熱噴涂方法分類(lèi)及工藝原理

1、熱噴涂方法分類(lèi)及工藝原理5.3.1熱噴涂分類(lèi)方法作為新型的實(shí)用工程技術(shù)目前尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的分類(lèi)方法，一般按照熱源的種類(lèi)，噴涂材料的形 態(tài)及涂層的功能來(lái)分。如按涂層的功能分為耐腐，耐磨，隔熱等涂層，按加熱和結(jié)合方式可 分為噴涂和噴熔：前者是機(jī)體不熔化，涂層與基體形成機(jī)械結(jié)合；后者則是涂層再加熱重熔, 涂層與基體互溶并擴(kuò)散形成冶金結(jié)合。平常接觸較多的一種分類(lèi)方法是按照加熱噴涂材料的熱源種類(lèi)來(lái)分的，按此可分為：火 焰類(lèi)，包括火焰噴涂、爆炸噴涂、超音速噴涂；電弧類(lèi)，包括電弧噴涂和等離子噴涂； 電熱法，包括電爆噴涂、感應(yīng)加熱噴涂和電容放電噴涂；激光類(lèi)：激光噴涂。5.3.2火焰類(lèi)噴涂 1火焰噴涂：火焰噴涂包括線

2、材火焰噴涂和粉末火焰噴涂<1>線材火焰噴涂法：是最早發(fā)明的噴涂法。它是把金屬線以一定的速度送進(jìn)噴槍里，使端部在高溫火焰中熔化，隨即用壓縮空氣把其霧化并吹走，沉積在預(yù)處理過(guò)的工件表面上。圖5-2絲材火焰噴涂的原理示意圖 圖5-1絲材火焰噴吐的裝置示意圖1圖5-1表示絲材火焰噴涂的裝置。圖5-2則是絲材火焰噴涂槍的剖面圖，它示出了絲材火焰噴涂的 基本原理。噴涂源為噴嘴，金屬絲穿過(guò)噴嘴中心，通過(guò)圍繞噴嘴和氣罩形成的環(huán)形火焰中，金屬絲 的尖端連續(xù)地被加熱到其熔點(diǎn)。然后，由通過(guò)氣罩的壓縮空氣將其霧化成噴射粒子，依靠空氣流加 速噴射到基體上，從而熔融的粒子冷卻到塑性或半熔化狀態(tài)，也發(fā)生一定程度

3、的氧化。粒子與基體 撞擊時(shí)變平并粘結(jié)到基體表面上， 隨后而來(lái)的與基體撞擊的粒子也變平并粘結(jié)到先前已粘結(jié)到基體 的粒子上，從而堆積成涂層。絲材的傳送靠噴槍中空氣渦輪或電動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)，以控制送絲速度。采用空氣渦輪 的噴槍?zhuān)徒z速度的微調(diào)比較困難，而且其速度受壓縮空氣的影響而難以恒定，但噴槍的質(zhì)量輕， 適用于手工操作；采用電動(dòng)馬達(dá)傳送絲材的噴涂設(shè)備，雖然送絲速度容易調(diào)節(jié)，也能保持恒定，噴 涂自動(dòng)化程度高，但噴槍笨重，只適用于機(jī)械噴涂。1.8 4.8mm在絲材火焰噴槍中，燃?xì)饣鹧嬷饕糜诰€材的熔化，適宜于噴涂的金屬絲直徑一般為 但有時(shí)直徑較大的棒材，甚至一些帶材亦可噴涂，不過(guò)此時(shí)須配以特

4、定的噴槍。<2>粉末火焰噴涂法：它與絲材火焰噴涂的不同之處是噴涂材料不是絲材而是粉末。圖5-3和圖5-4分別為為粉末火焰噴涂裝置和原理示意圖2#圖5-3粉末火焰噴涂的典型裝置#圖5-4粉末火焰噴涂的原理示意圖#在火焰噴涂中通常使用乙炔和氧組合燃燒而提供熱量，也可以用甲基乙炔，丙二烯（MPS）,丙烷，氫氣或天然氣?；鹧鎳娡靠蓢娡拷饘?，陶瓷，塑料等材料，應(yīng)用非常靈活，噴涂設(shè)備輕便簡(jiǎn)單，可移動(dòng)， 價(jià)格低于其他噴涂設(shè)備，經(jīng)濟(jì)型好，是目前噴涂技術(shù)中使用較廣泛的一種方法。但是，火焰噴涂也存在明顯的不足。如噴出的顆粒速度較小，火焰溫度較低，涂層的粘結(jié)強(qiáng)度及涂層本身的綜合強(qiáng)度都比較低，且比其他方法

