熱噴涂技術(shù)原理及應(yīng)用

1、熱噴涂技術(shù)原理及應(yīng)用2106.11.161熱噴涂技術(shù)原理 2熱噴涂技術(shù)分類3熱噴涂槍4熱噴涂材料5熱噴涂涂層性能. 6熱噴涂工藝流程7熱噴涂實際應(yīng)用熱噴涂技術(shù)原理及應(yīng)用1熱噴涂技術(shù)原理什么是熱噴涂？是一種表面強化和防護技術(shù)。利用高溫熱源（將噴涂材料（加熱成熔融或是液態(tài)，然后利用熱流本身的動力或是外加高速氣流使噴涂材料汽化后噴射至預(yù)處理過的材料表面形成涂層，以此改善材料表面的物理化學性能1熱噴涂技術(shù)原理Particle or Droplet generationAcceleratingHeatingSplat formation:Impact, flatteningSolidification1

2、熱噴涂技術(shù)原理2熱噴涂技術(shù)分類 線材火焰噴涂、棒材火焰噴涂 氣體燃燒火焰法粉末火焰噴涂、爆炸噴涂超音速火焰噴涂、粉末火焰噴熔電弧噴涂大氣等離子噴涂熱真空等離子噴涂噴 氣體放電法等離子噴涂 保護氣體等離子噴涂涂水穩(wěn)等離子噴涂超音速等離子噴涂等離子噴熔電熱法：高頻噴涂、線材電爆噴涂激光熱源：激光噴涂、激光噴熔 熱源種類熱源種類 溫度（溫度（） 丙烷丙烷- -氧氣氧氣 26402640天然氣天然氣- -氧氣氧氣 27352735氫氣氫氣- -氧氣氧氣 26902690乙炔乙炔- -氧氣氧氣 31003100電弧電弧 5000-60005000-6000等離子電弧等離子電弧 1000010000等離子

3、噴涂等離子噴涂高速火焰噴涂高速火焰噴涂粉末火焰粉末火焰電弧噴涂電弧噴涂絲材火焰噴涂絲材火焰噴涂粉末粉末絲材絲材3熱噴涂槍3.1等離子體熱噴涂槍等離子噴涂槍示意圖1-噴涂粉末；2-工作氣；3-陰極；4-陽極；5-等離子射流；6-基體；7-噴涂層;特點: a. 噴涂材料范圍廣：制備難熔金屬、陶瓷、金屬陶瓷復合材料涂層及其它特殊功能涂層； b. 等離子弧溫度高，能量集中，焰流速度高涂層結(jié)合強度高，可達35-70MPa，氣孔率可控制到2-5%； c. 惰性氣體等離子射流有保護氣氛，加氫的射流有還原氣氛，避免或減少了噴涂粒子的氧化；應(yīng)用： 制備質(zhì)量要求高的耐蝕、耐磨、隔熱、絕緣、抗高溫和特殊功能涂層。3

4、.1等離子體熱噴涂槍3.2粉末火焰熱噴涂槍 粉末火焰噴涂原理示意圖1-氧、乙炔混合氣；2-送粉氣；3-噴涂粉末；4-噴嘴；5-火焰；6-涂層；7-基體3.2粉末火焰熱噴涂槍特點：a. 設(shè)備簡單、輕便、初投資少，操作工藝簡單，現(xiàn)場施工方便；b. 適于機械零部件的局部修復和強化，成本低，耗時少，效益高；c. 可以噴涂純金屬粉、合金、陶瓷、金屬陶瓷和復合粉末等多種材料；d. 涂層孔隙率較高，涂層結(jié)合強度10-30MPa。應(yīng)用： 粉末火焰噴涂廣泛用于機械部件和化工容器、輥筒表面制備耐蝕、耐磨涂層。對噴槍噴咀部分作適當變動后，可用于噴涂塑料粉末。電弧噴涂原理示意圖1-直流電源；2-金屬絲；3-送絲滾輪；

