第4章熱噴涂技術(shù)-石油大學(xué)

1、表面工程表面工程機電工程學(xué)院材料系機電工程學(xué)院材料系韓彬韓彬20122012年年3 3月月韓彬韓彬: 86983306Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum表面工程表面工程教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容（上課（上課28 + 28 + 實驗實驗4 4）第一章：緒論第一章：緒論 2 2學(xué)時學(xué)時第二章：表面科學(xué)基礎(chǔ)第二章：表面科學(xué)基礎(chǔ) 4 4學(xué)時學(xué)時 第三章：表面熱處理與化學(xué)熱處理第三章：表面熱處理與化學(xué)熱處理 2 2學(xué)時學(xué)時第四章：熱噴涂技術(shù)第四章：熱噴涂技術(shù) 6 6學(xué)時學(xué)時

2、第五章：電鍍與化學(xué)鍍第五章：電鍍與化學(xué)鍍 2 2學(xué)時學(xué)時 第六章：化學(xué)轉(zhuǎn)化膜第六章：化學(xué)轉(zhuǎn)化膜 2 2學(xué)時學(xué)時第七章：涂料及涂裝第七章：涂料及涂裝 2 2學(xué)時學(xué)時第八章：氣相沉積第八章：氣相沉積 2 2學(xué)時學(xué)時第九章：高能束表面改性第九章：高能束表面改性 4 4學(xué)時學(xué)時第十章：表面分析與測試第十章：表面分析與測試 2 2學(xué)時學(xué)時第四章 熱噴涂技術(shù)表面工程表面工程Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum第四章第四章 熱噴涂技術(shù)熱噴涂技術(shù)4.1 概述概述4.2 熱噴涂的基礎(chǔ)理論熱噴涂的基礎(chǔ)

3、理論4.3 熱噴涂方法熱噴涂方法4.4 熱噴涂材料熱噴涂材料4.5 涂層的選擇和涂層系統(tǒng)的設(shè)計涂層的選擇和涂層系統(tǒng)的設(shè)計Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum加熱熔化、霧化、加熱熔化、霧化、飛行、噴涂飛行、噴涂粒子粒子速度速度、溫度溫度、尺寸、反應(yīng)尺寸、反應(yīng)機械結(jié)合機械結(jié)合熱噴涂熱噴涂層狀組織結(jié)構(gòu)層狀組織結(jié)構(gòu)預(yù)處理預(yù)處理返回Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum4.1 概述

4、概述n采用采用熱源熱源n將將粉狀或絲狀粉狀或絲狀固體材料加熱到固體材料加熱到熔融或半熔融熔融或半熔融狀態(tài)，狀態(tài)，n通過通過高速氣流高速氣流使其使其霧化霧化，n然后然后噴射、沉積噴射、沉積到經(jīng)過到經(jīng)過預(yù)處理預(yù)處理的工件表面，從而形的工件表面，從而形成附著牢固的表面層的加工方法。成附著牢固的表面層的加工方法。n重熔重熔冶金結(jié)合。冶金結(jié)合。1 1、熱噴涂熱噴涂( (Thermal Spray)Thermal Spray)Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum2 2、熱噴涂的分類、熱噴涂的分

5、類 （1 1）噴涂材料的形態(tài)：）噴涂材料的形態(tài)：絲材、粉末絲材、粉末（2 2）涂層的功能：）涂層的功能：耐蝕、耐磨、隔熱、抗氧化耐蝕、耐磨、隔熱、抗氧化（3 3）加熱和結(jié)合方式：）加熱和結(jié)合方式：噴涂、噴熔噴涂、噴熔Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum（4 4）按照熱源種類：）按照熱源種類：l 火焰類：火焰類：包括包括火焰火焰、爆炸、爆炸、超音速噴涂超音速噴涂l 電弧類：電弧類：電弧電弧和和等離子噴涂等離子噴涂l 電熱類：電熱類：電爆、感應(yīng)和電容放電噴涂電爆、感應(yīng)和電容放電噴涂l

6、高能束類：高能束類：激光激光、電子束噴涂、電子束噴涂Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum3 3熱噴涂特點熱噴涂特點 取材范圍廣取材范圍廣 金屬、合金、陶瓷、塑料、尼龍、復(fù)合材料等。金屬、合金、陶瓷、塑料、尼龍、復(fù)合材料等?？捎糜诟鞣N基體可用于各種基體金屬、陶瓷、玻璃、石膏、布、紙、木材等固體金屬、陶瓷、玻璃、石膏、布、紙、木材等固體可

7、使基體保持較低溫度、基材變形小可使基體保持較低溫度、基材變形小冷工藝冷工藝303020000、不變形、不弱化、不變形、不弱化工藝靈活工藝靈活可可10mm10mm內(nèi)孔也可大型構(gòu)件；可大面積也可局部；保護內(nèi)孔也可大型構(gòu)件；可大面積也可局部；保護性氣氛也可現(xiàn)場作業(yè)性氣氛也可現(xiàn)場作業(yè)Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum工效高、操作程序少、速度快工效高、操作程序少、速度快幾幾幾十幾十 kg/h涂層厚度可調(diào)范圍大涂層厚度可調(diào)范圍大幾十微米幾十微米幾毫米幾毫米可得到特殊的表面性能可得到特殊的表面

