表面處理技術(shù)概論-第6章 熱噴涂及技術(shù)課件

第六章熱噴涂及技術(shù)熱噴涂造紙烘缸噴涂噴鋅船舶軸承修復(fù)熱噴涂材料1熱噴涂種類與特點熱噴涂技術(shù)主要根據(jù)熱源分類，目前熱源有五種類型。采用這些熱源加熱熔化不同形態(tài)的噴涂材料，即形成了不同熱噴涂方法，熱噴涂方法氣體燃燒熱源線材、棒材、粉末火焰噴涂超音速火焰噴涂氣體放電熱源電熱熱源電弧噴涂等離子噴涂電弧噴焊爆炸熱源激光熱源電容放電、感應(yīng)加熱噴涂燃?xì)庵貜?fù)爆炸。線材電爆噴涂激光噴涂，激光噴焊熱噴涂的特點(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零件進行熱噴涂。(2)熱噴涂材料種類廣泛金屬及其合金、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地限制，既可以大面積噴涂，也可以進行局部噴涂。(4)基體材料受影響小噴涂時可使基體控制在較低溫度，所以基體變形(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、煙霧和噪聲等問題，因此需要加強防護措施。噴涂過程熱噴涂過程如圖7-4所示，噴涂材料從進入熱源到形成涂層可以劃分為以下四個階段：

(1)噴涂材料的熔化粉末噴涂材料進入熱源高溫區(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于線材噴涂時，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；在粉未噴涂時，不存在粉末的細(xì)化和霧化過程，直接在壓縮氣流或熱源射流推動下發(fā)生噴射。(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，當(dāng)飛行一定距離后速度又減小。

(4)粒子的噴涂階段具有一定速度和溫度的微細(xì)粒子到達(dá)基材表面，發(fā)生強烈的碰撞。涂層的形成粒子在碰撞基體表面或撞擊已經(jīng)形成的涂層的瞬間，把動能轉(zhuǎn)化為熱能后傳給基體，同時粒子在凹凸不乎的表面發(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)生碰撞一變形．冷凝的過程，變形粒子與基材之問及粒子與粒子之問相互交疊在一起，形成涂層，涂層形成如圖所示。3)擴散結(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，由于變形和高溫的作用，基體表面的原子得到足夠的能量，使涂層與基體之間產(chǎn)生原子擴散，形成擴散結(jié)合。擴散的結(jié)果使在界面兩側(cè)微小范圍內(nèi)形成一層同溶體或金屬間化合物，增加了涂層與基體之間的結(jié)合強度。4)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NiAl，熔融態(tài)的粒子與局部熔化的基體之間發(fā)生“焊合”現(xiàn)象，產(chǎn)生“焊點”，形成微區(qū)冶金結(jié)合。下面介紹幾種熱噴涂設(shè)備及其相關(guān)工藝1等離子噴涂等離子噴涂技術(shù)在耐磨、耐蝕涂層應(yīng)用已較為廣泛,從50年代至今,其應(yīng)用領(lǐng)域由航空、航天擴展到了汽車制造、石油化工、紡織機械、船舶等領(lǐng)域,應(yīng)用市場規(guī)模也隨之不斷增長。近年來,高溫等離子噴涂在金剛石膜、生物陶瓷涂層,超細(xì)微材料、紅外涂層等方面的應(yīng)用研究也獲得較大進展,顯示了良好應(yīng)用前景。2000年美國熱噴涂市場AW電弧絲材噴涂，CW火焰絲材噴涂HOVF超音速火焰噴涂；CP火焰粉末噴涂PS等離子噴涂等離子態(tài)的特性就是電離氣體的正離子、負(fù)離子(常常是電子)所造成的，是和其它三態(tài)是不同的。

