噴涂工藝過程講課講稿

1、噴涂工藝過程1、表面預(yù)處理為了使涂層與基體材料很好地結(jié)合，基材表面必須清潔及粗糙，凈化和粗化表面的方法很多，方 法的選擇要根據(jù)涂層的設(shè)計(jì)要求及基材的材質(zhì)、形狀、厚薄、表面原始狀況以及施工條件等因素 而定、凈化處理的目的是除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油漬、油漆及其他污物，關(guān)鍵是 除去工件表面和滲入其中的油脂、凈化處理的方法有，溶劑清洗法、蒸汽清洗法、堿洗法及加熱 脫脂法等、粗化處理的目的是增加涂層與基材間的接觸面，增大涂層與基材的機(jī)械咬合力，使凈 化處理過的表面更加活化，以提高涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度、同時(shí)基材表面粗化還改變涂層中的殘 余應(yīng)力分布，對(duì)提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度也是有利的、粗化處理的方法

2、有噴砂、機(jī)械加工法（如車螺 紋、滾花）、電拉毛等。其中噴砂處理是最常用的粗化處理方法，常用的噴砂介質(zhì)有氧化鋁、碳 化硅和冷硬鑄鐵等。噴砂時(shí)，噴砂介質(zhì)的種類和粒度、噴砂時(shí)風(fēng)壓的大小等條件必須根據(jù)工件材 質(zhì)的硬度、工件的形狀和尺寸等進(jìn)行合理的選擇。對(duì)于各種金屬基體，推薦采用的砂粒粒度約為 16-60號(hào)砂，粗砂用于堅(jiān)固件和重型件的噴砂，噴砂壓力為0、5 0、7Mpa，薄工件易于變形， 噴砂壓力為0、3 0、4Mpa。特別值得注意的一點(diǎn)是，用于噴砂的壓縮空氣一定要是無(wú)水無(wú)油的，否則會(huì)嚴(yán)重影響涂層的質(zhì)量。 噴涂前工件表面的粗化程度對(duì)大多數(shù)金屬材料來(lái)說2、5 13mmRa就夠了。隨著表面粗糙度的 增加涂層

3、與基體材料的結(jié)合增強(qiáng)，但是當(dāng)表面粗糙度超過10mmRa后，涂層結(jié)合強(qiáng)度的提高程 度便會(huì)減低。對(duì)于一些與基材粘結(jié)不好的涂層材料，還應(yīng)選擇一種與基體材料粘結(jié)好的材料噴涂 一層過渡層，稱為粘結(jié)底層，常用作粘結(jié)底層的材料有Mo、NiAl、NiCr及鋁青銅等、粘結(jié)底層 的厚度一般為0、08 0、18mm。2、預(yù)熱預(yù)熱的目的是為了消除工件表面的水分和濕氣，提高噴涂粒子與工件接觸時(shí)的界面溫度，以提高 涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度；減少因基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的應(yīng)力而導(dǎo)致的涂層開裂、預(yù) 熱溫度取決于工件的大小、形狀和材質(zhì)，以及基材和涂層材料的熱膨脹系數(shù)等因素，一般情況下預(yù)熱溫度控制在60-120C之間、3、噴

4、涂采用何種噴涂方法進(jìn)行噴涂主要取決于選用的噴涂材料、工件的工況及對(duì)涂層質(zhì)量的要求。例如， 如果是陶瓷涂層，則最好選用等離子噴涂；如果是碳化物金屬陶瓷涂層則最好采用高速火焰噴涂; 若是噴涂塑料則只能采用火焰噴涂；而若要在戶外進(jìn)行大面積防腐工程的噴涂的話，那就非靈活 高效的電孤噴涂或絲材火焰噴涂莫屬了?？傊?，噴涂方法的選擇一般來(lái)說是多樣的，但對(duì)某種應(yīng)用來(lái)說總有一種方 法是最好的。預(yù)處理好的工件要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行噴涂，噴涂參數(shù)要根據(jù)涂層材料、噴槍 性能和工件的具體情況而定，優(yōu)化的噴涂條件可以提高噴涂效率、并獲得致密度高、結(jié)合強(qiáng)度高 的高質(zhì)量涂層、4、涂層后處理噴涂所得涂層有時(shí)不能直接使用，必須

