第五章 表面涂敷技术.docx

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第五章表面涂敷技术

第五章表面涂敷技术

第四节热喷涂

主要讲述热喷涂、电火花表面涂敷、热浸镀。

热喷涂是采用不同的热源，将喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，用高压气流将其雾化，并以一定的速度喷射到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。

热喷涂用的热源有：

气体或液体燃料、电弧、等离子弧、激光等。

热喷涂材料可以是金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、塑料或复合材料。

工件材料可以是金属、合金、陶瓷、水泥、塑料、石膏、木材、玻璃等几乎所有固体材料。

喷涂层的性能：

耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化、润滑等。

喷涂层的厚度：

0.5-5mm。

应用：

宇航、国防、机械、冶金、石油、化工、机车车辆、电力等部门。

如果将喷涂层再加热重熔，产生冶金结合，称为喷熔。

一．热喷涂的原理：

1．涂层形成过程及原理

喷涂时，首先是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。

喷涂的粒子不断飞向工件表面，不断发生碰撞-变形-冷凝的过程，变形粒子与工件之间以及粒子与粒子之间相互交叠在一起，形成涂层。

喷涂材料从进入热源到形成涂层可划分为以下四个阶段：

（1）喷涂材料的熔化：

进入高温热源区，熔化或半熔化状态。

粉末材料：

熔化态或软化态；

线材喷涂材料的端部被加热熔化，以熔滴形式存在于线材端部。

（2）熔化的喷涂材料的雾化

线材喷涂：

端部的熔滴在外加压缩气流或自身射流的作用下脱离线材端部，并雾化成细小的熔滴向前喷射；

粉末喷涂：

不存在粉末的细化和雾化过程，直接在压缩气流或热源射流推动下发生喷射。

（3）粒子的飞行阶段

雾化后的细小熔滴被压缩气流或热源射流推动高速向工件表面飞行。

（4）粒子的喷涂阶段

具有一定速度和温度的微细粒子到达工件表面，以一定的动能冲击工件表面，发生强烈碰撞展平成扁平状涂层并瞬间凝固。

涂层的形成：

如下图。

图5-3。

粒子以一定的动能冲击工件表面，与工件发生强烈碰撞，粒子沿着凹凸不平的表面发生变形，展平成扁平状涂层并瞬间凝固。

喷涂的粒子不断飞向工件表面，不断发生碰撞-变形-冷凝的过程，变形粒子与工件之间以及粒子与粒子之间相互交叠在一起，形成涂层。

涂层的结构：

层状结构。

图5-4。

喷涂层的形成过程决定了深层的结构。

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。

图是涂层结构的示意图。

图给出了典型的热喷涂层的金相组织照片。

从图中可以看出，涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地存在一部分孔隙或空洞，其孔隙率一般在4%-20%之间。

涂层中伴有氧化物等夹杂。

采用等离子弧等高温热源、超音速喷涂以及低压或保护气氛喷涂，可减少以上缺陷，改善涂层结构和性能。

由于涂层是层状结构，是一层一层堆积而成，所以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。

涂层经过适当处理后，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。

涂层的结合机理

涂层与基体的结合，结合力；涂层内部的结合，内聚力。

涂层内部的结合：

主要以机械结合为主。

涂层结合机理

涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。

涂层与基体表面的结合强度称为结合力；涂层内部的结合强度称为内聚力。

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已有许多人研究过，但仍未彻底搞清楚，仍然是一个值得研究的课题。

通常认为有以下几种方式：

（1）机械结合。

碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒，由于凸凹不平的表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合。

