1、 表面工程學（論文）表面工程學（論文） 班 級：材科 101 學生姓名：宋俊偉 學 號：201001524125 指導教師： 湯峰 熱噴涂技術(shù)的發(fā)展和應用熱噴涂技術(shù)的發(fā)展和應用 【摘要】主要介紹了熱噴涂的基本方法、設(shè)備、材料和涂層特性；以及當前的 發(fā)展動態(tài)和應用情況；并簡要介紹了應用研究的前景。 【關(guān)鍵詞】熱噴涂加工技術(shù)、加工原理、應用現(xiàn)狀、發(fā)展前景。 引言引言 熱噴涂是一種迅速發(fā)展的表面強化新工藝新技術(shù)。 它采用專用設(shè)備， 利用各 種熱源將金屬 或非金屬材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，用高速氣流將其吹成微 小微粒并噴射到機件表面，形成覆蓋涂層，以提高機件耐磨、耐蝕、耐熱等性 能。熱噴涂技術(shù)最早出

2、現(xiàn)在上世紀早期的瑞士，隨后在蘇聯(lián)、德國、日本、美 困等圉得到了不斷的發(fā)展，各種熱噴涂設(shè)備的研制，新的熱噴涂材料的開發(fā)， 新技術(shù)的不斷應用，使熱噴涂涂層質(zhì)量得到了不斷的提高，并不斷開拓新的應 用領(lǐng)域。目前，以火焰噴涂、超音速噴涂、電爆噴涂 、電容放電噴涂 、等離 子噴涂為代表的熱噴涂技術(shù)與設(shè)備，以及一系列噴涂噴焊粉末新材料，各種熱 噴涂技術(shù)趨于成熟，噴涂裝置日益完善，不僅能噴金屬 、合金 、陶瓷，還能 噴涂塑料和復合材料。近幾年來電子計算機在等離子噴涂系統(tǒng)中的應用，使熱 噴涂技術(shù)達到了相當完善的地步，不僅使應用范嗣大為擴展 ，而且使涂層質(zhì)量 有了質(zhì)的飛躍。熱噴涂技術(shù)不僅涉及到材料學 、 表面物理

3、化學、流體力學、 傳熱學、等離子物理等，還涉及到機械，計算機和新材料等學科，是一門交叉 邊緣學科。 1.1. 熱噴涂技術(shù)簡介熱噴涂技術(shù)簡介 熱噴涂技術(shù)是通過某種熱源將某些材料表面加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，然后噴 射到涂敷的基體表面，形成一層性能優(yōu)于原來基體的涂層，從而使原工件具有 更加優(yōu)異的表面性能，或者是使工件獲得一種或幾種原來基體材料不具備的表 面性能膜狀組織。其噴涂溫度、熔滴對基體表面的沖擊速度及形成涂層的材料 構(gòu)成了噴涂技術(shù)的核心。溫度和速度取決于不同的熱源和設(shè)備。在一定的溫度 范圍內(nèi)，溫度越高、速度越大，越有利于形成優(yōu)異的涂層；噴涂材料的可選擇 性，是熱噴涂技術(shù)的另一種優(yōu)勢，正是這三種

4、要素，以及其他多項可控的影響 因素，使熱噴涂成為真正的具有疊加效果的獨特技術(shù)，它可以設(shè)計出所需的多 種多樣的改性表面，從而在機械維修、航天和生物工程等高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛 應用。 2.2. 熱噴涂基本原理熱噴涂基本原理 2 2 1 1 熱噴涂原理熱噴涂原理 熱噴涂過 程一般可分為以下四個步驟 ( 圖 1 )。 1)材料加熱：噴涂線材或粉末進入熱源高溫區(qū)域，被加熱熔化或軟化 ； 2)材料霧化：熔化或軟化的噴涂材料形成的熔滴 ，在外加壓縮氣流或熱源 自 身射流的作用下 霧化成微細熔滴向前噴射； 3)噴射飛行： 微細熔滴被加速形成粒子流 ，在 介質(zhì) 中飛行運動速度逐漸減 ??； 4)涂層形成：粒子流在基

