材料表面涂层实验指导书.docx

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材料表面涂层实验指导书

材料表面冷喷涂层制备

一、实验目的

1.理解材料表面冷喷涂层基本制备方法和工艺

2.掌握涂层制备设备的操作规程方法步骤

二、实验原理

冷喷涂技术的过程是，经过一定低温预热的高压气体（He或N2）通过缩放喷管产生超音速气体射流，将喷涂粒子从轴向送入气体射流中加速，以固态的形式撞击基体形成涂层。

三、实验设备及材料

1.冷喷涂装置

2.直尺

3.粉末（Cu粉）

4.基体（不锈钢）

四、实验步骤

1.首先打开气体预热器电源进行温度设定，待温度达到设定值后至少10分钟开始喷涂实验。

2.打开控制面板上的电源锁按钮（Power）。

3.将控制面板上的主气流量控制阀（PrimaryGasFlow）调到最大。

4.根据实际喷涂需要调整主气控制管上的减压器，使得主气压力输出在0.5～3.5MPa之间。

5.调整送粉气控制管上的减压器，使得送粉气压力比主气压力高出0.5MPa左右。

6.按下控制面板上的喷涂按钮（Spray）。

7.当温度升高到实验设定的喷枪腔室温度后，按下控制面板上的送粉按钮（PowderFeed），同时调整送粉气流量控制阀（CarrierGasFlow）使得喷枪送出均匀的粉末。

8.喷涂结束后，首先关掉送粉按钮（PowderFeed），然后关掉喷涂按钮（Spray），同时将送粉气流量控制阀（CarrierGasFlow）调到最小状态。

五、实验报告要求

1.简述实验原理。

2.明确操作步骤和注意事项。

3.做好原始记录。

4.详细记录喷涂过程中观察到的现象，结合学到的理论分析现象产生的原因

六、实验注意事项

1.系统电源为220V交流电，保证电源可靠接地。

2.气体预热器电源为380V三相交流电，保证电源可靠接地。

3.系统主气体和送粉气压力极限为3.5MPa，高于此值后控制面板上的红色PrimaryGas和CarrierGas指示灯点亮，提示压力过大注意安全。

4。

系统管路为螺纹连接，使用时注意不要使螺纹连接处松动，以免出现漏气现象。

5.冷喷涂中气体预热温度经常达到200～600℃，因此注意喷枪等高温部位。

材料表面塑料喷涂层制备

一、实验目的

1.理解材料表面塑料喷涂层基本制备方法和工艺

2.掌握涂层制备设备的操作规程方法步骤

二、实验原理

FS-4型粉末火焰盆土枪的原理是利用燃气（乙炔、丙烷、液化石油气等）预祝燃气（氧气、压缩空气）燃烧产生的热量将粉末状喷涂材料加热至熔融及半熔融状态，并借助焰流或喷射（冷却）气流喷向经预处理的基体表面从而形成连续、均匀的保护涂层。

