厦门大学材料表面工程第五.ppt
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1、第五章 热喷涂,5.1 概述 5-2 热喷涂的一般原理 5-3 火焰喷涂 5-4 等离子喷涂 5-5 爆炸喷涂和超音速喷涂 5-6 热喷涂用材 5-7 热喷涂涂层的特性 5-8 涂层设计,5-1 概述 热喷涂 用专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上,形成一特制薄层,以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能。,分类:,热喷涂技术的特点 : 取材范围广:金属、合金、陶瓷 、有机高分子材料等。 (2) 可用于各种基体:金属、陶瓷器具、玻璃、石膏、木材、布、纸等。 (3) 可使基体保持较低温度:在30200之间,保证基体不变形、不弱化。 (4) 工效高:同样厚度的膜层,时间要比电镀短得多。,(5
2、) 工件大小般不受限制: (6) 涂层厚度较易控制:薄者可为几十微米,厚者可为几毫米。 (7) 可赋予普通材料以特殊的表面性能:耐磨、耐蚀、抗高温氧化、隔热、高温强度、密封、减磨、耐辐射、导电、绝缘等 。 (8) 经济效益显著。,5-2 热喷涂的一般原理 热喷涂过程中,喷涂材料大致经过如下过程: 加热一加速一熔化一再加速一撞击基体一冷却凝固一形成涂层。 喷涂材料经过喷枪被加热、加速、形成粒子流射到基体上,整体过程 可近似地分成三个阶段: (1) 喷涂材料被加热、熔化; (2) 熔化的材料被热气流雾化,进一步加速形成粒子流; (3) 粒子在基体表面上发生碰撞、变形、凝固和堆积。,涂层的形成 :
3、熔融的粒子以一定的速度与 基体表面相碰撞产生变形, 与此同时,冷的基体会把其 热量迅速传走,粒子在变形 中凝固,从而形成圆盘状组 织,接之而来的粒子在其上 堆积,形成了热喷涂层。,喷涂粒子与基体的结合强度: 机械结合:热喷涂粒子与基体的结合主要是机械结合,即“抛锚效应”。 若基体不进行毛化预处理,而进行抛光处理,热喷涂层的结合力是十分微弱的。,化学结合(包括冶金结合):基体经过预热,热喷涂粉末 有高的熔化潜热,或热喷涂粉末本身会发生放热反应(如 Ni/Al),化学结合也可以在某些局部发生,形成所谓“焊 点”。 当熔融粒子开始碰到基体表面时,仅是物理接触,即机械 结合;若基体原子得到足够的活化能
4、,基体原子将同粒子 的原子发生化学相互作用,对粒子与基体的结合及粒子与 粒子间的结合有很大的增强作用。,5-3 火焰喷涂 利用气体燃烧放出的热进行的热喷涂称火焰喷涂。 线材火焰喷涂: 线材通过由压缩空气驱动的送丝轮进入气体火焰中,尖端被熔化,熔化的材料被喷嘴周围的压缩空气雾化并加速,然后沉积于预处理过的工件表面上。,粉末火焰喷涂 : 粉末装在料斗内,工作时以少量气体运载粉末进入氧燃料气体中,火焰使粉末熔化并喷射到基体表面。,基体表面预处理: 涂层的粘结强度直接与基体表面的清洁度和粗糙度有关。 1基体表面清洗:除去工件表面的污垢,如氧化皮、油 脂、油漆和尘埃。 2基体表面粗化:提供表面压应力;改
5、善残余应力的分 布;增大结合面积;净化表面。 粗化后的新鲜表面极易被氧化或受环境污染,要及时进行喷涂。 间隔最长不应超过4h,若时间过长就要重新粗化处理。,火焰喷涂的应用:成本低廉,使用方便 1用于长效防腐蚀涂层:如Zn,Al,Cd等金属或合金涂层,可用于铁桥、铁塔、水闸、船体、水处理设备等多种钢结构件。 2用于抗高温氧化涂层:加热器、燃烧室等易受高温氧化的钢铁件。 3用于耐磨涂层:承受磨损的零件,如吸风机叶片、活塞环等。 4用于机件修复:因磨损超差或腐蚀失效的机件,如轴颈、机床导轨等。,5-4 等离子喷涂 等离子的形成及其特点: 在0 K时,气体分子的两个原子成哑铃形, 仅在x ,y ,z方