氣穩(wěn)等離子噴涂溫度：10000K-20000K粒子速度：240m/s適應(yīng)材料：金屬及合金粉末，陶瓷，金屬陶瓷粉末，塑料粉末涂層基體結(jié)合：較高20-50MPa涂層孔隙率：2-5%涂層氧化物含量：0.5-1%耗用功率：30-80kW操作性能：噪聲125dB，需要在隔音車間工作厚度限制：小于1mm一次性投資成本：一次投資成本高，綜合成本高高能等離子噴涂溫度：10000K-30000K粒子速度：240-1220m/s適應(yīng)材料：陶瓷，金屬陶瓷粉末涂層基體結(jié)合：非常高30-90MPa涂層孔隙率：小于2%涂層氧化物含量：約0.1%耗用功率：100-250kW操作性能：噪聲125-130dB，需要在隔音車間工作厚度限制：小于1mm，最厚可達(dá)20mm一次性投資成本：一次投資成本很高，綜合成本較高真空等離子噴涂溫度：10000K-30000K粒子速度：240-610m/s適應(yīng)材料：易氧化的金屬和合金粉末涂層基體結(jié)合：高，50-70MPa涂層孔隙率：小于1%涂層氧化物含量：最低耗用功率：50-100kW操作性能：只能在特定的真空艙中進行厚度限制：小于2.0mm一次性投資成本：一次投資成本特高，綜合成本很高等離子噴涂的應(yīng)用

軸類零件，鈷碳化鎢

輥套，氧化鋁

氧化鋁薄板上噴涂氧化鋯

內(nèi)孔專用等離子噴涂設(shè)備等離子噴涂涂層

Cr2O3涂層Al2O3+13TiO22.超音速火焰噴涂(HVOF)1981年美國的J.A.Browning發(fā)明了告訴氧-燃?xì)饣鹧鎳姌?Highvelocityoxygenfuelsystem,HVOF)。使傳統(tǒng)的氧-乙炔火焰噴涂發(fā)生深刻變化，成為當(dāng)代熱噴涂工藝領(lǐng)域最重要的技術(shù)手段之一。超音速噴涂特點涂層應(yīng)力為壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力低，可噴厚涂層由于火焰溫度較低，且粉末在火焰中飛行時間短，無法熔融高熔點陶瓷粉末材料一般適宜噴涂細(xì)粉末。若噴涂金屬或合金粉末，成本太高，體現(xiàn)不出優(yōu)越性。熱效率低，成本高。供氣系統(tǒng)龐大，操作不方便。超音速噴涂示意圖圖1

高速燃?xì)鈬娡吭O(shè)備

1-噴涂槍2-冷卻水3-控制箱4-送粉器5-氣體供給3.爆炸噴涂爆炸噴涂是利用混合氣體爆炸的能量將具各種功能的粉末材料加熱并加速轟擊到工件表面上，使之形成堅固涂層，由于氣體的爆炸燃燒可產(chǎn)生超過音速3倍的超音速高能氣流，其沖擊波傳播速度可達(dá)3000米/秒，中心溫度可達(dá)3450℃，因此，爆炸噴涂所產(chǎn)生的膜層具有極強的結(jié)合力。爆炸噴涂設(shè)備第聶泊—3”型爆炸噴涂設(shè)備5.00萬美元輔助設(shè)施

隔音間（必須裝有監(jiān)測爆炸氣體濃度和通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)施，排風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)有防爆裝置，并設(shè)有保護系統(tǒng)）

操作間供氣

（燃料氣體室，氧氣室）通風(fēng)

（排風(fēng)機必需考慮防爆措施）冷卻水系統(tǒng)