8、性能耐磨、抗氧化、耐熱、導(dǎo)電、絕緣耐磨、抗氧化、耐熱、導(dǎo)電、絕緣成本低、經(jīng)濟效益顯著成本低、經(jīng)濟效益顯著l缺點：缺點：結(jié)合力低；結(jié)合力低；孔隙率高；孔隙率高；均勻性差均勻性差Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum4.2 熱噴涂的基本理論熱噴涂的基本理論一、噴涂層形成過程一、噴涂層形成過程1.1.噴涂過程噴涂過程噴涂材料的加熱熔化噴涂材料的加熱熔化熔化或軟化熔化或軟化熔滴的霧化熔滴的霧化粉末無，線材粉末無，線材, ,外加壓縮氣流或熱源自身射流外加壓縮氣流或熱源自身射流Han Bin表面

9、工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum粒子的飛行粒子的飛行先加速、后減速先加速、后減速粒子的噴涂粒子的噴涂尺寸尺寸，幾十微米，幾十微米幾百微米；幾百微米； 速度速度，幾十，幾十幾百米幾百米/秒；秒； 溫度溫度，熔點，熔點 碰撞，碰撞，動能動能熱能熱能； 變形變形成扁平狀粒子，凝固成扁平狀粒子，凝固Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum2. 2. 涂層的形成過程涂層的形成過程u由不斷飛向基體表

10、面的粒子撞擊基體或涂層表面由不斷飛向基體表面的粒子撞擊基體或涂層表面堆積而成堆積而成 即，即，粒子的碰撞粒子的碰撞變形變形冷凝收縮冷凝收縮冷速極高：冷速極高：106108/s 金屬金屬 104106/s 陶瓷陶瓷兩粒子撞擊時間間隔兩粒子撞擊時間間隔0.1s左右左右10-710-6s完成完成涂層粒子之間互不影響熱傳導(dǎo)涂層粒子之間互不影響熱傳導(dǎo)Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China Un

11、iversity of Petroleum二、飛行中的粒子流二、飛行中的粒子流1 1、粒子的飛行速度、粒子的飛行速度噴涂方法噴涂方法噴涂材料的密度和形狀噴涂材料的密度和形狀粒子的尺寸粒子的尺寸粒子的飛行距離粒子的飛行距離由快到慢，由快到慢，先加速后減速先加速后減速影響碰撞時轉(zhuǎn)換能量的大小、變形程度及結(jié)合強度影響碰撞時轉(zhuǎn)換能量的大小、變形程度及結(jié)合強度 有關(guān)因素有關(guān)因素Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum2. 2. 粒子的溫度粒子的溫度線材線材熔化或熔融熔化或熔融熔點熔點粉末粉末 熔

12、融熔融 表表內(nèi)熱傳導(dǎo)內(nèi)熱傳導(dǎo) 90%90%熔融熔融復(fù)合材料粉末復(fù)合材料粉末，可能，可能大于熔點大于熔點例：例：NiNi包包AlAl放熱反應(yīng)放熱反應(yīng)3. 3. 粒子的尺寸粒子的尺寸有一最佳臨界尺寸有一最佳臨界尺寸Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum4. 4. 粒子的表面反應(yīng)粒子的表面反應(yīng)與與O O2 2、N N2 2反應(yīng)反應(yīng)氧化物、氮化物夾雜氧化物、氮化物夾雜火焰噴涂火焰噴涂電弧噴涂電弧噴涂 等離子噴涂等離子噴涂粒子速度、溫度、尺寸及表面發(fā)生的反應(yīng)影粒子速度、溫度、尺寸及表面發(fā)生的反

13、應(yīng)影響涂層質(zhì)量、結(jié)合強度響涂層質(zhì)量、結(jié)合強度Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum三、涂層的成分和結(jié)構(gòu)三、涂層的成分和結(jié)構(gòu)噴涂材料的成分噴涂材料的成分 涂層的成分涂層的成分 氧化燒損氧化燒損與粒子和噴涂氣氛之間的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)與粒子和噴涂氣氛之間的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)例：例： 電弧噴涂，因溫度高、氣氛為空氣而氧化燒損嚴重電弧噴涂，因溫度高、氣氛為空氣而氧化燒損嚴重1. 1. 涂層的成分涂層的成分Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)Chin

14、a University of Petroleum2 2涂層的結(jié)構(gòu)涂層的結(jié)構(gòu) 涂層是涂層是變形粒子的層狀組織結(jié)構(gòu)變形粒子的層狀組織結(jié)構(gòu) 涂層的性能具有涂層的性能具有方向性方向性 組成：組成：氧化物夾雜、小區(qū)域熔合、不完全熔融粒子、孔洞氧化物夾雜、小區(qū)域熔合、不完全熔融粒子、孔洞 涂層經(jīng)適當處理后，結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。涂層經(jīng)適當處理后，結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。例：重熔，層狀結(jié)構(gòu)例：重熔，層狀結(jié)構(gòu) 均質(zhì)結(jié)構(gòu)均質(zhì)結(jié)構(gòu) Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of PetroleumCrB粉芯絲材電弧噴涂涂層Han Bin表面工

