焊接技師培訓(xùn)教材(噴涂)

熱噴涂1.噴涂技術(shù)的原理2.熱噴涂技術(shù)的分類及其特點3.熱噴涂材料4熱噴涂工藝流程和質(zhì)量控制5.熱噴涂方法6.噴涂工藝的選擇原則7.熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用8.熱噴涂的涂層質(zhì)量評定提綱1.熱噴涂原理利用熱能將噴涂材料熔化，再借助高速氣流將其霧化，并在高速氣流的帶動下粒子撞擊基材表面，冷凝后形成具有某種功能的涂層。一、噴涂技術(shù)的原理（1）噴涂材料被加熱到熔融狀態(tài)。（2）噴涂材料被霧化成微小熔滴并高速撞擊基體表面，撞擊基體的顆粒動能越大和沖擊變形越大，形成的涂層結(jié)合越好。（3）熔融的高速粒子在沖擊基材表面后發(fā)生變形，冷凝后形成涂層。2.涂層形成過程

涂層性能具有方向性，垂直和平行涂層方向上的性能不一致。涂層中伴有氧化物等夾雜，存在部分孔隙，孔隙率4％－20％。3.涂層結(jié)構(gòu)（1）

涂層是由無數(shù)變形粒子互相交錯堆疊在一起，形成一層堆積而成的層狀結(jié)構(gòu)。

涂層內(nèi)有一定比例的孔隙，產(chǎn)生原因是：（1）噴涂角度不同造成的遮蔽效應(yīng)；（2）涂層材料凝固收縮時形成的空隙?？紫秾⒔档屯繉拥挠捕?、耐磨性和耐蝕性。涂層內(nèi)的氧化夾雜物含量及涂層的致密度取決于加熱源、噴涂材料及噴涂工藝。

涂層結(jié)構(gòu)（2）

涂層冷凝收縮時，涂層外層的拉應(yīng)力、涂層內(nèi)層的壓應(yīng)力、組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的微觀應(yīng)力，結(jié)果使涂層產(chǎn)生殘余張應(yīng)力，應(yīng)力大小與涂層厚度成正比，當(dāng)張應(yīng)力超過涂層與基材之間結(jié)合強度時，涂層就會發(fā)生破壞。4.涂層應(yīng)力（1）

殘余應(yīng)力限制了涂層的厚度。減少涂層殘余應(yīng)力措施：（1）調(diào)整噴涂工藝參數(shù)；（2）致密涂層的殘余應(yīng)力要比疏松涂層大；（3）采用梯度過渡層緩和涂層內(nèi)應(yīng)力。涂層應(yīng)力（2）

包括涂層與基材之間、涂層中顆粒與顆粒之間的結(jié)合，結(jié)合形式有：（1）機械結(jié)合：撞成扁平狀的顆粒和凸凹不平的基材表面互相嵌合(即拋錨效應(yīng))而結(jié)合在一起。5.涂層的結(jié)合強度（1）（2）物理結(jié)合：熔融粒子的原子與基材表面原子之間距離達(dá)到晶格常數(shù)范圍時，產(chǎn)生范德華力，形成物理結(jié)合。（3）冶金-化學(xué)結(jié)合：熔融粒子撞擊基材表面時釋放出的能量使噴涂材料與基材之間發(fā)生局部擴散和焊合，形成冶金結(jié)合。如噴涂鎳包鋁復(fù)合粉末時的放熱反應(yīng)。熱噴涂的涂層與基材的結(jié)合主要以機械結(jié)合為主，結(jié)合強度較差(<70MPa)。涂層的結(jié)合強度（2）1.熱噴涂技術(shù)的分類按熱源分類，各噴涂方法的焰流溫度和粒子速度不同。二、熱噴涂技術(shù)的分類及其特點（1）可在各種基材上制備各種涂層；（2）基材溫度低（30～200℃），熱影響區(qū)淺，變形??；（3）涂層厚度范圍寬（0.5～5mm）；（4）操作靈活，可在不同尺寸和形狀的工件上噴涂；（5）加熱效率低，噴涂材料利用率低，（6）涂層與基體結(jié)合強度低。2.熱噴涂技術(shù)的特點1.噴涂材料的分類和要求熱噴涂按材料的形態(tài)分線材、棒材和粉末三大類。三、熱噴涂材料熱噴涂材料分類（金屬類）熱噴涂材料分類（非金屬類）（1）熱穩(wěn)定性好，在高溫焰流中不升華，不分解(復(fù)合粉末）。（2）有較寬的液相區(qū)，使熔滴在較長時間內(nèi)保持液相。（3）與基材有相近的熱膨脹系數(shù)，以防止因膨脹系數(shù)相差過大產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。（4）噴涂材料在熔融狀態(tài)下應(yīng)和基材有較好的浸潤性，以保證涂層與基材之間有良好的結(jié)合性能。1.熱噴涂材料的要求（1）要把實用性、工藝性和經(jīng)濟性結(jié)合起來考慮，盡量選擇合理的噴涂材料。（2）對于重要的部件以獲得最優(yōu)涂層性能為準(zhǔn)則；不十分重要的部件則以獲得最大的經(jīng)濟效益為準(zhǔn)則。（3）根據(jù)工件的工作環(huán)境選擇合適的工作涂層。（4）為滿足噴涂工件的使用要求，可采用復(fù)合涂層和梯度涂層。2.熱噴涂材料的選材原則

