熱噴涂方法分類及工藝原理簡介

熱噴涂方法分類及工藝原理簡介熱噴涂分類方法作為新型的實用工程技術(shù)目前尚無標準的分類方法，一般按照熱源的種類，噴涂材料的形態(tài)及涂層的功能來分。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：前者是機體不熔化，涂層與基體形成機械結(jié)合；后者則是涂層再加熱重熔，涂層與基體互溶并擴散形成冶金結(jié)合。平常接觸較多的一種分類方法是按照加熱噴涂材料的熱源種類來分的，按此可分為：①火焰類，包括火焰噴涂、爆炸噴涂、超音速噴涂；②電弧類，包括 電弧噴涂和等離子噴涂；③電熱法，包括電爆噴涂、感應加熱噴涂和電容放電噴涂；④激光類：激光噴涂?；鹧骖悋娡?、火焰噴涂：火焰噴涂包括線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，沉積在預處理過的工件表面上。圖1絲材火焰噴吐的裝置示意圖圖2絲材火焰噴涂的原理示意圖圖1表示絲材火焰噴涂的裝置。圖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，金屬絲穿過噴嘴中心，通過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。然后，由通過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)生一定程度的氧化。粒子與基體撞擊時變平并粘結(jié)到基體表面上，隨后而來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馬達旋轉(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，送絲速度的微調(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；采用電動馬達傳送絲材的噴涂設備，雖然送絲速度容易調(diào)節(jié)，也能保持恒定，噴涂自動化程度高，但噴槍笨重，只適用于機械噴涂。在絲材火焰噴槍中，燃氣火焰主要用于線材的熔化，適宜于噴涂的金屬絲直徑一般為1.8?4.8mm。但有時直徑較大的棒材，甚至一些帶材亦可噴涂，不過此時須配以特定的噴槍。<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3和圖4分別為為粉末火焰噴涂裝置和原理示意圖。圖3粉末火焰噴涂的典型裝置圖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，應用非常靈活，噴涂設備輕便簡單，可移動，價格低于其他噴涂設備，經(jīng)濟型好，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)強度及涂層本身的綜合強度都比較低,且比其他方法得到的氣孔率都。此外，火焰中心為氧化氣氛，所以對高熔點材料和易氧化材料，使用時應注意。為了改善火焰噴涂的不足，提高結(jié)合強度及涂層密度，可采用將壓縮空氣或氣流加速裝置來提高顆粒速度；也可以采用將壓縮氣流由空氣改為惰性氣體的辦法來降低氧化程度，但這同時也提高了成本。2、爆炸噴涂爆炸噴涂：利用氧氣和乙炔氣點火燃燒，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700?800m/s的速度噴射到工件表面上形成涂層。圖5為爆炸噴槍示意圖。圖5爆炸噴涂原理圖爆炸涂層形成的基本特征，一般認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是粒子飛行速度高，動能大,所以爆炸噴涂涂層具有：①涂層和基體的結(jié)合強度高，②涂層致密，氣孔率很低，③涂層表面加工后粗糙度低，④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,但是由于該設備價格高,噪音大,屬氧化性氣氛等原因,國內(nèi)外應用還不廣泛。目前世界上應用最成功的爆炸噴涂是美國聯(lián)合碳化物公司林德分公司1955年取得的專利,其設備及工藝參數(shù)至今仍然保密。我國于1985年左右,由中國航天工業(yè)部航空材料研究所研制成功爆炸噴涂設備 ,就Co/WC涂層性能來看，噴涂性能與美國聯(lián)合碳化物公司的水平接近。在爆炸噴涂中，當乙炔含量為45%時，氧-乙炔混合氣可產(chǎn)生3140°C的自由燃燒溫度，但在爆炸條件下可能超出4200C,所以絕大多數(shù)粉末能夠熔化。粉末在高速槍中被輸運的長度遠大于等離子槍,這也是其粒子速度高的原因。3、超音速噴涂為了與美國碳化物公司的爆炸噴涂抗爭,上世紀60年代初期,美國人J.Browning發(fā)明了超音速火焰噴涂技術(shù)，稱之為"Jet-Kote",并于1983年獲得美國專利。近些年來,國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。在國內(nèi),武漢材料保護研究所,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6超音速火焰噴涂槍燃料氣體（氫氣，丙烷，丙烯或乙炔一甲烷-丙烷混合氣體等）與助燃劑（02）以一定的比例導入燃燒室內(nèi)混合，爆炸式燃燒，因燃燒產(chǎn)生的高溫氣體以高速通過膨脹管獲得超音速。同時通入送粉氣（Ar或N2），定量沿燃燒頭內(nèi)碳化鎢中心套管送入高溫燃氣中，一同射出噴涂于工件上形成涂層。在噴涂機噴嘴出口處產(chǎn)生的焰流速度一般為音速的 4倍，即約1520m/s，最高可高達2400m/s（具體與燃燒氣體種類，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為550-760m/s，與爆炸噴涂相當。Jet-Kote法之所以能有這么高的速度，關(guān)鍵在于按流體力學的原理合理設計制造了一個噴嘴，稱之為Laval管的膨脹管。圖7Laval管由流體力學知：對一維可壓縮流體，則有：ds/s=（M²-1）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V>v聲，即M>1時，則dv與ds符號相同，即隨管道截面積變大（ds為正）時,流體速度也增大。當V<v聲，即M&t;1時，則dv與ds符號相反，即隨管器截面積變?。╠s為負）時，流體速度亦增大。所以，只要管子設計合理，則流體在速度低時，只要經(jīng)過足夠壓縮，即可在管器某一截面（如AB）達到聲速，過了這一截面后，將獲得超音速。