15、程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum四、涂層結(jié)合機理四、涂層結(jié)合機理 （1 1）機械結(jié)合）機械結(jié)合 n拋錨效應(yīng)拋錨效應(yīng)：粒子碰撞，扁平狀并隨基體表面的凹凸不粒子碰撞，扁平狀并隨基體表面的凹凸不平而起伏，這些覆蓋并緊貼基體表面的液態(tài)薄片，在平而起伏，這些覆蓋并緊貼基體表面的液態(tài)薄片，在冷卻凝固時收縮咬住凸出點而形成機械結(jié)合。冷卻凝固時收縮咬住凸出點而形成機械結(jié)合。n與粗糙度有關(guān)與粗糙度有關(guān)噴砂、粗車、車螺紋、酸洗噴砂、粗車、車螺紋、酸洗n主要結(jié)合方式主要結(jié)合方式 涂層與基體的結(jié)合涂層與基體的結(jié)合Han

16、Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum（4 4）冶金結(jié)合）冶金結(jié)合 放熱型噴涂材料或高溫熱源噴涂放熱型噴涂材料或高溫熱源噴涂達到熔點達到熔點焊合焊合 微區(qū)冶金結(jié)合微區(qū)冶金結(jié)合 重熔即噴焊時，主要是冶金結(jié)合重熔即噴焊時，主要是冶金結(jié)合（3 3）物理結(jié)合）物理結(jié)合 由范德華力或次價鍵形成的結(jié)合由范德華力或次價鍵形成的結(jié)合 ( () )擴散結(jié)合擴散結(jié)合 變形和高溫，足夠能量原子間相互擴散變形和高溫，足夠能量原子間相互擴散金屬化金屬化合物或固溶體合物或固溶體Han Bin表面工程表面工程Surfac

17、e Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum. .涂層間的結(jié)合涂層間的結(jié)合機械機械結(jié)合為主，結(jié)合為主，擴散擴散結(jié)合、結(jié)合、物理物理結(jié)合、結(jié)合、冶金冶金結(jié)合等也起一定作用。結(jié)合等也起一定作用。Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum五、涂層殘余應(yīng)力五、涂層殘余應(yīng)力涂層的外層涂層的外層受拉應(yīng)力受拉應(yīng)力基體、涂層的內(nèi)層則基體、涂層的內(nèi)層則產(chǎn)生壓應(yīng)力產(chǎn)生壓應(yīng)力由噴涂熱條件及物理性質(zhì)的差異造成，影響涂由噴涂熱條件及物理性質(zhì)的差異造成

18、，影響涂層質(zhì)量，限制涂層的厚度層質(zhì)量，限制涂層的厚度預(yù)熱或粗化表面消除和減少預(yù)熱或粗化表面消除和減少Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum 六、熱噴涂預(yù)處理六、熱噴涂預(yù)處理n噴涂工藝中一個重要工序噴涂工藝中一個重要工序n清洗、脫脂：清洗、脫脂：堿洗法、溶劑洗滌法、蒸氣清洗法、加堿洗法、溶劑洗滌法、蒸氣清洗法、加熱熱n去除氧化膜、去除氧化膜、表面粗糙化：表面粗糙化：機械法（機械法（噴砂噴砂、滾壓、車削、車螺紋）、酸洗、滾壓、車削、車螺紋）、酸洗n預(yù)熱基體預(yù)熱基體 200300Han B

19、in表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum獲得良好結(jié)合涂層要求：獲得良好結(jié)合涂層要求： 噴涂粒子尺寸合適，保持液態(tài)；噴涂粒子尺寸合適，保持液態(tài)； 飛行速度飛行速度足夠大；足夠大； 表面潔凈并粗化；表面潔凈并粗化； 提高接觸提高接觸溫度溫度和高溫停留時間；和高溫停留時間； 防止產(chǎn)生殘余變形、開裂。防止產(chǎn)生殘余變形、開裂。Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum4.3 熱噴涂方法熱噴涂方法1

20、1、絲材火焰噴涂、絲材火焰噴涂（Wire Flame Spray,最早，1910）2.粉末Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum絲材火焰噴涂的裝置示意圖絲材火焰噴涂的裝置示意圖絲材傳送：空氣渦輪或電動馬達絲材傳送：空氣渦輪或電動馬達氣體：乙炔、氧氣，壓縮空氣（霧化氣）氣體：乙炔、氧氣，壓縮空氣（霧化氣）涂層：層狀結(jié)構(gòu)，氣孔、氧化物夾雜涂層：層狀結(jié)構(gòu)，氣孔、氧化物夾雜用途：大型鋼結(jié)構(gòu)，噴涂鋁鋅用途：大型鋼結(jié)構(gòu)，噴涂鋁鋅Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering

21、中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum2 2、粉末火焰噴涂、粉末火焰噴涂(Powder Flame Spray)粉末火焰噴涂的原理示意圖粉末火焰噴涂的原理示意圖Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum3.爆炸粉末火焰噴涂的裝置圖粉末火焰噴涂的裝置圖 Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum 氧一乙炔火焰噴槍氧一乙炔火焰噴槍 兩部分：氧

22、、乙炔供給系統(tǒng)兩部分：氧、乙炔供給系統(tǒng) 噴涂粉末供給噴涂粉末供給Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum氣體：氣體：乙炔乙炔+ +氧，也可甲基乙炔，天然氣、氫氣氧，也可甲基乙炔，天然氣、氫氣用途：用途：可噴涂金屬、陶瓷、塑料等可噴涂金屬、陶瓷、塑料等特點：特點：應(yīng)用非常靈活、設(shè)備輕便、經(jīng)濟、應(yīng)用較廣應(yīng)用非常靈活、設(shè)備輕便、經(jīng)濟、應(yīng)用較廣不足：不足：顆粒速度小、火焰溫度低、涂層結(jié)合顆粒速度小、火焰溫度低、涂層結(jié)合 強度低、氣孔率高強度低、氣孔率高改善：改善：提高氣流速度提高氣流速度 使用

23、惰性氣體使用惰性氣體Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum3 3、爆炸噴涂、爆炸噴涂(Detonation Spray) 氧氣和乙炔氧氣和乙炔燃燒燃燒氣體膨脹氣體膨脹 爆炸爆炸熱能和沖擊波

24、熱能和沖擊波熔熔化，化，700800m/s噴射到工件表面上形成涂層噴射到工件表面上形成涂層4.HVOFHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum粉末在高速槍中被輸送的長度遠大于等離子槍粉末在高速槍中被輸送的長度遠大于等離子槍粒子速度高的原因粒子速度高的原因l特點：特點：粒子飛行速度高，動能大粒子飛行速度高，動能大結(jié)合強度高；結(jié)合強度高；涂層致密、氣孔率很低；涂層致密、氣孔率很低；涂層表面加工后粗糙度低；涂層表面加工后粗糙度低；工件表面溫度低工件表面溫度低l缺點：缺點：設(shè)備價格高、噪音大、

25、氧化性氣氛設(shè)備價格高、噪音大、氧化性氣氛l應(yīng)用：應(yīng)用：美國林德分公司美國林德分公司19551955專利，設(shè)備及工藝保密專利，設(shè)備及工藝保密 中國航天工業(yè)部航空材料研究所，中國航天工業(yè)部航空材料研究所，19851985 45%C45%C2 2H H2 2（42004200）、一般火焰）、一般火焰30003000Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum4 4、超音速火焰噴涂、超音速火焰噴涂(HVOF)發(fā)展：發(fā)展：與爆炸噴涂抗爭，與爆炸噴涂抗爭，l 60年代初美國人年代初美國人J. Brow

26、ning發(fā)明，發(fā)明，Jet-Kote 1983年美國專利年美國專利l 國外，發(fā)展迅速國外，發(fā)展迅速 許多新裝置許多新裝置 取代傳統(tǒng)等離子噴涂取代傳統(tǒng)等離子噴涂l 國內(nèi)、武漢材保所、北京鋼院、北京鈦得國內(nèi)、武漢材保所、北京鋼院、北京鈦得氣體：氣體：燃氣燃氣(H2, C3H8, C3H4或或C2H2-CH4-C3H8)+助燃助燃 氣氣(O2) 燃燒室混合燃燒室混合 爆炸式燃燒爆炸式燃燒 高速通過膨脹管獲得超音速高速通過膨脹管獲得超音速 送粉氣：送粉氣：Ar或或N2Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Pe

27、troleum超音速火焰噴涂槍超音速火焰噴涂槍速度：速度：噴口處，音速的噴口處，音速的4倍（倍（1520m/s）,最高達最高達2400m/s 到達工件，到達工件，550760m/s質(zhì)量：質(zhì)量：與氣體種類、比例、流量、粉末質(zhì)量和流量等有關(guān)與氣體種類、比例、流量、粉末質(zhì)量和流量等有關(guān)5.電弧Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum其中，其中，S管器截面積，管器截面積，M=V/V聲聲（馬赫數(shù)），（馬赫數(shù)），V流速流速 當當VV聲聲，即，即MV聲聲，即，即M1時，則時，則dv與與ds符號相同，

28、截面增大，流速增大符號相同，截面增大，流速增大 流體在低速時，經(jīng)過足夠壓縮即可在管器某一截面達到流體在低速時，經(jīng)過足夠壓縮即可在管器某一截面達到聲速，過了這截面將獲得超音速聲速，過了這截面將獲得超音速vdvMsds/) 1(/2原理：原理：噴嘴噴嘴Laval管管的膨脹管的膨脹管 流體力學(xué)原理，對一維可壓縮流體流體力學(xué)原理，對一維可壓縮流體Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum特點：特點：粉粒溫度較低、氧化輕（時間短），適于金屬粉，粉粒溫度較低、氧化輕（時間短），適于金屬粉，Co-WC