轉(zhuǎn)架噴砂設(shè)備及噴砂間

性能及特點涂層結(jié)合強度高，致密性好

工件受熱小，不變形

功能性強，應(yīng)用范圍廣（可對單一金屬、合金、氧化物或混合氧化物，硬質(zhì)合金，以碳化鎢或碳化鈦為基體的金屬陶瓷及各種復(fù)合材料等進行噴涂）

適用于大尺寸工件的噴涂

原料豐富，價格低廉

性能及特點噪聲極高達(dá)到140-150dB噴涂速率低，噴涂Al2O3時為2kg/h,WC-Co時8kg/h非連續(xù)性的脈沖式噴涂使噴涂速率降低。但使基體受熱程度降低，又是一個優(yōu)點。成本高通用熱噴涂設(shè)備參考價格熱噴涂施工中的安全與防護爆炸危險及有害氣體爆炸危險：爆炸噴涂、超音速火焰噴涂等都使用易燃?xì)怏w作燃料，等離子噴涂中也用氫氣作等離子輔助氣體。有害氣體：Ar，He，N2可以導(dǎo)致窒息。高溫下N2+O2生產(chǎn)氮氧化合物。粉塵活性材料粉塵如Al，Mg等；微細(xì)顆粒對呼吸系統(tǒng)有害；有粉塵爆炸危險（水洗型濕式除塵系統(tǒng)） 熱噴涂施工中的安全與防護噪聲影響人的神經(jīng)、聽力、反應(yīng)靈敏性弧光和輻射等離子噴涂時紫外線的強度為點焊時的33-50倍，能穿透普通布質(zhì)衣服而使人體灼傷。熱噴涂操作人員必須經(jīng)國家指定的有關(guān)部門培訓(xùn)，并取得合格證書，方可進行操作。設(shè)備供應(yīng)商信息中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院表面工程技術(shù)研究所

地

址：北京德勝門外北沙灘一號

郵

編：100083電

話：/2554傳

真：E-mail:代理FST火焰噴涂技術(shù)公司（荷、英、意國際集團公司）的MP-100-APS/HVOF等離子/超音速噴涂系統(tǒng)、第二代HV-空氣-燃料（HV-AF）噴涂系統(tǒng)、HV-PW高速粉末/線材噴涂系統(tǒng)、M-APS45等離子噴涂設(shè)備、M-APS15等離子噴涂設(shè)備、FWS-20火焰線材噴涂設(shè)備、超音速火焰噴涂（HVOF）設(shè)備、電弧噴涂設(shè)備、噴涂機器人、等離子和HVOF噴涂系統(tǒng)控制裝置、噴涂輔助設(shè)備、交鑰匙工程等以及各類粉末、線材等熱噴涂材料；還可提供該公司獨立開發(fā)的在冶金、能源、閥門、造紙、紡織、石油、化工、航空、航天等許多行業(yè)應(yīng)用的涂層成套技術(shù)代理國內(nèi)外先進的保養(yǎng)焊接及表面工程設(shè)備，如超音速火焰噴涂（HVOF）設(shè)備、等離子噴涂設(shè)備、等離子噴焊設(shè)備、火焰線材噴涂設(shè)備、電弧噴涂設(shè)備、火焰噴涂噴焊設(shè)備等以及各種保養(yǎng)焊接設(shè)備

九江等離子噴涂廠本廠位于江西省九江市西郊6公里處，現(xiàn)有職工3100余人，專業(yè)技術(shù)人員17人，具備較為完善的機械、電機電器制造，測試能力，專業(yè)生產(chǎn)等離子噴涂、噴焊設(shè)備，并對外承攬噴涂、噴焊加工業(yè)務(wù)。

本廠產(chǎn)品具有輸出功率大，高漁高熗，自動化程度高的特點，可用于各種材料的噴涂、噴焊工藝，能在工件表面制備出物理、化學(xué)性質(zhì)優(yōu)良，與基體結(jié)合良好，并可進行機械加工的表面工作厚，使工件的運行壽命大幅度提高。

