表面涂覆技術(shù)概述課件

第五章表面涂覆技術(shù)第一節(jié)涂料與涂裝第二節(jié)粘結(jié)與粘涂第三節(jié)堆焊第四節(jié)熱噴涂第五節(jié)電火花表面涂敷第六節(jié)熔結(jié)第七節(jié)熱浸鍍第八節(jié)搪瓷涂敷第九節(jié)陶瓷涂層第十節(jié)塑料涂敷（又稱(chēng)涂塑或噴塑）1第五章表面涂覆技術(shù)第一節(jié)涂料與涂裝1第一節(jié)涂料與涂裝

涂料，以前通稱(chēng)為“油漆”，但是在現(xiàn)代應(yīng)用中實(shí)際已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)油漆的使用范圍。涂裝，涂料的施工稱(chēng)為涂裝。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過(guò)程中，涂料的研發(fā)和涂裝技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。一、涂料的組成涂料產(chǎn)品有數(shù)千種，包括油脂涂料、過(guò)氯乙烯涂料、橡膠涂料等18大類(lèi)，但其物質(zhì)組成一般分為成膜物質(zhì)、顏料、溶劑、助劑四個(gè)部分，見(jiàn)下圖所示。

2第一節(jié)涂料與涂裝2涂料的組成涂料成膜物質(zhì)天然樹(shù)脂天然油脂合成樹(shù)脂顏料（著色顏料、防銹顏料等）溶劑（有機(jī)或水）助劑（固化劑、催干劑等）圖.涂料組成3涂料的組成涂料成膜物質(zhì)天然樹(shù)脂天然油脂合成樹(shù)脂顏料（著色顏料二、涂料的分類(lèi)涂料種類(lèi)多達(dá)幾千種，用途各異，存在著多種分類(lèi)方法。一般有以下兩種。1.根據(jù)成膜干燥機(jī)理分類(lèi)根據(jù)成膜干燥機(jī)理可將涂料分為兩大類(lèi)：

(1)溶劑揮發(fā)類(lèi)涂料在成膜過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只是溶劑揮發(fā)使涂料干燥成膜。這類(lèi)涂料一般為自然干燥型涂料，容易重新涂裝，如硝基漆、乙烯漆類(lèi)。

(2)固化干燥類(lèi)這類(lèi)涂料的成膜物質(zhì)一般是相對(duì)分子量較低的線性聚合物，可溶解于特定的溶劑中，經(jīng)涂裝后，待溶劑揮發(fā)后，就可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)交聯(lián)固化成膜。4二、涂料的分類(lèi)42.以涂料中的主要成膜物質(zhì)為基礎(chǔ)分類(lèi)

按照國(guó)家規(guī)定，目前我國(guó)涂料產(chǎn)品是以涂料中的主要成膜物質(zhì)為基礎(chǔ)來(lái)分類(lèi)的。按此方法，將成膜物質(zhì)分為17大類(lèi)，相應(yīng)的涂料產(chǎn)品也分為17大類(lèi)。

52.以涂料中的主要成膜物質(zhì)為基礎(chǔ)分類(lèi)5表5.1成膜物質(zhì)分類(lèi)及命名代號(hào)（請(qǐng)見(jiàn)課本老書(shū)P107頁(yè)表5－1

新書(shū)P149頁(yè)表7－1）6表5.1成膜物質(zhì)分類(lèi)及命名代號(hào)（請(qǐng)見(jiàn)課本老書(shū)P107頁(yè)表三、涂料產(chǎn)品的命名

根據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局頒布的《涂料產(chǎn)品分類(lèi)命名和型號(hào)》（GB2705）的有關(guān)規(guī)定，全命＝顏料或顏色名稱(chēng)＋成膜物質(zhì)名稱(chēng)＋基本名稱(chēng)例如，紅醇酸磁漆、鋅黃酚醛防銹漆。7三、涂料產(chǎn)品的命名7四、常用涂料的性能1.酚醛樹(shù)脂涂料本類(lèi)涂料可分為兩類(lèi)：(1)改性酚醛樹(shù)脂涂料以松香改性酚醛樹(shù)脂涂料為主，特點(diǎn)是干得快，耐水、耐久，價(jià)格低廉，廣泛用作建筑和家用涂料。(2)純酚醛樹(shù)脂涂料由純酚醛樹(shù)脂和植物油熬制而成，耐水性、耐化學(xué)腐蝕性、耐候性、絕緣性都非常優(yōu)異，多用于船舶、機(jī)電產(chǎn)品等。2.醇酸樹(shù)脂涂料由多元醇、多元酸和脂肪酸經(jīng)縮聚而得到的一種特殊的聚酯樹(shù)脂。此涂料成膜后具有良好的柔韌性、附著力和強(qiáng)度，顏料、填料能均勻分散，顏色均勻，遮蓋力好等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是耐水性較差。這類(lèi)涂料的產(chǎn)量在我國(guó)涂料中居首位，使用面極廣。8四、常用涂料的性能83.氨基樹(shù)脂涂料主要有以下四種涂料：(1)氨基醇酸烘漆目前應(yīng)用最廣的工業(yè)用漆。其成膜溫度低，時(shí)間短，具有良好的耐化學(xué)藥品性，不易燃燒，絕緣好。(2)酸固化型氨基樹(shù)脂涂料常溫下能固化成膜，光澤好，外觀豐滿(mǎn)，但是耐溫度和耐水性較差，主要用于木材、家具等涂裝。(3)氨基樹(shù)脂改性的硝化纖維素涂料氨基樹(shù)脂增強(qiáng)了硝基透明涂料的耐候、保光等性能，提高了固體分含量。(4)水溶性氨基樹(shù)脂涂料其物化性能優(yōu)于溶劑型氨基醇酸樹(shù)脂，但耐老化性不及溶劑型的好。93.氨基樹(shù)脂涂料94.丙烯酸樹(shù)脂涂料丙烯酸樹(shù)脂是由丙烯酸或其酯類(lèi)或（和）甲基丙烯酸酯單體經(jīng)加聚反應(yīng)而成，有時(shí)還用其它乙烯系單體共聚而成。這類(lèi)涂料可分熱塑性和熱固性?xún)深?lèi)。共同點(diǎn)是：涂膜高光澤，耐紫外線照射，長(zhǎng)期保持色澤和光亮，耐化學(xué)藥品和耐污性較好。它們用途廣泛，如轎車(chē)、冰箱、儀器儀表等。5.聚氨基甲酸酯涂料這類(lèi)涂料成膜后堅(jiān)硬耐磨，附著力好，防腐性能特別好。廣泛用于化工、石油、航空、機(jī)車(chē)、木器、建筑等，兼作防護(hù)與裝飾之用。104.丙烯酸樹(shù)脂涂料10五、紫外光固化涂料1、特點(diǎn)紫外光固化涂料是在250nm～450nm波長(zhǎng)紫外光的作用下進(jìn)行固化的一類(lèi)涂料。固化溫度低；速度快；固化時(shí)間可小于1s至10s；成膜能力強(qiáng)，可一次施涂達(dá)到膜厚要求，操作管理簡(jiǎn)單，可靠性好，不需要預(yù)熱和保溫，適宜于自動(dòng)流水線作業(yè)，消耗能源約為熱固化的1/10;涂膜性能好，固化時(shí)幾乎無(wú)溶劑揮發(fā)。體積收縮很小，真空狀態(tài)下性能優(yōu)良。由于大多數(shù)著色顏料對(duì)紫外光的透過(guò)率低，難于制成色漆，所以目前已工業(yè)化的光固化涂料多為清漆。2、組成光固化涂料主要由光敏劑、光敏樹(shù)脂和活性稀釋劑等組成，此外還加入流平劑、穩(wěn)定劑、促進(jìn)劑、染料、顏料等。11五、紫外光固化涂料11六、涂裝工藝使涂料在被涂的表面形成涂膜的全部工藝過(guò)程成為涂裝工藝。具體的涂裝工藝主要根據(jù)工件的材質(zhì)、形狀、使用要求、涂裝用工具、涂裝時(shí)的環(huán)境、生產(chǎn)成本等加以合理選用。涂裝工藝的一般工序是：涂前表面處理→涂布→干燥固化涂前表面處理：清洗、粗化等；涂布：手工涂布；噴涂法、靜電涂布法、電泳涂布法、粉末涂布法、輥涂法等等。干燥固化：即成膜機(jī)理。見(jiàn)下頁(yè)。12六、涂裝工藝12七、涂料成膜機(jī)理