29、粉末運動速度高粉末運動速度高粉粒尺寸小（粉粒尺寸?。?053m）分布范圍窄，否則不能熔化）分布范圍窄，否則不能熔化涂層結(jié)合強度、致密度高，無分層現(xiàn)象涂層結(jié)合強度、致密度高，無分層現(xiàn)象涂層表面粗糙度低涂層表面粗糙度低噴涂距離可在較大范圍內(nèi)變動而不影響涂層質(zhì)量噴涂距離可在較大范圍內(nèi)變動而不影響涂層質(zhì)量可得到比爆炸噴涂更厚的涂層，殘余應(yīng)力也得到改善可得到比爆炸噴涂更厚的涂層，殘余應(yīng)力也得到改善噴涂效率高，操作方便噴涂效率高，操作方便噪音大（噪音大（120dB），需有隔音和防護裝置），需有隔音和防護裝置Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)Chin

30、a University of Petroleum5 5、電弧噴涂、電弧噴涂(Arc Spray) 在在兩根金屬絲兩根金屬絲之間產(chǎn)生之間產(chǎn)生電弧電弧，因電弧產(chǎn)生的熱使金，因電弧產(chǎn)生的熱使金屬絲逐漸屬絲逐漸熔化熔化，熔化部分被，熔化部分被壓縮空氣壓縮空氣氣流噴向基體表面氣流噴向基體表面而形成涂層。而形成涂層。高速Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum1 電源電源 2 噴槍噴槍 3 送絲機構(gòu)送絲機構(gòu) 4 冷卻裝置冷卻裝置 5 油油水分離器水分離器 6 儲氣罐儲氣罐 7 空氣壓縮機空氣壓縮

31、機Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum電弧噴涂是一個不斷重復(fù)進行熔化霧化噴電弧噴涂是一個不斷重復(fù)進行熔化霧化噴射沉積的過程。射沉積的過程。熔化熔化熔化 熔化熔化 霧化霧化 噴射噴射 沉積沉積Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petrole

32、um電弧溫度：電弧溫度：50006000優(yōu)點優(yōu)點（相對火焰噴涂）：（相對火焰噴涂）：含熱量更大含熱量更大粒子速度更快粒子速度更快應(yīng)用：應(yīng)用：大型金屬構(gòu)件，成本低，一次性投資少，使用方便大型金屬構(gòu)件，成本低，一次性投資少，使用方便不足：不足：噴涂材料是導(dǎo)電的金屬絲、氧化燒損嚴重噴涂材料是導(dǎo)電的金屬絲、氧化燒損嚴重措施措施：降低霧化氣含氧量：降低霧化氣含氧量結(jié)合強度高結(jié)合強度高1.52.0倍，噴涂效率高倍，噴涂效率高Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleuml 電弧噴涂材料電弧噴涂材料包括兩

33、類，實芯絲材，粉芯絲材包括兩類，實芯絲材，粉芯絲材實芯絲材按材質(zhì)可分為兩種：一是有色金屬絲材。主實芯絲材按材質(zhì)可分為兩種：一是有色金屬絲材。主要包括鋁、鋅、銅、鉬、鎳等金屬及其合金；二是黑色金要包括鋁、鋅、銅、鉬、鎳等金屬及其合金；二是黑色金屬絲材。主要是碳鋼、不銹鋼等。屬絲材。主要是碳鋼、不銹鋼等。粉芯絲材：包括外皮和粉芯兩部分。粉芯絲材：包括外皮和粉芯兩部分。 Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleuml 電弧噴涂工藝電弧噴涂工藝 預(yù)處理工藝預(yù)處理工藝 表面清洗、預(yù)加工、粗糙化表面清

34、洗、預(yù)加工、粗糙化 噴涂工藝噴涂工藝 電流、電壓、壓縮空氣壓力、噴涂距離電流、電壓、壓縮空氣壓力、噴涂距離Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum高速電弧噴涂原理示意圖高速電弧噴涂原理示意圖霧化氣體霧化氣體送絲機構(gòu)送絲機構(gòu)絲材絲材基基體體熔滴熔滴+ +- -涂層涂層噴嘴噴嘴電弧電弧 根據(jù)氣體動力學(xué)的有關(guān)原理，采用霧化空氣通過根據(jù)氣體動力學(xué)的有關(guān)原理，采用霧化空氣通過縮縮- -放放噴管噴管的方案來提高霧化氣流的速度，實現(xiàn)高速的方案來提高霧化氣流的速度，實現(xiàn)高速電弧噴涂。電弧噴涂。l 高速

35、電弧噴涂技術(shù)高速電弧噴涂技術(shù)等離子噴涂Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleuml 電弧噴涂火焰比較電弧噴涂火焰比較霧化氣流霧化氣流600mm/s600mm/s以上以上結(jié)合強度高約結(jié)合強度高約2 2倍倍孔隙率孔隙率2%2%Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum特點特點1：粒子速度顯著提高：粒子速度顯著提高 工作噴涂距離內(nèi)（工作噴涂距離內(nèi)（150150300mm300mm）粒子飛