5、進(jìn)行一系列的后處理、用于防腐蝕的涂層，為了防止腐蝕 介質(zhì)透過涂層的孔隙到達(dá)基材引起基材的腐蝕，必須對(duì)涂層進(jìn)行封孔處理、用作封孔劑的材料很 多，有石臘、環(huán)氧樹脂、硅樹脂等有機(jī)材料及氧化物等無(wú)機(jī)材料，如何選擇合適的封孔劑，要根 據(jù)工件的工作介質(zhì)、環(huán)境、溫度及成本等多種因素進(jìn)行考慮、對(duì)于承受高應(yīng)力載荷或沖擊磨損的 工件，為了提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度，要對(duì)噴涂層進(jìn)行重熔處理（如火焰重熔、感應(yīng)重熔、激光重熔 以及熱等靜壓等），使多孔的且與基體僅以機(jī)械結(jié)合的涂層變?yōu)榕c基材呈冶金結(jié)合的致密涂層、 有尺寸精度要求的，要對(duì)涂層進(jìn)行機(jī)械加工、由于噴涂涂層具有與一般的金屬及陶瓷材料不同的 特點(diǎn)，如涂層有微孔，不利于散熱；

6、涂層本身的強(qiáng)度較低，不能承受很大的切削力；涂層中有很 多硬的質(zhì)點(diǎn)，對(duì)刀具的磨損很快等，因而形成了噴涂涂層不同于一般材料的難于加工的特點(diǎn)、所 以必須選用合理的加工方法和相應(yīng)的工藝參數(shù)才能保證噴涂層機(jī)械加工的順利進(jìn)行和保證達(dá)到 所要求的尺寸精度、從熱噴涂技術(shù)的原理及工藝過程分析，熱噴涂技術(shù)具有以下一些特點(diǎn)、1、由于熱源的溫度范圍很寬，因而可噴涂的涂層材料幾乎包括所有固態(tài)工程材料，如金屬、合 金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料以及由它們組成的復(fù)合物等、因而能賦予基體以各種功能（如耐磨、 耐蝕、耐高溫、抗氧化、絕緣、隔熱、生物相容、紅外吸收等）的表面、2、噴涂過程中基體表面受熱的程度較小而且可以控制，因此可以在

7、各種材料上進(jìn)行噴涂（如金屬、 陶瓷、玻璃、布正、紙張、塑料等），并且對(duì)基材的組織和性能幾乎沒有影響，工件變形也小、3、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活，既可對(duì)大型構(gòu)件進(jìn)行大面積噴涂，也可在指定的局部進(jìn)行噴涂;既可在工廠室內(nèi)進(jìn)行噴涂也可在室外現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工、4、噴涂操作的程序較少，施工時(shí)間較短，效率高，比較經(jīng)濟(jì)、隨著熱噴涂應(yīng)用要求的提高和領(lǐng)域的擴(kuò)大，特別是噴涂技術(shù)本身的進(jìn)步，如噴涂設(shè)備的日益高能 和精良，涂層材料品種的逐漸增多、性能逐漸提高，熱噴涂技術(shù)近十年來(lái)獲得了飛速的發(fā)展，不 但應(yīng)用領(lǐng)域大為擴(kuò)展，而且該技術(shù)已由早期的制備一般的防護(hù)涂層發(fā)展到制備各種功能涂層；由單個(gè)工件的維 修發(fā)展到大批的產(chǎn)品制造；由單一的涂

