热喷涂技术原理与应用.doc

1、热喷涂技术原理与应用技术支持 2009-06-13 07:33:13 阅读 241 评论 0 字号：大中小 前言表面工程概述 工业中的高温、冲击、磨损、腐蚀等使各类设备和零部件往往因表面首先损坏而引起设备故障，造成停机甚至报废，严重影响企业的正常生产，并造成巨大的经济损失。表面工程正是针对材料的表面失效，研究和开发表面防护措施而发展起来的一门新兴的应用科学。其特点是多学科交叉，多种材料和多种加工工艺相互结合，应用面广，实用性强。 表面工程首先分析材料表面失效原因，然后设计和优选合适的材料并采用相应的加工工艺形成表面工作层，提高基材的抗高温、抗磨损、耐腐蚀、隔热等性能。一般表面层很薄，用料少，成

2、本相对低，但却能提高性能几倍至十几倍。此外，这一技术既可用于制造新部件，也可修复废旧机件，修复后的机件寿命和性能一般可达到和超过原机件。因此，表面工程的综合经济效益是十分显著的。 为了满足现代工业对材料表面性能越来越高的要求，近一、二十年来，国际上表面工程技术发展十分迅速，各种类型的专业化表面工程跨国公司数量不断增加。国外企业家誉称其为“ 对未来的投资”。 我国的表面工程技术起步于七十年代，先后推广的热喷涂、电刷镀技术仅短短十余年就创经济效益数十亿元，并攻克了一些关键技术。但由于资金和技术力量投入不足，目前国产的表面工程专用设备和仪器不仅种类少、数量少、性能也比较差。此外，缺少专业化的表面工程

3、公司来推广和应用已有的成果，也很大程度上影响了我国表面工程技术的进步与发展。因此，要加快发展我国的表面工程技术，一方面需要全社会的重视和支持，另一方面要加强研究、开发和应用相互配合和沟通，加强科研人员与企业工程技术人员、设备管理人员的联系，加强表面工程技术的宣传和普及教育，使广大企业认识和学会使用表面工程技术来进行新产品的开发、设计和解决机械设备另部件的各种表面损伤和防护问题。 2、 热喷涂技术的概念、分类与应用 2.1 定义 热喷涂技术是表面工程中近年来发展十分迅速的一门技术，在表面工程领域占有十分重要的地位。所谓热喷涂，就是利用某种热源（如火焰、电弧、等离子弧等），把金属、非金属或复合材料

4、（通常制成线材、棒材或粉末）加热到熔化或半熔化状态，再经过压缩空气（或其它高速气体）雾化和加速形成许多微小的熔滴，并以很高的速度射向基体，在基体表面熔滴由于撞击而成为扁平状并相互粘结，同时和表面经过清洁和粗糙处理的基体也形成良好结合。随后，涂层快速冷却和不断堆积，最终形成层状结构的涂层。典型的热喷涂涂层结构见图一。 实际生产中的问题是十分复杂的，不同的使用工况对材料表面性能的要求不同。有些情况下要求硬而耐磨的涂层，有些情况下又需要软性涂层。为了提高涂层抗腐蚀性和抗渗透性，需要涂层越致密越好，而有时却需要制作多孔涂层，利用涂层中的微孔达到隔热、自润滑、可磨耗、生物相容等特殊要求。因此，“对症下药

5、”，合理的选择喷涂材料，并根据喷涂材料的形态、熔点、蒸发温度以及对涂层基本功能要求，正确选择喷涂方法，制定工艺方案是应用热喷涂技术的基础。为此，必须了解热喷涂材料的基本性能和各种热喷涂工艺方法的基本原理与特点。 2.2 热喷涂材料 热喷涂材料的范围和种类是非常广泛的。可以说随着现代喷涂技术向高温、高速、高真空、高技术发展，目前工业上使用的大多数材料都可以用热喷涂方法来制备表面涂层。 热喷涂材料按制造形态区分通常有丝材、棒材、管状线材（由一种可以连续延伸的钢带包裹各种合金粉末或氧化物陶瓷粉末制成）和多种形式的粉末，按材料的属性和性能大致可分为金属和合金、陶瓷和碳化物、金属陶瓷、高分子材料以及金属

