熱噴涂、噴焊與堆焊

第一節(jié)熱噴涂技術一、噴涂技術的原理與特點1熱噴涂原理

利用熱能將噴涂材料熔化，再借助高速氣流將其霧化，并在高速氣流的帶動下粒子撞擊基材表面，冷凝后形成具有某種功能的涂層。第六章熱噴涂、噴焊與堆焊技術ParticleorDropletgenerationAcceleratingHeatingSplatformation:Impact,flatteningSolidification熱噴涂原理典型熱噴涂系統(tǒng)（1）可在各種基材上制備各種涂層；（2）基材溫度低（30～200℃），熱影響區(qū)淺，變形?。唬?）涂層厚度范圍寬（0.5～5mm）；（4）操作靈活，可在不同尺寸和形狀的工件上噴涂；（5）加熱效率低，噴涂材料利用率低，（6）涂層與基體結合強度低。2熱噴涂技術的特點1噴涂材料的分類和要求熱噴涂材料按材料的形態(tài)分線材、棒材和粉末三大類。3、熱噴涂材料熱噴涂材料分類（金屬類）熱噴涂材料分類（非金屬類）（1）熱穩(wěn)定性好，在高溫焰流中不升華，不分解。（2）有較寬的液相區(qū)，使熔滴在較長時間內(nèi)保持液相。（3）與基材有相近的熱膨脹系數(shù)，以防止因膨脹系數(shù)相差過大產(chǎn)生較大的熱應力。（4）噴涂材料在熔融狀態(tài)下應和基材有較好的浸潤性，以保證涂層與基材之間有良好的結合性能。（5）一定的形狀與尺寸（線材φ1—3mm,粉末φ1—100um)熱噴涂材料的要求（1）噴涂材料被加熱到熔融狀態(tài)。（2）噴涂材料被霧化成微小熔滴并高速撞擊基體表面，撞擊基體的顆粒動能越大和沖擊變形越大，形成的涂層結合越好。（3）熔融的高速粒子在沖擊基材表面后發(fā)生變形，冷凝后形成涂層。4涂層形成過程

式中：Ｓ為粉末在焰流中的運動距離；l為平均邊界層的熱導率；DＴ為平均邊界層的溫度梯度；Ｖ為平均焰流速度；Ｌ為粉末材料的熔化潛熱；Ｄ為粉末的平均直徑；m為平均焰流黏度；Ｐ為粉末密度。

在涂層粉末熔化過程中，將材料參數(shù)及有關變量，如熱導率、熔化溫度等，統(tǒng)一納入到加熱條件及氣流動力學方程中，可得到以下不等式。

如右圖所示是等離子噴涂鉬涂層顯微結構形貌圖，大小不一的扁平顆粒、未熔化的球形顆粒、夾雜和孔隙組成。5.

涂層結構涂層性能具有方向性，垂直和平行涂層方向上的性能不一致。涂層中伴有氧化物等夾雜，存在部分孔隙，孔隙率4％－20％。

涂層是由無數(shù)變形粒子互相交錯堆疊在一起，形成一層堆積而成的層狀結構。涂層內(nèi)有一定比例的孔隙，產(chǎn)生原因是：(1)未熔化顆粒的低沖擊功能；（1）噴涂角度不同造成的遮蔽效應；（2）凝固收縮和應力釋放效應

缺點：孔隙將降低涂層的硬度、耐磨性和耐蝕性。優(yōu)點：但孔隙可以儲存潤滑劑，提高涂層的隔熱性能，減小內(nèi)應力并因此增加涂層厚度，提高涂層抗熱震性能，提高涂層的可磨耗性能。

6熱噴涂中的相變相對基體來說，熔滴尺寸非常小，冷卻速度可達10∧6K/s,冷卻后會形成非晶態(tài)或亞穩(wěn)相，完全不同于同樣材料在軋制態(tài)或鑄態(tài)的組織結構。

涂層冷卻凝固時，會伴隨著收縮過程，顆粒內(nèi)部會產(chǎn)生張應力而在基體表面產(chǎn)生壓應力。結果使涂層內(nèi)部產(chǎn)生殘余張應力，應力大小與涂層厚度成正比，當張應力超過涂層與基材之間結合強度時，涂層就會發(fā)生破壞。7