8、層制備發(fā)展到包括產(chǎn)品失效分析、表面預(yù)處理、涂層材料 和設(shè)備的研制、選擇，涂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)和涂層后加工在內(nèi)的噴涂系統(tǒng)工程；成為材料表面科學(xué)領(lǐng)域 中一個(gè)十分活躍的學(xué)科。并且在現(xiàn)代工業(yè)中逐漸形成象鑄、鍛、焊和熱處理那樣的獨(dú)立的材料加 工技術(shù)。成為工業(yè)部門節(jié)約貴重材料、節(jié)約能源、提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命、降低成本、 提高工效的重要的工藝手段，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。1、氧乙快火焰噴涂（焊） 是最早的一種噴涂方法。它是利用氧和乙快的燃燒火焰將粉末狀或絲狀、棒狀的涂層材料加熱到 熔融或半熔融狀態(tài)后噴向基體表面而形成涂層的一種方法。它具有設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝成熟、操作靈 活、投資少、見效快的

9、特點(diǎn)。它可制備各種金屬、合金、陶瓷及塑料涂層，是目前國(guó)內(nèi)最常用的 噴涂方法之一。但是，由該方法制備的涂層孔隙度較大，與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度也較低。但是， 對(duì)于自熔合金而言，如若采用燃燒火焰將其一次噴融或?qū)娡繉舆M(jìn)行二次重熔(有火焰重熔、感 應(yīng)重熔和爐熔等)的方法則稱為噴焊，噴焊涂層由于與基體材料呈冶金結(jié)合狀態(tài)，因而與基體材 料的結(jié)合強(qiáng)度大大提高，可以應(yīng)用于沖擊大、負(fù)荷重的工況下，如連續(xù)鑄造拉矯輥、熱軋矯直輥 表面采用鎳基自熔合金噴焊涂層進(jìn)行強(qiáng)化，均獲得了十分良好的耐蝕、耐磨和抗熱疲勞的強(qiáng)化效 果、2、爆炸噴涂(D-GUN)本方法是利用氧和可燃性氣體的混合氣，經(jīng)點(diǎn)火后在噴槍中爆炸，利用脈沖式氣體爆

10、炸的能量，將被噴涂的粉末材料加熱、加速轟擊到工件表面而形成涂層。氣體燃燒和爆炸的結(jié)果可產(chǎn)生超音 速高能氣流，爆炸波的傳播速度高達(dá)3000m/s，其中心溫度可達(dá)3450，粉末粒子的飛行速度 可達(dá)1200m/s。因而爆炸噴涂層涂層致密，與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，最高可達(dá)24kg/mm2、該法的 缺點(diǎn)是噪音大，而且爆炸是不連續(xù)的，因而效率較低。爆炸噴涂是20世紀(jì)50年代由美國(guó)聯(lián)合碳 化物公司發(fā)明，但問世后許多年都由該公司所壟斷，不對(duì)外出售技術(shù)和設(shè)備，只在其服務(wù)公司內(nèi) 為用戶進(jìn)行噴涂加工，主要噴涂陶瓷和金屬陶瓷，進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修、3、高速火焰噴涂(HVOF)高速火焰噴涂(或稱超音速火焰噴涂)是20世紀(jì)8

11、0年代出現(xiàn)的一種高能噴涂方法，它的開發(fā)是 繼等離子噴涂之后熱噴涂工業(yè)最具創(chuàng)造性的進(jìn)展。雖然高速火焰噴涂方法可噴涂的材料很多，但 由于其火焰含氧少溫度適中，焰流速度很高，能有效地防止粉末涂層材料的氧化和分解，故特別適合碳化物類涂層的噴涂。該設(shè)備發(fā)展到第三代，性能有了大幅度的提高，例如JP-5000、DJ-2700等設(shè)備其室壓達(dá)到8-12bar， 功率達(dá)到100-120kw，噴涂效率可達(dá)10kg/h(WC-Co),涂層厚度可達(dá)數(shù)mm,涂層性能已能達(dá)到 爆炸噴涂的水平。在許多工業(yè)部門獲得廣泛的應(yīng)用、如航空發(fā)動(dòng)中的耐磨涂層、造紙機(jī)械用的鏡 面涂層等、近年來(lái)，由于電鍍鉻工藝的環(huán)境污染問題，電鍍鉻工業(yè)在一

