1、热喷涂综述 一、热喷涂的定义 热喷涂技术，是采用某种高温热源，将欲涂覆的涂层材料熔化或至少软化，并用气体使之雾化成微细液滴或高温颗粒，高速喷射到经过预处理的基体表面形成涂层的技术。 当热源的比能量足以使基体表面发生薄层熔化，与喷射的熔融颗粒形成完全致密的冶金结合涂层时，称为热喷焊，简称喷焊。 使用高温热源，如氧可燃气体燃烧火焰、电弧、等离子电弧、激光束、爆炸能等，是热喷涂技术区别于其他喷涂方法和表面涂覆方法的主要特征。不同热源的最高温度列于附表。 附表：不同热源的最高温度 热 源 氧乙炔 氢原子 氧氢 氧煤气 空气乙炔 空气煤气 氧乙炔爆炸 电弧 等离子弧 最高温度， 3100 4000 27
2、00 2000 2325 1530 3300 6000 11000二、热喷涂技术的特点 采用热喷涂技术，制备各种表面强化和表面防护涂层，具有许多独特的优点。 (1)能够喷涂的材料范围特别广，包括各种金属及合金、陶瓷及金属陶瓷、塑料、非金属矿物等几乎所有固态工程材料。因而能够制备耐磨、减摩、耐蚀、耐高温、抗氧化、绝缘、导电、催化、辐射、防辐射、抗干扰、超导、非晶态及生物功能等各种功能涂层；(2)能够在多种基体材料上形成涂层，包括金属基体、陶瓷基体、塑料基体、石膏、木材甚至纸板上都能喷涂，被喷涂的材料范围也十分广泛；(3)一般不受被喷涂工件尺寸和施工场所的限制，既可厂内施工，也可现场施工；(4)涂
3、层沉积效率较高，特别适合沉积薄膜涂层。涂层厚度可以控制，从几十微米到几毫米甚至可厚达 20mm；(5)除喷焊外，热喷涂施工对基体的热影响很小，基体受热温度不超过 200，基体不会发生变形和性能变化；(6)在满足强度要求的前提下，制件基体可以采用普通材料代替贵重材料，仅涂层使用优质材料，使“好钢用在刀刃上”；(7)热喷涂施工艺灵活，方便，迅速，适应性强。当然，热喷涂技术也有如下一些缺点。(1)除喷焊外，热喷涂涂层与基体的结合主要是物理机械结合，结合强度不大高，涂层耐冲击和重载性能较差；(2)喷涂涂层含有不同程度的孔隙，对于耐腐蚀、抗氧化、绝缘等应用，一般不如整体材料。但可通过复合涂层系统设计等方
4、法予以改进提高；(3)喷涂小件时，涂层材料的收得率低；(4)热喷涂手工操作时的劳动条件较差，有噪音、粉尘、热和弧光辐射问题，必须注意劳动保护措施。尽管如此，由于热喷涂技术具有上述许多独特的优点，已被广泛地应用于航空、航天、冶金、能源、交通、石油化工、机械、轻纺等工业部门，成效十分显著。 三、热喷涂涂层的结构 热喷涂涂层是将熔融或至少软化的粒子，高速喷射到基体上，发生碰憧、变形、快速凝固、堆积等过程，最后形成涂层。附图是典型的热喷涂涂层结构示意图。附图:热喷涂涂层结构示意图 1-涂层;2-氧化物夹杂;3-孔隙或空洞;4-颗粒间的粘接;5-变形颗粒;6-基体粗糙度;7-涂层与基体结合面 从附图可以
5、看出，热喷涂涂层的组织结构具有如下特点：(1)涂层粒子因碰撞变形而呈扁平状堆积结构，具有各向异性。涂层与基体之间的结合主要是物理机械结合；(2)涂层颗粒堆积、重叠过程中，颗粒之间必然存在一定程度的孔隙和气孔；高温颗粒在喷射过程中，会与喷射气体或周围环境气氛发生某种程度的化学反应，如与环境中的空气作用发生 (3)氧化。因此，涂层组织中可能含有少量的氧化物夹杂；(4)由于高温颗粒喷射到基体表面快速冷却凝固，由于涂层材料与基体材料的热物理性能特别是热膨胀系数的差异，使涂层中形成相当的热应力和残余应力。控制和处理不好，有可能使涂层发生裂纹甚至剥落；(5)热喷涂涂层的表面为粗糙的毛面，具有较高的表面能，