6、陶瓷高分子复合材料。上述材料的相互组合，又可以得到数以百计的各类喷涂材料。如世界知名的热喷涂设备和材料生产厂家 SULZER METCO 公司生产的喷涂材料就达 400 余种。常用的线材料喷涂材料有不锈钢、碳钢、镍铝化物、镍铬合金、蒙乃尔、镍、黄铜及其合金，铅、铝、镉、锡、钼和氧化铝等陶瓷棒。由于各种不同性质、不同熔点的金属、合金、陶瓷、碳化物、高分子材料都能够容易地制成各种粉末，因此，粉末喷涂的材料范围十分广泛。大致可分为：各种金属粉末（如铜、铝、镍、不锈钢、碳钢粉等），各种合金粉末（如镍基、铁基、钴基自熔性合金粉末，各种自粘结性镍铝、镍铬、铝铜等复合粉末），各类炭化物复合粉（钴包碳化钨、镍

7、铬包碳化铬、镍铝包碳化钛复合粉等），各种陶瓷粉末（如氧化铝氧化钛，氧化锆锆酸镁等），各种金属非金属复合粉（如镍石墨，镍硅燥土等）和各种高分子粉末。 2.3 几种热喷涂工艺方法 根据产生热源的不同方法，热喷涂工艺大致可分为两类： 氧乙火焰喷涂（ Flame ） 等离子喷涂 (APS,VPS) 燃烧法 爆炸喷涂（ D-gun ） 电弧喷涂（ Arc,Arc Jet ） 超音速火焰喷涂（ HVOF ） 感应等离子喷涂（ ICP ） 不同的喷涂工艺，可形成不同的温度和速度，对涂层的性能和质量起着至关重要的作用。表 1 和图二是不同热源的温度和喷涂速度。 表 1 不同热源的温度 热源 温度 温度 丙烷，

8、氧气 天然气，氧气 氢气，氧气 乙炔，氧气 4785 4955 4875 5625 2640 2735 2690 3100 电弧和等离子弧 4000 15000 2200 8300 图二、不同喷涂方法熔滴的平均速度 线材火焰喷涂方法与特点 图三是线材火焰喷枪的剖面图。 图三、线材火焰喷枪结构及喷涂原理示意图 线材火焰喷涂可以用任何一种燃气和氧气组合进行燃烧提供热量。由于乙炔热焓值高、价格低、应用广泛，因此，一般的火焰喷涂均采用氧乙炔焰。凡是能够拉成丝的金属材料或制成棒的低熔点陶瓷材料均可以用线材火焰喷枪进行喷涂。 线材喷涂的特点是喷嘴处火焰集中，线材熔化效率高、沉积率高，喷涂效率比粉末材料约高

9、一倍以上，因而成本相对较低。另一方面由于喷枪小巧灵活，喷涂简单方便，易于现场和野外施工，特别适合于大型钢铁结构件喷涂锌、铝长效防护涂层。但是由于很多合金材料或陶瓷材料难以制成线材，因此，线材品种相对偏少，限制了线材火焰喷涂的应用范围和涂层种类。 在基材表面喷涂钢丝或合金丝可以得到硬而耐磨的涂层，广泛应用于各种轴类、柱塞、导轨的修复和表面硬化。喷涂锌、铝、铜、不锈钢丝加上封孔剂广泛用于钢结构长效防腐，以及化工、石油管道、反应釜、储罐等设备的防腐。在轴瓦上可喷铜或巴士合金，在食品容器上可喷锡或铝土层，在锅炉管道、退火包、炉门上喷合金或陶瓷涂层抗高温氧化和高温腐蚀。 （ 2 ）粉末火焰喷涂方法与应用

10、 图四是粉末火焰喷涂原理示意图。 图四、粉末火焰喷枪结构及喷涂原理示意图 将各种不同材料（金属、合金、陶瓷、碳化物等）制成的粉末，采用重力或压力送粉方式送入喷枪，借助气流进入火焰区被熔化，高速气流或保护性气体可进一步对熔滴雾化、加速，最后喷射到工件表面形成涂层。由于粉末较轻、容易飞散，因此沉积效率和喷涂速度都不及线材火焰喷涂。但由于粉末材料制备容易、品种多、功能全面，其应用面比线材喷涂广泛的多。 粉末火焰喷涂可在基体表面先喷上一层自放热型粘结底层，由于喷涂过程中，粉末能和火焰反应放出大量的热，在基体表面产生局部微冶金结合，使涂层结合力大大提高。 也可以把两种以上粉末材料按涂层设计要求方便地共混