主要產(chǎn)品型號：

1、LP—60Z型等離子噴涂設(shè)備；

2、GP—80型等離子噴涂設(shè)備；

3、LUP—100PC型等離子噴焊設(shè)備（配內(nèi)燃機氣門噴焊專用機床）；

4、L4—400PC型等離子噴焊設(shè)備（配通甲噴焊機床）。

本廠可以提供生產(chǎn)噴涂、噴焊用粉末和廠家名錄。如需了解詳，函電我廠或來人均可。地址：江西九江市閆家渡

郵編：332103

電話：（0792）6843111

傳真：（0792）部分相關(guān)網(wǎng)站

冷噴涂及其應(yīng)用1起源

2001年11月，在德國慕尼黑附近的ERDING所舉行的HVOF專題會議上，來自24個國家390名與會代表，一致接納熱噴涂家族中一位新成員——冷噴涂。

冷噴涂工藝原稱冷氣動力噴涂法（CGSM：Coldgas-dynamicsprayMethod）。它的發(fā)現(xiàn)，源于一次偶然機會。上個世紀(jì)80年代中期，俄羅斯科學(xué)院設(shè)在西伯利亞諾沃西比爾斯克市的理論與應(yīng)用力學(xué)研究所，在進行超音速風(fēng)道負(fù)載顆粒流的實驗時，對宇宙飛船侵蝕所進行的觀測中，主持該項工作的A.N.PAPYRIN教授得出一個驚人的發(fā)現(xiàn)：當(dāng)顆粒速度超過某一定值時，顆粒的磨損效應(yīng)會轉(zhuǎn)化成很強的粘附力。

帶著這一認(rèn)識，A.N.PAPARIN移居美國，并接受一家汽車制造財團的支持。1994年底申報專利并在一次熱噴涂會議上首次提出冷噴涂。在這位俄國教授日后的工作中，有兩位人物起了關(guān)鍵作用：一位是德國林德（LINDE）氣體公司的P.Heinrich，他是德國熱噴涂協(xié)會的一名執(zhí)委；另一位是漢堡的Kreye教授。由于他們的參與，促成建立了“熱噴涂主管中心”，成為該大學(xué)與氣體公司的聯(lián)合項目。在此后的二年中，對這項新工藝的優(yōu)勢及潛在特點在漢堡及慕尼黑采用相同的設(shè)備做了系統(tǒng)的研究。2000年末，冷噴涂首次獲得工業(yè)應(yīng)用，近期又建立了冷氣工藝有限公司，成為一家持有執(zhí)照的冷噴涂裝置的供應(yīng)商。至此，冷噴涂登上了市場舞臺。2速度增強而熱能減弱－熱噴涂技術(shù)演進的一種趨勢

常規(guī)的熱噴涂過程是：采用電、化學(xué)或機械能，產(chǎn)生一種高速焰流，粉末被導(dǎo)入焰流，二者相互作用，熱量與動量從焰流傳送到顆粒，后者得到升溫與加速。在與基體表面碰撞時，顆粒的熱能與動能使顆粒產(chǎn)生濺落，被粘附于基體表面，形成涂層。在諸如燃燒火焰或等離子焰這類高溫過程中，顆粒被熔化，以液滴形態(tài)撞擊到基體表面，繼而濺落并驟冷，形成涂層。在熱噴涂過程中，熱能和速度是相輔相成的兩個非常重要的要素，它們的每一步飛躍都促成了熱噴涂技術(shù)的進展。等離子噴涂工藝的出現(xiàn)，推動了熱噴涂技術(shù)產(chǎn)生了巨大的飛躍。這是熱能（溫度）的一次跨躍；而HVOF的登場，則是速度的較量。盡管等離子噴涂工藝至今仍然占據(jù)著熱噴涂中的老大地位，但不得否認(rèn)，HVOF問世以來，它的傳統(tǒng)優(yōu)勢正面臨挑戰(zhàn)。一個明顯的問題是，過程的高溫會使一些材料發(fā)生相變、分解或C、B等元素的損失，影響涂層性能，從而使一些重要的噴涂材料，如WC-Co核NiCr-Cr3C2等，正在成為HVOF最佳的選取對象，更何況，涉及到一些涂層的重要性能方面，如涂層的結(jié)合強度、內(nèi)聚強度和致密度等，等離子噴涂已失去固有的優(yōu)勢，讓位于HVOF工藝。