6、这为复合涂层设计和制造提供了良好的基础。根据热喷涂涂层结构的这些特点，显然，在热喷涂涂层的设计和施工中，应努力做到：制备清洁活化的基体表面以提高涂层与基体的界面性能；提高喷射颗粒的速 度以获得高的动能；保证喷射颗粒良好的受热及熔化状态，以达到足够的热能；控制涂层的应力状态、应力大小和应力分布；尽可能减少或避免喷射的高温颗粒在喷 涂过程中与周围环境气氛发生有害的化学反应，乃是获得优质涂层的主要条件。 四、热喷涂层的应用范围 、耐磨损热喷涂技术在高温和低温下最大的应用领域。这类涂层具体分为以下几种：（1）耐粘着磨损或划伤两个表面相对滑动， 碎屑从一个表面粘到另一个表面时，发生粘着磨损或划伤。专用典
7、型涂层为钴基碳化钨、碳化铬/镍铬涂层。（2）耐磨粒磨损当较硬表面在较软表面上滑动，而且两表面之间存在磨损时， 发生磨粒磨损。当纤维和丝线在表面高速通过时，也发生磨粒磨损。专有典型涂层为钴基镍铬合金、自熔合金混合钼、氧化铬涂层。（3）耐微振磨损重复加载和卸载产生周期应力导致表面开裂和大面积脱落。 专用典型涂层为氧化铝/二氧化钛涂层。（4）耐气蚀磨损液体流动在表面产生机械冲击。 专用典型涂层为铝青铜涂层。（5）耐冲蚀磨损气体或液体携带粒子高速冲击表面时，发生冲蚀磨损。 专用典型涂层为氧化铝/二氧化钛、氧化铝涂层 、耐高温抗氧化这类涂层抗化学或物理分解，改善零件的高温性能。这类涂层分为以下几种：（1
8、）热障涂层在零件和高温环境之间充当热屏障。 典型涂层为用氧化钇做稳定化处理的氧化锆涂层。（2）抗高温氧化涂层保护基体抗高温氧化。典型涂层为镍/铬涂层。（3）耐热腐蚀涂层保护暴露在热腐蚀性气体中的基体。典型涂层为镍/铬涂层。3、防腐蚀涂层选择这类涂层比较复杂，因为零件在服役状态， 环境温度和各种介质对涂层材料都有一定的要求，一般采用钴基合金、镍基合金和氧化物陶瓷等作为涂层材料，通过提高涂层的致密性，堵住腐蚀介质的渗透；合理选择涂层材料与零件基材的氧化/还原电位，防止电化学腐蚀，涂敷抑制腐蚀的封孔剂。 4、导电涂层或绝缘涂层这类涂层又分为以下几种：（1）导电涂层专用典型涂层为铜涂层。（2）绝缘涂层
9、专用典型涂层为氧化铝涂层。（3）屏蔽涂层抗电磁干扰（EMI）或高频干扰（RFI）专用典型涂层为铜涂层。5、恢复尺寸涂层这类涂层主要用于修补因磨损或加工超差的零件。 对涂层材料的选择主要取决于零件的使用要求。6、间隙控制涂层这类涂层提供紧密的封严间隙， 显著提高设备性能和运转效率。与配合零件接触时，涂层优先受控磨损。典型涂层为镍/石墨、 聚酯铝混合物、铝/石墨涂层。五、热喷涂工程系统设计 要想采用热喷涂涂层，获得防磨防腐蚀应用的成功，必须十分注意热喷涂工程的系统设计，主要包括如下内容： 1现场工况及失效分析 (1）现场工况：介质的成分和浓度；杂质种类及含量；使用温度；介质（气体或液体）流速、流动
10、角度； 溶液的 pH 值； 溶液中的氧、氧化剂和还原剂的含量； 介质中含有机物、微生物。细菌情况； 腐蚀产物及生成膜的稳定性，对环境的污染性。 (2)失效分析：应根据具体的现场条件，对可能产生的磨损腐蚀失效机理进行分析或研究，以确定可能的磨损腐蚀类型。 2涂层材料的正确选择 现场环境千差万别，影响磨损腐蚀及控制的因素很多，有时某一种机理的起主要作用，但许多情况下是多种机理的相互作用，加速磨损腐蚀失效过程。没有能满足 各种工况的万能耐蚀材料和抗磨蚀涂层。只有熟悉并掌握丰富、全面的材料科学知识，才能做到“对症下药”，正确合理地选择涂层材料，进行涂层系统设计。 3.制备良好的基体表面提高涂层与基体的