5、得到的氣孔率都。此外，火焰中心為氧化 氣氛，所以對(duì)高熔點(diǎn)材料和易氧化材料，使用時(shí)應(yīng)注意。為了改善火焰噴涂的不足，提高結(jié)合強(qiáng)度及涂層密度，可采用將壓縮空氣或氣流加速裝 置來(lái)提高顆粒速度；也可以采用將壓縮氣流由空氣改為惰性氣體的辦法來(lái)降低氧化程度，但 這同時(shí)也提高了成本。2爆炸噴涂爆炸噴涂：利用氧氣和乙炔氣點(diǎn)火燃燒，造成氣體膨脹而產(chǎn)生爆炸，釋放出熱能和沖擊 波,熱能使噴涂粉末熔化，沖擊波則使熔融粉末以 700800m/s的速度噴射到工件表面上形成 涂層。圖5-5為爆炸噴槍示意圖乙塊氣圖5-5爆炸噴涂原理圖爆炸涂層形成的基本特征，一般認(rèn)為仍然是高速熔融粒子碰撞基體的結(jié)果。爆炸噴涂的最大特點(diǎn)是粒子飛行

6、速度高，動(dòng)能大，所以爆炸噴涂涂層具有：涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度高，涂層致密，氣孔率很低，涂層表面加工后粗糙度低，工件表面溫度低爆炸噴涂可噴涂金屬，金屬陶瓷及陶瓷材料，但是由于該設(shè)備價(jià)格高，噪音大,屬氧化性氣氛等原因，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用還不廣泛目前世界上應(yīng)用最成功的爆炸噴涂是美國(guó)聯(lián)合碳化物公司林德分公司1955年取得的專(zhuān)利，其設(shè)備及工藝參數(shù)至今仍然保密。我國(guó)于1985年左右,由中國(guó)航天工業(yè)部航空材料研究所研制成功爆炸噴涂設(shè)備，就Co/WC涂層性能來(lái)看，噴涂性能與美國(guó)聯(lián)合碳化物公司的水平接 近。在爆炸噴涂中,當(dāng)乙炔含量為45%時(shí)，氧-乙炔混合氣可產(chǎn)生3140C的自由燃燒溫度，但在 爆炸條件下可能超出4200&

7、#176;C，所以絕大多數(shù)粉末能夠熔化。粉末在高速槍中被輸運(yùn)的長(zhǎng)度遠(yuǎn) 大于等離子槍?zhuān)@也是其粒子速度高的原因。3超音速噴涂為了與美國(guó)碳化物公司的爆炸噴涂抗?fàn)?，上世紀(jì)60年代初期,美國(guó)人J.Browning發(fā)明了超 音速火焰噴涂技術(shù),稱(chēng)之為"Jet-Kote"并于1983年獲得美國(guó)專(zhuān)利。近些年來(lái)，國(guó)外超音速火焰噴涂技術(shù)發(fā)展迅速，許多新型裝置出現(xiàn)，在不少領(lǐng)域正在取代傳統(tǒng)的等離子噴涂。在國(guó)內(nèi),武漢材料保護(hù)研究所，北京鋼鐵研究總院，北京鈦得新工藝材料有限公司等也在進(jìn)行這方面研究，并生產(chǎn)出有自己特色的超音速噴涂裝置。圖 5-6是超音速火焰噴涂槍示意圖圖5-6超音速火焰噴涂槍燃料氣體（

8、氫氣，丙烷，丙烯或乙炔-甲烷-丙烷混合氣體等）與助燃劑（02）以一定的比例 導(dǎo)入燃燒室內(nèi)混合，爆炸式燃燒，因燃燒產(chǎn)生的高溫氣體以高速通過(guò)膨脹管獲得超音速。同 時(shí)通入送粉氣（Ar或N2），定量沿燃燒頭內(nèi)碳化鎢中心套管送入高溫燃?xì)庵?，一同射出?涂于工件上形成涂層。在噴涂機(jī)噴嘴出口處產(chǎn)生的焰流速度一般為音速的4倍，即約1520m/s,最高可高達(dá)2400m/s（具體與燃燒氣體種類(lèi)，混合比例，流量，粉末質(zhì)量和粉末流量等有關(guān)）。粉末撞擊 到工件表面的速度估計(jì)為550-760m/s,與爆炸噴涂相當(dāng)。Jet-Kote法之所以能有這么高的速度，關(guān)鍵在于按流體力學(xué)的原理合理設(shè)計(jì)制造了一個(gè)噴 嘴，稱(chēng)之為L(zhǎng)aval

