熱噴涂技術(shù)制備減摩耐磨膜層及其摩擦磨損機(jī)理

熱噴涂技術(shù)制備減摩耐磨膜層及其摩擦磨損機(jī)理1先扯點(diǎn)別的，比如：234什么樣的“戰(zhàn)衣”才叫熱噴涂？怎么才能穿上“戰(zhàn)衣”呢？“戰(zhàn)衣”到底有什么神奇功能？一、什么才叫熱噴涂5熱噴涂，就是利用一種熱源（如電弧、離子弧或燃燒的火焰等），將粉末狀或絲狀的金屬或非金屬噴涂材料加熱熔融或軟化，并用熱源自身的動力或外加高速氣霧化，使噴涂材料的熔滴以一定的速度噴向經(jīng)過預(yù)處理的基體表面形成涂層的工藝方法。1.1涂層形成過程及原理6這個(gè)過程可以簡單理解為“貼餅子”1.2涂層結(jié)構(gòu)7熱噴涂涂層的微觀結(jié)構(gòu)噴涂層結(jié)構(gòu)示意圖1.3熱噴涂家族分類8熱噴涂電弧類電弧噴涂火焰類激光類超聲速火焰噴涂爆炸噴涂火焰噴涂等離子噴涂激光噴焊激光噴涂

直流電弧噴涂交流電弧噴涂粉末火焰噴涂絲材火焰噴涂棒材火焰噴涂大氣（常壓）等離子噴涂低壓等離子噴涂（低真空）可控氣氛等離子噴涂（充惰性保護(hù)氣體）水下等離子噴涂高速等離子噴涂1.4熱噴涂特點(diǎn)9可以噴涂各種材料，如金屬、陶瓷、金屬陶瓷、玻璃、有機(jī)化合物等零件的尺寸大小及形狀不受限制涂層厚度可以控制被涂層的零件受熱的影響小，不易變形工藝操作程序簡單，效率高被噴涂零件的材質(zhì)廣泛，可以是金屬、陶瓷、其他非金屬等熱噴涂特點(diǎn)二、如何“穿上戰(zhàn)衣”2.1熱噴涂流程101表面預(yù)處理2預(yù)熱3噴涂4涂層的后處理表面預(yù)處理11凈化處理的目的除去工件表面所有的污垢，如氧化皮、油漬、油漆及其它污物。常用的方法有:溶劑清洗、蒸氣清洗、堿液清洗和加熱脫脂等。粗化處理的目的增加涂層和基材表面之間的接觸面，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度，還可以改變涂層中殘余應(yīng)力的分布。常用的粗化處理方法有:噴砂、機(jī)械加工法、噴涂自粘結(jié)材料作結(jié)合底層等。預(yù)熱的目的是為了消除工件表面的水分和濕氣、提高噴涂粒子與工件接觸時(shí)的界面溫度、減少因工件熱膨脹造成的涂層應(yīng)力。預(yù)熱的溫度一般控制在60~120℃之間。預(yù)熱的方法可以采用氧-乙炔加熱、電爐或高頻爐加熱等預(yù)熱制備好的工件表面要在盡量短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行噴涂。噴涂工藝參數(shù)要根據(jù)涂層種類、噴槍性能和工件的具體情況決定。控制噴涂參數(shù)的目的是為了提高噴涂速率，增加涂層的致密度，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度，得到高質(zhì)量的涂層。噴涂噴涂后得到的涂層有時(shí)不能直接使用。例如，對于承受高應(yīng)力載荷或沖擊磨損的工件，要對噴涂層進(jìn)行重熔處理，使疏松多孔的與基體主要靠機(jī)械結(jié)合的涂層變?yōu)榕c基體冶金結(jié)合的致密噴熔層。此外有尺寸精度要求的工件要進(jìn)行機(jī)械加工涂層的后處理122.2熱噴涂方法13火焰噴涂等離子噴涂超聲速火焰噴涂爆炸噴涂電弧噴涂2.2.1火焰噴涂14火焰噴涂是利用燃?xì)猓ㄒ胰病⒈榈龋┘爸細(xì)怏w（氧）混合燃燒作為熱源，將金屬與非金屬材料加熱到熔融狀態(tài)，在高速氣流的推動下形成霧流，噴射到基體上，噴射的微小熔融顆粒撞擊在基體上時(shí)，產(chǎn)生塑性變形，成為片狀疊加沉積涂層?；鹧嬷行淖罡邷囟葹?000℃，多為氧化性氣氛定義可以噴涂各種金屬，陶瓷及塑料，尼龍等材料，應(yīng)用廣泛。設(shè)備輕便，簡單，可移動，價(jià)格相對較低經(jīng)濟(jì)性好。優(yōu)點(diǎn)噴涂原理15