11、结合强度，是各种表面涂层技术的主要目的之一，热喷涂涂层也不例外。为了获得优质的涂层与基体的界面状态，热喷涂之前，要求基体表面预处理达到净化、粗化和活化。 基体表面预处理的质量，直接影响热喷涂涂层与基体的结合性能，是整个热喷涂过程成功的关键环节之一，应予高度重视。4正确地进行涂层系统设计与施工 用于腐蚀防护与控制的热喷涂涂层，常采用复合涂层系统设计和施工方法。一般是在基体材料上首先喷涂一层耐蚀性好的打底涂层，然后喷涂工作涂层，最后进行涂层的封孔处理，以达到完全消除涂层气孔影响的目的。 6涂层的后处理和精加工六、热喷涂原材料：热喷涂材料的形态分粉末、线材、棒材三种。不同工艺方法和喷涂设备（装置），
12、对粉末、线材、棒材的直径和粉末的粒度都有具体要求；热喷涂材料的显著特点是取材的广泛和不同材料的可复合性，其中包括品种繁多的金属、陶瓷、塑料三大类近 150 多个品种的喷涂材料. 六、热喷涂工艺流程：热喷涂各种方法其工艺流程基本相同，每一个环节又有多种方法，根据涂层设计，工件材质，形状和厚薄，原始表面状态，对涂层结合强度的要求等多种因素进行选择，基本工艺流程如下：1、喷涂前零件表面处理：如溶剂清洗脱脂净化或采用喷砂、电拉毛、机械加工等，使用零件喷涂部位的表面清洁并产生一定粗糙度，以增强涂层结合强度。2、喷涂工作层：选择合适的喷涂方式和喷涂材料并按照操作规范及技术要求喷涂工作层.3、涂层后处理 喷
13、涂结束后，按照涂层用途，如用于防腐喷锌、铝、铅、不锈钢、各种陶瓷等涂层，根据腐蚀介质选择相应耐蚀封孔剂对涂层进行封孔处理，塑料喷涂无需封孔处理；如用于零件修复或预保护涂层，必须对喷涂按照零件图纸或用户给定尺寸公差加工，以达到使用要求。 七、打底涂层的特性1、在热喷涂火焰高温热源的作用下，涂层材料不同组分能发生放热化学反应，使涂层与基体形成微冶金结合。最典型和应用最广的“自粘结”打低涂层材料是镍铝复合粉末。Ni-Al 粉末的喷涂过程是一个 Ni、Al 间各种反应的综合放热过程。2、“粗化”效应。粘结底层的表面比喷砂粗化处理的基体表面更不规则，因而工作涂层能与之形成更强的机械嵌合。在选择底层粉末时
14、，粉未的平均粒度可略大于工作层粉未的平均粒度。3、“屏蔽”效应打底涂层具有比基体材料更好的抗氧化能力和耐蚀性能，在工作涂层与基体之间起屏蔽作用，能将热喷涂涂层固有孔隙引起的基体氧化或腐蚀程度降至最低。4、“缓冲”效应打底涂层的膨胀系数介于基体材料和工作涂层之间，且在机械及热负荷下具有足够的韧性，能对因基体与工作涂层热膨胀系数不同而产生的应力起“缓冲”作用。八、涂层封孔剂对很多热喷涂涂层来说，封孔是一项必要的后处理过程。当涂层面临腐蚀及氧化(有时处于高温) 环境时，封孔是涂层设计必需要考虑的一项内容。本文涉及到封孔作业的目的和要求；介绍了封孔剂的种类、性能、施工要点、选择依据及应用范围。 任何一
15、种热喷涂方法，尤其是燃气一氧焰喷涂(即火焰喷涂 )所沉积的涂层，都是一种有孔结构。总体而言，涂层孔隙度范围相当大。燃气一氧焰喷涂层有时高达 15以上，而高速氧一燃气喷涂(HVOF)层则在 1以下。在实际应用中，有孔结构有时是有利的。涂层孔隙有助于贮油，促进润滑，减少磨损；在某些特殊应用中，利用热喷涂制取多孔材料，用于热交换装置或其它元件。然而，在更多的情况下，涂层的孔隙是不希望的。当涂层暴露于大气、蒸汽、工业气氛、化学活性物质、腐蚀气体及高温环境中，孔隙引入腐蚀元素，使涂层与基体发生化学或电化学侵蚀，导致涂层失效，在这种情况下，必须对涂层进行封孔。作为热喷涂的一种后处理工序，封孔作业的主要内容
16、是封孔剂的选择和施工方法。如果某些工件喷涂后还需要车削或磨削时，封孔应在此之前实施，以防涂层孔隙污染，保证更好、更干净的磨削光洁度。当喷涂陶瓷涂层用于绝缘的情况下，封孔能维持涂层的介电常数。否则，涂层孔隙将会吸湿或遭污染，形成涂层中不希望的导电通道。此外，对于泵或液压机等设备，封孔还防止液体和压力的密封泄漏。 一、封孔剂的性能要求 封孔剂的种类较多，为了达到良好的封孔效果，封孔剂必须满足下列要求： 1有足够的渗透性 因为孔隙弯曲又细小，没有足够高的渗透性，难以充填到必需程度。 2耐化学溶剂的作用 因为涂层本身就处于某种化学和溶剂的腐蚀介质中，封孔剂若不能经受这些介质的侵蚀，封孔即告无效。 3能