與等離子噴涂相比，HVOF（或HVAF）噴涂過程，顆粒的受熱減弱而飛行速度得到加強，在到達(dá)基體表面時，增強的動能轉(zhuǎn)化為熱能，使顆粒熔化并導(dǎo)致濺落，熱能的不足被增強的動能所補償。然而，人們發(fā)現(xiàn)，這一過程仍存在著氧化問題。事實上，HVOF噴涂顆粒被撞擊到基體表面之后，以及在從高溫降到常溫的過程中，都伴隨著氧化，也會出現(xiàn)分解，冷噴涂正是在這種趨勢及要求的背景下產(chǎn)生出來。3冷噴涂過程

冷噴涂過程不采用任何高溫火焰，不需加熱與熔化粉末，涂層的形成完全靠固體顆粒的高能撞擊所產(chǎn)生的變形而生成。

冷噴涂系統(tǒng)的基本配置見圖

冷噴涂系統(tǒng)的基本配置

全部系統(tǒng)包括：1.高壓源（氣體加壓裝置）2.高壓送粉器3.加熱器4.噴槍

高壓源使氣體產(chǎn)生高壓，推動工作氣及送粉載氣加速；加熱器設(shè)有兩套，分別使載氣及工作氣預(yù)熱到一定的溫度；送粉器是在帶壓的狀態(tài)下將粉末送入噴槍內(nèi)，噴槍后部是腔膛，在此處粉末與工作氣混合，經(jīng)喉管進入噴咀。工作氣是產(chǎn)生高速的介質(zhì)，在進入槍膛前在加熱器預(yù)熱到100-600°C，以加大顆粒流速。載氣在另一加熱器受熱后，經(jīng)送粉器成軸向?qū)⒎勰┧腿雵姌?噴嘴結(jié)構(gòu)為收斂——擴散型拉烏爾噴咀，以使氣體得到加速，見圖.噴嘴有不同的幾何形式，噴涂氣流隨噴咀的不同而呈不同的截面。工作氣從噴嘴進口處1.5~3.5Mpa的壓力膨脹到常壓，造成一種超音速氣流，隨噴咀形狀、工作氣類別、進氣壓力與溫度、顆粒大小與密度等因素的不同，顆粒速度波動于500-1000米/秒。工作氣的預(yù)熱，有利于顆粒速度的提升，又會使顆粒受熱，便于撞擊時變形，但氣體溫度明顯低于材料的熔點。這就是說，伴隨熔化所出現(xiàn)的氧化或相變不會發(fā)生。

4噴涂材料及噴涂特性

噴涂材料呈粉末態(tài)。最適宜噴涂的粉末是對溫度敏感、易相變、對氧敏感的一些材料。對溫度敏感的如非晶態(tài)類，易相變的如碳化物類，氧敏感材料如銅和鈦等。這些材料在冷噴時不受熱，即使散落的粉末也可收集再用。冷噴材料從低熔點的鋅到高熔點的鈦和鈮。

涂層的最大特點是含氧量很低，例如，噴涂銅的涂層與粉末的含氧量相同，噴涂過程不增氧，涂層的導(dǎo)電率可達(dá)純銅的90%，涂層致密與固態(tài)銅十分相近，能達(dá)到高真空元件要求。5冷噴涂實例

銅的冷噴：噴嘴進口處工作氣壓力為2.5Mpa，溫度380°C，銅粉為-25+5μm，噴涂距離20-50mm，工作氣加熱到800°C,增壓至3.5Mpa。噴咀喉頸直徑2.7mm，出口直徑8.6mm。采用N2為工作氣，N2流量為28-58米3/時，基體為鋁管，顆粒撞擊基體時的速度和溫度分別為370-630米/秒與60-120°C。