11、，制成复合粉末，通过成分的调配、共混，可以得到复合涂层和梯度涂层和各种特殊功能的涂层。 粉末材料品种、门类繁多决定了粉末喷涂设计应用的广泛性。典型的应用领域有： （）抗磨损涂层 可以从低温（ -20 ）到高温（ 800 以上）的很大范围内选择和应用热喷涂涂层，提高另部件表面的耐磨性能。具体的抗磨功能可应用于以下几方面： 抗刮痕磨损和粘着磨损。这种磨损经常发生在两个相互接触的表面彼此相对移动，被磨损的表面脱落的碎片生产刮痕和粘附到另一个表面（活塞坏、导轨、柱塞等）。 耐磨粒磨损。这种情况常发生于硬质表面在一个较软的表面上滑动，两个表面之间存在有研磨的颗粒而生产磨损。纺织业纤维和丝线在表面上高速掠

12、过，也属于这类磨损（轴瓦、钢套、泥浆泵、纺织机件等）。 耐微振磨损。这种磨损为反复加载与卸载所形成的周期性的应力造成，最终导致表面疲劳、开裂和剥落，同时伴随着粘着磨损和磨粒磨损（各种轴类、轴承、齿轮、铁路钢轨接头等）。 耐气蚀磨损。这种磨损为高速流动的液流对表面的冲刺和气泡爆破对表面的严重冲击所引起。（如水轮机、汽轮机、泵、搅拌浆等） （）耐热与抗高温氧化涂层 这类涂层可以有目的地提高工件表面抗高温性能，有效抵抗高温情况下化学和物理作用引起的表面破坏，具体有： 热障和烧蚀涂层。在部件与高温环境之间形成一个隔热层，有效阻止高温金属熔体对基体的侵蚀，同时避免基体烧蚀（液态锅炉排渣口水冷壁管、炼钢铁

13、高炉浇口、火箭燃烧室内壁等）。 高温保护、屏蔽涂层，有效保护高温环境下的金属基体免遭高温氧化和高温腐蚀。 （）耐大气腐蚀和介质腐蚀涂层 这类涂层可以起到隔离和保护作用，阻止腐蚀，延长腐蚀环境下各类机械、设备、管道、贮罐等的使用期限，减少损失。具体有 耐大气腐蚀。如盐雾、海洋性气候、工业大气、乡村气候等。 耐浸渍腐蚀，如盐水、热水、海水、工业用水等。 耐食品工业的腐蚀。如啤酒罐、牛奶、果汁等酿造类容器。 （）电、磁、光学涂层 这类涂层有导电、绝缘、超导等电性能，还有电磁、铁磁和光的辐射、屏蔽、吸收和反射作用。（）间隙控制和密封涂层 这是一类由金属无机材料高分子材料复合制成的一类新型涂层，广泛用于

14、航空、航天、能源等领域，用于提供严密的间隙和动密封，大大提高和改善设备性能与运作效率。当这类涂层与配合部件接触时，进行控制性的优先磨损，以保证最佳的间隙和封严效果。 （）尺寸恢复功能 热喷涂层可以进行局部喷涂，可根据基体材料特性和服役条件，选择合适的喷涂层材料和工艺，恢复被磨损和加工超差的工件尺寸，修复废旧机件，并可保证修复后的工件达到或超过新件的使用性能。 （ 3 ）爆炸喷涂方法 爆炸喷枪的示意图见图五。它与其它燃烧装置不同。它是利用氧乙炔气混合的爆炸能量。而不是靠平稳的燃烧火焰。爆炸冲击波将粉末材料以极高的速度冲击到基体表面，由于速度高，冲击力大，形成的涂层十分坚硬、光洁、致密封（孔隙率

15、2% ），结合强度高。 图五、燃气爆炸喷枪示意图 爆炸喷涂适合于喷涂碳化物、氧化物类高熔点、高硬度涂层。由于爆炸喷涂对设备要求很严，自动化程度高，、设备投资大，成本较高。一般只用于特殊要求的高性能涂层。 （ 4 ）超音速火焰喷涂方法 超音速火焰喷涂（也称高速氧燃气喷涂）技术是近年来国际热喷涂界研究的热门领域，类似于爆炸喷涂，它是一种连续不断的燃气压缩、点燃、膨胀加速过程。超音速喷枪相对简单、小巧，可以手工操作。其喷枪结构与工作原理见图六。 图六、超音速喷枪结构及喷涂原理示意图 超音速喷涂的特点是速度高（喷咀出口速度高达成 1500 米秒以上。熔滴打在工作上的速度大致在（ 700 1000 米秒