6、向上做平动图5-8(a) ; 当温度上升到10000K以上时,原子间产生 了振动图5-8(b),由于分子之间的相互撞 击,则发生离解图5-8(c),变为单原子。 N2 + UD N + N 温度进一步升高,电子从原子中飞出而 发生电离图5-8(d)。 N + UI N+ + e 气体电离后,在空间不仅有原子,还有自由电子和正离子,这种 状态叫做等离子体。,等离子体可分为三大类: 高压高温等离子体,电离度100,温度可达几亿度,用于核聚变的研究; 低温低压等离子体,电离度不足1,温度仅为50250; 高温低压等离子体,约有1以上的气体被电离,具有几万度的温度。离子、自由电子、未电离的原子的动能接
7、近于热平衡。热喷涂所利用的是这类等离子体。,等离子喷涂原理: 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(氩气或氮气)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。,等离子喷涂设备 等离子喷涂设备主要包括:喷枪、送粉器、整流电源、供 气系统、水冷系统及控制系统。,等离子喷涂工艺 1等离子气体的选择:根据可用性和经济性,较多用N2和Ar气。 2输入功率和电参数:采用较高的功率,确保粉末熔化良好。功率定后,尽可能选用较高电压和较低电流。 3供粉:供粉速率与输入功率相适应,使喷涂粉末送至焰心 。,4喷涂距离和喷涂角
8、:金属粉末喷距取75130 mm;陶瓷粉末取50100 mm。焰流轴线与被喷涂工件表面之间的喷涂角不能小于45。 5喷枪与工件的相对运动速度:一般移枪速度以较快为好。 6基体温度控制:喷涂前把工件预热到喷涂过程中要达到的温度,然后在喷涂过程中对工件采用喷气冷却的措施,使其保持原来的温度。,等离子喷涂的应用: 耐磨、减磨、固体润滑涂层; 动密封、造隙滑配涂层; 耐蚀涂层; 抗高温氧化、抗高温气流冲刷涂层; 热障涂层;, 抗表面疲劳涂层; 红外线辐射、太阳能吸收和其它光学薄膜涂层; 导电、绝缘涂层; 磁性涂层、超导涂层; 催化用涂层、热中心吸收涂层、 制造金属、陶瓷类高熔点复合材料等。,5-5 爆
9、炸喷涂和超音速喷涂 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。,工作时氧气和乙炔的混合气体随同一定量的粉末进人流管,然后利用火花塞把气体点燃,发生爆炸。当乙炔含量为45时,氧乙炔混合气产生高的自由燃烧温度,约为3141,在爆炸条件下超出4200,因而可熔化绝大多数粉末。当粉末射出流管以后,用一般氮气流清洗枪管。,超音速喷涂 超音速喷涂是通过一个喷嘴实现的,这个喷嘴按流体动力 学的原理设计。喷嘴的流道是由细的喉管和逐渐加粗到某 一尺寸的锥形管组成。,燃料气体和助燃
10、剂(O2)以一定的比例导入燃烧室内混合,粉末由送粉气 (Ar或N2)定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送人高温燃气中,由高温高速燃 气带出喷嘴,直接喷在工件上。,5-6 热喷涂用材 热喷涂技术的发展除了设备和工艺外就是材料的开发, 而且设备、工艺、材料三者的发展总是交错前进、互为 前提的。 线材喷涂: 设备简单,操作方便,耗能少,效率高,成本低,工艺因素影响小,涂层质量稳定,目前仍是热喷涂普及最广的方法之一。,粉末喷涂: 不受线材成型工艺的限制,生产成本低、来源广,各组元间可按任何比例进行调配,组成各种组合粉、复合,从而得到相图上存在或者不存在的相组织,获得某些特殊性能。,5-6-1 金属、合金及陶