36、行的平均速度高于）粒子飛行的平均速度高于350350m/sm/s 。 霧化粒子平均直徑為普通槍的霧化粒子平均直徑為普通槍的1 1/3/31/81/8。Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum特點特點2：涂層的結(jié)合強度顯著提高：涂層的結(jié)合強度顯著提高 用于防腐的鋁涂層和用于耐磨的用于防腐的鋁涂層和用于耐磨的3Cr133Cr13涂層的結(jié)合涂層的結(jié)合強度分別達到強度分別達到35MPa35MPa和和43MPa43MPa，分別是普通電弧噴涂的，分別是普通電弧噴涂的2.22.2倍和倍和1.51.5

37、倍。倍。Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum特點特點3：涂層的孔隙率低、耐磨耐蝕性好：涂層的孔隙率低、耐磨耐蝕性好 高速電弧噴涂高速電弧噴涂3Cr133Cr13涂層孔隙率涂層孔隙率2%(150m/s6 6、等離子噴涂、等離子噴涂(Plasma Spray)Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum等離子弧三種壓縮作用：機械壓縮、熱收縮、磁收縮等離子弧三種壓縮作用：機械壓縮、熱

38、收縮、磁收縮返回Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum返回Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum等離子焰流溫度分布等離子焰流溫度分布 Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum等離子噴涂原理等離子噴涂原理 激光熔覆Han Bin表面工程表面工程Surface Engi

39、neering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum分類：分類：大氣、保護氣氛、真空和水穩(wěn)等離子噴涂大氣、保護氣氛、真空和水穩(wěn)等離子噴涂特點：特點：超高溫特性，便于進行高熔點材料的噴涂；超高溫特性，便于進行高熔點材料的噴涂；噴涂粒子的速度高、涂層致密、結(jié)合強度高；噴涂粒子的速度高、涂層致密、結(jié)合強度高；噴涂材料不易氧化噴涂材料不易氧化等離子噴涂設(shè)備：等離子噴涂設(shè)備：噴槍；噴槍；電源；電源；送粉器；送粉器；熱交換器；熱交換器；供氣系統(tǒng)；供氣系統(tǒng)；控制柜控制柜Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)Ch

40、ina University of Petroleum等離子噴涂工藝：等離子噴涂工藝：等離子氣體等離子氣體 可用性、經(jīng)濟性可用性、經(jīng)濟性 N2、Ar電弧的功率電弧的功率 合適合適供粉供粉 供粉速度與輸入功率相適應(yīng)，送至焰心供粉速度與輸入功率相適應(yīng)，送至焰心噴涂距離和噴涂角度噴涂距離和噴涂角度 適當適當 45噴槍與工件的相對運動速度噴槍與工件的相對運動速度基體溫度控制基體溫度控制Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum7 7、激光噴涂、激光噴涂比較項目火焰噴涂電弧噴涂等離子噴涂爆炸噴涂H

41、VOF熱源O2+C2H2電弧加熱高溫低壓等離子體O2+C2H2煤油、乙烯、丙烯、氫氣焰流溫度/8502000電弧5000,熔滴600380020000-14002500焰流速度/m/s5010030500200120080012003001200顆粒速度/m/s208020300308008001001000熱效率/%6080903555-5070沉積效率/%508070905080-7090噴涂材料形態(tài)粉末、線材線材粉末粉末粉末結(jié)合強度/MPa710358570最小孔隙率/%121020.10.1最大涂層厚度/mm0.21.00.13.00.050.50.050.10.11.2噴涂成本低低高

42、高較高設(shè)備特點簡單，可現(xiàn)場施工簡單，可現(xiàn)場施工復(fù)雜，適合高熔點材料效率低，應(yīng)用面窄一般，可現(xiàn)場施工常用熱噴涂技術(shù)的工藝特性常用熱噴涂技術(shù)的工藝特性Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum 熱噴涂涂層后處理：熱噴涂涂層后處理： 重熔重熔，自熔性粉末，自熔性粉末封孔處理封孔處理（根據(jù)工件使用狀態(tài)選擇封孔劑）（根據(jù)工件使用狀態(tài)選擇封孔劑） 常用：高熔點蠟類，常用：高熔點蠟類， 合成樹脂合成樹脂 精加工精加工，磨削，磨削Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石

43、油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum4.4 熱噴涂材料熱噴涂材料 AlAl及及AlAl合金合金純鋁或純鋁或Al-Si 腐蝕防護，抗高溫氧化腐蝕防護，抗高溫氧化ZnZn及及ZnZn合金合金Zn或或Zn-Al 大氣及水中的腐蝕防護大氣及水中的腐蝕防護CuCu及及CuCu合金合金純純Cu 導(dǎo)電及塑像工藝品導(dǎo)電及塑像工藝品黃銅黃銅 修復(fù)、耐磨、裝飾修復(fù)、耐磨、裝飾鋁青銅鋁青銅 酸性介質(zhì)中耐蝕涂層酸性介質(zhì)中耐蝕涂層線材、粉末線材、粉末一、熱噴涂線材一、熱噴涂線材 1、純金屬或合金線材、純金屬或合金線材Han Bin表面工程表面工程Surface Engineeri