9、管的膨脹管，其原理如下圖5-7。圖 5-7 Laval 管由流體力學(xué)知：對(duì)一維可壓縮流體，則有：ds/s=（M21）dv/v其中：S 管器截面積；M= v/v聲（馬赫數(shù)）； V 流體速度由式中我們看出：當(dāng)V>v聲，即M >1時(shí)，則dv與ds符號(hào)相同，即隨管道截面積變大（ds為正）時(shí)，流體速度也增大當(dāng)V<v聲，即M <1時(shí)，則dv與ds符號(hào)相反，即隨管器截面積變?。╠s為負(fù)）時(shí)，流體速度亦增大.所以 ,只要管子設(shè)計(jì)合理 ,則流體在速度低時(shí) ,只要經(jīng)過(guò)足夠壓縮 ,即可在管器某一截面 （如AB）達(dá)到聲速，過(guò)了這一截面后，將獲得超音速。超音速噴涂法具有如下的特點(diǎn)： 粉粒溫度較低

10、 ,氧比較輕 （這主要是由于粉末顆粒在高溫中停留時(shí)間短 ,在空氣中暴露時(shí) 間短的緣故， 所以涂層中含氧化物量較低 ,化學(xué)成分和相的組成具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性 ），但只適于 噴涂金屬粉末、 Co-Wc 粉末以及低熔點(diǎn) TiO2 陶瓷粉末； 粉粒運(yùn)動(dòng)速度高。 粉粒尺寸?。?053>ym）、分布范圍窄，否則不能熔化。 涂層結(jié)合強(qiáng)度、致密度高，無(wú)分層現(xiàn)象。 涂層表面粗糙度低。 噴涂距離可在較大范圍內(nèi)變動(dòng)，而不影響噴涂質(zhì)量。 可得到比爆炸噴涂更厚的涂層，殘余應(yīng)力也得到改善。 噴涂效率高，操作方便。 噪音大（大于120dB）,需有隔音和防護(hù)裝置。5.3.3 電弧類(lèi)噴涂1.電弧噴涂：電弧噴涂 ：在兩根焊絲狀

11、的金屬材料之間產(chǎn)生電弧，因電弧產(chǎn)生的熱使金屬焊絲逐漸熔 化，熔化部分被壓縮空氣氣流噴向基體表面而形成涂層。電弧噴涂按電弧電源可分為直流電弧噴涂和交流電弧噴涂。直流：操作穩(wěn)定，涂層組織 致密，效率高。交流：噪音大。電弧產(chǎn)生的溫度與電弧氣體介質(zhì)、電極材料種類(lèi)及電流有關(guān)（如Fe料，電流280安，電弧溫度為 6100K）但一般來(lái)說(shuō)，電弧噴涂比火焰噴涂粉末粒子含熱量更大一些，粒子飛行速度也較快，因 此，熔融粒子打到基體上時(shí)，形成局部微冶金結(jié)合的可能性要大的多。所以，涂層與基體結(jié) 合強(qiáng)度較火焰噴涂高1.52.0倍，噴涂效率也較高。電弧噴涂還可方便地制造合金涂層或偽合金”涂層。通過(guò)使用兩根不同成分的絲材和使

12、用不同進(jìn)給速度，即可得到不同的合金成分。電弧噴涂與火焰噴涂設(shè)備相似，同樣具有成本低，一次性投資少，使用也方便等優(yōu)點(diǎn)。但是，電弧噴涂的明顯不足，噴涂材料必須是導(dǎo)電的焊絲，因此只能使用金屬，而不能 使用陶瓷，限制了電弧噴涂的應(yīng)用范圍。近些年來(lái)，為了進(jìn)一步提高電弧噴涂涂層的性能， 國(guó)外對(duì)設(shè)備和工藝進(jìn)行了較大的改進(jìn), 公布了不少專(zhuān)利。例如，將甲烷等加入到壓縮空氣中作為霧化氣體，以降低涂層的含氧量。 日本還將傳統(tǒng)的圓形絲材改成方形，以改善噴涂速率，提高了涂層的結(jié)合強(qiáng)度。2等離子噴涂：包括大氣等離子噴涂，保護(hù)氣氛等離子噴涂，真空等離子噴涂和水穩(wěn)等 離子噴涂。等粒子噴涂技術(shù)是繼火焰噴涂之后大力發(fā)展起來(lái)的一種