三、实验设备及材料

1.喷枪

2.燃气（乙炔）与助燃气（氧气）、送粉气（压缩空气）

3.粉末（聚乙烯）

4.基体（不锈钢）

四、实验步骤

1.检查喷嘴安装是否正确。

2.根据参数表调节氧气、燃气（乙炔）、冷却空气及送粉气压力。

3.将空气开关略开，使少量空气喷出。

4.打开主阀，开大燃气阀，开氧阀送少量氧气。

5.用打火枪点火，点着后分别调节氧阀及燃气阀使火焰呈还原焰。

6.将送粉气阀阀调制最大。

7.将透明粉斗装上喷枪，装入待喷粉末，打开粉末开关。

8.调节空气开关使塑料粉末在火焰中充分熔化，同时粉末及涂层不过热燃烧分解。

9.喷涂间歇应打开空气开关以冷却喷嘴。

10.喷枪发生回火时应迅速关闭主阀及粉末开关，查明原因。

五、实验报告要求

1.简述实验原理。

2.明确操作步骤和注意事项。

3.做好原始记录。

4.详细记录喷涂过程中观察到的现象，结合学到的理论分析现象产生的原因

六、实验注意事项

1.气管与喷枪连接时，必须清除管路内的各种污物。

2.最好在专门设计的通风环境中作业，确保枪、管不泄漏。

3.在关闭或开启主阀时，粉斗座的送粉开关必须处于关闭位置。

4.在更换喷嘴或内孔喷枪时密封面上不得有任何污物或粉末。

5.喷嘴装上后压紧螺母必须拧紧，以保证密封。

6.如发现火焰有长短或偏移需拆卸喷嘴，用通针清理喷嘴孔道。

7.喷嘴出火口如已严重磨蚀必须更换新喷嘴。

材料表面热喷耐磨涂层制备

一、实验目的

1.掌握材料表面热喷耐磨涂层的基本制备方法和工艺；

2.掌握涂层制备设备的操作规程及操作步骤

3．了解耐磨涂层所用的粉末。

二、实验原理：

超音速火焰喷涂（HighVelocityOxygenFuel，简称HVOF）是利用丙烷、丙稀等碳氢系燃气与高压氧气在燃烧室内或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温高速燃烧焰流，将粉末轴向送入该焰流，然后将粉末加热到熔化或者半熔化状态，雾化成小液滴，在高压高速焰流中加速到音速以上，喷射到经过处理的基体表面上，形成结合强度高、组织致密、性能优越的涂层的技术，如图1所示。

图1热喷涂过程

三、实验仪器及材料

1.CH-2000型超音速火焰（HVOF）喷涂系统

（1）简介

CH－2000型超音速火焰喷涂系统通过高压燃料气体与氧气燃烧产生超音速火焰而实现喷涂，该系统由西安交通大学材料科学与工程学院焊接研究所于1995年在国内首家研制成功，此后进行了大量的研究开发，已成功为日本、中国等5家企业单位与研究机构提供设计制造服务。

经过10年多的使用考核，证明系统工作稳定可靠，制备的涂层性能达到或超过进口系统制备的同类涂层。

适用于喷涂金属陶瓷、金属及合金涂层，涂层致密、结合性能优越。

如用来制备耐磨损性能优越的硬质合金涂层（如WC-Co系和Cr3C2-NiCr系涂层）；也可以制备耐腐蚀和耐高温氧化性能优越的高温合金涂层（如MCrAlY等）；用该系统制备的镍基自熔合金涂层，在喷态下显微硬度超过喷焊层的硬度。

该系统制备的硬质合金涂层和镍基自熔合金复合涂层经在多种严酷工矿条件（如石油、电力、冶金等领域）下使用考核证明，HVOF涂层的使用可以显著提高产品的附加价值，延长使用寿命，可获得显著的经济效益和社会效益。