44、ng中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of PetroleumNiNi及及NiNi合金合金純純Ni及及Ni-Cr、Ni-30%Cu(蒙乃爾合金蒙乃爾合金)， 耐蝕、耐磨、耐高溫氧化耐蝕、耐磨、耐高溫氧化SnSn及及SnSn合金合金 軸承軸瓦等滑動部件的耐磨涂層軸承軸瓦等滑動部件的耐磨涂層FeFe及及FeFe合金合金 低碳鋼、低合金鋼絲，修復(fù)、耐磨低碳鋼、低合金鋼絲，修復(fù)、耐磨 不銹鋼不銹鋼防腐蝕防腐蝕 Fe-Cr-Al抗高溫氧化抗高溫氧化PbPb及及PbPb合金合金 滑動耐磨涂層及輻射防護涂層滑動耐磨涂層及輻射防護涂層MoMo 打底層打底層和耐濃鹽酸涂層和耐濃鹽酸涂層H

45、an Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum、復(fù)合噴涂線材、復(fù)合噴涂線材增效復(fù)合噴涂線材增效復(fù)合噴涂線材，組元間放熱反應(yīng)，組元間放熱反應(yīng)，熔滴溫度，熔滴溫度，結(jié)合結(jié)合 組組“組元對組元對”有放熱反應(yīng)有放熱反應(yīng)常用：常用：Ni-Al、Al-Cr、Al-Nb、Al-Ta、Al-B、Al-Ni-WC、Al-Ni-Cr、Al-Ni-Al2O3打低層、工作層如不銹鋼打低層、工作層如不銹鋼Ni/Al絲、絲、Ni-Al-Mo絲絲復(fù)合方法：復(fù)合方法：絲絲復(fù)合法；絲絲復(fù)合法；絲管復(fù)合法；絲管復(fù)合法；粉管復(fù)合法

46、；粉管復(fù)合法；粉皮壓結(jié)復(fù)合法；粉皮壓結(jié)復(fù)合法；粉粘合劑復(fù)合法粉粘合劑復(fù)合法二、熱噴涂粉末二、熱噴涂粉末1.粉末的測量與表征粉末的測量與表征2.非復(fù)合噴涂粉末非復(fù)合噴涂粉末3.復(fù)合噴涂粉末復(fù)合噴涂粉末4.粉末的制備粉末的制備Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum顆粒顆粒粉粉體體顆粒（顆粒（ParticleParticle）、粉體（）、粉體（PowderPowder）、粉末）、粉末 二、熱噴涂粉末二、熱噴涂粉末Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大

47、學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleuml粉體粉體l顆粒顆粒大小大小 形狀形狀測量：測量：表征：表征：測量：測量：圖像分析法圖像分析法表征：表征：定性、定量定性、定量網(wǎng)目值、定向徑、軸徑、當量徑網(wǎng)目值、定向徑、軸徑、當量徑1. 粉末的測量與表征粉末的測量與表征篩分、顯微鏡、光衍射篩分、顯微鏡、光衍射25.4a d（200-200-，300+300+）通過通過200200目而未通過目而未通過300300目目Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum金屬及合金

48、粉末：金屬及合金粉末：Ni、Fe、Co、Cu粉末粉末噴涂合金粉末（冷噴合金粉末）不能重熔處理噴涂合金粉末（冷噴合金粉末）不能重熔處理噴熔合金粉末（噴熔合金粉末（自熔性合金粉末自熔性合金粉末） 合金中加入了強烈的脫氧元素如合金中加入了強烈的脫氧元素如 SiSi、B B等，在重等，在重熔過程中它們優(yōu)先與合金粉末中氧和工件表面的氧化熔過程中它們優(yōu)先與合金粉末中氧和工件表面的氧化物作用，生成物作用，生成低熔點的硼硅酸鹽低熔點的硼硅酸鹽覆蓋在表面，防止液覆蓋在表面，防止液態(tài)金屬氧化，改善對基體的潤濕能力，起到良好的態(tài)金屬氧化，改善對基體的潤濕能力，起到良好的自自熔劑作用熔劑作用。Ni基、基、Co基、基、

49、Fe基及基及WC等四種系列。等四種系列。 2. 非復(fù)合噴涂粉末（單一組成）非復(fù)合噴涂粉末（單一組成）Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of PetroleumNi35粉DL55粉Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum(1) G314(1) G314粉末粉末(2) G302(2) G302粉末粉末(3) (3) 鉬鐵粉末鉬鐵粉末Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering

50、中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum陶瓷粉末：陶瓷粉末：氧化物氧化物 Al2O3、ZrO2、TiO2碳化物碳化物 WC、SiC、TiC硼化物硼化物 ZrB2、CrB2硅化物硅化物 MoSi2氮化物氮化物 VN、TiN塑料粉末：塑料粉末：美觀、耐蝕美觀、耐蝕熱塑性塑料聚乙烯、聚酰胺熱塑性塑料聚乙烯、聚酰胺熱固性塑料環(huán)氧樹脂熱固性塑料環(huán)氧樹脂Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum3. 復(fù)合噴涂粉末復(fù)合噴涂粉末包覆型粉：包覆型粉：由一種或幾種成