16、），涂层致密度最高（孔隙率 2% ），结合强度高，表面光洁度高，可以喷涂厚涂层（ 0.3 0.5mm ）。另一方面，超音速喷涂过程，粉末受热温度较低，特别适合于喷涂碳化钨等易氧化、失碳和降解的硬质耐磨涂层。涂层无相变现象，硬质相保留率高。喷涂同类材料，比用等离子喷涂和火焰喷涂有更高的硬度和结合力。由于涂层致密、硬度高、结合力高、可靠性好，在航空、发电、石化工业等高温、重载和腐蚀的苛刻工况下，超音速喷涂的应用越来越多。 但是速度快、加热时间短，对粉末材料的粒度、均匀性要求很高，制粉工艺难度大，成本较高。此外喷涂过程中，燃气的消耗量也很大，因此目前超音速喷涂的应用范围仍然受到制粉技术和成本的制约。

17、（ 5 ）电弧喷涂原理与特点 把需要喷涂的金属或合金丝作为两个自身消耗的线型电极，由电机通过变速驱动，在喷枪前部相互碰撞、短路产生电弧（类似于电弧焊）。由于电弧的温度高达 5000 5500 左右，足以迅速熔化线材。压缩空气使熔滴进一步雾化，高速冲向基体，形成涂层。电弧喷枪的基本结构合原理图见图七。图七、电弧喷枪结构及喷涂原理示意图 电弧喷涂的特点是电能加热、成本低，电流电压调节方便，一次扫描面积大，喷涂效率高，因此广泛应用于大型设备、管线、塔罐、大型露天钢结构（如桥梁、铁塔、高速公路灯柱、标牌等）的表面喷涂锌、铝丝长效防腐涂层。近年来开发出的系列高镍高铬合金丝、配套高效率的电弧喷涂装置，已用

18、于火电厂、造纸厂等大型燃煤、燃油锅炉管道表面喷涂，抗高温（ 400 900 ）氧化和高温燃气的热腐蚀，有效提高锅炉管道的可靠运行寿命，缺点是喷涂的线材有限。 （ 6 ）等离子喷涂原理与特点 随着航空、航天技术发展对涂层的质量和可靠性提出了更高要求，要求喷涂各种更高硬度、更高熔点的氧化物、碳化物类涂层，要求更高的温度和喷涂速度，于是开发出了等离子喷涂方法。等离子喷涂是采用等离子气体（ Ar ）和氮气（ N 2 ），作为喷涂的热源和高速、高压气流源。等离子喷枪的结构及工作原理见图八。 图八、等离子喷枪结构及喷涂原理示意图 喷咀组成的同轴阴极和阳极高频放电，使惰性气体电离形成等离子体。被电弧加热迅速

19、膨胀的等离子体以极高的能量密度冲出喷咀，形成高达 8500 10000 的等离子弧急剧膨胀，使出口处的气流速度也非常高，可达 500 600 米秒。在真空条件下，束流速度可达到三倍的音速。 粉末通过喷枪出口处的导管引入高能、高速的等离子“火焰” 中，迅速加热和熔化，以极高的速度喷射到基体表面，形成高结合强度和十分均匀、细密的高温质量涂层。表 2 是不同热喷涂层性能的比较。热喷涂方法 涂层的物理性质 涂层类型 丝火焰喷涂 粉末火焰喷涂 电弧 等离子喷涂 粘结强度 Mpa 黑色金属 有色金属 自熔性合金 陶瓷 碳化物 28 30 20 30 28 30 20 30 70 以上 15 35 35 5

20、0 60 以上 40 以上 35 以上 35 以上 55 70 密度（重量 % ） 黑色金属 有色金属 自熔性合金 陶瓷 碳化物 85 85 85 85 100 85 85 90 90 92 95 92 95 硬度 黑色金属 RC20 40 RC20 40 RC20 40 RC20 40 有色金属 自熔性合金 陶瓷 碳化物 RB40 80 RB40 80 RC50 60 RC50 65 RC50 65 RB40 80 RB40 80 RC50 72 RC50 65 气孔率 黑色金属 有色金属 自熔性合金 陶瓷 碳化物 高 高 高 RB40 80 高 无 高 中 中 低 低 低 低 涂层厚度限制