该设备系统目前已在国内的石油机械、水轮机组、风机机组、钢铁、电厂锅炉等领域解决了大量的现场工业难题。

（2）系统构成

本系统由CH-2000型喷枪（如图2、图3），CH-2000型控制柜和送粉器，冷却系统构成。

本系统通过氧气和燃气燃烧产生超音速火焰（如图4所示）。

可使用的燃气包括丙烷或丙烯或乙烯。

送粉气可以使用氮气或氩气。

典型火焰的速度超过2000m/s。

喷涂粒子的速度可达300～650m/s。

图2CH-2000型超音速火焰喷枪图

图3CH-2000型超音速火焰喷枪内部结构图

图4马赫锥－典型的超音速火焰特征

（3）系统的特点

1）系统采用PLC控制，可靠性高；

2）本系统使用的气体（包括氧气、燃气、送粉气）压力与流量，均可分别单独控制；

3）以单独设置的点火系统直接用燃气点火，可靠方便；

4）通过气体参数的预调，用单个按钮可以实现在控制柜面板上对喷涂火焰开关操作，并可配线控盒实现遥控，操作简单可靠；

5）对冷却水与送粉气的压力实行实时监控，设置有报警与自保护系统，保证了系统运行的安全可靠性；

6）喷枪重3.5kg，可以手持进行喷涂，也可以配备合适的机夹装置进行机械化喷涂；

2．超音速火焰喷涂耐磨涂层用材料

（1）WC－Co系耐磨粉末，主要应用于温度为550℃以下的磨粒磨损和冲蚀磨损。

（2）Cr3C2－NiCr系耐磨粉末，多用于530～900℃的磨损工况。

四、实验步骤

1.系统运行前的准备

在进行喷涂作业前，务必打开通风和排风设备，保持喷涂空间具有良好的通风状态，然后按以下步骤进行准备工作。

（1）接通电源

（2）接通氧气源。

将氧气压力调到0.60MPa，即6个大气压。

（3）接通丙烷气体

将压力调至0.5MPa（5个大气压），然后利用控制柜面板上的调压器将压力调节到4个大气压。

此时，送粉气指示灯亮；如果指示灯不亮（或闪烁），表明压力小于0.4MPa（4个大气压），需增加送粉气压力。

（4）启动水泵开关。

当冷却水压力大于设定的4个大气压时，水压指示灯亮，否则指示灯不亮。

在运行过程中，当水压小于4个大气压时，水压指示灯闪烁报警。

当电源指示灯，水压指示灯和送粉气指示灯全亮时，系统进入准备状态。

2．喷涂操作

（1）手动操作

准备工作完成后，系统进入准备状态，按以下操作顺序进行：

按点火按钮，接通点火气体，进行点火；

按喷涂按钮，接通各气路电磁阀；

调节送粉气流量至1500L/h；

间歇或同时调节氧气流量和燃气流量，使其达到设定流量值；

按送粉启动按钮，启动送粉器

停止送粉

按停止按钮，熄灭喷涂火焰

等火焰熄灭后，将流量计调节阀调到全关闭状态

（2）半自动操作

准备工作完成后，系统进入准备状态，按以下操作顺序进行：

气体流量的预调；

按点火按钮，接通点火气体，进行点火；

按喷涂按钮，启动喷涂火焰；确认并调节各路气体至预设值；

按送粉器启动按钮，启动送粉器；

停止送粉

按停止按钮，熄灭喷涂火焰

将流量计调节阀调到全关闭状态

3．结束喷涂作业

（1）关闭水泵

（2）关闭气源，分别单独按下氧气、燃气、送粉气预调按钮，并拧开各对应流量计调节阀，泄压并排除气路中的气体；

（3）关闭控制柜上的电源开关。

五、实验报告要求

1.简述实验原理。

2.明确操作步骤和注意事项。

3.做好原始记录。

4.详细记录喷涂过程中观察到的现象，结合学到的理论分析现象产生的原因

六、实验注意事项

1.本系统运用高压燃气，为确保安全，必须严格按照要求操作；

2.当水压指示灯和送粉气指示灯闪烁时，说明水压或送粉气压力不足，需要增加冷却水压力或送粉气压力。

只有当压力分别达到设定值时，指示灯才亮，系统才能进入准备状态；

3．点火之前一定要确认送粉气压力是否达到预定值；

4．在喷涂过程中如果出现异常现象，请立即按紧急停止按钮，并关闭燃气和氧气流量计阀。

材料表面热喷防腐涂层制备

一、实验目的

1.掌握材料表面热喷防腐涂层的基本制备方法和工艺；

2.掌握涂层制备设备的操作规程及操作步骤；

3．了解防腐涂层所用的粉末。

二、实验原理：

超音速火焰喷涂（HighVelocityOxygenFuel，简称HVOF）是利用丙烷、丙稀等碳氢系燃气与高压氧气在燃烧室内或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温高速燃烧焰流，将粉末轴向送入该焰流，然后将粉末加热到熔化或者半熔化状态，雾化成小液滴，在高压高速焰流中加速到音速以上，喷射到经过处理的基体表面上，形成结合强度高、组织致密、性能优越的涂层的技术，如图1所示。

图1热喷涂过程

三、实验仪器及材料

1.CH-2000型超音速火焰（HVOF）喷涂系统

（1）简介

CH－2000型超音速火焰喷涂系统通过高压燃料气体与氧气燃烧产生超音速火焰而实现喷涂，该系统由西安交通大学材料科学与工程学院焊接研究所于1995年在国内首家研制成功，此后进行了大量的研究开发，已成功为日本、中国等5家企业单位与研究机构提供设计制造服务。

