熱噴涂教學(xué)講解課件

第五章熱噴涂技術(shù)

第五章熱噴涂技術(shù)

5.1概述熱噴涂技術(shù)以其方法的多樣性、涂層種類的廣泛性和良好的經(jīng)濟(jì)性在機(jī)械制造和設(shè)備維修中有廣闊的應(yīng)用前景。5.1概述熱噴涂技術(shù)以其方法的多樣性、涂層種類的廣泛性和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)過預(yù)處理的零件表面，從而形成涂層的表面加工技術(shù)。熱噴涂熱噴涂的發(fā)展種類與特點(diǎn)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)，熱噴涂的發(fā)展20世紀(jì)初：噴涂鋅、鋁等低熔點(diǎn)的金屬二戰(zhàn)期間：線材火焰噴涂用于零件的修復(fù)－》火焰粉末噴涂50年代：研制出自熔性合金粉末和放熱型復(fù)合粉末爆炸噴涂、等離子噴涂——陶瓷涂層、復(fù)合梯度涂層熱噴涂的發(fā)展20世紀(jì)初：噴涂鋅、鋁等低熔點(diǎn)的金屬熱噴涂技術(shù)的發(fā)展SulzerMetco公司熱噴涂設(shè)備、材料銷售和熱噴涂技術(shù)發(fā)展。熱噴涂技術(shù)的發(fā)展SulzerMetco公司熱噴涂設(shè)備、材熱噴涂種類及特點(diǎn)熱噴涂種類及特點(diǎn)1）定義：熱噴涂是利用一種熱源將噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)，并通過氣流吹動(dòng)使其霧化高速噴射到零件表面，以形成噴涂層的表面加工技術(shù)。

2）特點(diǎn)：噴涂層與基體之間，以及噴涂層中顆粒之間主要是通過鑲嵌，咬合、填塞這種機(jī)械形式連接，其次是微區(qū)冶金結(jié)合以及化學(xué)鍵結(jié)合。在自熔性合金粉末，尤其是放熱性自粘結(jié)復(fù)合粉末問世以后，出現(xiàn)了噴涂層與基體之間以及噴涂層顆粒之間的微區(qū)冶金結(jié)合的組織，使結(jié)合強(qiáng)度明顯提高。噴涂材料需要熱源加熱和噴涂層與零件基材之間主要是機(jī)械結(jié)合，這是熱噴涂技術(shù)最基本的特征。1）定義：熱噴涂是利用一種熱源將噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)，并

熱噴涂的分類，應(yīng)以熱源形式為主，在此基礎(chǔ)上必要時(shí)可再冠以噴涂材料的形態(tài)（粉材、絲材、棒材）、材料的性質(zhì)（金屬、非金屬）、能量級(jí)別（高能、高速）、噴涂環(huán)境（大氣、真空、負(fù)壓）等。熱噴涂可簡明分為四大類，火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂和特種噴涂。

熱噴涂的分類，應(yīng)以熱源形式為主，在此基礎(chǔ)上必要熱噴涂的主要應(yīng)用特性與其他表面工程技術(shù)相比，熱噴涂在實(shí)用性方面有以下方面的特點(diǎn)：

（1）

熱噴涂的種類：熱噴涂細(xì)分有十幾種，根據(jù)工件的要求

在應(yīng)用時(shí)有較大的選擇余地。（2）涂層的功能多：適用于熱噴涂的材料有金屬及其合金、陶

瓷、塑料及它們的復(fù)合材料。

（3）使用熱噴涂的零件范圍寬。

（4）設(shè)備簡單、生產(chǎn)率高。（5）操作環(huán)境較差，需加以防護(hù)。熱噴涂的主要應(yīng)用特性與其他表面工程技術(shù)相比，熱噴涂在實(shí)用性

熱噴涂的一般原理

噴涂材料在熱源中被加熱的過程和顆粒與基體表面結(jié)合的過程是熱噴涂制備涂層的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。盡管熱噴涂的具體方法很多，且各具特點(diǎn)，但無論哪種方法，其噴涂過程、涂層形成原理和涂層結(jié)構(gòu)基本相同。從噴涂材料進(jìn)入熱源到形成涂層，噴涂過程一般經(jīng)歷四個(gè)階段：（1）噴涂材料的加熱、熔化：對(duì)于線材，當(dāng)端部進(jìn)入熱源高溫區(qū)域時(shí)，全部被加熱熔化；對(duì)于粉末，進(jìn)入熱源高溫區(qū)域，在行進(jìn)的過程中被加熱熔化或軟化。

（2）熔化的噴涂材料被霧化：現(xiàn)材端部熔化形成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并成微小熔滴向前噴射，粉末一般不存在熔粒破碎和霧化的過程，而是被氣流成熱源射流推著向前噴射。熱噴涂的一般原理噴涂材料在熱源中被加熱的過（3）熔融或軟化的微細(xì)顆粒的噴射飛行：在飛行過程中，顆粒首先被加速形成粒子流，隨著飛行距離增加，粒子運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小。

（4）粒子在基材表面發(fā)生碰撞、變形、凝固和堆集：當(dāng)具有一定溫度和速度的微細(xì)顆粒與基材表面接觸時(shí)，顆粒與基體表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞，顆粒的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能并部分傳遞給基材，同時(shí)微細(xì)顆粒沿凹凸不平表面產(chǎn)生變形，變形的顆粒迅速冷凝并產(chǎn)生收縮，扁平狀黏結(jié)在基材表面。噴涂的粒子束仍需不斷地運(yùn)動(dòng)并沖擊表面，產(chǎn)生碰撞-變形-冷凝收縮的過程，變形的顆粒與基材表面之間，以及顆粒與顆粒之間互相黏結(jié)在一起，從而形成涂層。（3）熔融或軟化的微細(xì)顆粒的噴射飛行：在飛行過程中，顆粒首先涂層形成過程示意圖如下：