51、分作為外殼，均勻連續(xù)或由一種或幾種成分作為外殼，均勻連續(xù)或星點間斷地包覆由一種或幾種成分組成的核心的粉體星點間斷地包覆由一種或幾種成分組成的核心的粉體重量比重量比199、厚度最低、厚度最低23m組合型粉：組合型粉：由不同相混雜而成的顆粒，沒有核殼之分由不同相混雜而成的顆粒，沒有核殼之分Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum微米鋁包鎳復(fù)合粉末顆粒形貌微米鋁包鎳復(fù)合粉末顆粒形貌Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China Univ

52、ersity of Petroleum復(fù)合型粉意義：復(fù)合型粉意義：非均相體、廣泛材料組合，多種功能；非均相體、廣泛材料組合，多種功能；可發(fā)生某些希望的有利反應(yīng)改善工藝提高涂層質(zhì)量可發(fā)生某些希望的有利反應(yīng)改善工藝提高涂層質(zhì)量外殼保護作用外殼保護作用Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum團聚包覆法制取的團聚包覆法制取的NiCrNiCr5%Al5%Al粉末粉末 Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of

53、 Petroleum高壓氫還原法制取的高壓氫還原法制取的AlAl80%Ni80%Ni粉末粉末Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum4. 粉末的制備粉末的制備機 械 研 磨氣 流 研 磨機 械 制 粉液 體 霧 化蒸 發(fā) 凝 聚物 理 制 粉氣 相 沉 積還 原 化 合電 化 學(xué) 法化 學(xué) 制 粉粉 末 的 制 備機械制粉、物理制粉、化學(xué)制粉機械制粉、物理制粉、化學(xué)制粉Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China Univers

54、ity of Petroleuml實質(zhì)：利用動能破壞材料的內(nèi)結(jié)合力，使材料分裂產(chǎn)生新 的界面。l過程：受力彈性變形塑性變形,硬化,內(nèi)應(yīng)力斷裂 重復(fù)發(fā)生、逐級破碎(1)(1)制粉原理制粉原理l物料還會發(fā)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)及表面物理化學(xué)性質(zhì)的變化物料還會發(fā)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)及表面物理化學(xué)性質(zhì)的變化l 機械制粉機械制粉Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum（1 1）體積粉碎）體積粉碎（2 2）表面粉碎）表面粉碎（3 3）均一粉碎）均一粉碎（2 2）粉碎模型）粉碎模型Han Bin表面工程表面工程Surfa

55、ce Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum1.動能準則：提高磨球的動能2.碰撞幾率準則：提高磨球的有效碰撞幾率l基本原則基本原則滾筒式行星式振動式攪動式l基本方式基本方式球磨制粉球磨制粉l基本要素基本要素：球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介質(zhì)Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petrol

56、eumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petrol

57、eumHan Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum定義：定義：通過通過高壓霧化介質(zhì)高壓霧化介質(zhì)，如氣體或水強烈，如氣體或水強烈沖擊沖擊液流液流，或通過，或通過離心力離心力使之破碎、冷卻凝固使之破碎、冷卻凝固來實現(xiàn)。來實現(xiàn)。 霧化制粉法霧化制粉法l 物理制粉法物理制粉法 霧化法、霧化法、 蒸發(fā)凝聚法蒸發(fā)凝聚法Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum霧化霧化聚并聚并凝固凝固1 1、能量

58、交換準則、能量交換準則2 2、快速凝固準則、快速凝固準則 l 提高霧化制粉效率基本準則Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum 雙流霧化法雙流霧化法氣霧化水霧化注：適合于金屬粉末制備 雙流霧化：液體流雙流霧化：液體流-2、水或氣流、水或氣流-1Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum霧化過程的四種作用：霧化過程的四種作用：動能交換動能交換熱量交換熱量交換流變特性變化流變特性變化

59、化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum 離心霧化法離心霧化法旋轉(zhuǎn)電極法旋轉(zhuǎn)電極法旋轉(zhuǎn)錠模旋轉(zhuǎn)錠模旋轉(zhuǎn)園盤旋轉(zhuǎn)園盤Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum旋轉(zhuǎn)電極法：旋轉(zhuǎn)電極法：Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of PetroleumHan Bin表面工程表面工程Sur

60、face Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum旋轉(zhuǎn)錠模法旋轉(zhuǎn)錠模法（又稱旋轉(zhuǎn)坩堝法）（又稱旋轉(zhuǎn)坩堝法）：Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum旋轉(zhuǎn)盤法：旋轉(zhuǎn)盤法：Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering中國石油大學(xué)中國石油大學(xué)China University of Petroleum旋轉(zhuǎn)輪法旋轉(zhuǎn)輪法旋轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)網(wǎng)旋轉(zhuǎn)網(wǎng)Han Bin表面工程表面工程Surface Engineering