工艺规范参数施焊，敲渣，观察焊缝的外观质量，并记录。

六、实验注意事项

堆焊过程注意弧光灼伤眼睛。

1.分析不同工艺规范（焊接电流、焊接电压、焊接速度等）对焊缝成型与性能的影响。

（1）焊接电流：

随着堆焊电流的增大，电弧的穿透能力逐渐增大，焊丝或焊条的熔化速度也增大，因此，熔透深度增大，熔宽增大，堆焊余高也增加（会增加应力集中）。

此外，焊剂的消耗量也会增加。

（2）焊接电压：

电弧长度增加，电弧电压升高，对工件的作用面积增加，熔宽增加；

反之，熔宽减小。

（3）焊接速度：

堆焊速度增加时，堆焊的熔深和熔宽都会减小。

到一定程度后，会形成咬边缺陷。

2.分析自保护药芯焊丝堆焊的特点。

（1）不需外加保护气源，焊枪结构简单、重量轻，便于操作；

（2）抗风抗气孔性能良好，在焊接中由该焊丝自身冶金反应造气形成保护气氛，可在四级风力下施焊，只要风速不超过8m/s,可不采取任何防护措施,特别适用于野外施工作业；

（3）电弧穿透力要大，熔滴要呈喷射状过渡，飞溅小；

（4）具有优良的全位置立向下焊操作工艺性能，操作工艺性能好；

（5）脱渣性能良好；

（6）熔敷金属能在低温和大风等各种恶劣条件下同样获得较高的低温韧性。

1.堆焊工艺与一般的焊接工艺区别是什么？

堆焊主要是以获得特定性能的表层、发挥表面层金属性能为目的，所以堆焊工艺应该注意以下特点：

（1）根据技术要求合理地选择堆焊合金类型；

（2）以降低稀释率为目的，选择堆焊方法；

（3）堆焊层与基体金属间应有相近的性能；

（4）材料堆焊必须根据具体情况正确进行选择；

（5）提高生产率。

2.堆焊和喷焊有何区别?

堆焊应用到母材较厚的材质修复当中，如煤磨、水泥磨、轧辊的修复；

而喷焊用到母材较薄或不适合堆焊的器件修复或保护中，如高压锅炉管壁喷涂，风机叶片喷涂等。

材料表面逆向设计及涂层制备分析

——高速火焰喷涂工艺

摘要：

表面工程中涂层性能与工艺因素息息相关，工艺是影响辅以行为的重要因素。

用高速火焰喷涂的方法制备涂层。

利用喷涂过程中各个工艺参数的作用，采用正交试验设计的方法，设定几