5、材表面發(fā)生碰撞、變形、凝固和堆積，形成涂層。熱 噴涂涂層是南無數(shù)變形粒子互相交錯呈波浪式堆疊在一起而形成的層狀組織結(jié) 構(gòu) 。 3.熱噴涂技術(shù)分類與特點熱噴涂技術(shù)分類與特點 20 世紀末，熱噴涂技術(shù)的發(fā)展十分迅速，并迅速被推廣使用。1980 年到 2000 年，熱噴涂市場的變化見表 1。到 20 世紀末，等離子噴涂仍然居主導 地位。值得注意的是，高速火焰噴涂(HVOF)迅速發(fā)展，將占據(jù) 25%的市場比 例，居第二位。電弧噴涂技術(shù)，由于經(jīng)濟性好、涂層性能比火焰噴涂層優(yōu) 越，將部分代替火焰噴涂技術(shù)上升到第三位。 表1 主要熱噴涂方法的應用比例 年份火焰噴涂電弧噴涂等離子噴涂高速火焰噴涂 1980年

6、39%6%55%- 2000年 12%15%48%25% （1 1）火焰噴涂）火焰噴涂 火焰噴涂是最早得到應用的一種噴涂方法。它以氧氣燃氣火焰作為熱源， 噴涂材料以一定的傳送方式送入火焰，并加熱到熔融或軟化狀態(tài)，然后依靠氣 體或火焰加速噴射到基體上?；鹧鎳娡扛鶕?jù)噴涂材料的不同，又可分為絲材火 焰噴涂、粉末火焰噴涂和棒材火焰噴涂幾種。火焰噴涂具有設(shè)備簡單，操作容 易，工藝成熟，投資少等優(yōu)點。新型火焰噴涂槍可以噴涂各種金屬、陶瓷、金 屬加陶瓷的復合材料、各種塑料粉末材料的涂層。盡管等離子和 HVOF/HVAF 超 音速以及爆炸噴涂的涂層優(yōu)于常規(guī)火焰噴涂，但由于投資大、操作控制系統(tǒng)復 雜、設(shè)備笨重、

7、無法現(xiàn)場施工，應用范圍受到極大限制，在在防腐和維修市場 難以推廣普及，新型火焰噴涂設(shè)備與技術(shù)和超音速電弧噴涂設(shè)備與技術(shù)在防腐 和修復市場中永遠是主要技術(shù)力量。 粉 末 火 焰 噴 涂 的 原 理 示 意 圖 （2 2）電弧噴涂）電弧噴涂 電弧噴涂是高效率、高質(zhì)量、低成本的一項工藝，是目前熱噴涂技術(shù)中最 受重視的技術(shù)之一。電弧噴涂是將 2 根被噴涂的金屬絲作為自耗性電極，分別 接通電源的正負端，在噴槍噴嘴處，利用兩金屬絲短接瞬間產(chǎn)生的電弧為熱源 熔化自身，借助壓縮空氣霧化熔滴并使之加速，噴射到基體材料表面形成涂層。 電弧噴涂具有如下優(yōu)點： 熱效率高、對工件的熱影響小。一般火焰噴涂 的熱效率只有

8、5%15%，電弧噴涂將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能熔化金屬，熱能利用 率可高達 60% 70%。電弧噴涂時不形成火焰，因而在噴涂過程中工件始終處 于低溫，避免了工件熱變形； 可獲得優(yōu)異的涂層性能。電弧噴涂技術(shù)可以在 不使用貴重底材的情況下得到較高的結(jié)合強度，采用適當?shù)膰娗按只幚矸椒ǎ?噴涂層與基本結(jié)合強度可達普通火焰噴涂層的 2 倍以上。使用 2 根成分不同的 金屬絲還可以制備出假合金涂層，以獲得具有獨特綜合性能的涂層； 生產(chǎn)率 高。電弧噴涂的生產(chǎn)效率正比于噴涂電弧電流，當電弧電流為 300 A 時，噴涂 鋅為 30kg/h，噴涂鋁為 10kg/h，噴涂不銹鋼為 15kg/h，為火焰噴涂的 3 倍以