超音速噴涂法具有如下的特點：粉粒溫度較低，氧比較輕（這主要是由于粉末顆粒在高溫中停留時間短，在空氣中暴露時間短的緣故，所以涂層中含氧化物量較低，化學成分和相的組成具有較強的穩(wěn)定性），但只適于噴涂金屬粉末、Co-Wc粉末以及低熔點TiO2陶瓷粉末；粉粒運動速度高。粉粒尺寸?。?0?53>pm）、分布范圍窄，否則不能熔化。涂層結(jié)合強度、致密度高，無分層現(xiàn)象。涂層表面粗糙度低。噴涂距離可在較大范圍內(nèi)變動，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），需有隔音和防護裝置。電弧類噴涂1、 電弧噴涂：電弧噴涂：在兩根焊絲狀的金屬材料之間產(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)、電極材料種類及電流有關(guān)（如Fe料，電流280安，電弧溫度為6100K）。但一般來說，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，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)合強度較火焰噴涂高 1.5?2.0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。通過使用兩根不同成分的絲材和使用不同進給速度，即可得到不同的合金成分。電弧噴涂與火焰噴涂設備相似，同樣具有成本低，一次性投資少，使用也方便等優(yōu)點。但是，電弧噴涂的明顯不足，噴涂材料必須是導電的焊絲，因此只能使用金屬，而不能使用陶瓷，限制了電弧噴涂的應用范圍。近些年來，為了進一步提高電弧噴涂涂層的性能，國外對設備和工藝進行了較大的改進，公布了不少專利。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)合強度。2、 等離子噴涂：等離子噴涂：包括大氣等離子噴涂，保護氣氛等離子噴涂，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)展起來的一種新型多用途的精密噴涂方法，它具有：①超高溫特性，便于進行高熔點材料的噴涂。②噴射粒子的速度高，涂層致密，粘結(jié)強度高。③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8等離子體發(fā)生過程示意圖。0°k時，N2分子的兩個原子程啞鈴形，僅在x,y,z方向上平動；大于10°k時，開始旋轉(zhuǎn)運動；大于10000°k時，原子間產(chǎn)生振動，分子與分子間碰撞，則分子會發(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：①高溫高壓等離子體，電離度100％，溫度可達幾億度，用于核聚變的研究；②低溫低壓等離子體，電離度不足 1%,溫度僅為50?250度；高溫低壓等離子體，約有1%以上的氣體被電離，具有幾萬度的溫度。離子、自由電子、未電離的原子的動能接近于熱平衡。熱噴涂所利用的正是這類等離子體。<2>噴涂原理：圖9等粒子噴涂原理等粒子噴涂是利用等離子弧進行的，離子弧是壓縮電弧，與自由電弧項比較，其弧柱細，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。按接電方法不同，等離子弧有三種形式：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等離子弧。轉(zhuǎn)移?。弘娀‰x開噴槍轉(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，工件均接在正極。等離子噴焊采用這種等離子弧。進行等粒子噴涂時，首先在陰極和陽極（噴嘴）之間產(chǎn)生一直流電弧，該電弧把導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30000°k，噴嘴出口的溫度可達；15000?20000°k。焰流速度在噴嘴出口處可達1000?2000m/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10等離子焰流溫度分布<3>等粒子噴涂設備：等離子噴涂設備主要包括：噴槍：實際上是一個非轉(zhuǎn)移弧等離子發(fā)生器，是最關(guān)鍵的部件，其上集中了整個系統(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，但對于易發(fā)生氮化反應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，弧焰較短，適于小件或薄件的噴涂，此外Ar氣還有很好的保護作用，但Ar氣的熱焓低，價格昂貴。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。流量過高，則氣體會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”時間，導致粒子達不到變形所必要的半熔化或塑性狀態(tài)，結(jié)果是涂層粘接強度、密度和硬度都較差，沉積速率也會顯著降低；相反，則會使電弧電壓值不適當，并大大降低噴射粒子的速度。極端情況下，會引起噴涂材料過熱，造成噴涂材料過度熔化或汽化，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，又會引起粒子加熱不足，涂層的粘結(jié)強度，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，過大，會出現(xiàn)生粉（未熔化），導致噴涂效率降低；過低，粉末氧化嚴重，并造成基體過熱。送料位置也會影響涂層結(jié)構(gòu)和噴涂效率，一般來說，粉末必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的速度和溫度，涂層的特征和噴涂材料對噴涂距離很敏感。噴涂距離過大，粉粒的溫度和速度均將下降，結(jié)合力、氣孔、噴涂效率都會明顯下降；過小，會使基體溫升過高，基體和涂層氧化，影響涂層的結(jié)合。在機體溫升允許的情況下，噴距適當小些為好。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，由于“陰影效應”的影響，涂層結(jié)構(gòu)會惡化形成空穴，導致涂層疏松。噴槍與工件的相對運動速度：噴槍的移動速度應保證涂層平坦，不出線噴涂脊背的痕跡。也就是說，每個行程的寬度之間應充分搭疊，在滿足上述要求前提下，噴涂操作時，一般采用較高的噴槍移動速度，這樣可防止產(chǎn)生局部熱點和表面氧化?；w溫度控制：較理想的噴涂工件是在噴涂前把工件預熱到噴涂過程要達到的溫度，然后在噴