第六章表面涂覆技术

1第五章表面涂敷技术2第一节热喷涂热喷涂（Thermalspraying）：利用某种热源将涂层材料加热到熔融或半熔融状态，同时借助于焰流或高速气体将其雾化，并推动这些雾化后的粒子喷射到基体表面，沉积成具有某种功能的涂层技术。)在喷涂过程的同时或随后，对形成的涂层加热重熔处理，获得与基体表面形成冶金结合特征的涂层称之为喷熔层或喷焊层，相应的技术为喷熔或喷焊也属于热喷涂工艺技术。)对于一些材料粒子被气流加速的过程中，使其速度达到或超过临界速度，但未被加热到熔融或半熔融状态，由于粒子在达到沉积面时会将高的动能变为材料粒子变形及热能使得基体和粒子之间或粒子与粒子之间形成良好的结合，即所谓的“冷喷”技术也纳入喷涂技术之中了。(喷涂粒子以500～1000m/s撞击基体表面,在整个过程中粒子不熔化,仅发生纯塑性变形聚合形成涂层。如铝、铜、锌等)3第一节热喷涂发展历史：1882年，德国人采用简单的装置将金属液喷射成粉末，出现了人类最初的热喷涂法；l910年，瑞士人M.V.Schoop将低熔点金属的熔体喷射在工件表面而形成涂层，热喷涂技术诞生；1920’s开始使用电弧喷涂；1930’s到1940’s出现了火焰粉末喷涂工艺；1950’s自熔合金粉末和复合粉末研究成功，结束了单一线材喷涂的局面，同时诞生了火焰喷焊工艺。美国UnionCarbideCo.公司相继研究成功爆炸喷涂和等离子火焰喷涂枪；1960’s到1970’s，各种热喷涂技术均已成熟，不仅能喷涂金属、陶瓷，还能喷涂塑料及复合材料；1981年美国BrowningEngineering公司研制成功新的超音速火焰喷枪；近年来，计算机和自动机器人也成功地在热喷涂技术中得到应用。4第一节热喷涂一.热喷涂原理：1．喷涂涂层形成过程和涂层形成原理•喷涂材料经过喷枪热源被加热、加速、形成粒子束流；•熔融的粒子束流以一定的速度与基体表面相碰撞，并沿凹凸不平的基体表面产生相应的变形和铺展；•相对冷的基体会将熔粒动能转化的热能带走，变形的颗粒迅速冷凝停止铺展并收缩，呈扁平碟状粘附于基体的粗糙表面；•无数变形熔粒互相交错呈波浪形堆积构成喷涂层特有的层状组织结构。5第一节热喷涂喷涂材料进入热源到形成涂层，喷涂过程一般经历四个阶段：1.喷涂材料被加热、熔化：对于线材，当端部进入热源高温区域，即被加热熔化；对于粉末，进入热源高温区域，在行进的过程中被加热熔化或软化。2.熔化的喷涂材料被雾化：线材端部熔化形成的液滴在外加压缩气流或热源自身射流作用下脱离线材，并雾化成微细熔滴向前喷射；粉末一般是直接被气流或热源射流推向前喷射。3.熔融或软化的微细颗粒的喷射飞行：在飞行过程中，颗粒首先被加速形成粒子流，随飞行距离增加，粒子运动速度逐渐减小。4.粒子在基材表面发生碰撞、变形、凝固和堆积：当具有一定温度和速度的微细颗粒与基材表面接触时，颗粒与基材表面产生强烈的碰撞，颗粒的动能转化为热能并部分传递给基材，同时微细颗粒沿凸凹不平表面产生变形，变形的颗粒迅速冷凝并产生收缩呈扁平状粘结在基材表面。喷涂的粒子束连续不断的运动并撞击表面，产生碰撞—变形—冷凝收缩的过程，变形的颗粒与基材表面之间，以及颗粒与颗粒之间互相粘结在一起，从而形成了涂层。6第一节热喷涂喷涂涂层形成过程示意图7第一节热喷涂喷涂涂层形成过程——颗粒形貌8第一节热喷涂喷涂涂层形成过程——颗粒形貌9喷涂涂层形成过程——粗糙表面第一节热喷涂10第一节热喷涂2．涂层结构喷涂层是由变形颗粒、气孔和氧化物所组成。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（有方向性）。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。采用高温热源、超音速喷涂以及低压或保护气氛喷涂，可减少缺陷，改善涂层结构和性能。