9、上； 經(jīng)濟性好。電弧噴涂能源利用率高，而且電能的價格遠遠低于燃氣價格， 施工成本為火焰噴涂的 l/10 以下，設(shè)備投資為等離子噴涂的 1/3 以下。 電弧噴涂技術(shù)的應用已經(jīng)在各行各業(yè)取得了顯著成效。利用電弧噴涂在鋼 鐵構(gòu)件上噴涂鋅、鋁涂層，可對鋼構(gòu)件進行長效防腐防護，例如我國南海地區(qū) 由于高溫、高濕、高鹽霧，船舶腐蝕嚴重，中修艦船的鋼結(jié)構(gòu)應用電弧噴涂鋁 合金涂層防腐，經(jīng) 5 年考核效果明顯，測算預計壽命可提高到 15a 以上。山西 晉山煤礦、河南鐵王溝煤礦等井筒鋼結(jié)構(gòu)進行電弧噴涂防腐防護，預計壽命在 30a 以上。電弧噴涂作為一種優(yōu)質(zhì)的修復技術(shù)，在機械零件上噴涂碳鋼、鉻鋼、 青銅、巴氏合金等材

10、料，用于修復已磨損或尺寸超差的部位，已在機械維修和 機械制造業(yè)得以應用。采用該技術(shù)修復造紙烘缸、修復大馬力發(fā)動機曲軸也已 取得明顯成效；制備裝飾涂層和功能涂層也是電弧噴涂技木應用的另一重要領(lǐng) 域，例如在電容器上噴涂導電涂層，在塑料制品上噴涂屏蔽涂層，在內(nèi)燃機零 件上制備熱障涂層，在石頭、石膏等材料上噴涂銅、錫、鋁等金屬進行裝飾等 等。 （3 3）等離子噴涂）等離子噴涂 等離子噴涂是熱源為等離子焰流（非轉(zhuǎn)移等離子弧） 。由放電弧產(chǎn)生的電弧 等離子體溫度可達 20000K。加熱噴涂材料（粉）到熔融或高塑性狀態(tài)，并在高 速等離子焰流（工作氣體為氮氣和氫氣或氬氣和氫氣）載引下，高速撞擊到工 件表面形成

11、涂層。 等離子噴涂是采用非轉(zhuǎn)移弧為熱源，噴涂材料為粉末的噴涂方法。近十幾 年來等離子噴涂發(fā)展很快，目前已開發(fā)出大氣等離子噴涂、可控氣氛等離子噴 涂、溶液等離子噴涂、等噴涂技術(shù)，等離子噴涂已成為熱噴涂技術(shù)中的最重要 的一項工藝方法，這些新技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上的應用日益顯示出優(yōu)越性和重要性。 等離子噴涂的噴涂材料范圍廣，涂層組織細密，氧化物夾渣含量和氣孔率都較 低，氣孔率可控制到 2%5%，涂層結(jié)合強度較高，可達 60MPa 以上。該噴涂技 術(shù)主要用于制備質(zhì)量要求高的耐蝕、耐磨、隔熱、絕緣、抗高溫和特殊功能涂 層，已在航空航天、石油化工、機械制造、鋼鐵冶金、輕紡、電子和高新技術(shù) 等領(lǐng)域里得到廣泛應用。