一般说来，涂层与基体表面的结合以机械结合为主。

（2）冶金一化学结合。

这是当涂层和基体表面出现扩散和合金化时的一种结合类型，包括在结合面上生成金属间化合物或固溶体。

当喷涂后进行重熔即喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结合。

（3）物理结合。

颗粒对基体表面的结合，是由范德华力或次价键形成的结合。

涂层残余应力

当熔融颗粒碰撞基体表面时，在产生变形的同时，受到激冷而凝固，从而产生微观收缩应力，涂层的外层受拉应力；基体，有时也包括涂层的内层则产生压应力。

涂层的这种残余应力是由喷涂热条件及喷涂材料与基体材料物理性质的差异所造成的，它影响涂层质量，而且这种应力随涂层厚度的加大而增加，最终导致涂层断裂或从基体上剥离。

以不同的热膨胀或热接触引起的应力，可以通过控制基体温度而减少到某种程度。

最好还是进行适当的预处理，以使应力分散，并限制其收缩应变，如吹砂后的粗糙表面能抑制和控制这种收缩应变。

较大的粗糙度，即宏观粗化，如开沟槽、车螺纹等，不但有助于涂层结构的形成，而且可以使收缩应力限制在局部范围内，亦能使片状涂层结构折叠，从而进一步分散应力。

二．热喷涂的种类和特点：

1．热喷涂种类：

根据涂层加热和结合方式分：

喷涂和喷熔。

根据加热喷涂材料的热源种类分：

火焰、电弧、高频、等离子弧（超音速）、爆炸、激光（喷涂、重熔）、电子束。

2．热喷涂的特点

（1）适用范围广。

喷涂材料、工件材料。

（2）工艺灵活。

（3）喷涂厚度可调。

几微米至几毫米。

（4）工件受热影响小。

基体变形小、组织、性能变化小。

（5）生产率高。

缺点：

粉尘、烟雾大、噪声大。

三．热喷涂材料：

（一）热喷涂线材

线材包括。

。

。

。

等。

（1）碳钢及低合金钢丝。

（2）不锈钢丝

（二）热喷涂粉末

（三）复合材料粉末

（四）塑料

四．热喷涂装置及设备

1．氧-乙炔焰喷涂装置图5-5

2．等离子喷涂装置

五．

热喷涂工艺

工序：

清洗-预热-喷打底层-喷工作层。

（一）氧-乙炔焰喷涂与喷熔

1．氧-乙炔焰线材喷涂

氧-乙炔焰线材喷涂原理如图所示。

喷涂时，将线材或棒材穿过喷嘴中心，通到围绕喷嘴和气帽形成的环形火焰中，线材的尖端连续被加热到其熔点。

然后，由通过气帽的压缩空气将其雾化成为喷射粒子，依靠空气流加速喷射到基体上形成涂层。

2．氧-乙炔焰粉末喷涂

氧-乙炔粉末喷涂的原理如图所示，喷涂时，粉末材料悬浮于载气中，通过喷嘴进行传送，粉末进入氧—乙快火馅中，随即迅速熔化。

此时，已熔化的粒子依靠火焰加速并喷射到基体上，熔融的粒子在飞行过程中即冷却至塑性或半熔化状态（粒子表面会发生某种程度的氧化），而后，相继而来的粒子与基体连续撞击丽形成涂层。

（二）电弧线材喷涂

电弧喷涂是在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧，因电弧产生的热使金属焊丝逐步熔化，熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成涂层。