经过10年多的使用考核，证明系统工作稳定可靠，制备的涂层性能达到或超过进口系统制备的同类涂层。

适用于喷涂金属陶瓷、金属及合金涂层，涂层致密、结合性能优越。

如用来制备耐磨损性能优越的硬质合金涂层（如WC-Co系和Cr3C2-NiCr系涂层）；也可以制备耐腐蚀和耐高温氧化性能优越的高温合金涂层（如MCrAlY等）；用该系统制备的镍基自熔合金涂层，在喷态下显微硬度超过喷焊层的硬度。

该系统制备的硬质合金涂层和镍基自熔合金复合涂层经在多种严酷工矿条件（如石油、电力、冶金等领域）下使用考核证明，HVOF涂层的使用可以显著提高产品的附加价值，延长使用寿命，可获得显著的经济效益和社会效益。

该设备系统目前已在国内的石油机械、水轮机组、风机机组、钢铁、电厂锅炉等领域解决了大量的现场工业难题。

（2）系统构成

本系统由CH-2000型喷枪（如图2、图3），CH-2000型控制柜和送粉器，冷却系统构成。

本系统通过氧气和燃气燃烧产生超音速火焰（如图4所示）。

可使用的燃气包括丙烷或丙烯或乙烯。

送粉气可以使用氮气或氩气。

典型火焰的速度超过2000m/s。

喷涂粒子的速度可达300～650m/s。

图2CH-2000型超音速火焰喷枪图

图3CH-2000型超音速火焰喷枪内部结构图

图4马赫锥－典型的超音速火焰特征

（3）系统的特点

1）系统采用PLC控制，可靠性高；

2）本系统使用的气体（包括氧气、燃气、送粉气）压力与流量，均可分别单独控制；

3）以单独设置的点火系统直接用燃气点火，可靠方便；

4）通过气体参数的预调，用单个按钮可以实现在控制柜面板上对喷涂火焰开关操作，并可配线控盒实现遥控，操作简单可靠；

5）对冷却水与送粉气的压力实行实时监控，设置有报警与自保护系统，保证了系统运行的安全可靠性；

6）喷枪重3.5kg，可以手持进行喷涂，也可以配备合适的机夹装置进行机械化喷涂；

2．超音速火焰喷涂耐蚀涂层用材料

Cr3C2－NiCr系耐蚀粉末。

四、实验步骤

1.系统运行前的准备

在进行喷涂作业前，务必打开通风和排风设备，保持喷涂空间具有良好的通风状态，然后按以下步骤进行准备工作。

（5）接通电源

（6）接通氧气源。

将氧气压力调到0.60MPa，即6个大气压。

（7）接通丙烷气体

将压力调至0.5MPa（5个大气压），然后利用控制柜面板上的调压器将压力调节到4个大气压。

此时，送粉气指示灯亮；如果指示灯不亮（或闪烁），表明压力小于0.4MPa（4个大气压），需增加送粉气压力。

（8）启动水泵开关。

当冷却水压力大于设定的4个大气压时，水压指示灯亮，否则指示灯不亮。

在运行过程中，当水压小于4个大气压时，水压指示灯闪烁报警。

当电源指示灯，水压指示灯和送粉气指示灯全亮时，系统进入准备状态。

2．喷涂操作

（1）手动操作

准备工作完成后，系统进入准备状态，按以下操作顺序进行：

按点火按钮，接通点火气体，进行点火；

按喷涂按钮，接通各气路电磁阀；

调节送粉气流量至1500L/h；

间歇或同时调节氧气流量和燃气流量，使其达到设定流量值；

按送粉启动按钮，启动送粉器

停止送粉

按停止按钮，熄灭喷涂火焰

等火焰熄灭后，将流量计调节阀调到全关闭状态

（2）半自动操作

准备工作完成后，系统进入准备状态，按以下操作顺序进行：

气体流量的预调；

按点火按钮，接通点火气体，进行点火；

按喷涂按钮，启动喷涂火焰；确认并调节各路气体至预设值；

按送粉器启动按钮，启动送粉器；

停止送粉

按停止按钮，熄灭喷涂火焰

将流量计调节阀调到全关闭状态

3．结束喷涂作业

（1）关闭水泵