5、4-導電塊；5-導電嘴；6-空氣噴嘴；7-電??；8-噴涂射流；9-涂層；10-基體3.3電弧熱噴涂槍1) 鋼鐵構(gòu)件上制備Zn、Al長效防護涂層；2） 在鋼鐵件上噴涂不銹鋼或其它耐磨金屬，用于耐磨蝕防護；3) 噴涂碳鋼、鉻鋼、青銅、巴氏合金等材料，用于修復零件已磨損或尺寸超差的部位；4) 在電容器上噴涂導電涂層，在塑料制品上噴涂屏蔽涂層等。3.3電弧熱噴涂槍電弧熱噴涂槍的應(yīng)用爆炸噴涂原理示意圖1-氮氣；2-粉末；3-火花塞；4-噴涂射流；5-涂層；6-基體；7-氧氣；8-乙炔3.4爆炸熱噴涂槍1) 涂層結(jié)合強度高：它與基材的結(jié)合力比等離子噴涂高，尤其是WC-Co涂層比等離子噴涂高2倍以上；2)

6、涂層硬度高：噴涂WC-Co涂層的斷面硬度比等離子噴涂高50%以上；3) 氣孔率低：噴涂WC-Co涂層氣孔率一般只有0.5%；4) 目前爆炸噴涂主要用于制備優(yōu)質(zhì)耐磨涂層。爆炸噴涂特點及應(yīng)用3.4爆炸熱噴涂槍Jet-Kote超音速粉末火焰槍原理圖1-粉末及送粉氣；2-冷卻水；3-冷卻水；4-氧氣；5-燃料氣； 3.5超音速熱噴涂槍1) 火焰及噴涂粒子速度極高：燃氣流速可達1500-2000m/s，粉粒撞擊到工件表面的速度為550800 m/s；2) 粉粒在火焰中加熱時間長：噴涂粉末以中心軸式方法供給，這種供粉方式使粉末在火焰中停留時間長，能均勻地受熱熔融，產(chǎn)生集中的噴射束流；3) 熔粒與周圍大氣接

7、觸時間短：這可避免碳化物材料分解和脫碳；4) 噴涂粉末細微，涂層光滑：粉末粒度為5-45m，可獲得表面光滑的涂層；5) 涂層致密，結(jié)合強度高：涂層的孔隙率可小于0.1%，結(jié)合力可大于100N/mm2；6) 氣體耗量大、噴涂噪聲大：目前噴槍所消耗的氣體遠大于一般火焰噴涂；7) 被廣泛使用來制備碳化物（WC-Co、NiCr-Cr3C2）涂層和耐蝕涂層。超音速熱噴涂特點及應(yīng)用4熱噴涂材料熱噴涂的目的是什么？1抗氧化，抗腐蝕2抗磨3抗高溫4修復裝飾5改變電磁光性能金屬及其合金Fe、Al、Zn、Ni、Cu、Mo等各種金屬及其合金Ni3Al、TiNi等金屬間化合物；Ti、Zr和Hf（系元素）碳化物；Cr、

8、Mo和W（系元素）硼化物；V、Nb和Ta（系元素）氮化物金屬基復合材料 Ni/Co/Fe基合金+ Al2O3、ZrO2 等Ni/Co/Fe基合金+ WC, TiC，Cr3C2等Al/Ni基材料+磨料陶瓷Al2O3、ZrO2、TiO2、 Cr2O3氧化物；B4C、SiC、Si3N4、BN等有機材料聚醚、聚丙烯類共聚物 、Al-Si+聚醚等常見的熱噴涂材料5熱噴涂涂層性能材料在基底上的沉積示結(jié)構(gòu)意圖粉末的球化程度越高和粉末的顆粒大小越均勻，噴涂后涂層的組織均勻，致密性好，涂層與基體的結(jié)合強度高單個粒子表面形貌530 oC740 oC5熱噴涂涂層性能涂層斷面形貌（層狀結(jié)構(gòu)）5熱噴涂涂層性能5熱噴涂涂