13、新型多用途的精密?chē)娡糠椒?，?具有：超高溫特性，便于進(jìn)行高熔點(diǎn)材料的噴涂。噴射粒子的速度高，涂層致密，粘結(jié) 強(qiáng)度高。由于使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴涂材料不易氧化。<1>等離子的形成（以N2為例）：圖5-8等離子體發(fā)生過(guò)程示意圖0°k時(shí)，N2分子的兩個(gè)原子程啞鈴形，僅在 x,y,z萬(wàn)向上平動(dòng)；大于10°k時(shí)，開(kāi)始旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；大于10000°k時(shí)，原子間產(chǎn)生振動(dòng)，分子與分子間碰撞，則分子會(huì)發(fā)生離解變?yōu)閱卧樱篘2+ Ud>N + N其中Ud為離解能溫度再升高，原子會(huì)發(fā)生電離：N + Ui>N+ e 其中Ui為電離能氣體電離后，在空間不僅有原

14、子，還有正離子和自由電子，這種狀態(tài)就叫等離子體。等離子體可分為三大類(lèi)：高溫高壓等離子體，電離度100%，溫度可達(dá)幾億度，用于核聚變的研究；低溫低壓等離子體，電離度不足1%,溫度僅為50250度；高溫低壓等離子體，約有1 %以上的氣體被電離，具有幾萬(wàn)度的溫度。離子、自由電子、未電離的原 子的動(dòng)能接近于熱平衡。熱噴涂所利用的正是這類(lèi)等離子體。<2>噴涂原理：等粒子噴涂原理如圖5-9所示。圖5-9等粒子噴涂原理等粒子噴涂是利用等離子弧進(jìn)行的， 離子弧是壓縮電弧，與自由電弧項(xiàng)比較，其弧柱細(xì), 電流密度大，氣體電離度高，因此具有溫度高，能量集中，弧穩(wěn)定性好等特點(diǎn)按接電方法不同，等離子弧有三種

15、形式: 非轉(zhuǎn)移?。褐冈陉帢O和噴嘴之間所產(chǎn)生的等離子弧。這種情況正極接在噴嘴上，工件 不帶電，在陰極和噴嘴的內(nèi)壁之間產(chǎn)生電弧， 工作氣體通過(guò)陰極和噴嘴之間的電弧而被加熱, 造成全部或部分電離，然后由噴嘴噴出形成等離子火焰 （或叫等離子射流）。等粒子噴涂采用的就是這類(lèi)等離子弧。 轉(zhuǎn)移?。弘娀‰x開(kāi)噴槍轉(zhuǎn)移到被加工零件上的等離子弧。這種情況噴嘴不接電源，工 件接正極，電弧飛越噴槍的陰極和陽(yáng)極（工件）之間，工作氣體圍繞著電弧送入，然后從噴 嘴噴出。等離子切割，等離子弧焊接，等離子弧冶煉使用的是這類(lèi)等離子弧。 聯(lián)合弧:非轉(zhuǎn)移弧引燃轉(zhuǎn)移弧并加熱金屬粉末，轉(zhuǎn)移弧加熱工件使其表面產(chǎn)生熔池。這 種情況噴嘴，工件均

16、接在正極。等離子噴焊采用這種等離子弧。進(jìn)行等粒子噴涂時(shí)，首先在 陰極和陽(yáng)極（噴嘴）之間產(chǎn)生一直流電弧，該電弧把導(dǎo)入的工作氣體加熱電離成高溫等離子 體，并從噴嘴噴出，形成等離子焰，等離子焰的溫度很高，其中心溫度可達(dá)30000°，噴嘴出 口的溫度可達(dá)1500020000°。焰流距離(mtn)速度在噴嘴出口處可達(dá) 10002000m/s,但迅衰減。粉末由送粉氣送入火焰中被熔 化，并由焰流加速得到高于 150m/s的速度，噴射到基體 材料上形成膜。圖5-10等離子焰流溫度分布<3>等粒子噴涂設(shè)備：等離子噴涂設(shè)備主要包括： 噴槍?zhuān)簩?shí)際上是一個(gè)非轉(zhuǎn)移弧等離子發(fā)生器，是最關(guān)鍵