涂層應力

涂層應力由于涂層應力與厚度的關系，熱噴涂層的最佳厚度一般不超過0.5mm

殘余應力：致密涂層>疏松涂層涂層應力大小可通過調(diào)整工藝參數(shù)而部分控制，但更有效的方法是采用梯度過渡層緩和涂層應力

減少涂層殘余應力措施：（1）減小涂層厚度；（2）調(diào)整噴涂工藝參數(shù)；（3）采用較疏松涂層；（4）采用梯度過渡層緩和涂層內(nèi)應力

包括涂層與基材之間、涂層中顆粒與顆粒之間的結合，結合形式有：（1）機械結合：撞成扁平狀的顆粒和凸凹不平的基材表面互相嵌合(即拋錨效應)而結合在一起。8涂層的結合強度（2）物理結合：熔融粒子的原子與基材表面原子之間距離達到晶格常數(shù)范圍時，產(chǎn)生范德華力，形成物理結合。（3）冶金結合：熔融粒子撞擊基材表面時釋放出的能量使噴涂材料與基材之間發(fā)生局部擴散和焊合，形成冶金結合。如噴涂鎳包鋁復合粉末時的放熱反應。熱噴涂的涂層與基材的結合主要以機械結合為主，結合強度較差(<70MPa)。

涂層的結合強度質(zhì)量控制要素（4M）：設備（Machine）、材料（Materials）、工藝（Methods）和人員（Man）。熱噴涂工藝流程包括基材表面預處理、熱噴涂、后處理和精加工等過程。9熱噴涂工藝流程和質(zhì)量控制熱噴涂工藝流程（1）凈化處理：清除表面污垢。（2）粗化處理：可提高涂層結合強度，原因如下：

基材表面預處理

①

提供表面壓應力；②

提供涂層顆?；ユi的結構；

③

增大結合面積；

④

凈化表面。

粗化處理能夠使表面粗糙度達到Ra3.2～12.5μm就夠了，一般采用噴砂加粘結底層的方法：（1）表面噴砂粗化處理的方法（2）粘結底層某些材料能夠在很寬的條件下噴涂并粘結在清潔、光滑的表面上，而且這類涂層表面粗糙度適中，對隨后噴涂的其它涂層有良好的粘結作用，因此稱為粘結底層。當基體太薄或太硬而不適合采用噴砂處理時，采用粘結底層的方法比較好。

粗化處理的方法

涂層的后處理包括兩個方面，一個是封孔處理，一個是致密化處理。

多孔隙是噴涂層的固有缺陷，孔隙度可以從小于1%變到大于15%，或者更高?？障犊梢曰ハ噙B接，甚至可從表面延伸到基體。封孔處理的目的就是填充孔隙。

封孔處理是在噴涂之后、機加工之前進行。

涂層的后處理①防止或阻止涂層界面處的腐蝕；②在某些機械部件中防止液體和壓力的密封泄露；③防止污染或研磨碎屑碎片進入涂層；④保持陶瓷涂層的絕緣強度。

封孔處理的作用：常用封孔劑

決定涂層強度的兩個關鍵因素：

①涂層材料受熱后的溫度②涂層材料加速后的速度所有熱噴涂工藝的設計與改進都是圍繞這兩點來展開的。常用熱噴涂技術：火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂、超音速火焰噴涂。二、熱噴涂工藝方法

火焰噴涂通過氧－乙炔氣體燃燒提供熱量加熱熔化噴涂材料，通過壓縮氣體霧化并加速噴涂材料，隨后在基材表面沉積形成涂層。燃燒氣體的自由膨脹對噴涂材料加速效果有限。為了實現(xiàn)噴涂，噴嘴上

根據(jù)噴涂材料的形式不同，火焰噴涂可分為線材火焰噴涂和粉末火焰噴涂。

1火焰噴涂工藝噴涂用線材送入噴槍后，由噴槍內(nèi)的驅(qū)動輪連續(xù)輸送到噴嘴，在噴嘴前端被同軸燃燒氣的火焰加熱并熔化，然后被壓縮空氣霧化并加速，噴涂在基體表面。（1）線材火焰噴涂線材火焰噴涂原理圖。線材火焰噴涂設備示意圖和噴涂槍用少量氣體將噴涂粉末輸送到噴槍的噴嘴前端，通過燃氣加熱、熔化并加速噴涂到基體表面。在噴嘴前端加上空氣帽，可以壓縮燃燒焰流并提高噴涂速度。（2）粉末火焰噴涂線材火焰噴涂原理圖粉末火焰噴涂設備示意圖和噴涂槍