涂料首先是一種流動(dòng)的液體，在基材表面涂布完成之后形成一層堅(jiān)韌的薄膜，這個(gè)過(guò)程是玻璃化溫度不斷升高的過(guò)程。不同形態(tài)和組成的涂料有不同的成膜機(jī)理，這由涂料中的成膜物質(zhì)性質(zhì)決定。根據(jù)涂料成膜物質(zhì)的性質(zhì)，涂料成膜方式可以分為兩大類(lèi)：由非轉(zhuǎn)化型成膜物質(zhì)組成的涂料以物理方式成膜；由轉(zhuǎn)化型成膜物質(zhì)組成的涂料以化學(xué)方式成膜。1.物理成膜方式依靠涂料內(nèi)的溶劑或分散劑的直接揮發(fā)或聚合物粒子凝聚得到涂膜的過(guò)程稱(chēng)為物理成膜方式。物理成膜方式具體包括溶劑揮發(fā)成膜方式和聚合物凝聚成膜方式兩種。13七、涂料成膜機(jī)理132.化學(xué)成膜方式

化學(xué)成膜指在加熱或其它條件下，使涂敷在基材表面上的低分子量聚合物成膜物質(zhì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，生成高聚物，獲得堅(jiān)韌涂膜的過(guò)程。為了使涂膜中的結(jié)構(gòu)交聯(lián)，將未交聯(lián)的線型聚合物，或者輕度支鏈化的聚合物溶于溶劑中配成涂料，然后在涂敷成膜后發(fā)生交聯(lián)。另外可以用簡(jiǎn)單的低分子化合物配成涂料，待涂成膜后再令其發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。因此，根據(jù)不同的過(guò)程將化學(xué)成膜機(jī)理分為兩類(lèi)：

漆膜的直接氧化，即涂料在空氣中的氧化交聯(lián)或與水蒸氣反應(yīng)；涂料組分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的交聯(lián)固化。142.化學(xué)成膜方式14涂裝線示例15涂裝線示例15第二節(jié)粘結(jié)與粘涂一、粘結(jié)粘結(jié)或粘合－用膠粘劑將各種材料或制件連接成為一個(gè)牢固整體的方法。1、粘結(jié)劑的組成粘結(jié)劑又稱(chēng)粘合劑，俗稱(chēng)膠。它由基料、固化劑、填料和輔助材料配合而成。2、粘結(jié)劑的分類(lèi)按照不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，粘結(jié)劑有不同的類(lèi)型。粘結(jié)劑具體分類(lèi)如圖7.2所示16第二節(jié)粘結(jié)與粘涂16膠粘劑的分類(lèi)按基料分無(wú)機(jī)粘結(jié)劑有機(jī)粘結(jié)劑天然粘結(jié)劑合成粘結(jié)劑按物理形態(tài)分膠液（包括溶液、乳液、無(wú)溶劑液體）膠糊（糊狀）膠粉膠棒膠膜其它形態(tài)的膠按固化方式分水基蒸發(fā)型溶劑揮發(fā)型熱熔型化學(xué)反應(yīng)型壓敏型按受力情況分結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑（能傳遞較大的力）非結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑（不能傳遞較大的力）按用途分（包括各種材料、制件、產(chǎn)品以及特種功能用膠）粘結(jié)劑17膠粘劑的分類(lèi)按基料分無(wú)機(jī)粘結(jié)劑有機(jī)粘結(jié)劑天然粘結(jié)劑合成粘結(jié)劑二、粘結(jié)原理

