现代表面技术-热喷涂.ppt

现代表面技术第四部分-热喷涂 高原 2010.2.28 8.热喷涂 它是将金属、合金、金属陶瓷材料加热到熔融或部分熔融，以高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面，形成牢固的涂覆层。热喷涂的方法有多种，按热源可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂(超音速喷涂)和爆炸喷涂等。经热喷涂的工件具有耐磨、耐热、耐蚀等功能。 热喷涂技术是采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它们的复合材料等喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。如果将喷涂层再加热重熔，则产生冶金结合。这种方法称为热喷涂方法。 采用热喷涂技术不仅能使零件表面获得各种不同的性能，如耐磨、耐热、耐腐蚀、抗氧化和润滑等性能，而且在许多材料(金属、合金、陶瓷、水泥、塑料、石膏、木材等)表面上都能进行喷涂。喷涂工艺灵活，喷涂层厚度达0.5mm-5mm，而且对基体材料的组织和性能的影响很小。目前，热喷涂技术已广泛应用于宇航、国防、机械、冶金、石油、化工、机车车辆和电力等部门。 一、热喷涂原理 1．喷涂涂层形成过程和涂层形成原理 喷涂时，首先是喷涂材料被加热达到熔化或半熔化状态；紧接着是熔滴雾化阶段；然后是被气流或热源射流推动向前喷射的飞行阶段；最后以一定的动能冲击基体表面，产生强烈碰撞展平成扁平状涂层并瞬间凝固(图5-3a)。在凝固冷却的0.1s中，此扁平状涂层继续受环境和热气流影响(图5-3b)。每隔0.1s第二层薄片形成，通过已形成的薄片向基体或涂层进行热传导，逐渐形成层状结构的涂层(图5-3c)。 2．涂层结构 喷涂层的形成过程决定了涂层的结构。喷涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构，如图5-4所示。颗粒与颗粒之间不可避免存在一部分孔隙或空洞，其孔隙率一般在4％～20％之间。涂层中伴有氧化物和夹杂。采用等离子弧等高温热源、超音速喷涂以及低压或保护气氛喷涂，可减少以上缺陷。 改善涂层结构和性能。 由于涂层是层状结构，是一层一层堆积而成，所以涂层的性能具有方向性，垂直和平行涂层方向上的性能是不一致的。涂层经适当处理后，结构会发生变化。如涂层经重熔处理，可消除涂层中氧化物夹杂和孔隙，层状结构变为均质结构，与基体表面的结合状态也发生变化。 3．涂层结合机理 涂层的结合包括涂层与基体表面的结合和涂层内部的结合。涂层与基体表面的结合强度称为结合力；涂层内部的结合强度称为内聚力。涂层中颗粒与基体表面之间的结合以及颗粒之间的结合机理目前尚无定论，通常认为有以下几种方式： (1)机械结合。碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒，由于和凹凸不平的表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合。一般说来，涂层与基体表面的结合以机械结合为主。 (2)冶金-化学结合。这是当涂层和基体表面出现扩散和合金化时的一种结合类型，包括在结合面上生成金属间化合物或固溶体。当喷涂后进行重熔即喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶金结合。 (3)物理结合。颗粒对基体表面的结合，是由范德华力或次价键形成的结合。 4．涂层残余应力 当熔融颗粒碰撞基体表面时，在产生变形的同时受到激冷而凝固，从而产生微观收缩应力，涂层的外层受拉应力；基体，有时也包括涂层的内层则产生压应力。涂层中的这种残余直力是由喷涂热条件及喷涂材料与基体材料物理性质的差异所造成的，它影响涂层质量，限制涂层的厚度。工艺上要采取措施以消除和减少涂层残余应力。 二、热喷涂的种类和特点 1．热喷涂种类 按涂层加热和结合方式，热喷涂有喷涂和喷熔两种。前者是基体不熔化，涂层与基体形成机械结合；后者则是涂层经再加热重熔，涂层与基体互溶并扩散形成冶金结合。它们与堆焊的根本区别都在于母材基体不熔化或极少溶化。 热喷涂技术按照加热喷涂材料的热源种类分为：火焰喷涂、电弧喷涂、高频喷涂、等离子弧喷涂(超音速喷涂)、爆炸喷涂、激光喷涂和重熔、电子束喷涂。 2．热喷涂特点 (1)适用范围广。涂层材料可以是金属和非金属(如聚乙烯、尼龙等塑料，氧化物、氮化硅、氮化硼等陶瓷)以及复合材料。被喷涂工件也可以是金属和非金属(如木材)。用复合粉末喷成的复合涂层可以把金属和塑料或陶瓷结合起来，获得良好的综合性能。其他方法难以达到。 (2)工艺灵活。施工对象小到10mm内孔，大到铁塔、桥梁等大型结构。喷涂既可在整体表面上进行，也可在指定区域内涂敷，既可在真空或控制气氛中喷涂活性材料。也可在野外现场作业。 (3)喷涂层的厚度可调范围大。涂层厚度可从几十微米到几毫米，表面光滑，加工量少。用特细粉末喷涂