沖擊碰撞變形凝固-收縮圖1涂層形成過程示意圖涂層形成過程示意圖如下：沖擊碰撞變形凝固-收縮圖1熱噴涂原理示意圖熱噴涂原理示意圖涂層形成示意圖涂層形成示意圖涂層的結(jié)構(gòu)涂層結(jié)構(gòu)示意圖涂層的結(jié)構(gòu)涂層結(jié)構(gòu)示意圖涂層的形成過程表明，涂層是由無數(shù)變形粒子互相交錯(cuò)呈波浪式堆疊在一起而形成的層狀組織結(jié)構(gòu)。

在噴涂過程中由于熔融的顆粒在熔化、軟化、加速及飛行及基材表面接觸過程中與周圍截至發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，使得噴涂材料經(jīng)噴涂后會(huì)出現(xiàn)氧化物，而且，由于顆粒的陸續(xù)堆疊和部分顆粒的反彈散失，在顆粒之間不可避免地存在一部分孔隙式空洞。因此，噴涂層是由變形顆粒，氣孔和氧化物所組成。涂層的形成過程表明，涂層是由無數(shù)變形粒子互相交錯(cuò)呈波浪式堆疊涂層的結(jié)合1）機(jī)械結(jié)合。撞成扁平狀并隨基材表面起伏的顆粒，由于凹凸不平的表面互相嵌合（即緊縮效應(yīng)），形成機(jī)械的鍵而結(jié)合。

2）冶金-化學(xué)結(jié)合，這是當(dāng)涂層和基材表面出現(xiàn)擴(kuò)散和微區(qū)合金化時(shí)的一種結(jié)合類型。包括在結(jié)合面上生成金屬間化合物或固溶體。

3）

物理結(jié)合。顆粒對(duì)基材表面的結(jié)合，是由范德華力或價(jià)鍵形成的結(jié)合。涂層的結(jié)合1）機(jī)械結(jié)合。撞成扁平狀并隨基材表面起伏的顆粒，

幾種常用的熱噴涂技術(shù)及常用表面工程技術(shù)的比較見表1

等離子噴涂法火焰噴涂電弧噴涂法爆炸噴涂法熔粒速度/(m/s)4001502001500溫度值12000300050004000典型涂層孔隙率（％）1～1010～1510～151～2典型結(jié)合強(qiáng)度/MPa30～705～1010～2080～100

優(yōu)點(diǎn)孔隙率低，結(jié)合性好，多用途，基材溫度低，污染低設(shè)備簡單，工藝靈活成本低，效率高，污染低，基材溫度低孔隙率非常低，結(jié)合性好，基材溫度低

缺點(diǎn)成本較高孔隙率高，結(jié)合性差，對(duì)工件要預(yù)熱只應(yīng)用于導(dǎo)電噴涂材料，通?？紫堵瘦^高成本高，效率低幾種常用的熱噴涂技術(shù)及常5.3待噴涂表面的制備熱噴涂的基本工藝流程圖如圖2所示

工件表面制備表面凈化表面預(yù)加工表面粗化預(yù)熱噴涂底層噴涂工作層噴后處理機(jī)械加工封空?qǐng)D2熱噴涂的基本工藝流程圖5.3待噴涂表面的制備熱噴涂的基本工藝流程圖如圖2所示

1）表面凈化

噴涂前，首先須將待噴涂表面凈化，徹底清除附著在表面的油污、油漆、氧化物等，顯露出新鮮的金屬表面。

2）表面預(yù)加工

表面預(yù)加工的主要目的是預(yù)留一定的噴涂層厚度。

3）表面粗化

表面粗化處理與清洗過程同樣重要。工件表面經(jīng)過粗化處理后，可以增大工件表面的活性和增大噴涂層的接觸面積，在有些情況（如噴砂）還可以使工件產(chǎn)生表面壓應(yīng)力，有助于增強(qiáng)工件的抗疲勞性能。

最常用的表面粗化方法是噴砂，噴砂材料有多角冷凝鑄鐵砂（適用于硬度為HRC50左右的工件表面）、剛玉砂（Al2O3、適用于硬度值為HRC40左右的工件表面）和石英砂（SiO2適用于硬度值為HRC30左右的工件表面）等。

另一種表面粗化方法是機(jī)械加工粗化法，包括車螺紋，或磨削、滾花等。

1）表面凈化噴涂前，首先須將待噴涂表面凈化，徹底4）預(yù)熱1）機(jī)械加工：調(diào)整尺寸。2）封空：封閉涂層的空隙，提高表面性能。有時(shí)不需要封空。

噴涂結(jié)合底層可以提高工作層與工件之間的結(jié)合強(qiáng)度。在工件較薄，噴砂時(shí)容易產(chǎn)生變形的情況下，特別適合于采用預(yù)先噴涂結(jié)合底層的辦法。厚度0.05~0.10mm。

提高表面結(jié)合強(qiáng)度。5）噴涂結(jié)合底層6）噴涂工作層7）噴涂后處理4）預(yù)熱1）機(jī)械加工：調(diào)整尺寸。噴涂結(jié)合底層5.5電弧噴涂技術(shù)