粘結(jié)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，主要包括表面潤(rùn)濕、粘結(jié)劑分子向被粘物工件表面移動(dòng)、擴(kuò)散和滲透、粘結(jié)劑與被粘物形成物理和機(jī)械結(jié)合等。有關(guān)粘結(jié)的理論很多，如機(jī)械結(jié)合理論、溶解度參數(shù)理論、吸附理論、擴(kuò)散理論、靜電理論、化學(xué)鍵理論、拋錨理論等。

與涂裝一樣，工件的表面處理非常重要。主要有兩個(gè)目的：

一、除去不利于粘結(jié)的各種污垢；二、改變被粘物的物理化學(xué)性質(zhì)，以利于粘結(jié)；

18二、粘結(jié)原理18

目前表面處理方法很多，最常用的有：①溶劑（包括水）擦洗；②溶劑脫脂和蒸汽脫脂；③機(jī)械打毛，如，摩擦、噴砂、噴丸等；④化學(xué)清洗和腐蝕；⑤脫脂、機(jī)械粗化和化學(xué)處理聯(lián)合使用。19目前表面處理方法很多，最常用的有：19三、主要粘結(jié)劑及其應(yīng)用1、主要粘結(jié)劑：（老課本上的英語(yǔ)印刷錯(cuò)誤！）1）環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑（epoxyadhesive）2）酚醛樹(shù)脂粘結(jié)劑(phenolicresinadhesive)3）脲醛樹(shù)脂粘結(jié)劑(urearesinadhesive)4）聚氨酯粘結(jié)劑(polyurethaneadhesive)5）聚酰亞胺粘結(jié)劑(polyimideadhesive)6）厭氧粘結(jié)劑(anaerobicadhesive)7）氰基丙烯酸膠粘劑(cyanoacrylateadhesive)8）橡膠型膠粘劑(rubberadhesive)9）聚硫橡膠密封膠(polysulfiderubberadhesive)10壓敏膠粘劑(pressuresensitiveadhesive)11）光敏膠粘劑(photosensitiveadhesive)12）無(wú)機(jī)膠粘劑(inorganicadhesive)(各種膠粘劑的具體組成、性能、用途等請(qǐng)參見(jiàn)課本P116－118)20三、主要粘結(jié)劑及其應(yīng)用202、膠粘劑的應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)械工業(yè)；電子電器工業(yè)；汽車(chē)工業(yè)；航空宇航工業(yè)；紡織工業(yè)；木材工業(yè)；醫(yī)療衛(wèi)生業(yè)212、膠粘劑的應(yīng)用領(lǐng)域21四、粘涂技術(shù)表面粘涂技術(shù)：是將加入二硫化鉬、金屬粉末、陶瓷粉末和纖維等特殊填料的膠粘劑，直接涂覆于材料或零件表面，使之具有耐磨、耐蝕、絕緣、導(dǎo)電、保溫、防輻射等功能的一項(xiàng)新技術(shù)。粘涂技術(shù)是粘結(jié)技術(shù)的一個(gè)分支，目前主要應(yīng)用于表面強(qiáng)化和修復(fù)。粘涂具有粘結(jié)技術(shù)的大部分優(yōu)點(diǎn)，如應(yīng)力分布均勻、容易做到密封、絕緣、耐蝕和隔熱等。它的工藝簡(jiǎn)單，不需要專(zhuān)門(mén)設(shè)備，而是將配好的膠涂覆于清理好的零件表面，待固化后進(jìn)行修復(fù)即可。22四、粘涂技術(shù)22第三節(jié)堆焊一、堆焊

是指將具有一定使用性能的材料借助一定的熱源手段熔覆在基材表面，使母材具有特殊使用性能或使零件恢復(fù)原有形狀尺寸的工藝方法。堆焊既可用于修復(fù)材料的缺陷，亦可用于強(qiáng)化材料或零件的表面，使材料具有本來(lái)不存在的性能，例如高的耐磨性，良好的耐蝕性等。23第三節(jié)堆焊23二、堆焊層組織結(jié)構(gòu)

焊縫的一次結(jié)晶組織近似于鑄錠的結(jié)晶組織。由于熔池體積很小，冷卻速度迅速，主要是柱狀晶組織，等軸晶組織較少。如果基體是鋼，在界面附近由于過(guò)熱會(huì)引起基體金屬晶粒的長(zhǎng)大。基體金屬或焊層金屬在冷卻過(guò)程中有相變發(fā)生，會(huì)發(fā)生二次結(jié)晶。二次結(jié)晶所得組織符合一般的固體相變結(jié)晶規(guī)律。

24二、堆焊層組織結(jié)構(gòu)24三、常用堆焊材料與堆焊方法1.常用堆焊材料

常用堆焊材料有鐵基、鎳基、鈷基、碳化鎢基和銅基等。(1)鐵基堆焊合金1)低合金鋼堆焊材料①珠光體類(lèi)的堆焊材料②馬氏體類(lèi)堆焊材料2)中、高合金鋼及合金鑄鐵堆焊材料①高速鋼及熱作工具鋼、冷作工具鋼堆焊材料②高錳鋼及鉻錳鋼堆焊材料③高鉻鋼及鉻鎳鋼堆焊材料④合金鑄鐵堆焊材料

25三、常用堆焊材料與堆焊方法25(2)鎳基堆焊材料Ni-Cr-W-SiNi-Cr-B-Si型Ni-Cr-Mo-W(3)鈷基堆焊材料主要指鈷鉻鎢堆焊材料，即通常所說(shuō)的斯太利合金，含鉻25%~33%，鎢3%~21%。該堆焊層在650℃左右仍能保持較高的硬度。此外，堆焊層具有一定的耐腐蝕性能和優(yōu)良的抗粘著磨損性能。26(2)鎳基堆焊材料26(4)銅基堆焊材料銅基堆焊材料分為紫銅、黃銅、青銅和白銅四種。形式有焊條、焊絲和堆焊用帶極。銅基堆焊材料具有較好的耐大氣、耐海水和耐各種酸堿溶液的腐蝕，耐氣蝕和金屬間磨損的性能，常用于以鐵基材料為母材的雙金屬零件的制備或磨損工件的修補(bǔ)。(5)碳化鎢堆焊材料碳化鎢是硬質(zhì)合金的重要成分。堆焊用的碳化鎢分為鑄造碳化鎢和燒結(jié)碳化鎢兩類(lèi)。鑄造碳化鎢中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.7%~4.0%，鎢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%-96%，它是WC-W2C的混合物。這類(lèi)合金硬度高，耐磨性好，但脆性大，加工過(guò)程中容易碎裂脫落。當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~15%的鈷可以降低熔點(diǎn)，增加韌性。27(4)銅基堆焊材料272.常用堆焊方法氧-乙炔堆焊