線材及棒材火焰噴涂原理示意圖1-涂層2-燃燒火焰3-空氣帽4-氣體噴嘴5-線材或棒材6-氧氣7-乙炔8-壓縮空氣9-噴涂射流10-基體

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-燃燒火焰；6-涂層；7-基體對噴涂材料的加熱熔化和霧化是通過線材火焰噴槍實(shí)現(xiàn)的。噴槍通過氣閥分別引入乙炔、氧氣和壓縮空氣，乙炔和氧氣混合后在噴嘴出口處產(chǎn)生燃燒火焰。噴槍內(nèi)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)通過送絲滾輪帶動線材連續(xù)地通過噴嘴中心孔送入火焰，在火焰中被加熱熔化。壓縮空氣通過空氣帽呈錐形的高速氣流，使熔化的材料從線材端部脫離，并霧化成細(xì)微的顆粒，在火焰及氣流的推動下，噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基材表面形成涂層粉末火焰噴槍通過氣閥分別引入乙炔和氧氣，經(jīng)混合后，從噴嘴噴出，產(chǎn)生燃燒火焰。噴槍上設(shè)有粉斗，利用送粉氣流產(chǎn)生的負(fù)壓，抽吸粉斗中的粉末，使粉末隨氣流從噴嘴中心噴出迸入火焰，被加熱熔化或軟化，焰流推動熔粒以一定速度噴射到工件上2.2.2電弧噴涂16