電弧噴涂技術(shù)由于其設(shè)備、材料的發(fā)展與更新。使它成為目前熱噴涂技術(shù)中最受重視的技術(shù)之一。

5.5.1原理

電弧噴涂是以電弧為熱源，將金屬絲熔化并用氣流霧化，使熔融粒子高速噴到工件表面形成涂層的一種工藝。圖4－4是電弧噴涂原理示意圖。

噴涂時(shí)，兩根絲狀金屬噴涂材料用送絲裝置通過送絲輪均勻、連續(xù)地分別送進(jìn)電弧噴涂槍中的導(dǎo)電嘴內(nèi)，導(dǎo)電嘴分別接電源的正極，負(fù)極，并保證兩根絲之間在未接觸之前的可靠絕緣，當(dāng)兩金屬絲材端部由于送進(jìn)而互相接觸時(shí)，在端部之間短路并產(chǎn)生電弧，使絲材端部瞬間熔化，壓縮空氣把熔融金屬霧化成微熔滴，以很高的速度噴射到工件表面，形成電弧噴涂層。5.5電弧噴涂技術(shù)電弧噴涂技術(shù)由于其設(shè)備、工件涂層送絲輪電弧送絲動(dòng)力絲盤壓縮空氣直流電源30V電流300A電源圖3電弧噴涂原理示意圖工件涂層送絲輪電弧送絲動(dòng)力絲盤壓縮空氣直流電源30V電5.5.2電弧噴涂技術(shù)的特點(diǎn)1）應(yīng)用電弧噴涂技術(shù)，可以在不提高工件溫度、不使用貴重底層材料的情況下獲得很高的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)20Mpa。電弧噴涂層的結(jié)合強(qiáng)度是火焰噴涂層的2.5倍。2）電弧噴涂的高效率表現(xiàn)在單位時(shí)間內(nèi)噴涂金屬的重量大。電弧噴涂的生產(chǎn)效率正比于電弧電流。比火焰噴涂提高2～6倍。3）電弧噴涂的節(jié)能效果十分突出，能源利用率顯著高于其他噴涂方法，而能源費(fèi)用降低50％以上。除它的能源利用率很高外，加之電能的價(jià)格又遠(yuǎn)低于氧氣和乙炔，其費(fèi)用通常僅為火焰噴涂的1/10。4）電弧噴涂技術(shù)僅使用電和壓縮空氣，不用氧氣、乙炔等易燃?xì)怏w，安全性高。

5.5.2電弧噴涂技術(shù)的特點(diǎn)1）應(yīng)用電弧噴涂技術(shù)，可以在不5.5.3電弧噴涂材料1）鋅及鋅合金

鋅為銀白色金屬。在大氣中或水中具有良好的耐腐蝕性，并對(duì)鋼鐵基材有電化學(xué)保護(hù)作用。而在酸、堿、鹽中不耐腐蝕，當(dāng)水中含有二氧化硫時(shí)，它的耐腐蝕性能很差。2）鋁及鋁合金

鋁用作防腐蝕噴涂層時(shí)，作用與鋅相似。它與鋅相比，比重輕，價(jià)格低廉，在含有二氧化硫的氣體中耐腐蝕效果比較好。在鋁及鋁合金加入稀土不僅提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度而且降低孔隙率。鋁還可以用作耐熱噴涂層。鋁噴涂層已廣泛用于貯水容器。硫磺氣體包圍中的鋼鐵構(gòu)件、食品貯存器。燃燒室、船體、和閘門等。5.5.3電弧噴涂材料1）鋅及鋅合金鋅為3）銅及銅合金

純銅貯運(yùn)愛用作電器開關(guān)和電子元件的導(dǎo)電噴涂層及人像、工藝品、水泥等建筑表面的裝飾噴涂層。黃銅廣泛應(yīng)用于修復(fù)磨損及加工超差的零件，修補(bǔ)有鑄造砂眼、氣孔的黃銅件，也可以為裝飾噴涂層使用。

鋁青銅涂層的結(jié)合強(qiáng)度高，抗海水腐蝕能力強(qiáng)，并具有很好的耐腐蝕疲勞和耐磨性。

4）鎳及鎳合金

鎳合金中用作噴涂材料的主要為鎳鉻合金，這類合金具有非常好的抗高溫氧化性能，可在880℃高溫下使用，是目前應(yīng)用很廣的熱阻材料。

3）銅及銅合金純銅貯運(yùn)愛用作電器開關(guān)和電子元件5）鉬

鉬在噴涂中常作為結(jié)合底層材料使用，還可以用作摩擦表面的減摩工作涂層，如活塞環(huán)、剎車片、鋁合金氣缸等。

6）碳鋼和低合金鋼

碳鋼和低合金鋼是廣泛應(yīng)用的電弧噴涂材料。它具有強(qiáng)度較高、耐磨性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

7）粉芯焊絲

國內(nèi)外已采用粉芯絲材作為電弧噴涂材料，我國已應(yīng)用3Cr13、4Cr13、7Cr13等粉芯絲材做為耐磨噴涂材料，并且具有良好的抗高溫穩(wěn)定性。5）鉬鉬在噴涂中常作為結(jié)合底層材料使用，28ByJingLiangSchoolofMaterialsandMetallurgy