氧-乙炔火焰的溫度較低（3050~3100℃），將它應(yīng)用于堆焊時(shí)能得到非常小的稀釋率（1%~10%）和小于1mm厚的均勻薄堆焊層。同時(shí)，該堆焊方法設(shè)備簡(jiǎn)單、使用方便、成本低。其缺點(diǎn)是生產(chǎn)率低、工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大。該法一般用于堆焊較小的零件，如內(nèi)燃機(jī)排氣閥閥面、農(nóng)機(jī)零件等。(2)手工電弧堆焊

手工電弧堆焊的設(shè)備簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活、成本低，應(yīng)用實(shí)心堆焊焊條和管狀焊條能獲得范圍較大的堆焊合金，因此應(yīng)用范圍廣。但是，它的稀釋率較高、生產(chǎn)率較低、堆焊層不太平整，堆焊后的加工量較大，因此通常應(yīng)用于少量零件的修復(fù)和強(qiáng)化。282.常用堆焊方法28(3)埋弧堆焊

單絲埋弧堆焊的熔深大、稀釋率高（30%~60%）、生產(chǎn)率中等。多絲埋弧堆焊電弧可以周期性的從一根焊絲移向另一根焊絲，熔敷率大大提高，而稀釋率大為降低。帶極埋弧堆焊是用金屬帶來(lái)代替焊絲作電極，其熔深淺、稀釋率低，熔敷率很高。(4)氣體保護(hù)和自保護(hù)明弧堆焊

熔化極氣體保護(hù)堆焊是用CO2、Ar或混合氣體作為保護(hù)氣體，它有較高的熔敷率，但是稀釋率也較高（大約15%~25%）。非熔化極惰性氣體保護(hù)堆焊，主要以手工送進(jìn)各種合金焊絲進(jìn)行堆焊。這種方法的保護(hù)效果好，合金元素的過(guò)渡系數(shù)高，稀釋率比熔化極氣體保護(hù)堆焊低，但是生產(chǎn)率低，保護(hù)氣體昂貴。不加保護(hù)氣體的自保護(hù)藥芯焊絲的明弧堆焊的設(shè)備簡(jiǎn)單、方便靈活，但是堆焊時(shí)的飛濺較大。29(3)埋弧堆焊29(5)震動(dòng)電弧堆焊

細(xì)直焊絲相對(duì)于零件表面作一定頻率和振幅的震動(dòng)，使焊絲和工件間產(chǎn)生短路和脈沖放電，從而使焊絲可以在較低的電壓（12V~22V）并以較小的熔滴穩(wěn)定而均勻地過(guò)渡到工件表面，形成一層薄而均勻的堆焊層。特點(diǎn)是熔深淺、熱影響區(qū)小、零件變形小，生產(chǎn)率高、勞動(dòng)條件也較好等一系列優(yōu)點(diǎn)。但是電弧區(qū)保護(hù)作用差，含氫量高，堆焊層組織和硬度不均勻等。因此常向電弧區(qū)噴射一定量的水蒸氣、二氧化碳等或采用焊劑作為保護(hù)介質(zhì)。(6)電渣堆焊

熔敷率最高，極板電渣堆焊的熔敷率可達(dá)150kg/h，堆焊的厚度也很大，但是稀釋率不高。缺點(diǎn)是堆焊層嚴(yán)重過(guò)熱，焊后需要熱處理，堆焊層一般不能太薄。因此，它適用于需要較厚堆焊層、堆焊表面形狀比較簡(jiǎn)單的大中型零件。30(5)震動(dòng)電弧堆焊30(7)等離子弧堆焊

由于等離子弧的溫度很高，有高的堆焊速度和高的熔敷率，稀釋率很低（最低可達(dá)5%左右）。缺點(diǎn)是設(shè)備成本高，堆焊時(shí)有很強(qiáng)的紫外線輻射和臭氧污染，需要有效的保護(hù)。31(7)等離子弧堆焊31第四節(jié)熱噴涂1、熱噴涂技術(shù)是使用某種方式的熱源，使噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，用高壓氣流將其霧化，并以一定速度噴射到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的零件表面，從而形成涂層的表面加工技術(shù)。32第四節(jié)熱噴涂322.熱噴涂特點(diǎn)