火焰噴涂特點焰流溫度低（850-2000℃），焰流速度低（50-100m·s-1）設備投資少，操作容易設備可攜帶到現(xiàn)場施工，無電力要求沉積效率高涂層氧含量較高，孔隙較多，涂層結合強度偏低，涂層質(zhì)量不高常用的火焰噴涂材料及用途

電弧噴涂原理示意圖兩根彼此絕緣并加有18~40V直流電壓的線形電極，由送絲機構向前輸送，當兩極靠近時，在兩線頂端產(chǎn)生電弧并使頂端熔化，同時吹入的壓縮空氣使熔融的液滴霧化并形成噴涂束流，沉積在工件表面。

2

電弧噴涂電弧噴涂設備和噴槍1）熱效率高達90%2）涂層密度（70～90％）比火焰噴涂涂層致密，結合強度比火焰噴涂高。

電弧噴涂特點3）電弧噴涂可以利用兩根成分不同的金屬絲制備假合金涂層。4）由于電弧噴涂是兩絲同時送進，所以噴涂效率高。5）運行費用較低，火焰噴涂消耗的燃料費是電弧噴涂電費的幾十倍。6）只能用于具有導電性能的金屬線材

電弧噴涂特點1）在鋼鐵構件上噴涂鋅、鋁涂層，對構件進行長效防護。2）在鋼鐵件上噴鋁可防止高溫氧化。3）在鋼鐵件上噴不銹鋼或其它耐磨金屬，用于耐磨蝕防護。4）在機械零件上噴涂碳鋼、青銅等材料，用于修復零部件。5）在塑料制品上噴涂屏蔽涂層等。6）用電弧噴鋁或噴鋅生產(chǎn)復合鋼板。

電弧噴涂的用途

利用非轉(zhuǎn)移等離子弧作為熱源對噴涂材料進行加熱、加速、涂敷。3

等離子噴涂等離子焰流溫度高、流速快，因此噴涂效率高、涂層致密、結合強度高、涂層中夾雜較少，因此噴涂質(zhì)量很高。由等離子弧電源、電器控制、噴槍、氣源、送粉系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等組成。等離子噴涂設備

粉末送入方式：外送式和內(nèi)送式等離子噴涂設備

氮氣：熱焓高，價格低廉，是等離子噴涂主要工作氣體。

氬氣：易于引弧，等離子弧穩(wěn)定，有很好的氣體保護作用。

氫氣、氦氣：可作為輔助氣體，起到改變等離子體能量結構的作用，其中氫氣還有防氧化的作用。等離子氣體的作用1）耐磨、減磨涂層；2）耐蝕涂層；3）抗高溫氧化、抗高溫氣流沖刷、熱障涂層；4）制造金屬、陶瓷類高熔點復合材料。（3）等離子噴涂的應用

等離子弧焰流溫度高，適合噴涂高熔點材料。涂層密度可達85~98％，結合強度高達35～70Mpa，噴涂質(zhì)量遠優(yōu)于火焰噴涂層。主要用于：工作原理

氧-乙炔混合氣輸送到槍管內(nèi)，同時喂入一份噴涂粉末。然后點燃氣體，引起燃燒爆炸，產(chǎn)生3300℃高溫，粉末被加熱并以2倍音速以上速度噴射到工件表面，形成高結合強度和高致密度的涂層。粉末每噴射一次，就通入一股脈沖氮氣流清洗槍管。4．爆炸噴涂1）涂層和基材的結合強度非常高（>85MPa）。2）涂層致密（最高密度可達99.9％）。3）工件表面溫度低。4）效率非常低，運行成本高，只用于含碳化物涂層的噴涂。爆炸噴涂特點1）航空發(fā)動機鈦合金風扇葉片阻尼臺上用爆炸噴涂0.25mn厚的WC，壽命提高10倍；2）燃燒室的定位卡環(huán)上噴一層0.12mm厚Cr3C2，壽命提高7倍。