熱噴涂材料的分類按形狀粉末材料棒材絲材帶材復(fù)合型粉末非復(fù)合型粉末填充芯復(fù)合絲材拉拔復(fù)合絲材拉拔絲材按種類金屬及合金其他塑料及有機(jī)物陶瓷金屬陶瓷其他金屬及合金銅基合金鐵及合金鈷基合金鋅基合金鎳基合金金屬+石墨原子合金+玻璃合金+硼化物合金+氮化物合金+碳化物氧化物磷化物硼化物氮化物碳化物有機(jī)涂料金屬塑料熱塑型塑料熱固型塑料其他非金屬材料玻璃軸料28電弧噴涂ArcWireSprayedHighChromiumHighCarbonIronCoatingArcWireSprayedNickelAluminiumAlloyCoating電弧噴涂ArcWireSprayedHighChro長江三峽的挖泥船在施工中由于潤滑系統(tǒng)缺油而導(dǎo)致第三連桿軸頸嚴(yán)重拉傷，被迫停機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)屬于大馬力中速柴油機(jī)，要求曲軸軸頸修復(fù)層具有良好的耐磨性，較高的結(jié)合強(qiáng)度和硬度，并能承受低沖擊負(fù)荷和有較高的抗疲勞性能。通過綜合評(píng)估各種方案，采用電弧噴涂曲軸工藝。電弧噴涂實(shí)例

--大功率發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸修復(fù)

長江三峽的挖泥船在施工中由于潤滑系統(tǒng)缺油而導(dǎo)致第三連桿軸表面預(yù)處理：

表面預(yù)處理包括表面除油與表面粗化，首先將噴涂部位及周圍表面的油徹底清洗干凈，然后用特制的加長刀桿車刀，車去軸頸表面疲勞層0.25mm，最后再用60°螺紋刀在軸頸表面車出螺紋。

電弧噴涂金屬涂層：電弧噴涂涂層的構(gòu)成：軸頸表面處理后的尺寸為Φ192mm要求的基本尺寸為195mm，所以應(yīng)當(dāng)噴涂至Φ199mm；

軸材料牌號(hào)為KSPF55，相當(dāng)于35號(hào)鍛鋼，因此，選用鋁青銅噴涂底層，3Cr13作為噴涂尺寸層及工作層。絲材直徑Φ3mm。電弧噴涂工藝參數(shù)：噴涂電壓40V，噴涂鋁青銅電流100A，噴涂3Cr13時(shí)電流400A，空氣壓力0.70Mpa，噴槍距工件表面約200～500mm。曲軸在C650車床上慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，噴槍沿軸頸法線方向噴射，并沿軸線方向輕輕擺動(dòng)。電弧噴涂曲軸修復(fù)

表面預(yù)處理：電弧噴涂金屬涂層：電弧噴涂曲軸修復(fù)噴涂層的機(jī)械加工用專用車刀車削加工，留下0.8mm磨削余量，然后安裝在曲軸磨床上磨至標(biāo)準(zhǔn)尺寸Φ195mm。

噴涂質(zhì)量檢驗(yàn)經(jīng)檢驗(yàn)，軸頸表面涂層致密，無氣孔，無砂眼，無起皮，表面粗糙度達(dá)Ra0.8μm（相當(dāng)于光潔度▽8），現(xiàn)場噴涂的試片，用捶擊法檢驗(yàn)，無裂紋，無起皮，說明結(jié)合良好。作用效果與經(jīng)濟(jì)效益

曲軸檢驗(yàn)合格后裝機(jī)試車，先空轉(zhuǎn)24小時(shí)，然后加載運(yùn)轉(zhuǎn)，在運(yùn)轉(zhuǎn)10天、一個(gè)月、3個(gè)月時(shí)進(jìn)行分解檢驗(yàn)，噴涂層表面光潔、致密、無剝坑、無起皮、磨損甚微。該曲軸修好至今已正常工作三年，完好無損，該船現(xiàn)每天24小時(shí)連續(xù)工作，每小時(shí)挖泥720m3，已充分發(fā)揮了技術(shù)性能。購買新軸，訂購價(jià)1400萬日元（出廠價(jià)），加上運(yùn)費(fèi)，海關(guān)稅等約需人民幣120多萬元，從訂購到交貨需三月以上，其停產(chǎn)損失更為可觀，而用弧噴涂技術(shù)修理該軸，各種費(fèi)用總合3.5萬元，不足曲軸價(jià)格的3％。噴涂層的機(jī)械加工噴涂質(zhì)量檢驗(yàn)作用效果與經(jīng)濟(jì)效益購買新軸，訂5.6等離子弧噴涂等離子弧噴涂裝置SchematicofPlasmaSprayingSystem5.6等離子弧噴涂等離子弧噴涂裝置Schematicof等離子弧噴涂PlasmaSprayProcess等離子弧噴涂PlasmaSprayProcess等離子弧噴涂PlasmaSprayCoarse80/20NiCr

PowderPlasmaSprayFine80/20NiCr

Powder等離子弧噴涂PlasmaSprayCoarse80/2火焰線材噴涂5.7火焰噴涂火焰線材噴涂5.7火焰噴涂火焰線材噴涂火焰線材噴涂實(shí)際工作情況火焰線材噴槍實(shí)圖火焰線材噴涂火焰線材噴涂實(shí)際工作情況火焰線材噴槍實(shí)圖38ByJingLiangSchoolofMaterialsandMetallurgy

火焰線材噴涂層

CombustionWireSprayed13CrSteelCoatingCombustionWireSprayedMolybdenumCoatingCombustionWireSprayedNickelCoating38粉末火焰噴涂粉末氣體火焰噴涂裝置SchematicofFlameSprayingSystem粉末火焰噴涂粉末氣體火焰噴涂裝置SchematicofF粉末火焰噴涂PowderFlameSprayingandLVOF粉末火焰噴涂PowderFlameSprayingan熱噴涂工藝參數(shù)的影響CombustionSprayCoarse80/20NiCr

PowderCombustionSprayFine80/20NiCr

Powder熱噴涂工藝參數(shù)的影響CombustionSprayCoa高速氧焰噴涂高速氧焰噴涂裝置SchematicofHighVelocityOxygenFuel(HVOF)SprayingSystem高速氧焰噴涂高速氧焰噴涂裝置SchematicofHig高速氧焰噴涂HVOFPROCESS高速氧焰噴涂HVOFPROCESS高速氧焰噴涂HVOFSprayTungstenCarbide/17%CobaltCoating