質(zhì)量控制要素（4M）：設(shè)備（Machine）、材料（Materials）、工藝（Methods）和人員（Man）。熱噴涂工藝流程包括基材表面預(yù)處理、熱噴涂、后處理和精加工等過程。四、熱噴涂工藝流程和質(zhì)量控制熱噴涂工藝流程（1）凈化處理：清除表面污垢。（2）粗化處理：提高涂層與基體之間的結(jié)合牢度。1.基材表面預(yù)處理

粗化處理可提高涂層結(jié)合強度的理由是：1）提供表面壓應(yīng)力；2）提供與涂層顆?；ユi機會；3）增大結(jié)合面積；4）凈化表面。1）表面噴砂，使其粗糙度為Ra3.2～12.5μm；粗化處理的方法（1）2）開槽；粗化處理的方法（2）粗化處理的方法（3）4）噴涂粘結(jié)底層。3）電火花拉毛；

封孔處理的目的：（1）防止或阻止涂層界面處的腐蝕；（2）在某些機械部件中防止液體和壓力的密封泄露；（3）防止污染或研磨碎屑碎片進(jìn)入涂層；（4）保持陶瓷涂層的絕緣強度。封孔處理是在噴涂之后、機加工之前進(jìn)行。2涂層的后處理（封孔處理）常用封孔劑1.火焰噴涂用氧－乙炔氣體作為加熱源，用燃?xì)饣蚨栊詨嚎s氣體霧化并加速噴涂材料，在基材表面沉積形成涂層?；鹧鎳娡堪ň€材火焰噴涂和粉末火焰噴涂。五、熱噴涂方法常用的火焰噴涂材料及用途線材火焰噴涂設(shè)備示意圖和噴涂槍。（1）線材火焰噴涂

線材火焰噴涂原理圖。（2）粉末火焰噴涂粉末火焰噴涂的基本原理和噴涂槍。（2）粉末火焰噴涂

工藝流程工件表面預(yù)處理→預(yù)熱→噴涂打底層→噴涂工作層→后處理。

a)預(yù)熱目的：1）去除工件表面的水分；2）提高工件表面與熔粒的接觸溫度；3）降低涂層冷卻速度，減小涂層內(nèi)應(yīng)力。預(yù)熱溫度一般控制在150～300℃為宜?？芍苯佑脟姌岊A(yù)熱?；鹧鎳娡抗に嚕?）b)噴涂需打底層時，可在噴涂工作層之前用鉬或放熱型的鎳包鋁、鋁包鎳粉末先噴涂一層厚度約0.10～0.15mm的打底層。嚴(yán)格控制噴涂材料的供給速度、噴涂距離（100～150mm）、每道涂層的厚度（0.1～0.15mm）、噴槍與工件的移動速度（7～18m／min）和層間溫度（<250℃）等?；鹧鎳娡抗に嚕?）c)噴后處理對防腐涂層應(yīng)進(jìn)行涂層后處理?；鹧鎳娡抗に嚕?）

電弧噴涂原理示意圖、設(shè)備和噴槍。

2.電弧噴涂1）熱效率高：電弧噴涂熱能利用率高達(dá)60％～70％。2）涂層密度（70～90％）比火焰噴涂涂層致密，結(jié)合強度比火焰噴涂高。

（1）電弧噴涂特點3）電弧噴涂可以利用兩根成分不同的金屬絲制備假合金涂層。4）由于電弧噴涂是兩絲同時送進(jìn)，所以噴涂效率高。5）火焰噴涂消耗的燃料費是電弧噴涂電費的幾十倍。電弧噴涂特點（2）