熱噴涂技術(shù)作為一種對(duì)材料表面改性的重要手段，和其它表面技術(shù)相比，有其自己與眾不同的特點(diǎn)，主要包括以下幾個(gè)方面：（1）熱噴涂方法多熱噴涂具體方法有十幾種，可以選擇合適的方法對(duì)零件進(jìn)行熱噴涂。（2）熱噴涂材料種類(lèi)廣泛金屬及其合金、陶瓷、塑料、尼龍以及它們的復(fù)合材料等都可以作為噴涂材料。（3）基體材料使用范圍廣幾乎所有的固體材料表面都可以熱噴涂，一般也不受零件尺寸及場(chǎng)地限制。既可以大面積噴涂，也可以進(jìn)行局部噴涂。332.熱噴涂特點(diǎn)33（4）基體材料受影響小噴涂時(shí)可使基體控制在較低溫度，基體變形小，組織和性能變化小，保證了基體質(zhì)量基本不受影響。（5）涂層厚度可以控制涂層厚度從幾十微米到幾微米，可以根據(jù)要求確定。（6）操作環(huán)境較差存在粉塵、煙霧和噪聲等問(wèn)題，因此需要加強(qiáng)保護(hù)措施。34（4）基體材料受影響小噴涂時(shí)可使基體控制在較低溫度，基體3、熱噴涂涂層的形成機(jī)理噴涂材料從進(jìn)入熱源到形成涂層可以劃分為以下四個(gè)階段：（1）噴涂材料的熔化粉末噴涂材料進(jìn)入熱源高溫區(qū)域，被加熱到熔化態(tài)或軟化態(tài)；線材噴涂材料的端部在熱源高溫區(qū)加熱熔化，熔化的材料以熔滴形式存在于線材端部。（2）熔化的噴涂材料的霧化對(duì)于線材噴涂時(shí)，端部的熔滴在外加壓縮氣流或熱源自身射流的作用下脫離線材端部，并霧化成細(xì)小熔滴向前噴射；在粉末噴涂時(shí)，不存在粉末的細(xì)化和霧化過(guò)程，直接在壓縮氣流或熱源射流推動(dòng)下發(fā)生噴射。353、熱噴涂涂層的形成機(jī)理353、熱噴涂涂層的形成機(jī)理（3）粒子的飛行階段熔化或軟化的微細(xì)顆粒首先被氣流或射流加速。（4）粒子的噴涂階段具有一定速度和溫度的粒子到達(dá)基材表面，與基材發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞。粒子在碰撞的瞬間撞擊基體表面或撞擊已經(jīng)形成的涂層，把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能后傳給基體，同時(shí)粒子在凹凸不平的表面發(fā)生變形，形成扁平狀粒子，并且迅速凝固成涂層。噴涂的粒子不斷飛向基材表面，產(chǎn)生碰撞-變形-冷凝的過(guò)程，變形粒子和基材之間及粒子和粒子之間相互交疊在一起，形成涂層。涂層形成過(guò)程如下圖所示。363、熱噴涂涂層的形成機(jī)理36

沖擊碰撞變形凝固-收縮熱噴涂涂層形成過(guò)程示意圖37374、涂層的結(jié)合機(jī)理涂層的結(jié)合包括涂層和基材的結(jié)合及涂層之間的結(jié)合。前者的結(jié)合強(qiáng)度稱(chēng)為結(jié)合力，后者的結(jié)合強(qiáng)度稱(chēng)為內(nèi)聚力。熱噴涂層可能的結(jié)合機(jī)理如下：1）機(jī)械結(jié)合熔融態(tài)的粒子撞擊到基材表面，鋪展成扁平狀的液態(tài)薄層，嵌合在起伏不平的表面形成機(jī)械結(jié)合，又稱(chēng)為拋錨效應(yīng)。機(jī)械結(jié)合和基材表面的粗糙程度密切相關(guān)。如果對(duì)基體不進(jìn)行粗化處理，而進(jìn)行拋光處理，熱噴涂層的結(jié)合力很弱。相反，使用噴砂、粗車(chē)、車(chē)螺紋或化學(xué)腐蝕等方法粗化基體表面，涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度提高。384、涂層的結(jié)合機(jī)理382）物理結(jié)合當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的熔融粒子撞擊基體表面后，若界面兩側(cè)緊密接觸的距離達(dá)到原子晶格常數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生范德華力，提高基體和涂層間的結(jié)合強(qiáng)度?；w表面的干凈程度直接影響界面兩側(cè)噴涂粒子和基體間的原子距離，因此要求表面非常干凈且處于活化狀態(tài)。噴砂可使基體表面呈現(xiàn)異常清潔的高活性的新鮮金屬表面，然后立即噴涂能夠增加物理結(jié)合程度，從而提高基體和涂層的結(jié)合強(qiáng)度。3）擴(kuò)散結(jié)合當(dāng)熔融的噴涂粒子高速撞擊基體表面形成緊密接觸時(shí)，由于變形和高溫作用，基體表面的原子得到足夠的能量，使涂層與基體之間產(chǎn)生原子擴(kuò)散，形成擴(kuò)散結(jié)合。擴(kuò)散的結(jié)果使在界面兩側(cè)微小范圍內(nèi)形成一層固溶體或金屬間化合物，增加了涂層和基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。392）物理結(jié)合394）冶金結(jié)合當(dāng)基體預(yù)熱，或噴涂粒子有高的熔化潛熱，或噴涂粒子本身發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)（如Ni/Al）時(shí)，熔融態(tài)的粒子和局部熔化的基體之間發(fā)生“焊合”現(xiàn)象，產(chǎn)生“焊點(diǎn)”，形成微區(qū)冶金結(jié)合。由于凝固時(shí)間（或化學(xué)反應(yīng)時(shí)間）很短，“焊點(diǎn)”不可能很強(qiáng)，但是對(duì)粒子和基體間及粒子間都會(huì)產(chǎn)生增強(qiáng)作用。在噴涂放熱型反應(yīng)的粘結(jié)底層時(shí)，在基體表面微區(qū)內(nèi)，特別是在噴砂后的突出尖部，接觸瞬間溫度可高達(dá)基體的熔點(diǎn)，容易產(chǎn)生這種結(jié)合方式。噴涂粒子間的結(jié)合是以機(jī)械結(jié)合為主，物理結(jié)合、擴(kuò)散結(jié)合、冶金結(jié)合、晶體外延等綜合作用也有一定效果。404）冶金結(jié)合40

5、熱噴涂材料熱噴涂材料是涂層的原始材料，在很大程度上決定了涂層的物理和化學(xué)性能。在此主要介紹熱噴涂線材、熱噴涂粉末和復(fù)合材料粉末。1）.熱噴涂線材線材包括碳鋼絲、不銹鋼絲、鋁絲、銅絲、復(fù)合噴涂絲及鎳、銅、鋁的合金絲等。2）.熱噴涂粉末粉末材料可以分為金屬及合金粉末、陶瓷粉、復(fù)合材料粉末和塑料顆粒等。415、熱噴涂材料416、熱噴涂裝置和設(shè)備