HVOFsprayedChromiumCarbide/NickelChromiumCoatingonCastIronSubstrate高速氧焰噴涂HVOFSprayTungstenCarb熱噴涂的應(yīng)用領(lǐng)域熱噴涂的應(yīng)用熱噴涂的應(yīng)用領(lǐng)域熱噴涂的應(yīng)用熱噴涂的應(yīng)用領(lǐng)域熱噴涂技術(shù)各工藝方法現(xiàn)狀熱噴涂的應(yīng)用領(lǐng)域熱噴涂技術(shù)各工藝方法現(xiàn)狀SchoolofMaterialsandMetallurgy

熱噴涂在汽車工業(yè)應(yīng)用SchoolofMaterialsandMetall熱噴涂在航空工業(yè)的應(yīng)用Trent700forA330EJ200forEurofighter熱噴涂在航空工業(yè)的應(yīng)用Trent700forA330E49ByJingLiangSchoolofMaterialsandMetallurgy

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中采用熱噴涂技術(shù)的零件示意剖面圖49熱噴涂實(shí)例圖1.飛機(jī)起落架噴涂圖2.飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片高速燃?xì)鈬娡拷Y(jié)合層圖3.發(fā)動(dòng)機(jī)殼體噴涂可磨耗涂層熱噴涂實(shí)例圖1.飛機(jī)起落架噴涂圖2.飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片高速燃?xì)怆娀娡苛Ｗ屿F化模型電弧噴涂粒子霧化模型

第五章熱噴涂技術(shù)

第五章熱噴涂技術(shù)

5.1概述熱噴涂技術(shù)以其方法的多樣性、涂層種類的廣泛性和良好的經(jīng)濟(jì)性在機(jī)械制造和設(shè)備維修中有廣闊的應(yīng)用前景。5.1概述熱噴涂技術(shù)以其方法的多樣性、涂層種類的廣泛性和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)過預(yù)處理的零件表面，從而形成涂層的表面加工技術(shù)。熱噴涂熱噴涂的發(fā)展種類與特點(diǎn)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)，熱噴涂的發(fā)展20世紀(jì)初：噴涂鋅、鋁等低熔點(diǎn)的金屬二戰(zhàn)期間：線材火焰噴涂用于零件的修復(fù)－》火焰粉末噴涂50年代：研制出自熔性合金粉末和放熱型復(fù)合粉末爆炸噴涂、等離子噴涂——陶瓷涂層、復(fù)合梯度涂層熱噴涂的發(fā)展20世紀(jì)初：噴涂鋅、鋁等低熔點(diǎn)的金屬熱噴涂技術(shù)的發(fā)展SulzerMetco公司熱噴涂設(shè)備、材料銷售和熱噴涂技術(shù)發(fā)展。熱噴涂技術(shù)的發(fā)展SulzerMetco公司熱噴涂設(shè)備、材熱噴涂種類及特點(diǎn)熱噴涂種類及特點(diǎn)1）定義：熱噴涂是利用一種熱源將噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)，并通過氣流吹動(dòng)使其霧化高速噴射到零件表面，以形成噴涂層的表面加工技術(shù)。

2）特點(diǎn)：噴涂層與基體之間，以及噴涂層中顆粒之間主要是通過鑲嵌，咬合、填塞這種機(jī)械形式連接，其次是微區(qū)冶金結(jié)合以及化學(xué)鍵結(jié)合。在自熔性合金粉末，尤其是放熱性自粘結(jié)復(fù)合粉末問世以后，出現(xiàn)了噴涂層與基體之間以及噴涂層顆粒之間的微區(qū)冶金結(jié)合的組織，使結(jié)合強(qiáng)度明顯提高。噴涂材料需要熱源加熱和噴涂層與零件基材之間主要是機(jī)械結(jié)合，這是熱噴涂技術(shù)最基本的特征。1）定義：熱噴涂是利用一種熱源將噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)，并

熱噴涂的分類，應(yīng)以熱源形式為主，在此基礎(chǔ)上必要時(shí)可再冠以噴涂材料的形態(tài)（粉材、絲材、棒材）、材料的性質(zhì)（金屬、非金屬）、能量級(jí)別（高能、高速）、噴涂環(huán)境（大氣、真空、負(fù)壓）等。熱噴涂可簡明分為四大類，火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂和特種噴涂。

熱噴涂的分類，應(yīng)以熱源形式為主，在此基礎(chǔ)上必要熱噴涂的主要應(yīng)用特性與其他表面工程技術(shù)相比，熱噴涂在實(shí)用性方面有以下方面的特點(diǎn)：

（1）

熱噴涂的種類：熱噴涂細(xì)分有十幾種，根據(jù)工件的要求

在應(yīng)用時(shí)有較大的選擇余地。（2）涂層的功能多：適用于熱噴涂的材料有金屬及其合金、陶

瓷、塑料及它們的復(fù)合材料。

（3）使用熱噴涂的零件范圍寬。

（4）設(shè)備簡單、生產(chǎn)率高。（5）操作環(huán)境較差，需加以防護(hù)。熱噴涂的主要應(yīng)用特性與其他表面工程技術(shù)相比，熱噴涂在實(shí)用性