爆炸噴涂應用超音速火焰噴涂原理

原理與普通火焰噴涂類似，只是多了一個使噴涂火焰達到超音速的機構超音速火焰噴涂(HighVelocityOxygenFuel，簡稱HVOF)1）焰流速度高但溫度相對較低，適合噴涂含碳化物材料。2）涂層致密（99.9％），表面粗糙度低。3）結合強度略低于爆炸噴涂，達70MPa以上。4）噴涂效率高，但燃料消耗大，噴涂成本比較高。；5）噪音大(>120dB)，需有隔音和防護裝置。（3）超音速噴涂的特點6.各種熱噴涂方法比較對涂層結合力要求不高，噴涂材料熔點<2500℃，可采用火焰噴涂。對涂層性能要求較高，噴涂高熔點材料時時，應采用等離子噴涂。工程量大的金屬噴涂施工最好采用電弧噴涂。要求高結合力、低孔隙度的金屬、合金及以某些金屬陶瓷涂層可采用超音速火焰噴涂。對于批量大的工件，宜采用自動噴涂。7、噴涂工藝的選擇原則三、常用熱噴涂材料熱噴涂材料按形狀分為粉末和線材熱噴涂材料按化學組成分為金屬熱噴涂材料、陶瓷熱噴涂材料、塑料熱噴涂材料、熱噴涂用復合粉末材料。

熱噴涂材料的選材原則（1）要把實用性、工藝性和經(jīng)濟性結合起來考慮，盡量選擇合理的噴涂材料。（2）對于重要的部件以獲得最優(yōu)涂層性能為準則；不十分重要的部件則以獲得最大的經(jīng)濟效益為準則。（3）根據(jù)工件的工作環(huán)境選擇合適的工作涂層。（4）為滿足噴涂工件的使用要求，可采用復合涂層和梯度涂層。1金屬熱噴涂材料金屬熱噴涂材料一般有線材和粉末兩種形式。線材用拉拔法制造，而粉末一般用霧化法制造。由于粉末材料表面積大，氧化程度高，所以在方便的條件下推薦采用線材。但粉末制造方法簡單、靈活，材料成分不受限制，因此小批量熱噴涂時一般采用粉末材料。常用熱噴涂金屬材料見書P105~1062陶瓷熱噴涂材料陶瓷熱噴涂材料最主要形式是粉末，制造方法有熔融破碎、化學共沉淀、噴霧干燥等。另外，將陶瓷粉末燒結制成陶瓷棒可直接噴涂，但成本相對較高，因此應用較少。熱噴涂用陶瓷材料主要集中在氧化物陶瓷材料上，因為非氧化物陶瓷材料在噴涂過程中易揮發(fā)或分解。常用陶瓷熱噴涂材料見書P106

3塑料熱噴涂陶瓷材料熱噴涂塑料涂層特點比傳統(tǒng)塑料涂層成本低、投資少涂層厚度與工作場地無限制，不含溶劑，符合環(huán)保要求采用的塑料涂層材料熔化溫度范圍應較寬、粘度較低、熱穩(wěn)定性應好，一般采用粉末形式常用塑料熱噴涂材料見書P1074熱噴涂用復合粉末材料熱噴涂用復合材料分為兩種一類是為適應熱噴涂工藝而制備的符合材料，例如，為防止碳化鎢材料在噴涂過程中氧化分解而制備的鎳包碳化鎢復合粉末材料，他們是當前熱噴涂用復合材料的主流另一類是通過增強相增強涂層性能的復合材料，如纖維增強涂層材料，這類材料目前還在研究探索過程中常用熱噴涂復合材料見書P1071噴涂耐腐蝕涂層

不銹鋼涂層：不銹鋼電極電位比鐵高，易在涂層孔隙處形成原電池，加劇鐵基體腐蝕，所以噴涂后必須封孔處理。類似的涂層材料還有鎳合金、蒙乃爾合金、青銅等金屬涂層。

鋁、鋅及其合金涂層：鋅、鋁的腐蝕電極電位高于鐵，腐蝕介質(zhì)首先腐蝕鋅和鋁，而使鐵基體作為陰極得到保護，可用于橋梁、海洋鉆井平臺等。

塑料涂層：用于化工、食品等行業(yè)。（例如葡萄酒低溫發(fā)酵罐內(nèi)壁噴涂聚乙烯涂層，有效的防止了罐壁的點蝕，控制了酒中鐵離子含量）四、熱噴涂技術的應用噴涂耐磨涂層的應用：在機械零件表面噴涂耐磨涂層，延長零件的使用壽命修復磨損失效的機械零件2