/Products/CylinderGases/MAXX/ThermalSpraying/thermalspraying_techpaper.htm426、熱噴涂裝置和設(shè)備

http://www.airproduFlamesprayingPrinciple:Intheseprocesses,aconsumable(usuallyapowderorawire)isheatedandpropelledontoasubstratetoformacoating.SchematicofthepowderflamesprayprocessSchematicofthewireflamesprayprocess43FlamesprayingPrinciple:SchemCharacteristicsofflamesprayingFlamesprayingistheoldestofthethermalsprayingprocesses.Awidevarietyofmaterialscanbedepositedascoatingsusingthisprocessandthevastmajorityofcomponentsaresprayedmanually.Flamesprayinghasdistinctadvantages,includingeaseofapplicationandlowcost,comparedwiththeothersprayingprocesses.Thesebenefitsmakeitawidelyusedprocess.Flamesprayingusestheheatfromthecombustionofafuelgas(usuallyacetyleneorpropane)withoxygentomeltthecoatingmaterial,whichcanbefedintothesprayinggunasapowder,wireorrod.Theconsumabletypesgiverisetothetwoprocessvariants:44CharacteristicsofflamesprayPowderflamespraying:Forthepowderflamesprayingprocess,powderisfeddirectlyintotheflamebyastreamofcompressedairorinertgas(argonornitrogen).Alternatively,Itisimportantthatthepowderisheatedsufficientlyasitpassesthroughtheflame.Thecarriergasfeedspowderintothecentreofanannularcombustionflamewhereitisheated.Asecondouterannulargasnozzlefeedsastreamofcompressedairaroundthecombustionflame,whichacceleratesthesprayparticlestowardsthesubstrateandfocusestheflame.

WireflamesprayingInthewireflamesprayingprocess,thewirefeedrateandflamesettingsmustbebalancedtoproducecontinuousmeltingofthewiretogiveafineparticulatespray.Theannularcompressedairflowatomisesandacceleratestheparticlestowardsthesubstrate.Powderflamespraying:45ApplicationsofflamesprayingFlamesprayingiswidelyusedwherelowercoatingcostsaredesiredandalowercoatingqualitycanbetolerated.Sometypicalapplicationsinclude:Corrosionprotectionofstructuresandcomponents(e.g.bridges,offshoreplatforms,LPGbottles)withaluminiumorzinccoatings.Aluminiumismoreexpensive,buthasresistancetoacidicgaseousatmospheres(suchasthoseassociatedwiththeproductsoffossilfuelcombustion),aswellasneutralsolutions,suchassaltwater.Zinchasresistancetoalkalinecorrosion.Flamesprayingisalsousedtospraycorrosionresistantthermoplasticpolymercoatings.

Reclamationofwornshafts,particularlyofbearingareaswithmaterialssuchasstainlesssteelorbronzealloys.Thecoatingsproducedarequiteporousandlubricantscanbeabsorbedintothecoating,enhancingtheperformanceofthebearing.46Applicationsofflamespraying表面涂覆技術(shù)概述課件47表面涂覆技術(shù)概述課件48表面涂覆技術(shù)概述課件49ArcsprayingPrinciple:

Arcsprayingisthehighestproductivitythermalsprayingprocess.ADCelectricarcisstruckbetweentwocontinuousconsumablewireelectrodesthatformthespraymaterial.Compressedgas(usuallyair)atomisesthemoltenspraymaterialintofinedropletsandpropelsthemtowardsthesubstrate.

50ArcsprayingPrinciple:50ArcsprayingCharacteristics:Theprocessissimpletooperateandcanbeusedeithermanuallyorinanautomatedmanner.Itispossibletosprayawiderangeofmetals,alloysandmetalmatrixcompositesinwireform.Inaddition,alimitedrangeofcermetcoatings(withtungstencarbideorotherhardmaterials)canalsobesprayedincoredwireform,wherethehardceramicphaseispackedintoametalsheathasafinepowder.Acombinationofhigharctemperatureandparticlevelocitiesgreaterthan100m.sec-1givesarcsprayedcoatingssuperiorbondstrengthsandlowerporositylevelswhencomparedwithflamesprayedcoatings.However,useofcompressedairfordropletatomisationandpropulsiongivesrisetohighcoatingoxidecontent.51ArcsprayingCharacteristics:51Thetypicalperformanceofarcsprayingcomparedwithotherthermalsprayingprocesses52ThetypicalperformanceofarcApplicationsArcsprayinghasthehighestdepositionrateofthethermalsprayingprocessesandcanbeusedtospraylargeareasorlargenumbersofcomponentsonrepetitiveproductionlineoperations.Typicalapplicationsinclude:Sprayingoflargestructuressuchasbridgesandoffshorefabricationswithzincandaluminiumtogivecorrosionprotection.Reclamationofengineeringcomponentssuchasjournals,bearingsandshaftswithsteelandbronzealloys.Sprayingofelectroniccomponenthousingswithcopper,zincandaluminiumtogiveconductivecoatingswhichprovideshieldingfromelectromagneticinterference.Camshaftbearingrecoveredbyarcsprayingwith13%Crsteel

53ApplicationsArcsprayinghRisksandprecautionsAswithallthethermalsprayingprocessesthereareparticularhealthandsafetyissuesthatmustbeaddressedbeforesprayingExtractionofdustandfume-Allthermalsprayingprocessesproducedustandfume.Therefore,adequateextractionorventilationtoremovethisdustandfumefromtheparticularworkingenvironmentshouldbeprovided.Inaddition,iftheoperatorisexposedtothisenvironment,thensuitablebreathingequipmentshouldbeconsidered.Arceye-ArcsprayingproduceslargeamountsofUVradiationandweldingtypeeyeprotectionisneeded.Thecorrectgradeofweldingscreenmustbeused.UsersshouldrefertoEN169whichspecifiesarangeofpermanentfiltershadesofgraduallyincreasingopticaldensitywhichlimitexposuretoradiationemittedbydifferentprocessesatdifferentcurrents.Itmustbestressedthatshadenumbersindicatedinthestandardandthecorrespondingcurrentrangesareforguidanceonly.