17、的部件，其上集中了整個(gè)系統(tǒng)的電，氣，粉，水等。 電源：用以供給噴槍直流電。通常為全波硅整流裝置。 送粉器：用來(lái)貯存噴涂粉末并按工藝要求向噴槍輸送粉末的裝置。 熱交換器：主要用以使噴槍獲得有效的冷卻，達(dá)到使噴嘴延壽的目的。 供氣系統(tǒng)：包括工作氣和送粉氣的供給系統(tǒng)。 控制框：用于對(duì)水，電、氣、粉的調(diào)節(jié)和控制。<4>等粒子噴涂工藝：在等粒子噴涂過(guò)程中，影響涂層質(zhì)量的工藝參數(shù)很多，主要有： 等離子氣體：氣體的選擇原則主要根據(jù)是可用性和經(jīng)濟(jì)性，N2氣便宜，且離子焰熱焓高，傳熱快，利于粉末的加熱和熔化，但對(duì)于易發(fā)生氮化反應(yīng)的粉末或基體則不可采用。Ar氣電離電位較低，等離子弧穩(wěn)定且易于引燃，弧焰

18、較短，適于小件或薄件的噴涂，此外Ar氣還有很好的保護(hù)作用，但 Ar 氣的熱焓低，價(jià)格昂貴。氣體流量大小直接影響等離子焰流的熱焓和流速，從而影響噴涂效率，涂層氣孔率和結(jié) 合力等。流量過(guò)高，則氣體會(huì)從等離子射流中帶走有用的熱，并使噴涂粒子的速度升高，減 少了噴涂粒子在等離子火焰中的 “滯留”時(shí)間，導(dǎo)致粒子達(dá)不到變形所必要的半熔化或塑性狀 態(tài)，結(jié)果是涂層粘接強(qiáng)度、密度和硬度都較差，沉積速率也會(huì)顯著降低；相反，則會(huì)使電弧 電壓值不適當(dāng)，并大大降低噴射粒子的速度。極端情況下，會(huì)引起噴涂材料過(guò)熱，造成噴涂 材料過(guò)度熔化或汽化，引起熔融的粉末粒子在噴嘴或粉末噴口聚集，然后以較大球狀沉積到 涂層中，形成大的空

19、穴。 電弧的功率：電弧功率太高，電弧溫度升高，更多的氣體將轉(zhuǎn)變成為等離子體，在大功率、低工作氣體流量的情況下，幾乎全部工作氣體都轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚缘攘Ｗ恿?，等粒子火焰溫度也很高，這可 能使一些噴涂材料氣化并引起涂層成分改變，噴涂材料的蒸汽在基體與涂層之間或涂層的疊 層之間凝聚引起粘接不良。此外還可能使噴嘴和電極燒蝕。而電弧功率太低，則得到部分離子氣體和溫度較低的等離子火焰，又會(huì)引起粒子加熱不 足，涂層的粘結(jié)強(qiáng)度，硬度和沉積效率較低。 供粉供粉速度必須與輸入功率相適應(yīng)，過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)生粉（未熔化），導(dǎo)致噴涂效率降低； 過(guò)低，粉末氧化嚴(yán)重，并造成基體過(guò)熱。送料位置也會(huì)影響涂層結(jié)構(gòu)和噴涂效率，一般來(lái)說(shuō)，粉末必

20、須送至焰心才能使粉末獲得 最好的加熱和最高的速度。 噴涂距離和噴涂角噴槍到工件的距離影響噴涂粒子和基體撞擊時(shí)的速度和溫度，涂層的特征和噴涂材料對(duì) 噴涂距離很敏感。噴涂距離過(guò)大，粉粒的溫度和速度均將下降，結(jié)合力、氣孔、噴涂效率都會(huì)明顯下降； 過(guò)小，會(huì)使基體溫升過(guò)高，基體和涂層氧化，影響涂層的結(jié)合。在機(jī)體溫升允許的情況下， 噴距適當(dāng)小些為好。噴涂角：指的是焰流軸線與被噴涂工件表面之間的角度。該角小于 45 度時(shí)，由于 “陰影 效應(yīng)”的影響，涂層結(jié)構(gòu)會(huì)惡化形成空穴，導(dǎo)致涂層疏松。 噴槍與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度噴槍的移動(dòng)速度應(yīng)保證涂層平坦，不出線噴涂脊背的痕跡。也就是說(shuō)，每個(gè)行程的寬度 之間應(yīng)充分搭疊，在滿足上述要求前提下，噴涂操作時(shí)，一般采用較高的噴槍移動(dòng)速度，這 樣可防止產(chǎn)生局部熱點(diǎn)和表面氧化。 基體溫度控制較理想的噴涂工件是在噴涂前把工件預(yù)熱到噴涂過(guò)程要達(dá)到的溫度，然后在噴涂過(guò)程中 對(duì)工件采用噴氣冷卻的措施，使