（2）关闭气源，分别单独按下氧气、燃气、送粉气预调按钮，并拧开各对应流量计调节阀，泄压并排除气路中的气体；

（3）关闭控制柜上的电源开关。

五、实验报告要求

1.简述实验原理。

2.明确操作步骤和注意事项。

3.做好原始记录。

4.详细记录喷涂过程中观察到的现象，结合学到的理论分析现象产生的原因

六、实验注意事项

1.本系统运用高压燃气，为确保安全，必须严格按照要求操作；

2.当水压指示灯和送粉气指示灯闪烁时，说明水压或送粉气压力不足，需要增加冷却水压力或送粉气压力。

只有当压力分别达到设定值时，指示灯才亮，系统才能进入准备状态；

3．点火之前一定要确认送粉气压力是否达到预定值；

4．在喷涂过程中如果出现异常现象，请立即按紧急停止按钮，并关闭燃气和氧气流量计阀。

材料表面激光熔敷涂层技术

一、实验目的

1.掌握材料表面激光熔敷涂层的基本制备方法和工艺；

2.掌握涂层制备设备的操作规程及操作步骤；

3．了解激光熔敷涂层所用的材料。

二、实验原理：

激光表面熔覆：

采用激光加热将预先涂覆在材料表面的涂层与基体表面一起熔化后迅速凝固，得到成分与涂层基本一致的熔覆层，这种方法称为激光表面熔覆。

三、实验仪器及材料

材料表面涂层性能综合实验

一、实验目的

1．掌握材料表面涂层性能测试的原理和方法；

2．掌握材料表面涂层性能检测的评定指标。

二、实验仪器及材料

1．实验仪器

（1）CH2000型超音速火焰喷涂机

（2）金相显微镜

（3）显微硬度计

（4）冲击试验机

冲击试验机类型为JB-S500型数显摆锤式冲击试验机。

可以实现500J、250J两级冲击能量，主要用来测定试样在一定冲击载荷下的冲击功。

（5）冲蚀试验机

冲蚀试验机用于评价涂层或材料表面在含有颗粒的高速气体冲击下磨损性能的装置，通过减压器的调节可以调控气流压力和流量，通过冲蚀磨料的类型、粒度和加砂量的控制可以调控颗粒特性。

（6）盐雾腐蚀箱

盐雾腐蚀箱是在人工模拟的腐蚀环境下测定试样耐腐蚀性能的仪器，以试样在单位时间内、单位面积上试样的失重量来衡量试样的耐蚀性。

（7）磨粒磨损试验机

MLD-100型磨粒磨损试验机，利用转动的轮盘对各种金属材料或非金属材料产生磨损，从而对材料进行耐磨性试验。

2.实验材料

（1）WC－Co粉末

（2）45＃钢

（3）金相试样

（4）硬度试样

（5）冲击试样

（6）冲蚀试样

（7）腐蚀试样

（8）磨损试样

三、实验步骤

1．超音速火焰喷涂实验

碳钢试样首先经丙酮清洗去油和喷砂处理，然后采用CH－2000型HVOF系统制备涂层。

喷涂参数的氧气工作压力为0.4MPa，流量为482.5L/min；丙烷工作压力为0.35MPa，流量为33.9L/min；氮气的工作压力为0.4MPa，流量为22L/min；喷涂距离固定在200mm。

涂层厚度为0.5mm左右。

待测表面用水砂纸由粗到细打磨到800目，抛光，去离子水冲洗干净后丙酮脱脂，干燥后备用。

2．涂层金相组织观察实验

将HVOF后的试样在线切割机上切割成10mm×10mm×30mm的试样，然后经过打磨、抛光后在采用OlympusPME型光学金相显微镜观察HVOF后涂层的金相组织。

3.涂层显微硬度测试

显微硬度试验在显微硬度计上进行，试样为经过抛光的金相试样，试验载荷根据涂层性质调节，压力保持时间为15s，在不同的层面上选取不同的5个点分别测量。

4．涂层冲击实验

将喷涂后试样加工成10mm×10mm×55mm的试样,并切出如图所示的切口,在JB－300摆锤式冲击试验机上测定试样的aK值，待测试样为5个，取其平均值作为试样的aK值，采用的冲击功为150J。