Fireorexplosionofdustandfume-Buildupofsomemetalsintheformofdustcanleadtofireandexplosions.Thisisofconcernforpowdersofaluminiumandzinc.Toavoidthis,adequateprovisionforextractionandfiltrationofthespraydust,alongwithregularcleaning,shouldbeprovided.Thedustshouldnotbeallowedtogetdampasthiscanleadtoevolutionofhydrogengas.Additionally,sourcesofignitionshouldbeavoidedsuchasstaticchargesfromrotatingequipment,forexamplefansintheducting.54RisksandprecautionsAs表面涂覆技術(shù)概述課件55PlasmasprayingPrinciple:TheplasmasprayingprocessusesaDCelectricarctogenerateastreamofhightemperatureionisedplasmagas,whichactsasthesprayingheatsource.Thecoatingmaterial,inpowderform,iscarriedinaninertgasstreamintotheplasmajetwhereitisheatedandpropelledtowardsthesubstrate.Becauseofthehightemperatureandhighthermalenergyoftheplasmajet,materialswithhighmeltingpointscanbesprayed.56PlasmasprayingPrinciple:56Characteristicsofplasmaspraying:Plasmasprayingproducesahighqualitycoatingbyacombinationofahightemperature,highenergyheatsource,arelativelyinertsprayingmediumandhighparticlevelocities,typically200-300m.sec-1.However,someairbecomesentrainedinthespraystreamandoxidationofthespraymaterialmayoccur.Thesurroundingatmospherealsocoolsandslowsthespraystream.Vacuumplasma(VPS)orlowpressureplasmaspraying(LPPS)reducestheseproblemsbysprayinginvacuumoralowpressure,inertgasenvironment.Plasmasprayingiswidelyappliedintheproductionofhighqualitysprayedcoatings.Characteristicsofplasmaspra57ApplicationofplasmasprayingSprayingofsealringgroovesinthecompressorareaofaeroengineturbineswithtungstencarbide/cobalttoresistfrettingwear.Sprayingofzirconia-basedthermalbarriercoatings(TBCs)ontoturbinecombustionchambers.Sprayingofwearresistantaluminaandchromiumoxideceramicontoprintingrollsforsubsequentlaseranddiamondengraving/etching.Sprayingofmolybdenumalloysontodieselenginepistonrings.Biocompatiblehydroxyapatitecoatingsforprostheses.58ApplicationofplasmasprayingExamplesofplasmasprayingAeroengineturbineductwith

athermalbarriercoating

59ExamplesofplasmasprayingAerPrinciple:

isbasicallythesameasthecombustionpowdersprayprocess(LVOF)exceptthatthisprocesshasbeendevelopedtoproduceextremelyhighsprayvelocity.ThereareanumberofHVOFgunswhichusedifferentmethodstoachievehighvelocityspraying.OnemethodisbasicallyahighpressurewatercooledHVOFcombustionchamberandlongnozzle.Fuel(kerosene,acetylene,propyleneandhydrogen)andoxygenarefedintothechamber,combustionproducesahothighpressureflamewhichisforceddownanozzleincreasingitsvelocity.PowdermaybefedaxiallyintotheHVOFcombustionchamberunderhighpressureorfedthroughthesideoflavaltypenozzlewherethepressureislower.

Anothermethodusesasimplersystemofahighpressurecombustionnozzleandaircap.Fuelgas(propane,propyleneorhydrogen)andoxygenaresuppliedathighpressure,combustionoccursoutsidethenozzlebutwithinanaircapsuppliedwithcompressedair.ThecompressedairpinchesandacceleratestheflameandactsasacoolantfortheHVOFgun.Powderisfedathighpressureaxiallyfromthecentreofthenozzle.HighVelocityOxygenFuelThermalSprayProcess-HVOFPrinciple:HighVelocityOxygen60CharacteristicsofHVOFThecoatingsproducedbyHVOFaresimilartothoseproducebythedetonationprocess.HVOFcoatingsareverydense,strongandshowlowresidualtensilestressorinsomecasescompressivestress,whichenableverymuchthickercoatingstobeappliedthanpreviouslypossiblewiththeotherprocesses.

TheveryhighkineticenergyofparticlesstrikingthesubstratesurfacedonotrequiretheparticlestobefullymoltentoformhighqualityHVOFcoatings.Thisiscertainlyanadvantageforthecarbidecermettypecoatingsandiswherethisprocessreallyexcels.

HVOFcoatingsareusedinapplicationsrequiringthehighestdensityandstrengthnotfoundinmostotherthermalsprayprocesses.Newapplications,previouslynotsuitableforthermalspraycoatingsarebecomingviable.61CharacteristicsofHVOFThecoaHighvelocityoxyfuel(HVOF)

sprayingtheversatile,highdepositionratethermalsprayingprocessfordense,highperformancecoatings

62Highvelocityoxyfuel(HVOF)s表面涂覆技術(shù)概述課件63Principle:TheDetonationgunbasicallyconsistsofalongwatercooledbarrelwithinletvalvesforgasesandpowder.Oxygenandfuel(acetylenemostcommon)isfedintothebarrelalongwithachargeofpowder.Asparkisusedtoignitethegasmixtureandtheresultingdetonationheatsandacceleratesthepowdertosupersonicvelocitydownthebarrel.Apulseofnitrogenisusedtopurgethebarrelaftereachdetonation.Thisprocessisrepeatedmanytimesasecond.Thehighkineticenergyofthehotpowderparticlesonimpactwiththesubstrateresultinabuildupofaverydenseandstrongcoating.DetonationThermalSprayingProcessPrinciple:DetonationThermalS64ColdspraycoatingprocessDrAntolliPapyrinandcolleaguesattheRussianAcademyofScienceswerethefirsttodemonstratethecoldsprayprocessinthemid-1980s.