喷涂层结构示意图重熔对改善结构最有效11第一节热喷涂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机理通常认为有以下几种方式：①机械结合。高速熔融粒子撞击到粗糙的基体表面后，扁平层状的熔粒填补到凹处，凝固收缩后能把凸点夹紧，形成镶嵌状态。又称“锚固效应”。涂层与基体的结合以机械结合为主。机械结合与基体表面的粗化程度有很大关系。熔融粒子对表面的润湿也很重要。②物理结合。当高速的熔融粒子撞击到基体表面，且紧贴的距离达到基体原子间晶格指数范围时，就会产生范德华力，而由此引起的结合属于物理结合。一般在基材表面十分干净或进行活化后才有产生这种结合的可能性。③扩散结合。当熔融粒子撞击到基体表面形成紧密接触时，由于变形和高温的作用，基体表面的原子得到足够的能量，使涂层和基体之间产生原子扩散，形成扩散结合。界面两侧形成固溶体或金属间化合物，增加了结合强度。④冶金结合。当基体预热、或喷涂粒子具有高的熔化潜热，或喷涂粒子本身发生放热化学反应（Ni/Al），熔融态的粒子与局部熔化的基体之间发生“焊合”现象，产生“焊点”，形成微区冶金结合。增强12第一节热喷涂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；基体和涂层的内层则产生压应力。涂层的这种残余应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，它随涂层厚度的加大而增加，最终导致涂层断裂或从基体上剥离。不同的热膨胀或热接触引起的应力，可以通过控制基体温度而减少到某种程度。最好还是进行适当的预处理，以使应力分散，并限制其收缩应变，如喷砂后的粗糙表面能抑制和控制这种收缩应变。较大的粗糙度，即宏观粗化，如开沟槽、车螺纹等，不但有助于涂层结构的形成，而且可以使收缩应力限制在局部范围内，亦能使片状涂层结构折叠。13第一节热喷涂涂层的外力。层受拉应力；基体和涂层的内层产生压应14第一节热喷涂二.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(喷焊)两种。喷涂是基体不熔化，涂层与基体形成机械结合；喷熔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。按照加热喷涂材料的热源种类分：制作热喷涂涂层，对涂层材料的加热及使熔融材料气雾化并给予熔粒加速，是最关键的要素，所以对热源的应用和控制是其中重要的环节。15第一节热喷涂热喷涂方法分类16第一节热喷涂2．热喷涂特点9喷涂材料广泛。金属、陶瓷以及各种化合物和混合物，甚至有机树脂。9适用于各种基体材料的零件。各种金属和非金属(如玻璃、陶瓷甚至木材、塑料等)零件的表面。9操作程序少，速度快，生产效率高。例如，在铝合金底材上喷涂时，只需除油和喷砂。多数热喷涂的生产率可达每小时数千克喷涂材料。9被喷涂零件的尺寸范围较宽。既可以进行大面积的喷涂，也可进行局部喷涂。涂层厚度可从几十微米到几毫米，表面光滑，加工量少。用特细粉末喷涂时、不加研磨即可使用。9基材变形小。除喷熔外，热喷涂是一种冷工艺。例如，氧乙炔焰喷涂、等离子喷涂或爆炸喷涂，工件受热程度均不超过250℃。9可赋予普通材料以特殊的表面性能。例如，可以把韧性好的金属材料与塑料或硬脆的陶瓷材料相复合，形成表面复合材料。17第一节热喷涂一些喷涂零件18第一节热喷涂三.热喷涂预处理1.基体表面的清洗、脱脂2.基体表面氧化膜的处理一般采用机械方法除锈，也可以采用硫酸或盐酸进行酸洗。3.基体表面的粗化处理喷砂处理、机加工粗化处理、化学腐蚀粗化、电弧法(电火花拉毛)粗化常用的粗化方法有喷砂、开槽、车螺纹、滚花等4.基体表面的预热处理基体表面的预热可降低和防止热压力带来的不利影响。5.非喷涂表面的保护在喷砂和喷涂前，必须对基体的非喷涂表面进行保护。