噴涂結(jié)果為：沉積效率60%左右，涂層厚度達(dá)5mm，粉末及涂層含氧量均為0.2%，涂層硬度HV0.3140-150,結(jié)合強度為35Mpa。

噴槍6應(yīng)用前景

對工件的熱負(fù)載達(dá)到最小，很低的熱輸出不會產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此，涂層厚度可達(dá)數(shù)毫米或更多。選用不同噴嘴，造成不同噴射界面，能形成一種自由結(jié)構(gòu)，例如，汽車制造業(yè)的發(fā)動機和底盤，可以自如的噴涂而無需進行任何后處理噴涂射流非常集中，只有數(shù)毫米，可靈活的噴涂任何復(fù)雜工件，也不許進行噴前遮蓋，噪音不大鈦涂層有一系列優(yōu)良性能，特別是它的抗腐蝕性。為了制取純鈦涂層，以往采用昂貴而又繁雜的低壓等離子噴涂，而冷噴鈦涂層則明顯占優(yōu)勢；同樣，銅涂層可以在電子行業(yè)顯其伸手?？梢灶A(yù)期，冷噴涂工藝將會使熱噴涂技術(shù)擴展新的應(yīng)用領(lǐng)域。

超音速微粒轟擊(SFPB)金屬材料表面納米化原理

超音速微粒轟擊技術(shù)是利用氣-固雙相流的基本原理以超音速氣流作為載體，攜帶硬質(zhì)固體微粒以極高的動能轟擊金屬表面，微粒數(shù)目十分巨大，并且重復(fù)轟擊，使金屬表面發(fā)生強烈塑性變形，晶粒細(xì)化直至納米量級。其過程大致如圖所示。超音速單個微粒轟擊金屬表面塑性形變示意圖當(dāng)單個具有很高動能的微粒轟擊到金屬表面時，轟擊部位發(fā)生輻射狀流變，當(dāng)轟擊力(P)超過金屬的屈服極限(σ0.2)時形成不可逆的永久性微凹坑，其下形成塑性變形層。金屬在臨界切應(yīng)力作用下，易滑移面(即原子密排面)之間產(chǎn)生滑移。其微觀機制則是由位錯運動來完成的。在彈塑性變形時位錯密度增加.超音速微粒轟擊的絕大部分動能轉(zhuǎn)變成熱能而耗散，小部分轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)應(yīng)力并促使位錯運動重排形成小角度晶界、亞晶界。多次重復(fù)這一過程使金屬材料表層納米化，由表及里，隨轟擊力的逐漸減弱，塑性變形程度相應(yīng)變小，晶粒納米化的尺寸相應(yīng)增大。超音速微粒轟擊金屬表面納米化層中存在一定的壓應(yīng)力，為一種亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)。2超音速微粒轟擊裝置超音速微粒轟擊金屬表面納米化裝置由4部分組成：超音速噴槍操作機械手載物臺參數(shù)監(jiān)測與自控系統(tǒng)，

超音速微粒轟擊的關(guān)鍵部件是噴槍，按拉瓦(Laval)噴嘴原理設(shè)計，氣流經(jīng)收縮段進入狹窄喉部到擴展段而獲得超音速(為300-1200m／s)。氣源采用壓縮空氣或其它高壓氣體，氣體分為兩路，一路通向送粉器，攜帶粉末進入噴槍；另一路接加熱器，而后進入噴槍。顆粒的速度采用激光測速儀和雙相流束攝像系統(tǒng)，如圖3所示。圖3中1—5為激光觀察，氣／固雙相流束的攝像系統(tǒng)，它可快速攝錄自噴嘴到工件的束流狀況，這對噴嘴的設(shè)計和噴涂制度制訂有實際與理論意義。圖3中6—16為噴射的粒子速度測量系統(tǒng)，圖3中17—21為另一種“軌道”法測量粒子速度的方法，兩者可共用一個高速攝像儀。激光觀察，氣／固雙相流束的攝像