9、層性能1. 化學成分 由于涂層材料在熔化和噴射過程中，在高溫下會與周圍介質(zhì)發(fā)生作用生成氧化物、氮化物，以及在高溫下會發(fā)生分解，因而涂層的成分與涂層材料的成分是有一定的差異的，并在一定程度上影響涂層的性能。如MCrAlY氧化后會影響其耐蝕性，而WCCo經(jīng)氧化和高溫分解后其耐磨性會降低。通過噴涂方法的選擇可以避免和減輕這一現(xiàn)象的發(fā)生。如采用低壓等離子噴涂可大大減少涂層材料的氧化，而高速火焰噴涂則可以防止碳化物的高溫分解。2. 孔隙度 熱噴涂涂層中不可避免地存在著孔隙，孔隙度的大小與顆粒的溫度和速度以及噴涂距離和噴涂角度等噴涂參數(shù)有關(guān)。一般來說，溫度及速度都低的火焰噴涂和電弧噴涂涂層的孔隙度都比較高

10、，一般達到百分之幾，甚至可達百分之十幾。而高溫的等離子噴涂涂層及高速的超音速火焰噴涂涂層則孔隙度較低。最低可達0.5以下。3. 硬度 由于熱噴涂涂層在形成時的激冷和高速撞擊，涂層晶粒細化以及晶格產(chǎn)生畸變使涂層得到強化，因而熱噴涂涂層的硬度比一般材料的硬度要高一些，其大小也會因噴涂方法的不同而有所差異。4. 結(jié)合強度 熱噴涂涂層與基體的結(jié)合主要依靠與基體粗糙表面的機械咬合（拋描效應(yīng)）?；谋砻娴那鍧嵆潭?、涂層材料的顆粒溫度和顆粒撞擊基體的速度以及涂層中殘余應(yīng)力的大小均會影響涂層與基體的結(jié)合強度，因而涂層的結(jié)合強度也與所采用的噴涂方法有關(guān)。5. 冷熱疲勞性能對于一些在冷熱循環(huán)狀態(tài)下使用的工件，其涂

11、層的抗冷熱疲勞（或稱熱震）性能至關(guān)重要，如若該涂層的抗熱震性能不好，則工件在使用過程中便會很快開裂甚至剝落。涂層抗熱震性能的好壞主要取決于涂層材料與基體材料的熱膨脹系數(shù)差異的大小和涂層與基體材料結(jié)合的強弱。5熱噴涂涂層性能6熱噴涂工藝流程表面預(yù)處理涂層后處理噴涂熱噴涂的三個步驟步凈化處理粗化處理預(yù)熱除去工件表面的所有污垢。增加涂層與基材間的接觸面, 增大涂層與基材的機械咬合力, 使凈化處理過的表面更加活化以提高涂層與基材的結(jié)合強度.消除工件表面的水分, 提高界面溫度, 以提高涂層與基體的結(jié)合強度；減少因基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的應(yīng)力而導致的涂層開裂. 一般情況下預(yù)熱溫度控制在60 - 1

12、20 之間.5.1表面預(yù)處理6熱噴涂工藝流程6熱噴涂工藝流程噴涂方法的選擇：主要取決于選用的噴涂材料、工件的工況及對涂層質(zhì)量的要求。例如，如果是陶瓷涂層，則最好選用等離子噴涂；如果是碳化物金屬陶瓷涂層則最好采用高速火焰噴涂；若是噴涂塑料則只能采用火焰噴涂；而若要在戶外進行大面積防腐工程的噴涂的話，那就非靈活高效的電弧噴涂或絲材火焰噴涂莫屬了?？傊?，噴涂方法的選擇一般來說是多樣的，但對某種應(yīng)用來說總有一種方法是最好的。 預(yù)處理好的工件要在盡可能短的時間內(nèi)進行噴涂,噴涂參數(shù)要根據(jù)涂層材料、噴槍性能和工件的具體情況而定, 優(yōu)化的噴涂條件可以提高噴涂效率、并獲得致密度高、結(jié)合強度高的高質(zhì)量涂層.5.2