19第一节热喷涂四.热喷涂材料基本要求1有一定的热稳定性，在焰流的高温中不升华，不分解。2涂层材料和基体应有相近的热膨胀系数，3涂层材料在熔融或半熔融状态下应和基体有较好的润湿性，4涂层材料是粉末时，其尺寸分布应比较窄，且要有好的流动性才能获得好的均匀的涂层。按成分组成，可分为金属、非金属及复合材料三大类；按涂层应用方法，可分为隔热涂层、抗高温氧化涂层、抗腐蚀涂层、耐磨涂层、导电(绝缘)涂层、粘结底层及其他一些功能性涂层(如微波吸收涂层、超导陶瓷薄膜涂层、热辐射等)。从形态上分，有线材、棒材和粉末三大类。线材(以金属线材为主)，主要用于火焰喷涂、电弧喷涂和线爆喷涂；棒材主要是由陶瓷材料做成，用于火焰喷涂；粉末材料主要用于等离子喷涂、爆炸喷涂和火焰喷涂。粉末的用途最广，用量也最大（占喷涂材料总用量的70％以上）。它的制作方法有熔炼气雾法、熔炼(或烧结)破碎法、气相或液相包覆法和团聚法。20•由于各种不同性质、不同熔点的金属、合金、陶瓷、碳化物、高分子材料都能够容易地制成各种粉末，因此，粉末喷涂的材料范围十分广泛。大致可分为：各种金属粉末（如铜、铝、镍、不锈钢、碳钢粉等），各种合金粉末（如镍基、铁基、钴基自熔性合金粉末，各种自粘结性镍—铝、镍—铬、铝—铜等复合粉末），各类碳化物复合粉（钴包碳化钨、镍铬包碳化铬、镍铝包碳化钛复合粉等），各种陶瓷粉末（如氧化铝—氧化钛，氧化锆—锆酸镁等），各种金属—非金属复合粉（如镍—石墨，镍—硅燥土等）和各种高分子粉末。21第一节热喷涂五.热喷涂装置和设备1.火焰喷涂法：火焰喷涂是利用燃气(乙炔、丙烷、氢气或天然气等)及助燃气体(氧)混合燃烧作为热源，喷涂材料则以一定的传送方式进入火焰，加热到熔融或软化状态，然后依靠气体或火焰加速喷射到基体上。可分为线材喷涂、棒材喷涂和粉末喷涂三种。其中粉末喷涂又可分为常规粉末喷涂和高速火焰喷涂(HVOF或HVAF)。22第一节热喷涂高速(超音速)火焰喷涂速度高（喷咀出口速度高达成1500米/秒以上。熔滴打在工作上的速度大致在（700—1000米/秒），涂层致密度最高（孔隙率2%），结合强度高，表面光洁度高，可以喷涂厚涂层（0.3—0.5mm）。23第一节热喷涂HVOFPOWDERSPRAYSYSTEM24第一节热喷涂2.等离子喷涂：是以非转移的等离子弧为热源，喷涂材料以粉末形式送入焰流中制备涂层的一种方法。焰流温度高，流速大，制备的涂层孔隙率及结合强度均优于常规火焰喷涂，尤其对制备高熔点的金属涂层及陶瓷涂层有更大的优越性。25第一节热喷涂3.电弧喷涂：是将两根喷涂的材料的导电丝，分别接到直流电源的正负极作为自耗性电极，利用其端部在二丝分离时产生的电弧作为热源熔化丝材，用压缩空气将熔化的丝材雾化成颗粒后再将其加速，喷射到基体表面形成涂层。电能加热、成本低，调节方便，一次扫描面积大，喷涂效率高。广泛应用于大型设备、管线、塔罐、大型露天钢结构（如桥梁、铁塔、高速公路灯柱、标牌等）的表面喷涂锌、铝丝长效防腐涂层。2627第一节热喷涂六.热喷涂工艺28第一节热喷涂七.热喷涂涂层后处理和涂层性能的检验1．热喷涂涂层后处理：热喷涂涂层的表面形貌，是一种具有多孔、较粗糙的层状堆积结构。为了适用于各种实际工况环境，大多数涂层需要进行必要的后处理才能完善涂层所必备的各种性能，尤其对耐腐蚀和具有尺寸要求的涂层，后处理工作是必不可少的，甚至是数种并用才能达到技术要求。封孔处理、重熔处理、其他后处理（机械处理、扩散处理、浸渗处理、热等静压处理等）2．热喷涂涂层性能的一般检验3．涂层与基体表面的结合强度试验：粘结拉伸，剪切4．涂层自身粘结强度试验5．涂层孔隙率的测定6．涂层耐蚀性能试验29思考题•热喷涂层的形成过程是什么?•热喷涂层的结构特征是什么，是如何形成的?•热喷涂层的残余应力如何分布，为何?•热喷涂层与基体的结合机制有哪些?•几种主要喷涂方法的特征？