12、些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家受到嚴(yán)格 的限制，并逐漸被淘汰，采用高速火焰噴涂涂層代替鍍鉻層的應(yīng)用越來(lái)越受到工業(yè)界的關(guān)注和重 視、4、電孤噴涂電孤噴涂是在兩根絲狀的金屬材料之間產(chǎn)生電弧，電孤產(chǎn)生的熱使金屬絲熔化，熔化部分由壓縮 空氣氣流霧化并噴向基體表面而形成涂層。該工藝也具有設(shè)備一次投資少，使用方便、效率高等 特點(diǎn)，但噴涂材料必須是導(dǎo)電的金屬及合金絲，因而其應(yīng)用受到了一定的限制，但它的高效率 使得它在噴涂Al、Zn及不銹鋼等大面積防腐應(yīng)用方面成為首選工藝。5、等離子噴涂(APS)當(dāng)某種氣體如氮、氬、氫及氦等通過一壓縮電孤時(shí)產(chǎn)生電離而形成電中性的等離子體(是物質(zhì)除 氣、液、固態(tài)外的第四態(tài))、等離子孤的能量集中

13、溫度很高，其焰流的溫度在萬(wàn)度以上，可以將 所有固態(tài)工程材料熔化、以這種高溫等離子體作熱源將涂層材料熔化制備涂層的工藝就是等離 子噴涂。國(guó)內(nèi)外已有數(shù)百種材料用于等離子噴涂，是應(yīng)用較普遍的噴涂方法。等離子噴涂涂層 的致密度及與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度均比火焰噴涂涂層和電孤噴涂涂層的高，而且也是制備陶瓷涂 層的最佳工藝、等離子技術(shù)中引人注目之處是設(shè)備的大容量化和高輸出功率化，目前氣體等離 子噴涂設(shè)備已有200kw的設(shè)備出售，不但大大提高了噴涂效率，也使涂層質(zhì)量更為改善，因而 可以實(shí)現(xiàn)大面積高質(zhì)量涂層的連續(xù)生產(chǎn)，如柔性印刷用網(wǎng)紋輥鏡面陶瓷層以及高分子薄膜電暈 處理用陶瓷絕緣涂層的制備等、6、低壓等離子噴涂(

14、LPPS)等離子噴涂可以在不同氣氛和不同壓力下實(shí)現(xiàn)，當(dāng)噴涂作業(yè)在氣氛可控的負(fù)壓密封容器內(nèi)進(jìn)行 時(shí)就成為低壓等離子噴涂。低壓等離子噴涂的優(yōu)點(diǎn)是：焰流速度高、粒子動(dòng)能大，形成的涂層致 密、結(jié)合強(qiáng)度高；低壓環(huán)境下可對(duì)基體進(jìn)行預(yù)熱和進(jìn)行反向轉(zhuǎn)移孤電清理，進(jìn)一步提高涂層與基 體的結(jié)合強(qiáng)度；由于沒有大氣污染，涂層材料不氧化成分變化小，因而可以進(jìn)行活性金屬如Ti、 Ta、Nb等的噴涂；還可使形成等離子體的氣體在噴涂過程中與涂層材料進(jìn)行反應(yīng)，形成特殊化合物涂層。由于具有以上特點(diǎn)，低壓等離子噴涂主要用于制備航空工業(yè)等高科技領(lǐng)域的涂層，如飛機(jī)渦輪 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片抗高溫氧化和熱腐蝕的MCrAlY(M= Co、Ni、Fe

15、)涂層，以及制備人體人工植入體用生 物功能涂層、7、水穩(wěn)等離子噴涂水穩(wěn)等離子噴涂是一種高功率和高速等離子噴涂方法，它是在由高速旋轉(zhuǎn)的水形成的隧道里產(chǎn)生 的孤中，水蒸氣分解形成02和H2的等離子工作氣的噴涂方法。與氣體等離子噴涂方法相比， 其焰流溫度更高體積更大更長(zhǎng)，特別是能量更高，因而特別適合于高熔點(diǎn)氧化物陶瓷的大量噴 涂。其主要優(yōu)點(diǎn)是：輸出功率大(150-200kw)，涂層結(jié)合強(qiáng)度是氣體等離子噴涂涂層的2 -3倍， 并且涂層致密，其硬度、耐磨性和耐熱沖擊性能也有很大提高；噴涂效率高，噴涂能力最大為 50kg/h，涂層厚度可達(dá)20mm，而且可以噴涂分散性較大的粉末，因而特別適合陶瓷部件的噴 涂