5.涂层冲蚀实验

冲蚀试样尺寸为10mm×10mm×30mm，采用GP–1型干式喷砂机，气体压力0.4MPa，冲蚀距离100mm，喷嘴直径8mm，磨料为60～300目的石英或棕刚玉，分别在30°和90°两种攻角下进行，冲蚀次数不少于6～8次。

试验前采用精确度为0.1mg的TG328电子天平称重，以单位重量的用砂量表示冲蚀失重量，即冲蚀率大小来评定涂层耐冲蚀磨损性能。

6.涂层腐蚀性能测试

超音速火焰喷涂涂层的耐蚀性能在盐雾腐蚀箱中进行,盐雾腐蚀实验是将试样暴露在含有一定浓度的食盐水雾的气氛中,对试样的耐蚀性进行测定的方法，是表面技术中最常用的耐蚀性检测方法。

由于材料在自然环境中通常受潮湿因素的影响，因此，采用一定的电解质溶液，设置一定的温度、湿度，用实验室加速腐蚀受试材料的方法，模拟自然环境周期变化规律、腐蚀速率和状态，更类似于户外自然状态，既提高了户外腐蚀的相关性，又缩短了实验周期，更具有实际意义。

盐雾腐蚀试验包括中性盐雾试验、醋酸盐雾试验、铜盐加速醋酸盐雾试验、交变盐雾试验，其中用的最广的是中性盐雾实验，本实验中测定涂层耐蚀性能采用的即为中性盐雾实验。

（1）中性盐雾试验（NSS试验）是出现最早目前应用领域最广的一种加速腐蚀试验方法。

它采用5%的氯化钠盐水溶液，溶液PH值调在中性范围（6～7）作为喷雾用的溶液。

试验温度均取35℃，要求盐雾的沉降率在1～2ml/80cm².h之间。

（2）醋酸盐雾试验（ASS试验）是在中性盐雾试验的基础上发展起来的。

它是在5%氯化钠溶液中加入一些冰醋酸，使溶液的PH值降为3左右，溶液变成酸性，最后形成的盐雾也由中性盐雾变成酸性。

它的腐蚀速度要比NSS试验快3倍左右。

（3）铜盐加速醋酸盐雾试验（CASS试验）是国外新近发展起来的一种快速盐雾腐蚀试验，试验温度为50℃，盐溶液中加入少量铜盐—氯化铜，强烈诱发腐蚀。

它的腐蚀速度大约是NSS试验的8倍。

（4）交变盐雾试验是一种综合盐雾试验，它实际上是中性盐雾试验加恒定湿热试验。

它主要用于空腔型的整机产品，通过潮态环境的渗透，使盐雾腐蚀不但在产品表面产生，也在产品内部产生。

它是将产品在盐雾和湿热两种环境条件下交替转换，最后考核整机产品的电性能和机械性能有无变化。

盐雾腐蚀在盐雾腐蚀试验箱中进行,试样尺寸为10mm×10mm×30mm。

将用分析纯NaCl配制0.15wt%的盐溶液加入储水箱内；试样进行升温预热,到达试验温度后放入试验箱内的支架上,与垂直方向呈30°放置；采用连续喷雾方式，进气压力为0.12～0.14MPa，喷雾压力为0.107～0.115MPa，喷雾温度为35℃，饱和器温度为40℃；每隔一定的周期检查试样表面的腐蚀情况。

为了便于观察腐蚀形貌,试验前对样品进行抛光处理。

7.涂层磨粒磨损性能测试

采用MLD-100型磨粒磨损试验机进行涂层磨粒磨损性能试验,试样直径可以为2、3、4毫米，长度为60mm。

为了减少涂层试样表面状态对磨损失重量的影响,试验之前,对试样表面用200目砂纸进行了磨制。

涂层的磨损性能用三个试样磨损后失重量的平均值表示。

涂层磨损表面形貌用JSM5800型扫描电镜分析。