噴涂耐磨涂層不同環(huán)境下的耐磨涂層紡織、造紙、和印刷等行業(yè)，機械零件與布匹、面紗、紙張等纖維制品摩擦，導致磨損。采用等離子噴涂氧化鋁、氧化鉻等耐磨陶瓷涂層遭遇磨料磨損的機械部件如泥漿泵活塞桿、螺旋送料器等零件，要求涂層硬度超過磨料硬度，采用超音速火焰噴涂或爆炸噴涂技術噴涂鎳基或鈷基碳化鎢涂層。對于在沖蝕和氣蝕環(huán)境條件下工作的水輪機、抽風機、旋風除塵器等的零件，要求涂層硬度高、韌性好，采用等離子噴涂超細氧化鋁、氧化鉻等耐磨陶瓷涂層，或選用超音速火焰噴涂或爆炸噴涂技術噴涂鈷基碳化鎢復合涂層。（4）在配合件的接觸運轉(zhuǎn)中可采用可磨耗涂層，可磨耗涂層能自動形成所必須的間隙，提供最佳的密封狀態(tài)?？赡ズ耐繉右话悴捎玫入x子噴涂或火焰噴涂，涂層成分由金屬基體和非金屬填料組成。

(1)抗高溫氧化涂層：用于改善機械零件的抗高溫氧化性能。例如900℃以下，采用超音速火焰噴涂Cr2C3-NiCr涂層；900℃以上，采用大氣等離子噴涂氧化鋯涂層。(2)

熱障涂層：使金屬基體與高溫環(huán)境隔離，保持金屬構件的力學性能。例如美國“探險者”衛(wèi)星表面噴涂了氧化鋁保護涂層，由于氧化鋁的隔熱作用，衛(wèi)星內(nèi)部儀器艙溫度保持在10~30°C,從而保證了靈敏電子儀器的正常工作。又如采用等離子噴涂氧化鋯熱障涂層保護航空發(fā)動機葉片、燃燒室內(nèi)壁、活塞發(fā)動機活塞頂，通過適當設計涂層厚度，可以使發(fā)動機工作溫度提高100°C以上。3噴涂耐高溫涂層（1）屏蔽涂層噴涂屏蔽涂層，用于消除電磁波和無線電波的干擾（EMI/RFI）,同時消除靜電放電火花；用電弧噴涂鋅涂層可以提供高能級的衰減（范圍達60~120dB）。屏蔽涂層的應用包括計算機終端設備、電子辦公設施、藥品檢測裝置和感光電子設備。4噴涂功能涂層（2）生物相容性涂層：在種植體(不銹鋼等)表面用等離子噴涂一層生物相容性好的羥基磷灰石涂層，生物組織可以長入涂層中的孔隙中，與種植體形成牢固的結合。5噴涂成型噴涂成型常用技術：電弧噴涂、等離子噴涂電弧噴涂制造沖壓塑料和皮革制品模具等離子噴涂陶瓷或耐火金屬噴嘴、雷達整流罩、高溫爐元件，以及纖維增強鈦合金復合材料發(fā)動機部件等。用噴涂成型制造的零件孔隙度高，機械強度差，大部分需要經(jīng)過熱壓、熱等靜壓等后處理。6熱噴涂技術的應用領域和市場