Principle:TheColdSprayprocessbasicallyusestheenergystoredinhighpressurecompressedgastopropelfinepowderparticlesatveryhighvelocities(500-1500m/s).Compressedgas(usuallyhelium)isfedviaaheatingunittothegunwherethegasexitsthroughaspeciallydesignednozzle(lavaltypemostly)atveryhighvelocity.Compressedgasisalsofedviaahighpressurepowderfeedertointroducepowdermaterialintothehighvelocitygasjet.Thepowderparticlesareaccelerated

andmoderatelyheatedtoacertainvelocityandtemperaturewhereonimpactwithasubstratetheydeform

andbondtoformacoating.Aswiththeotherprocessesafinebalancebetweenparticlesize,density,temperatureandvelocityareimportantcriteriatoachievethedesiredcoating.ColdspraycoatingprocessDrA65CharacteristicsofcoldsprayprocessTheparticlesremaininthesolidstateandarerelativelycold,sothebulkreactiononimpactissolidstateonly.Theprocessimpartslittletonooxidationtothespraymaterial,sosurfacesstaycleanwhichaidsbonding.Nomeltingandrelativelylowtemperaturesresultinverylowshrinkageoncooling,pluswiththehighstraininducedonimpact,thecoatingstendtobestressedincompressionandnotintensionlikeliquid/solidstatereactionsofmostoftheotherthermalsprayprocesses.Lowtemperaturesalsoaidinretainingtheoriginalpowderchemistryandphasesinthecoating,withonlychangesduedeformationandcoldworking.Bondingreliesonsufficientenergytocausesignificantplasticdeformationoftheparticleandsubstrate.Underthehighimpactstressesandstains,interactionoftheparticleandsubstratesurfacesprobablycausedisruptionofoxidefilmspromotingcontactofchemicallycleansurfacesandhighfrictiongeneratingveryhighlocalisedheatingpromotingbondingsimilartofrictionorexplosivewelding.Coatingsatpresentarelimitedtoductilematerialslikealuminium,stainlesssteel,copper,titanium

andalloys.Hardandbrittlematerialslikeceramicscannotbesprayedinthepureform,butmaybeappliedascompositeswithaductilematrixphase.Substratematerialsarealsolimitedtothosethatcanwithstandtheaggressiveactionofthesprayparticles.Softorfriablesubstrateswilleroderatherthanbecoated.

Thecoldsprayprocessisstillprimarilyintheresearchanddevelopmentstageandonlynowbecomingcommerciallyavailable.

66CharacteristicsofcoldsprayColdSprayProcessAdvantages:Lowtemperatureprocess,nobulkpaticlemeltingretainscomposition/phasesofinitialparticlesverylittleoxidationhighhardness,coldworkedmicrostructureeliminatessolidificationstresses,enablesthickercoatingslowdefectcoatingslowerheatinputtoworkpiecereducescoolingrequirementpossibleeliminationofgritblastsubstratepreparationNofuelgasesorextremeelectricalheatingrequiredReduceneedformasking

67ColdSprayProcessAdvantages:ColdSprayProcessDisadvantagesHardbrittlematerialslikeceramicscannotbesprayedwithoutusingductilebindersNotallsubstratematerialswillacceptcoatingHighgasflows,highgasconsumption.HeliumveryexpensiveunlessrecycledStillmainlyinresearchanddevelopmentstage,littlecoatingperformance/historydata68ColdSprayProcessDisadvantagPossibleUsesforColdSprayCoatingsCorrosionprotection,wheretheabsenceofprocess-inducedoxidationmayofferimprovedperformanceElectricalandthermal,wheretheabsenceofprocess-inducedoxidationmayofferimprovedconductivityPre-placementofsoldersandcoatingswherepurityisimportant69PossibleUsesforColdSprayCInsummary:ColdsprayprocessPowdercompressedgas(helium),heat70Insummary:ColdsprayprocessHardchromeplatingAdvantages:Solutionforwear,erosion,corrosionresistanceanddimensionalreclamationformanyyears.areasonablecostperunitofsurfacearea,

Disadvantages:limitationsonthicknessbuild-up,partsize,andinsomeinstancesperformanceinservice.Overthepastfewyears,costshavebeensteadilyescalatingduetothegrowingenvironmentalpressuresandlegislationimposedonthechromeplatingprocessandthedisposalofitsby-products.Alternativetechnology－Thermalsprayingtofindalternativeprocessesthatoffersimilarcharacteristicstohardchromeplating,butwithouttheconsequentrisks.Thermalsprayingtechnologyisincreasinglyofferingaviablealternativetothistechnology,andcouldprovidetheChromePlatingindustrywithcomplimentaryprocessesforpartprotectionandreclamation.71HardchromeplatingAdvantages:BenefitsofHardChromePlatingHighHardness-HardnessvalueofVickers700-1000.History-Wellknown,wellestablishedprocesswithknownpropertiesandlimitations.SurfaceCoverage-Notalineofsightprocess,willworkoninsidediameters,andoncomplexgeometry.ExcellentSurfaceFinish-Asurfacefinish.EconomicalForThinDeposits-Chromeplatingiseconomicalandreliableforverythindeposits,<25to100um(0.001-0.004”).72BenefitsofHardChromePlatinLimitationsofHardChromePlating(1)Adhesion-Twoprimaryreasonscausepooradhesion,especiallyoniron-basedmaterialssuchasductileandcastiron.Thefirstisimproperorpoorsurfacepreparationandthesecondisexcessivemicrocrackingthroughoutthechromeplating.Micro-cracks,whichextendfromthesurface,occurintheplatingduetoresidualstresses(figure1).Whenthemicro-cracksextendallthewaydowntothesubstrate,separationoftheplatingmayoccur.73LimitationsofHardChromePlaLimitationsofHardChromePlating-(2)SlowThroughput-Typicallyplatingrequiresaboutonehourtodepositathicknessof25μm(0.001”)onanysizepart.Nodules/UnevenBuildup-Nodulesofexcessplatingbuild-upontocornerandedgeareaswherecurrentdensityishigh.Thiscreatesunevenbuildupandmaycausehighresidualstressesandthereforeadhesionproblems.Itwillalsoincreasefinishingtime.Masking-Becausepartsmustbecompletelysubmerged,itisdifficulttomaskareasthatdo