17、经受一定的机械作用 即封孔剂不因机械作用而脱落或碎裂。 4在工作温度下性能稳定 即封孔剂不能在操作温度下发生溶化、蒸发或分解等物理变化。 5不能与涂层或基体发生化学反应 在工作环境下与涂层和基体保持化学稳定性。 6不降低涂层或基体金属的性能。 7当涂层用于食品行业时，对食物无毒。 8施工时，保证安全。 九、超音速火焰喷嚏简介喷涂原理YFCC 使用最新的高速火焰（HVOF）喷涂技术系统，可进行金属喷涂，碳化物喷涂和特殊喷涂。该项技术是把喷涂材料以粉末状态注入高速喷射燃烧的火焰中，其喷射速度可达2000米/秒,燃烧温度适中（3000 ） 。高速燃气一方面使粉末材料的颗粒达到半熔化状态另一方面又使粉
18、末材料的颗粒加速运动，将熔化后的粉末材料紧密均匀地附着在被喷涂物体的表面上，与基材物理结合在一起，而基材温度低于150，使基材不发生任何变形。喷涂优点从而形成少孔隙、低氧化、高粘合力、低残余应力的高质量涂层。典型应用修复和恢复操作耐磨或耐腐蚀抗滑动磨损抗剥蚀、拉毛或粘附磨损抗空穴效应抗化学物质侵袭氧化和硫化的控制空气和高温腐蚀控制十、各种喷涂技术比较表面处理工艺材料 典型应用 产品名称 抗磨性 评价刷漆 聚合物蜗壳、金表面尼龙、环氧 低抗磨性差易剥落用于低速水流和表面防腐喷焊Ni、Fe 基合金金属表面抗磨蚀Ni60系列 中抗磨性能良好但高温室工件易变形粘接强度高电镀 硬铬金属表面和喷嘴镀铬 中
19、限用于小部件粘接强度低亚音速电弧喷涂金属合金 金属表面 Metcoloy2 低用于形状修复喷铝、锌，粘接强度中亚音速火焰喷涂金属合金及陶瓷金属表面金属合金及陶瓷中用于现状修复及防腐粘接强度中HVOF 喷涂风冷式金属陶瓷金属表面、导叶、抗磨环Diaturb 中不抗汽蚀自动化工艺HVOF 喷涂水冷式金属陶瓷金属表面、水轮机叶片、导叶、抗磨环、迷宫环、风机、叶片、张紧辊、工艺辊金属碳化钨 高抗气蚀优于不锈钢自动化工艺最有效的抗磨损防护HVOF 在水轮机抗磨蚀方面的应用研究一、引言我国多泥沙河流上水轮机过流部件遭受磨蚀破坏，导致机组事故率上升，出力及效率下降，检修费用增加等问题已成为当前水电生产中亟待
20、解决的问题。由于不同流域的泥沙含量、粒径级配、砂粒形状、硬度和过机流速不同，水轮机的机组材质、设计参数、加工工艺、机械性能、运行工况不同，导致不同电站水轮机的磨蚀部件和破坏程度也不尽相同。目前利用的主要方法是补焊打磨修型方法进行维修，不仅工作量大，检修工期长，花费大量的人力物力，而且很难控制变形，不能保证叶型的精确性。也不能保证过流面的光洁度。在材料方面，目前还没有一种可机加工的材料达到既抗汽蚀又抗磨损的要求，所以通过过流面增强技术形成抗磨蚀涂层进行防护很有必要。在利用喷涂技术进行抗磨蚀防护中，因涂层材料的不同以及形成涂层的手段不同而效果有很大差异1。本文就高速火焰喷涂方法在水轮机抗磨蚀方面的作用进行了分析研究，通过对比高速火焰喷涂与其他几种喷涂方法的工艺特点，表明高速火焰喷涂对水轮机的抗磨蚀防护是一种有效的方法。二、水轮机磨蚀机理分析水轮机过流部件遭受磨蚀破坏机理主要是泥沙冲蚀磨损和汽蚀破坏以及它们之间的联合作用2。根据 L.Finnie 的微切削理论，水轮机过流表面泥沙对金属材料的冲蚀量可由下式表示3： 式中： - 冲蚀量（kg/mm2） -流动沙粒质量（kg） ； - 冲蚀角； - 沙粒速度（m/s） - 金属材料的屈服应力。 上式表明，水轮机过流表面材料所受到的冲蚀量与沙粒质量的平方以及与沙粒速