五熱噴涂涂層質(zhì)量評定在GE,P&W以及RR等航空發(fā)動機公司建立的熱噴涂涂層最終質(zhì)量標準中，常用的指標為顯微硬度和（或）宏觀硬度、結合強度、界面和涂層顯微結構以及涂層厚度。1涂層厚度的測定簡單幾何形狀基體表面，可直接用游標卡尺或千分尺測量形狀較復雜的零件，可采用磁性法和渦流法測厚儀測量磁性法：以探頭對磁性基體磁通量或互感電流為基準，利用非磁性涂層的厚度不同，以探頭磁通量或互感電流的變化值來測量覆蓋層厚度。渦流法：利用高頻磁場引起金屬內(nèi)部渦流，渦流產(chǎn)生的磁場又影響探頭的阻抗，測量其阻抗值就可確定涂層的厚度。2孔隙率測定涂層中的孔隙率可以采用阿基米德方法和金相法，前者是通過比較涂層實際密度和涂層材料理論密度的差別來確定，后者是通過圖像分析確定。涂層封孔處理后的殘余穿孔測定可以采用試劑試驗方法和高壓放電試驗方法。（1）計算法：按圖3－51加工涂層試樣并稱重，涂層密度ρc：

式中G－試樣重量；ρs－基材密度；Vs－基材體積；Vc－涂層體積。根據(jù)ρc算出涂層孔隙度孔隙度＝式中，ρm－涂層材料密度（ρm可從相關手冊中查得）。3結合強度測定熱噴涂層結合強度的測定一般采用拉伸法，其原理見書P111所示。將膠粘好的試樣，裝在試驗機上，在規(guī)定的條件下，均勻、連續(xù)地施加載荷，至試樣斷裂，記錄最大斷裂強度，用下式計算涂層結合強度：

σb＝F／A0

式中，σb為涂層結合強度；F為試樣斷裂載荷；A0為試樣涂層面積。涂層剪切強度：用粘結劑將涂層A粘在B上(a)，然后拉伸使涂層與基材分離；或用(b)方法在材料試驗機上緩慢加壓，直至涂層被剪切剝離，此時涂層的剪切強度Fτ：

式中，P－涂層剪切剝離時的載荷；D－試樣末噴涂前的直徑；L－涂層在試樣上的寬度。涂層的彎曲強度：將涂層試樣彎曲到一定角度時，涂層開始出現(xiàn)龜裂的彎曲角度就是涂層的彎曲強度。4涂層顯微結構觀察涂層顯微結構分析手段：金相分析、SEM、TEM等。但是對涂層進行涂層截面分析時，試樣制作非常關鍵。因為涂層薄而脆，所以對試樣的切割、鑲樣以及研磨拋光都有特殊要求。

1910年：線材火焰噴涂技術；20年代：電弧絲噴涂技術；50年代：爆炸噴涂和等離子噴涂技術；60年代：自熔性合金粉末火焰、等離子噴涂和噴焊技術；80年代：超音速火焰噴涂技術；90年代：激光熔覆技術。六熱噴涂技術的發(fā)展過程60年代以來主要噴涂方法的應用比例

（1）大功率高熱焓等離子噴涂，提高噴涂效率，降低成本。（2）精密噴涂技術。（3）用熱噴涂法部分代替鍍硬鉻的工藝。（4）新型熱障涂層，如噴涂0.3mm的MCrAlY熱障涂層可使基材溫度降低200～300℃。（5）噴涂新材料，如納米涂層材料、非晶態(tài)涂層材料。（6）計算機自動控制，提高生產(chǎn)效率，減少工作強度。

七熱噴涂技術主要發(fā)展動向（7）在較低溫度下具有高速飛行的噴涂（如脈沖放電線爆噴涂和冷噴涂技術

）熱噴焊

用熱源將涂層材料重熔，使涂層內(nèi)顆粒之間、涂層與基體之間形成無孔隙的冶金結合根據(jù)采用的熱源不同，熱噴焊技術有氧—乙炔火焰噴焊和等離子噴焊第二節(jié)熱噴焊工藝與特點

工件表面溫度：噴涂時工件表面溫度<250℃；噴焊要>900℃。

結合狀態(tài)：噴涂層以機械結合為主；噴焊層是冶金結合。

粉末材料：噴焊用自熔性合金粉末，噴涂粉末不受限制。

涂層結構：噴涂層有孔隙，噴焊層均勻致密無孔隙。

承載能力：噴焊層可承受沖擊載荷和較高的接觸應力。1、熱噴焊工藝與熱噴涂工藝的區(qū)別

一、熱噴焊的特點（6）涂層成分：熱噴焊層的成分與噴焊材料的原始成分會有一定差別

2稀釋率熱噴焊過程中基體表面會少量熔