電弧噴涂原理示意圖1-電源；2-金屬絲；3-送絲滾輪；4-導(dǎo)電塊；5-導(dǎo)電嘴；6-空氣噴嘴；7-電?。?-噴涂射流；9-工件；10-涂層電弧噴涂是將兩根金屬絲端部送到電弧區(qū)，在兩絲端部施加電壓維持直流電?。ɑ蚪涣麟娀。?，使絲材熔化，再用壓縮空氣穿過電弧和熔化的液滴使之霧化，以一定的速度噴向基體表面而形成連續(xù)的涂層。在電弧噴涂過程中，霧化的顆粒速度最高達(dá)180m/s-335m/s，電弧最高溫度可達(dá)5000℃。17涂層具有高強(qiáng)度和優(yōu)異的涂層性能電弧噴涂的效率高電弧噴涂的節(jié)能效果突出，能源利用率高電弧噴涂費(fèi)用低，十分經(jīng)濟(jì)僅使用電和壓縮空氣，不用氧、乙炔等易燃?xì)怏w，安全性高電弧噴涂特點(diǎn)2.2.3等離子噴涂18等離子噴涂示意圖等離子噴涂是以等離子弧為熱源，粉末材料被等離子焰流熔化后迅速噴射到預(yù)先處理好的零件表面上形成涂層。這種噴涂方法的焰流溫度高，速度大，制備的涂層孔隙率和結(jié)合強(qiáng)度均優(yōu)于常規(guī)火焰噴涂，尤其對制備高熔點(diǎn)的金屬涂層和陶瓷涂層有很大的優(yōu)越性。19焰流溫度高，噴涂材料廣泛，可得到各種性能的噴涂層涂層平整光滑，可精確控制厚度，可以制備精細(xì)涂層零件變形小，集體金屬的組織和性能不發(fā)生變化，可對高強(qiáng)度鋼、薄壁零件、細(xì)長零件進(jìn)行噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度高，孔隙率低，氧化物夾雜少等離子噴涂特點(diǎn)焰流溫度高，噴涂材料廣泛，可得到各種性能的噴涂層涂層平整光滑，可精確控制厚度，可以制備精細(xì)涂層零件變形小，集體金屬的組織和性能不發(fā)生變化，可對高強(qiáng)度鋼、薄壁零件、細(xì)長零件進(jìn)行噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度高，孔隙率低，氧化物夾雜少等離子噴涂特點(diǎn)2.2.4幾種噴涂方法的工藝特性比較20三、有什么功能3.1涂層的應(yīng)用21隔熱涂層可以降低兩件表面的工作溫度10-65℃，提高工作效率。常用于發(fā)動機(jī)燃燒室、火箭噴口、核裝置的隔熱屏等高溫工作部位。涂層原材料使用氧化物、碳化物、難熔金屬等。根據(jù)工作條件，可以為單層、雙層或者三層。隔熱涂層這類涂層在氧化介質(zhì)溫度120-870℃下對零件進(jìn)行保護(hù)。燃?xì)廨啓C(jī)葉片、軋鋼機(jī)械等均用這種涂層?？垢邷匮趸繉佑糜诒砻嬗心p的轉(zhuǎn)動零部件，如閥門、柱塞、軸頸、導(dǎo)軌、葉片等?？梢允歉邷啬p，也可以是低溫磨損。耐磨涂層22常用于具有低摩擦系數(shù)的可動密封零部件，涂層的自潤滑性能好，并有較好的結(jié)合強(qiáng)度和間隙控制能力。自潤滑減磨涂層常用于海上船舶、衛(wèi)星塔架、橋梁、化工石油機(jī)械、鐵路車輛等。涂層在噴涂后大多需要封孔之后使用。抗腐蝕涂層能與光滑或經(jīng)粗化處理的基體表面形成良好的結(jié)合。所需涂層薄，目的是增加面層的黏結(jié)力，尤以面層為陶瓷脆性材料，基體為金屬材料的情況效果更為明顯，此時(shí)目的是防止涂層在熱應(yīng)力作用下被破壞。粘結(jié)底材料廣泛用于電子工業(yè)，制造穩(wěn)定電阻器、傳感器、電加熱板、大型閘刀開關(guān)的接觸面、印刷電路板等。常用涂層材料有Al，Cu，Ag，Al2O3（絕緣層）。導(dǎo)電、絕緣涂層簡單介紹一下熱噴涂的摩擦磨損機(jī)理23241表面磨損25微點(diǎn)蝕當(dāng)界面潤滑膜很薄時(shí)，對摩副材料之間的直接接觸和磨粒不斷聚集導(dǎo)致的磨粒磨損及粘著磨損，將誘發(fā)較大面積微點(diǎn)蝕的發(fā)生，這可能是AT40涂層發(fā)生表面磨損失效的重要原因。2剝落26剝落坑呈近似圓形，剝落坑的前緣(Leadingedge)較平滑，并存在未熔顆粒，其底部靠近后緣部分呈海灘條帶形狀，這是疲勞裂紋擴(kuò)展的典型微觀形貌，而其后緣(Trailingedge)附近存在大量的階梯狀分布的環(huán)形裂紋(Annularcrack)27涂層在承受交變的接觸應(yīng)力時(shí)，其次表面發(fā)生的塑性變形更容易誘發(fā)微觀裂紋在微缺陷、未熔顆粒和層狀結(jié)構(gòu)界面處萌生并隨機(jī)擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展連接到一定程度的時(shí)候，則會產(chǎn)生主裂紋(Maincrack)，主裂紋處極易發(fā)生斷裂失穩(wěn)產(chǎn)生剝