電弧噴涂主要工藝參數(shù)有：1）電弧電壓：取決于噴涂材料的熔點，一般不低于15～25V。2）電弧電流：電弧電流有自調(diào)節(jié)作用，調(diào)節(jié)電流可維持電弧的長度和穩(wěn)定性。3）送絲速度：取決于電參數(shù)和線材的性質(zhì)，決定了電弧噴涂速度。4）壓縮空氣壓力和流量：影響噴涂材料的霧化效果和熔粒的飛行速度，對涂層的質(zhì)量有很大的影響。5）噴涂距離應(yīng)控制在100～200mm，噴涂角不應(yīng)小于45°。（2）電弧噴涂工藝1）在鋼鐵構(gòu)件上噴涂鋅、鋁涂層，對構(gòu)件進(jìn)行長效防護。2）在鋼鐵件上噴鋁可防止高溫氧化。3）在鋼鐵件上噴不銹鋼或其它耐磨金屬，用于耐磨蝕防護。4）在機械零件上噴涂碳鋼、青銅等材料，用于修復(fù)零部件。5）在塑料制品上噴涂屏蔽涂層等。6）用電弧噴鋁或噴鋅生產(chǎn)復(fù)合鋼板。（3）電弧噴涂的用途

利用非轉(zhuǎn)移等離子弧作為熱源對噴涂材料進(jìn)行加熱、加速、涂敷。3等離子噴涂

等離子焰流溫度高、流速快，因此噴涂效率高、涂層致密、結(jié)合強度高、基材表面熱影響區(qū)小。

由等離子弧電源、電器控制、噴槍、氣源、送粉系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等組成。（1）等離子噴涂設(shè)備1）輸入功率和電參數(shù)：確保粉末熔化良好，防止出現(xiàn)生粉。2）等離子氣體的選擇：

氮氣：熱焓高，價格低廉，是等離子噴涂主要工作氣體。

氬氣：易于引弧，等離子弧穩(wěn)定，有很好的氣體保護作用。

氫氣：可作為輔助氣體起到提高熱焓和防氧化的作用。（2）等離子噴涂工藝（1）3）供粉速率：速率過大使熔化不良的粉粒增多，涂層組織疏松、氣孔率增大；速率過低則降低噴涂效率。4）噴涂距離和噴涂角：噴涂金屬粉末時噴距為75～130mm；噴涂陶瓷粉末時噴距為50～100mm。噴涂角度以90°為最佳。5）噴槍與工件的相對移動速度：移動速度快些為好，可防止一次噴涂過厚導(dǎo)致涂層內(nèi)應(yīng)力過大，還可避免局部過熱。等離子噴涂工藝（2）1）耐磨、減磨涂層；2）耐蝕涂層；3）抗高溫氧化、抗高溫氣流沖刷、熱障涂層；4）制造金屬、陶瓷類高熔點復(fù)合材料。（3）等離子噴涂的應(yīng)用

等離子弧焰流溫度高，適合噴涂高熔點材料。涂層密度可達(dá)85~98％，結(jié)合強度高達(dá)35～70Mpa，噴涂質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于火焰噴涂層。主要用于：

超音速火焰噴涂原理超音速火焰噴涂原理圖。4.超音速火焰噴涂1）焰流速度高但溫度相對較低，適合噴涂含碳化物材料。2）涂層致密（99.9％），表面粗糙度低。3）結(jié)合強度略低于爆炸噴涂，達(dá)70MPa以上。4）噴涂效率高，但燃料消耗大，噴涂成本比較高。；5）噪音大(>120dB)，需有隔音和防護裝置。（1）超音速噴涂的特點超音速噴涂的涂層質(zhì)量優(yōu)于等離子噴涂的涂層。（2）涂層性能及應(yīng)用各種熱噴涂方法比較1對涂層結(jié)合力要求不高，噴涂材料熔點<2500℃，可采用火焰噴涂。2對涂層性能要求較高，噴涂高熔點材料時，應(yīng)采用等離子噴涂。3工程量大的金屬噴涂施工最好采用電弧噴涂。4要求高結(jié)合力、低孔隙度的金屬、合金及以某些金屬陶瓷涂層可采用超音速火焰噴涂。5對于批量大的工件，宜采用自動噴涂。六、噴涂工藝的選擇原則1.噴涂耐腐蝕涂層(1)鋁、鋅及其合金涂層：鋅、鋁的腐蝕電極電位高于鐵，涂層有保護作用，可用于橋梁、鐵塔等大型部件的防腐處理(在鋅中加鋁可提高涂層的耐蝕性能，若鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％，則耐蝕性最佳)。(2)不銹鋼涂層：不銹鋼電極電位比鐵高，易在涂層孔隙處產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，所以噴涂后必須封孔處理。(3)塑料涂層：用于化工、食品等行業(yè)。七、熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用(1)用于耐磨的涂層：1)涂層硬度超過磨料硬度：如氧化鋁陶瓷涂層或鎳基、鈷基碳化鎢涂層。用于軋輥、螺旋送料器等部件。(2)用于修復(fù)的涂層：噴涂鐵基或鎳基耐磨合金涂層。2.噴涂耐磨涂層3噴涂耐高溫涂層(1)抗高溫氧化的涂層：如超音速火焰噴涂Cr2C3-NiCr涂層；用等離子噴涂氧化鋁陶瓷涂層。(2)熱障涂層：使金屬基體與高溫