熱噴涂的一般原理

噴涂材料在熱源中被加熱的過程和顆粒與基體表面結(jié)合的過程是熱噴涂制備涂層的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。盡管熱噴涂的具體方法很多，且各具特點(diǎn)，但無論哪種方法，其噴涂過程、涂層形成原理和涂層結(jié)構(gòu)基本相同。從噴涂材料進(jìn)入熱源到形成涂層，噴涂過程一般經(jīng)歷四個(gè)階段：（1）噴涂材料的加熱、熔化：對(duì)于線材，當(dāng)端部進(jìn)入熱源高溫區(qū)域時(shí)，全部被加熱熔化；對(duì)于粉末，進(jìn)入熱源高溫區(qū)域，在行進(jìn)的過程中被加熱熔化或軟化。

（2）熔化的噴涂材料被霧化：現(xiàn)材端部熔化形成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并成微小熔滴向前噴射，粉末一般不存在熔粒破碎和霧化的過程，而是被氣流成熱源射流推著向前噴射。熱噴涂的一般原理噴涂材料在熱源中被加熱的過（3）熔融或軟化的微細(xì)顆粒的噴射飛行：在飛行過程中，顆粒首先被加速形成粒子流，隨著飛行距離增加，粒子運(yùn)動(dòng)速度逐漸減小。

（4）粒子在基材表面發(fā)生碰撞、變形、凝固和堆集：當(dāng)具有一定溫度和速度的微細(xì)顆粒與基材表面接觸時(shí)，顆粒與基體表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞，顆粒的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能并部分傳遞給基材，同時(shí)微細(xì)顆粒沿凹凸不平表面產(chǎn)生變形，變形的顆粒迅速冷凝并產(chǎn)生收縮，扁平狀黏結(jié)在基材表面。噴涂的粒子束仍需不斷地運(yùn)動(dòng)并沖擊表面，產(chǎn)生碰撞-變形-冷凝收縮的過程，變形的顆粒與基材表面之間，以及顆粒與顆粒之間互相黏結(jié)在一起，從而形成涂層。（3）熔融或軟化的微細(xì)顆粒的噴射飛行：在飛行過程中，顆粒首先涂層形成過程示意圖如下：

沖擊碰撞變形凝固-收縮圖1涂層形成過程示意圖涂層形成過程示意圖如下：沖擊碰撞變形凝固-收縮圖1熱噴涂原理示意圖熱噴涂原理示意圖涂層形成示意圖涂層形成示意圖涂層的結(jié)構(gòu)涂層結(jié)構(gòu)示意圖涂層的結(jié)構(gòu)涂層結(jié)構(gòu)示意圖涂層的形成過程表明，涂層是由無數(shù)變形粒子互相交錯(cuò)呈波浪式堆疊在一起而形成的層狀組織結(jié)構(gòu)。

在噴涂過程中由于熔融的顆粒在熔化、軟化、加速及飛行及基材表面接觸過程中與周圍截至發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，使得噴涂材料經(jīng)噴涂后會(huì)出現(xiàn)氧化物，而且，由于顆粒的陸續(xù)堆疊和部分顆粒的反彈散失，在顆粒之間不可避免地存在一部分孔隙式空洞。因此，噴涂層是由變形顆粒，氣孔和氧化物所組成。涂層的形成過程表明，涂層是由無數(shù)變形粒子互相交錯(cuò)呈波浪式堆疊涂層的結(jié)合1）機(jī)械結(jié)合。撞成扁平狀并隨基材表面起伏的顆粒，由于凹凸不平的表面互相嵌合（即緊縮效應(yīng)），形成機(jī)械的鍵而結(jié)合。

2）冶金-化學(xué)結(jié)合，這是當(dāng)涂層和基材表面出現(xiàn)擴(kuò)散和微區(qū)合金化時(shí)的一種結(jié)合類型。包括在結(jié)合面上生成金屬間化合物或固溶體。

3）

物理結(jié)合。顆粒對(duì)基材表面的結(jié)合，是由范德華力或價(jià)鍵形成的結(jié)合。涂層的結(jié)合1）機(jī)械結(jié)合。撞成扁平狀并隨基材表面起伏的顆粒，

幾種常用的熱噴涂技術(shù)及常用表面工程技術(shù)的比較見表1

等離子噴涂法火焰噴涂電弧噴涂法爆炸噴涂法熔粒速度/(m/s)4001502001500溫度值12000300050004000典型涂層孔隙率（％）1～1010～1510～151～2典型結(jié)合強(qiáng)度/MPa30～705～1010～2080～100

優(yōu)點(diǎn)孔隙率低，結(jié)合性好，多用途，基材溫度低，污染低設(shè)備簡單，工藝靈活成本低，效率高，污染低，基材溫度低孔隙率非常低，結(jié)合性好，基材溫度低

缺點(diǎn)成本較高孔隙率高，結(jié)合性差，對(duì)工件要預(yù)熱只應(yīng)用于導(dǎo)電噴涂材料，通常孔隙率較高成本高，效率低幾種常用的熱噴涂技術(shù)及常5.3待噴涂表面的制備熱噴涂的基本工藝流程圖如圖2所示

工件表面制備表面凈化表面預(yù)加工表面粗化預(yù)熱噴涂底層噴涂工作層噴后處理機(jī)械加工封空?qǐng)D2熱噴涂的基本工藝流程圖5.3待噴涂表面的制備熱噴涂的基本工藝流程圖如圖2所示

1）表面凈化

噴涂前，首先須將待噴涂表面凈化，徹底清除附著在表面的油污、油漆、氧化物等，顯露出新鮮的金屬表面。

2）表面預(yù)加工

表面預(yù)加工的主要目的是預(yù)留一定的噴涂層厚度。

3）表面粗化

表面粗化處理與清洗過程同樣重要。工件表面經(jīng)過粗化處理后，可以增大工件表面的活性和增大噴涂層的接觸面積，在有些情況（如噴砂）還可以使工件產(chǎn)生表面壓應(yīng)力，有助于增強(qiáng)工件的抗疲勞性能。