13、噴涂5.3涂層后處理6熱噴涂工藝流程噴涂所得涂層有時不能直接使用, 必須進行一系列的后處理. 用于防腐蝕的涂層, 必須對涂層進行封孔處理. 對于承受高應(yīng)力載荷或沖擊磨損的工件，為了提高涂層的結(jié)合強度，要對噴涂層進行重熔處理(如火焰重熔、感應(yīng)重熔、激光重熔以及熱等靜壓等)，使多孔的且與基體僅以機械結(jié)合的涂層變?yōu)榕c基材呈冶金結(jié)合的致密涂層。有尺寸精度要求的，要對涂層進行機械加工。7熱噴涂的實際應(yīng)用航天航空、機械、石油化工、食品、輕紡，電子、冶金、能源、交通等并在高新技術(shù)領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。7熱噴涂的實際應(yīng)用-航天當中的應(yīng)用航空領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟的熱噴涂技術(shù)：熱障涂層（ Thermal Barrier

14、Coatings 簡稱TBC ），采用雙層涂層結(jié)構(gòu)：MCrAlY 結(jié)合底層 + YPSZ （ Y2O3/ ZrO2 ）工作面層（金屬作底層金屬作底層, 由陶瓷作表層）由陶瓷作表層）其基本原理是基于陶瓷材料具有化學穩(wěn)定好、高的熔點和低的導熱系數(shù)，陶瓷涂層含有一定數(shù)量的孔隙率。因而使熱障涂層成為很好的高溫隔熱材料。它能把高溫部件與高溫燃氣隔離開來，僅 0.200.40mm 厚的熱障陶瓷涂層，就能使金屬零件表面的溫度降低 200300 ，并使熱端部件免受燃氣腐蝕和沖蝕。7熱噴涂的實際應(yīng)用-航天當中的應(yīng)用火箭發(fā)動機噴管延伸段內(nèi)壁在工作時承受1500以上高溫焰流的沖蝕，時間長達幾十秒至上百秒，一般采用等

15、離子噴涂熱障涂層進行防護火箭級間段材質(zhì)一般為鋁合金，內(nèi)壁裝有許多測試儀器，為減輕重量內(nèi)壁采用化銑工藝銑成網(wǎng)格形狀，最薄處僅有1.2mm，發(fā)射過程中級間段短時承受幾千度的高溫，內(nèi)壁需做防熱處理否則瞬間燒毀。火箭發(fā)射車發(fā)射臺架發(fā)射時承受高溫焰流的沖蝕也可以通過噴涂熱障涂層進行防護7熱噴涂的實際應(yīng)用-航天當中的應(yīng)用飛船逃逸系統(tǒng)的關(guān)鍵部件柵格翼大面積使用了熱障涂層技術(shù)，用等離子噴涂Al2O3 涂層7熱噴涂的實際應(yīng)用-機械當中的應(yīng)用磨損，沖擊，高壓，冷熱環(huán)境等會造成機械零件表面損傷或損耗，適當?shù)膰娡啃迯涂梢匝娱L零件的使用壽命，降低生產(chǎn)設(shè)備的成本，因此熱噴涂在機械修復中具有相當重要的作用熱噴涂是恢復零部件尺寸的一種經(jīng)濟而有效的方法. 修復各種軸類和柱塞件是典型的應(yīng)用, 包括迥轉(zhuǎn)軸、汽車軸、往復柱塞、軸頸和軋輥等。7熱噴涂的實際應(yīng)用-機械當中的應(yīng)用對于一些不便拆卸安裝的大型軸類零件可以在現(xiàn)場修復，如發(fā)電機轉(zhuǎn)子和汽輪機轉(zhuǎn)子的軸頸有劃傷，可制造專用工裝在現(xiàn)場進行修復。7熱噴涂的實際應(yīng)用-機械當中的應(yīng)用汽輪機、壓縮機汽缸在長期的使用中其中分面由于微振、熱汽流腐蝕及熱變形等而發(fā)生變形狀、面積不等及深淺各異的表面破壞，引起泄漏。采用