电弧喷涂设备与火焰喷涂设备相似，具有成本低、一次性投资少等优点，使用也方便。

但电弧喷涂与火焰粉末或丝材喷涂相比，粒子含热量更大些。

因此，当熔融状态下粒子打到基体上时，形成局部微冶金结合的可能性要大得多，故涂层与基体有更强的结合，其结合强度一般比火焰丝材喷涂高1.5-2.0倍。

另外，电弧喷涂飞行速度也较快比一般丝材火焰喷涂速度快，故喷涂效率也较高。

。

此外，电弧喷涂还可方便地制造“伪合金”涂层，即用两根不同成分的丝材即可。

伪合金涂层可以具有独特的综合性能，如铜-钢伪合金具有良好的耐磨性与导热性，是制造刹车盘的好材料。

但是，电弧喷涂的明显不足则是，其喷涂材料必须是导电的焊丝，因此，只能使用金属，从而对陶瓷材料就难以进行喷涂，限制了电弧喷涂应用范围的扩大。

（三）等离子喷涂

等离子弧是压缩电弧，按接电的方法不同，等离子弧有三种形式：

①非转移弧；正极接在喷嘴上，工件不带电；⑦转移弧：

喷嘴不接电源，工件接正极；③联合弧：

喷嘴、工件均接正极。

等离子弧和自由电弧相比较，其弧柱细，电流密度大，气体电离度高，因此具有温度高、能量集中、弧稳定性好等特点。

等离子喷涂采用的是非转移等离子弧。

其原理如图所示。

在阴极和阳极（喷嘴）之间产生直流电弧，该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体并从喷嘴喷出形成等离子焰。

粉末由送粉气体送入火焰中被熔化、加速、喷射到基体材料上形成膜。

等离子喷涂的工作气体最常用的有氮气、氩气，此外，也可用氢气、氦气。

氮气：

价格便宜，最常用。

喷枪（非转移型等离子弧发生器）主要由阴极、喷嘴（阳极）、进气道与气室、送粉道、水冷密封与绝缘，以及枪体组成。

阴极是电子发射源，因此必须选用熔点高和电子发射能力强的材料制成，一般采用钨电极。

喷嘴为阳极，通过其孔道对电弧进行压缩而形成等离子弧。

工业上常用的等离子弧有两种形式。

一种是转移弧，这就是电弧离开喷枪转移到被加工零件上的等离子弧。

电弧飞越喷枪的阴极和阳极（被加工零件）之间，工作气体围绕着电弧送入，然后从喷嘴喷出。

等离子弧切割、等离子弧焊接和等离子弧冶炼等多使用转移弧等离子设备。

另一种是非转移弧。

所谓非转移弧是指在阴极和喷嘴（阳极）之间所产生的等离子弧。

在阴极和喷嘴的内壁之间产生电弧，工作气体通过阴极和喷嘴之间的电弧而被加热，造成全部或部分电离，而后由喷嘴喷出形成等离子火焰（或称等离子射流）。

等离子喷涂、等离子烧蚀等多采用非转移弧等离子设备。

由于非转移弧等离子喷枪用于加热工作气体的电弧在喷嘴内壁的阳极点终止，在不向气体供给能量的情况下将等离子气体喷射出去，所以，这种喷枪对基体材料的加热效果很低。

因此，等离子喷涂虽然温度高，对喷涂粉末的热传导性能好，但是传递到基体（或工件）的热量却很少，这就避免了基体材料的热变形。

在某些情况下，需要联合使用转移弧和非转移弧。

等离子喷焊就是采用这种联合形式的等离子弧。

非转移弧引燃转移弧并加热金属粉末，转移弧加热工件使其表面产生熔池。

等离子弧和自由电弧相比较，其弧柱细，电离密度大，气体电离度高，因此，具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。

等离子喷涂采用的是非转移弧型，图是等离子喷涂原理示意图。

在阴极和阳极（喷嘴）之间产生一直流电弧，该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体，并从喷嘴喷出，形成等离子焰。