最常用的表面粗化方法是噴砂，噴砂材料有多角冷凝鑄鐵砂（適用于硬度為HRC50左右的工件表面）、剛玉砂（Al2O3、適用于硬度值為HRC40左右的工件表面）和石英砂（SiO2適用于硬度值為HRC30左右的工件表面）等。

另一種表面粗化方法是機(jī)械加工粗化法，包括車螺紋，或磨削、滾花等。

1）表面凈化噴涂前，首先須將待噴涂表面凈化，徹底4）預(yù)熱1）機(jī)械加工：調(diào)整尺寸。2）封空：封閉涂層的空隙，提高表面性能。有時(shí)不需要封空。

噴涂結(jié)合底層可以提高工作層與工件之間的結(jié)合強(qiáng)度。在工件較薄，噴砂時(shí)容易產(chǎn)生變形的情況下，特別適合于采用預(yù)先噴涂結(jié)合底層的辦法。厚度0.05~0.10mm。

提高表面結(jié)合強(qiáng)度。5）噴涂結(jié)合底層6）噴涂工作層7）噴涂后處理4）預(yù)熱1）機(jī)械加工：調(diào)整尺寸。噴涂結(jié)合底層5.5電弧噴涂技術(shù)

電弧噴涂技術(shù)由于其設(shè)備、材料的發(fā)展與更新。使它成為目前熱噴涂技術(shù)中最受重視的技術(shù)之一。

5.5.1原理

電弧噴涂是以電弧為熱源，將金屬絲熔化并用氣流霧化，使熔融粒子高速噴到工件表面形成涂層的一種工藝。圖4－4是電弧噴涂原理示意圖。

噴涂時(shí)，兩根絲狀金屬噴涂材料用送絲裝置通過送絲輪均勻、連續(xù)地分別送進(jìn)電弧噴涂槍中的導(dǎo)電嘴內(nèi)，導(dǎo)電嘴分別接電源的正極，負(fù)極，并保證兩根絲之間在未接觸之前的可靠絕緣，當(dāng)兩金屬絲材端部由于送進(jìn)而互相接觸時(shí)，在端部之間短路并產(chǎn)生電弧，使絲材端部瞬間熔化，壓縮空氣把熔融金屬霧化成微熔滴，以很高的速度噴射到工件表面，形成電弧噴涂層。5.5電弧噴涂技術(shù)電弧噴涂技術(shù)由于其設(shè)備、工件涂層送絲輪電弧送絲動(dòng)力絲盤壓縮空氣直流電源30V電流300A電源圖3電弧噴涂原理示意圖工件涂層送絲輪電弧送絲動(dòng)力絲盤壓縮空氣直流電源30V電5.5.2電弧噴涂技術(shù)的特點(diǎn)1）應(yīng)用電弧噴涂技術(shù)，可以在不提高工件溫度、不使用貴重底層材料的情況下獲得很高的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)20Mpa。電弧噴涂層的結(jié)合強(qiáng)度是火焰噴涂層的2.5倍。2）電弧噴涂的高效率表現(xiàn)在單位時(shí)間內(nèi)噴涂金屬的重量大。電弧噴涂的生產(chǎn)效率正比于電弧電流。比火焰噴涂提高2～6倍。3）電弧噴涂的節(jié)能效果十分突出，能源利用率顯著高于其他噴涂方法，而能源費(fèi)用降低50％以上。除它的能源利用率很高外，加之電能的價(jià)格又遠(yuǎn)低于氧氣和乙炔，其費(fèi)用通常僅為火焰噴涂的1/10。4）電弧噴涂技術(shù)僅使用電和壓縮空氣，不用氧氣、乙炔等易燃?xì)怏w，安全性高。

5.5.2電弧噴涂技術(shù)的特點(diǎn)1）應(yīng)用電弧噴涂技術(shù)，可以在不5.5.3電弧噴涂材料1）鋅及鋅合金

鋅為銀白色金屬。在大氣中或水中具有良好的耐腐蝕性，并對(duì)鋼鐵基材有電化學(xué)保護(hù)作用。而在酸、堿、鹽中不耐腐蝕，當(dāng)水中含有二氧化硫時(shí)，它的耐腐蝕性能很差。2）鋁及鋁合金

鋁用作防腐蝕噴涂層時(shí)，作用與鋅相似。它與鋅相比，比重輕，價(jià)格低廉，在含有二氧化硫的氣體中耐腐蝕效果比較好。在鋁及鋁合金加入稀土不僅提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度而且降低孔隙率。鋁還可以用作耐熱噴涂層。鋁噴涂層已廣泛用于貯水容器。硫磺氣體包圍中的鋼鐵構(gòu)件、食品貯存器。燃燒室、船體、和閘門等。5.5.3電弧噴涂材料1）鋅及鋅合金鋅為3）銅及銅合金

純銅貯運(yùn)愛用作電器開關(guān)和電子元件的導(dǎo)電噴涂層及人像、工藝品、水泥等建筑表面的裝飾噴涂層。黃銅廣泛應(yīng)用于修復(fù)磨損及加工超差的零件，修補(bǔ)有鑄造砂眼、氣孔的黃銅件，也可以為裝飾噴涂層使用。