16、成形；只需水和空氣，運(yùn)行成本低，比其他噴涂方法經(jīng)濟(jì)。本方法的缺點(diǎn)是焰流為氧化焰， 不適噴涂容易氧化的材料。此外，噴涂槍體積較大，比較笨重、熱噴涂原理1、熱噴涂涂層的形成熱噴涂時(shí)，涂層材料的粒子被熱源加熱到熔融態(tài)或高塑性狀態(tài)，在外加氣體或焰流本身的推力下， 霧化并高速噴射向基體表面，涂層材料的粒子與基體發(fā)生猛烈碰撞而變形、展平沉積于基體表面， 同時(shí)急冷而快速凝固，顆粒這樣遂層沉積而堆積成涂層。2、熱噴涂涂層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 熱噴涂涂層形成過程決定了涂層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，噴涂層是由無(wú)數(shù)變形粒子相互交錯(cuò)呈波浪式堆疊在 一起的層狀組織結(jié)構(gòu)，涂層中顆粒與顆粒之間不可避免地存在一些孔隙和空洞，并伴有氧化物夾 雜。涂層

17、剖面典型的結(jié)構(gòu)如下圖，其特點(diǎn)為： 大呈層狀 大含有氧化物夾雜 大含有孔隙或氣孔3、熱噴涂涂層的結(jié)合機(jī)理涂層的結(jié)合包括涂層與基體的結(jié)合和涂層內(nèi)部的結(jié)合。涂層與基體表面的粘結(jié)力稱為結(jié)合力，涂 層內(nèi)部的粘結(jié)力稱為內(nèi)聚力。涂層中顆粒與基體之間的結(jié)合以及顆粒之間的結(jié)合機(jī)理，目前尚無(wú) 定論，通常認(rèn)為有以下幾種方式。機(jī)械結(jié)合碰撞成扁平狀并隨基體表面起伏的顆粒和凹凸不平的表面相互嵌合，貝以顆粒的機(jī)械聯(lián)鎖而形成 的結(jié)合(拋錨效應(yīng))，一般來(lái)說，涂層與基體的結(jié)合以機(jī)械結(jié)合為主。冶金一化學(xué)結(jié)合這是當(dāng)涂層和基體表面產(chǎn)主冶金反應(yīng)，如出現(xiàn)擴(kuò)散和合金化時(shí)的一種結(jié)合類型。當(dāng)噴涂后進(jìn)行重 熔即噴焊時(shí)，噴焊層與基體的結(jié)合主要是冶金

18、結(jié)合。物理結(jié)合顆粒與基體表面間由范德華力或次價(jià)鍵形成的結(jié)合。4。涂層的殘余應(yīng)力當(dāng)熔融顆粒碰撞基體表面時(shí)，在產(chǎn)生變形的同時(shí)受到激冷而凝固，從而產(chǎn)生收縮應(yīng)力。涂層的外 層受拉應(yīng)力，基體有時(shí)也包括涂層的內(nèi)層則產(chǎn)生壓應(yīng)力。涂層中的這種殘余應(yīng)力是由熱噴涂條件 及噴涂材料與基體材料的物理性質(zhì)的差異所造成的。它影響涂層的質(zhì)量、限制涂層的厚度。工藝 上要采取措施以消除和減少涂層的殘余應(yīng)力。.熱噴涂涂層的性能1、化學(xué)成分由于涂層材料在熔化和噴射過程中，在高溫下會(huì)與周圍介質(zhì)發(fā)生作用生成氧化物、氮化物，以及 在高溫下會(huì)發(fā)生分解，因而涂層的成分與涂層材料的成分是有一定的差異的，并在一定程度上影 響涂層的性能。如MCrAl