21、 黑色金属 有色金属 自熔性合金 陶瓷 碳化物 小 无 小 无 小 中 中 小 无 小 无 0 0.35 0 0.35 等离子体的高温足以瞬间熔化目前已知的任何材料，从而使等离子喷涂的材料更为丰富，特点是喷涂高熔点陶瓷材料，等离子喷涂具有很大优势。由于喷涂粉末熔化充分，喷涂效率、粉末沉积率、涂层结合力和致密性都比火焰喷涂要好，因此等离子喷涂比火焰喷涂有更加广泛的应用领域。除了具备火焰粉末喷涂的全部应用范围外，由于涂层质量高，更多地应用于航空、航天、太空工程、海洋工程、原子能工程等尖端工业领域。随着我国工业化水平的提高，等离子喷涂技术正向民用工业扩展，已经在能源、交通、纺织、电子、轻工、新材料等

22、领域得到应用。 3、 热喷涂技术的基本研究内容 热喷涂技术的本质是一种复合材料工艺，面对的是一个由基体材料界面表面涂层组成的系统。因此，要保证系统的成功，则每一个环节都必须保证，任何一个环节的疏忽都会造成整个系统的失败。这也是热喷涂技术的关键所在。热喷涂技术的基本研究内容可分为设备、材料、应用三大块，从应用的角度来看热喷涂的研究和工艺过程一般包括以下几个方面： （ 1 ）基体材料的表面准备 基体的表面准备是热喷涂作业中非常重要的环节，涂层的结合质量直接与表面的清洁度 粗糙度有关，必须根据基体材料的材质类型和表面涂层的要求、喷涂材料的特性来正确地制备表面。表面制备有两个目的，一是清洁基体表面，二

23、是粗化表面以提高涂层和基体的粘结力。通常采用喷砂的方法可同时达到以上两个目的。 （ 2 ）涂层结合力试验方法 涂层的结合强度是涂层系统的重要的指标，常用的试验方法有胶接拉脱法、杯突法、弯曲、扭转法等结合力测试方法。随着测试技术的不断提高，目前各种新型试验方法不断涌现，如声发射划痕法、连续载荷压痕法、动态循环加载接触疲劳法等。 （ 3 ）涂层硬度测定 涂层的硬度测定分为宏观硬度（洛氏表面硬度）和微观硬度（显微硬度和维氏硬度）。测定宏观硬度时，对涂层的厚度有一定的要求。显微硬度和维氏硬度可以对涂层中的基体相和硬质相进行分别测定，精确度较高，因此在热喷涂层的硬度试验中被广泛采用。 （ 4 ）涂层界面

24、和表面性能的试验 涂层界面性能主要考虑由热冲击和涂层基体间热膨胀系数不匹配等所产生的界面应力，以及循环加载、接触疲劳等，在界面产生的剪应力会引起的界面疲劳裂纹萌生与扩展。以上两方面的因素都会加速涂层开裂和剥落。 涂层表面性能则主要考核其各种功能性，如各种磨损试验、冲击试验、腐蚀和高温氧化试验等。通常这些实验后，还需对涂层的成份、结构和形貌进行金相、电镜、 X 射线衍射，电子探针等方面的微观分析，最后对涂层性能进行评价。 （ 5 ）涂层性能研究 热喷涂涂层的性能和整体结构材料是很大区别的。例如，金属涂层要比同一材质的铸、锻材料硬度更高一些，因而其耐磨性更好一些。这是由于金属熔滴高速冲击基体变成薄

25、片状时迅速自淬火，使硬度增加。 涂层的强度包括界面结合强度和涂层内聚强度。涂层结合强度是熔融粒子对粗糙表面的相互作用的结合机制。其结合机理大致有三种类型：一是熔融粒子冲击凹凸不平的表面，撞成扁平状并随表面一同起伏，主要是机械结合。另一种是在撞击的过程中，出现扩散或合金化时，即属于冶金化学结合机制。第三种结合机制是熔滴和表面结合、侵润的非常好，相互之间接近得足以产生范德华力，这种结合叫做物理结合。热喷涂层的结合强度通常是上述三种结合机制的组合。 涂层的内聚强度主要是颗粒与颗粒之间，以及每一遍喷涂层和层之间的粘接强度。同样是上述的结合机理，并与喷涂工艺、喷涂材料密切相关。 （ 6 ）涂层的残余应力 热喷涂层的另一个典型特征是喷涂过程中，涂层的冷却与凝固产生的收缩在涂层基体界面出现残余应力，这种应力在棱角和边缘往往形成拉应力，并会在边界引起裂纹，裂纹在一定的条件下，会发生