11、瓷喷涂线材 非复合喷涂线材:只用含一种金属或合金的材料制成的喷 涂线材。 (1) 铝及铝合金喷涂丝,主要用于腐蚀保护。 (2) 锌及锌合金喷涂丝,用于腐蚀保护。 (3) 铜及铜合金喷涂丝,主要用于修复、耐磨、装饰。,(4) 锡及锡合金喷涂丝,用于轴承、轴瓦等滑动部件耐磨涂层。 (5) 铅及铅合金喷涂丝,主要用于滑动耐磨涂层及防护涂层。 (6) 镍及镍合金喷涂丝,主要用于耐蚀、耐磨、耐高温涂层。 (7) 钼喷涂丝,主要用于打底层和耐浓盐酸涂层。 (8)铁合金喷涂丝,包括普通碳钢丝、低合金钢丝等多种喷涂丝,主要用于修复和耐磨。不锈钢丝主要用于防腐。铁铬铝合金有良好的抗高温氧化性能。,复合喷涂线材:
12、把两种或两种以上的材料复合而成的喷涂 线材。 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高温扩散,形成显微冶金结合,从而提高结合强度。,常用的复合方法有5种: 丝-丝复合法将多种不同组分的丝绞、轧成一股。 丝-管复合法将一种或多种金属丝穿人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某种金属管中加工成丝。 粉-皮压结复合法将粉末包覆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。,5-6-2 非复合型热喷涂用粉末 非复合型粉末属简单粉末,每个粉
13、粒仅由单一的成分组成。 金属及合金粉末:主要是Ni基、Fe基、Co基、Cu基合金粉 末。 热喷涂陶瓷粉:主要是指氧化物、氮化物、硼化物、碳化物 和硅化物粉。 其中Al2O3,ZrO2,TiO2,WC,Cr3C2喷涂粉用量最大。,混合粉:金属、合金、陶瓷喷涂粉以不同的比例相互混合 起来,可得到各种混合粉。其中金属或合金与陶瓷组成的 混合粉也称为金属陶瓷粉。 高聚物粉:高聚物涂层具有美观、耐蚀的性能。 其粉末有热塑性和热固性两类。 热塑性的有聚乙烯粉和尼龙粉; 热固性的应用最广的是氧树脂粉末。,5-6-3 复合型热喷涂用粉末 复合粉技术和产品的发展是热喷涂技术的重要突破,为 涂层性能的提高和优化设
14、计开辟了宽广的领域。 复合粉的分类:包覆型粉和组合型粉。,1. 包覆型:由一种或几种成分作为外壳,均匀连续或星点 间断地包覆由一种或几种成分组成的核心的粉体。包覆层 与核心的重量比可从不足1至99,包覆层的宏观厚度 最低可为23。 2. 组合型:由不同相混杂而成的颗粒,没有核壳之分。,复合粉的特点: (1)复合粉组元或相成分之间在喷涂过程中能发生某些希望得到的反应,这些反应会明显改善涂层的性质。如Ni/A1粉在喷涂时会发生热反应,实现了和基层的显微冶金结合,增大了结合力。 (2)包覆型复合粉的外壳在喷涂时可对核心物质提供保护,使其避免氧化或受热分解。,(3) 可把放热型自粘粉和某些工作层粉复合
15、起来制成一步 涂层粉。 一步涂层粉省去打底层工序,结合强度可达2542 MPa,涂层自身强度可达127183 MPa。 一步涂层表面光滑、容易加工,具有低的膨胀系数,在冷 却期间具有低的收缩率,喷涂厚涂层时不易开裂。,5-7 热喷涂涂层的特性 热喷涂涂层的特性随着喷涂材料和喷涂工艺的不同可以千变 万化。 包括:结合强度;金相组织;化学成分;涂层密度; 孔隙的大小、多少及分布;硬度;耐磨性;耐蚀性; 自身强度和塑性;热胀及收缩性;耐热冲击;热循环性; 抗高温氧化性;热传导性;气体吸收性;抗疲劳性; 电特性等。,5-7-1 热喷涂涂层的基本特点 1涂层组成 由于喷涂材料经过火焰时会发生气化、氧化和
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