粉末由送粉气体送入火焰中被熔化、加速、喷射到基体材料上形成膜。

工作气体可以用氩气、氮气，或者在这些气体中再掺入氢气，也可采用氩和氦的混合气体。

三、等离子喷涂设备

工业上使用的等离子喷涂设备由喷枪、电源、送粉器、控制装置和热交换器等组成。

其作用是产生高温、高速等离子射流，把喷涂粉末熔融并喷射到基体上。

图是等离子喷涂设备各部分连接的示意图。

喷枪

喷枪实际上是一个非转移型等离子弧发生器，是最关键的部件，整个系统的电、气、粉、水都集于其上。

喷枪的结构形式多样，但其基本结构是一样的，即少不了阴极、喷嘴（阳极）、进气道与气室、送粉道、水冷密封与绝缘，以及枪体。

阴极是电子发射源，因此，必须选用熔点高和电子发射能力强的材料制成，一般是含有二氧化钍（ThO2）或铈的钨电极。

阴极的直径由最大工作电流、喷嘴孔径和冷却条件等因素确定。

阴极端部的几何形状和表面状态对阴极的寿命也有着很大的影响。

喷嘴为阳极，通过其孔道对电弧进行压缩而形成等离子弧。

喷嘴对喷枪工作的稳定性、喷涂工艺、涂层质量和使用寿命均有很大的影响。

等离子喷涂工艺

等离子喷涂过程中，影响涂层质量的工艺参数是很多的，有人估计有60多个。

因此，对不同工件、不同基体和不同涂层，其工艺的优化是很复杂的，一般要经过反复试验才能得到。

下面介绍几个主要工艺参数。

等离子气体的选择

（四）爆炸喷涂

爆炸喷涂是利用氧气和乙炔气点火燃烧，造成气体膨胀而产生爆炸，释放出热能和冲击波；热能使喷涂的粉末熔融，冲击波使熔融粉末以约800m／s的速率喷射到零件表面上形成涂层。

火焰喷涂

火焰喷涂是利用燃气（乙炔、丙烷、甲基乙炔-丙二烯、氢气或天然气等）及助燃气体（氧）混合燃烧作为热源，喷涂材料则以一定的传送方式进入火焰，加热到熔融或软化状态，然后，依靠气体或火焰加速喷射到基体上。

火焰喷涂根据喷涂材料的不同，又可分为丝材火焰喷涂和粉末火焰喷涂两种。

一、丝材火焰喷涂

图表示丝材火焰喷涂的装置。

图枪的剖面图，它示出了丝材火焰喷涂的基本原理。

喷涂源为喷嘴，金属丝穿过喷嘴中心，通过围绕喷嘴和气罩形成的环形火焰中，金属丝的尖端连续地被加热到其熔点。

然后，由通过气罩的压缩空气将其雾化成喷射粒子，依靠空气流加速喷射到基体上，从而熔融的粒子冷却到塑性或半熔化状态，也发生一定程度的氧化。

粒子与基

体撞击时变平并粘结到基体表面上，随后而来的与基体撞击的粒子也变平并粘结到先前已粘结到基体的粒子上，从而堆积成涂层。

丝材的传送靠喷枪中空气涡轮或电动马达旋转，其转速可以调节，以控制送丝速度。

采用空气涡轮的喷枪，送丝速度的微调比较困难，而且其速度受压缩空气的影响而难以恒定，但喷枪的质量轻，适用于手工操作；采用电动马达传送丝材的喷涂设备，虽然送丝速度容易调节，也能保持恒定，喷涂自动化程度高，但喷枪笨重，只适用于机械喷涂。

二、粉末火焰喷涂

粉末火焰喷涂与丝材火焰喷涂的不同之处是喷涂材料不是丝材而是粉末。

典型的粉末火焰喷涂装置及粉末火焰喷涂的原理。

以氧-燃气火焰为热源，将粉末加热至熔融或塑性状态在高速气流作用下，将雾化颗粒喷涂于工件表面，从而形成涂层。

火焰喷涂具有很多优点，它可以喷涂各种金属、非金属陶瓷及塑料、尼龙等材料，应用非常广泛灵活；喷涂使用的设备轻便简单、可移动，价格低于其他喷涂设备，经济性好，是目前喷涂技术中使，用较广泛的一种工艺。

火焰喷涂中，丝（棒）材的喷涂是60年代就开始在我国发展起来的，至今已得到进一步的改进。

虽然由于它的喷涂效率高于粉末喷涂，在使用中占有一定的地位，但因其喷出的熔滴大小不均，使涂层的结构亦不均匀，孔隙度也大，且拉丝造棒的成型工艺受到限制，故就火焰的喷涂而言，目前仍大量使用火焰粉末喷涂。

但火焰喷涂亦存在明显的不足，通常的火焰粉末喷枪，由于喷出的颗粒速度较高，火焰温度（3000C）较低，因此，涂层的粘结强度及涂层本身的综合强度都比较低，且比其他喷涂方法得到的气孔率都高。