鋁青銅涂層的結(jié)合強(qiáng)度高，抗海水腐蝕能力強(qiáng)，并具有很好的耐腐蝕疲勞和耐磨性。

4）鎳及鎳合金

鎳合金中用作噴涂材料的主要為鎳鉻合金，這類合金具有非常好的抗高溫氧化性能，可在880℃高溫下使用，是目前應(yīng)用很廣的熱阻材料。

3）銅及銅合金純銅貯運(yùn)愛用作電器開關(guān)和電子元件5）鉬

鉬在噴涂中常作為結(jié)合底層材料使用，還可以用作摩擦表面的減摩工作涂層，如活塞環(huán)、剎車片、鋁合金氣缸等。

6）碳鋼和低合金鋼

碳鋼和低合金鋼是廣泛應(yīng)用的電弧噴涂材料。它具有強(qiáng)度較高、耐磨性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

7）粉芯焊絲

國內(nèi)外已采用粉芯絲材作為電弧噴涂材料，我國已應(yīng)用3Cr13、4Cr13、7Cr13等粉芯絲材做為耐磨噴涂材料，并且具有良好的抗高溫穩(wěn)定性。5）鉬鉬在噴涂中常作為結(jié)合底層材料使用，79ByJingLiangSchoolofMaterialsandMetallurgy

熱噴涂材料的分類按形狀粉末材料棒材絲材帶材復(fù)合型粉末非復(fù)合型粉末填充芯復(fù)合絲材拉拔復(fù)合絲材拉拔絲材按種類金屬及合金其他塑料及有機(jī)物陶瓷金屬陶瓷其他金屬及合金銅基合金鐵及合金鈷基合金鋅基合金鎳基合金金屬+石墨原子合金+玻璃合金+硼化物合金+氮化物合金+碳化物氧化物磷化物硼化物氮化物碳化物有機(jī)涂料金屬塑料熱塑型塑料熱固型塑料其他非金屬材料玻璃軸料28電弧噴涂ArcWireSprayedHighChromiumHighCarbonIronCoatingArcWireSprayedNickelAluminiumAlloyCoating電弧噴涂ArcWireSprayedHighChro長江三峽的挖泥船在施工中由于潤滑系統(tǒng)缺油而導(dǎo)致第三連桿軸頸嚴(yán)重拉傷，被迫停機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)屬于大馬力中速柴油機(jī)，要求曲軸軸頸修復(fù)層具有良好的耐磨性，較高的結(jié)合強(qiáng)度和硬度，并能承受低沖擊負(fù)荷和有較高的抗疲勞性能。通過綜合評(píng)估各種方案，采用電弧噴涂曲軸工藝。電弧噴涂實(shí)例

--大功率發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸修復(fù)

長江三峽的挖泥船在施工中由于潤滑系統(tǒng)缺油而導(dǎo)致第三連桿軸表面預(yù)處理：

表面預(yù)處理包括表面除油與表面粗化，首先將噴涂部位及周圍表面的油徹底清洗干凈，然后用特制的加長刀桿車刀，車去軸頸表面疲勞層0.25mm，最后再用60°螺紋刀在軸頸表面車出螺紋。

電弧噴涂金屬涂層：電弧噴涂涂層的構(gòu)成：軸頸表面處理后的尺寸為Φ192mm要求的基本尺寸為195mm，所以應(yīng)當(dāng)噴涂至Φ199mm；

軸材料牌號(hào)為KSPF55，相當(dāng)于35號(hào)鍛鋼，因此，選用鋁青銅噴涂底層，3Cr13作為噴涂尺寸層及工作層。絲材直徑Φ3mm。電弧噴涂工藝參數(shù)：噴涂電壓40V，噴涂鋁青銅電流100A，噴涂3Cr13時(shí)電流400A，空氣壓力0.70Mpa，噴槍距工件表面約200～500mm。曲軸在C650車床上慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，噴槍沿軸頸法線方向噴射，并沿軸線方向輕輕擺動(dòng)。電弧噴涂曲軸修復(fù)

表面預(yù)處理：電弧噴涂金屬涂層：電弧噴涂曲軸修復(fù)噴涂層的機(jī)械加工用專用車刀車削加工，留下0.8mm磨削余量，然后安裝在曲軸磨床上磨至標(biāo)準(zhǔn)尺寸Φ195mm。

噴涂質(zhì)量檢驗(yàn)經(jīng)檢驗(yàn)，軸頸表面涂層致密，無氣孔，無砂眼，無起皮，表面粗糙度達(dá)Ra0.8μm（相當(dāng)于光潔度▽8），現(xiàn)場噴涂的試片，用捶擊法檢驗(yàn)，無裂紋，無起皮，說明結(jié)合良好。作用效果與經(jīng)濟(jì)效益

曲軸檢驗(yàn)合格后裝機(jī)試車，先空轉(zhuǎn)24小時(shí)，然后加載運(yùn)轉(zhuǎn)，在運(yùn)轉(zhuǎn)10天、一個(gè)月、3個(gè)月時(shí)進(jìn)行分解檢驗(yàn)，噴涂層表面光潔、致密、無剝坑、無起皮、磨損甚微。該曲軸修好至今已正常工作三年，完好無損，該船現(xiàn)每天24小時(shí)連續(xù)工作，每小時(shí)挖泥720m3，已充分發(fā)揮了技術(shù)性能。購買新軸，訂購價(jià)1400萬日元（出廠價(jià)），加上運(yùn)費(fèi)，海關(guān)稅等約需人民幣120多萬元，從訂購到交貨需三月以上，其停產(chǎn)損失更為可觀，而用弧噴涂技術(shù)修理該軸，各種費(fèi)用總合3.5萬元，不足曲軸價(jià)格的3％。噴涂層的機(jī)械加工噴涂質(zhì)量檢驗(yàn)作用效果與經(jīng)濟(jì)效益購買新軸，訂5.6等離子弧噴涂等離子弧噴涂裝