12、 （4 4）高速火焰噴涂（）高速火焰噴涂（HVOFHVOF）和其他噴涂技術(shù)）和其他噴涂技術(shù) 高速火焰噴涂目前主要指超音速火焰噴涂8，有時人們也將爆炸噴涂認為 是高速火焰噴涂的一種。高速火焰噴涂技術(shù)，將燃氣（丙烷、丙稀或氫氣）和 氧氣輸入并引燃于燃燒室，借助于氣體燃燒時產(chǎn)生的高溫和高壓形成的高速氣 流，加熱熔化噴涂粉末并形成一束高速噴涂射流，在工件上形成噴涂層。高速 火焰噴涂的特點：氣體燃燒膨脹形成的熱氣流使噴涂粒子達到極高的飛行速度。 火焰噴射速度為音速的 2 倍以上，而噴涂熔粒的速度可達 3001000ms1； 噴涂粉粒在火焰中加熱時間長，受熱均勻，能形成良好的微小熔滴；噴涂粉粒 主要在噴涂

13、槍中加熱，離開噴槍后飛行距離短，因而和周圍大氣接觸時間短， 在噴涂過程中幾乎不和大氣發(fā)生反應，噴涂材料不受損害，微觀組織變化小， 這對噴涂碳化物材料特別有利，可避免分解和脫炭。 基于以上特點，高速火焰噴涂獲得的涂層光滑，致密性好，結(jié)合強度高。 涂層空隙率可小于 0.5%，結(jié)合力可達 100MPa 以上。被廣泛用于制備高致密性、 高結(jié)合強度、低孔隙率要求的涂層。例如噴涂 WC-12%Co，涂層幾乎沒有氣孔， 而且硬度高，加工后可達鏡面。但是，由于高速火焰噴涂的設(shè)備及噴涂材料等 成本太高，不適合我國國情，限制了其在我國的應用。同樣，爆炸噴涂和激光 噴涂也是由于這個原因限制其推廣應用。 4.4.熱噴

14、涂技術(shù)的應用熱噴涂技術(shù)的應用 熱噴涂的應用主要集中在以下幾個方面： 1) 在鋼鐵工業(yè)中的應用：在鋼鐵加工過程中，需要大量經(jīng)過表面處理的輥類 件，它們的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。 2) 在能源工業(yè)中的應用：主要是工業(yè)鍋爐的防腐，水輪機過流部件抗汽蝕耐 磨損噴焊，燃汽輪上的應用等。 3) 在造紙機械和印刷機械上的應用。 4) 在汽車行業(yè)中的應用：目前用于汽車部件有活塞環(huán)、氣門搖桿、搖臂、消 音器、剎車片等，熱噴涂技術(shù)在汽車行業(yè)中的應用是其向著大批量、自動 化方向發(fā)展的標志之一。 5) 在生物工程、人工植入方面的應用：人們在利用人工關(guān)節(jié)提高人體機能方 面取得了很大的進步，影響人工關(guān)節(jié)性能的一個主要問

15、題就是關(guān)節(jié)與骨組 織的結(jié)構(gòu)結(jié)合。 近年來，熱噴涂技術(shù)在冶金工業(yè)領(lǐng)域獲得較大發(fā)展，尤其日本和德國這些國家， 歷來重視在汽車、冶金和能源等民用支柱產(chǎn)業(yè)中開發(fā)與應用這一技術(shù)。 5.5. 當前我國熱噴涂技術(shù)特點當前我國熱噴涂技術(shù)特點 腐蝕和磨損是造成材料和零部件失效的主要原因，據(jù)有關(guān)資料報導，發(fā)達 國家每年由于磨損和腐蝕造成的經(jīng)濟損失約占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的 45，全世 界每年生產(chǎn)的鋼材約 1/10 將變成鐵銹。我國每年腐蝕、磨損造成的損失已達幾 仟億元。所以熱噴涂技術(shù)的推廣應用在國民經(jīng)濟建設(shè)中越來越顯得重要。當前， 我國熱噴涂技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個嶄新階段，其噴涂工藝已從氧乙炔火焰金屬 粉末噴涂（焊）為主

16、向高能、高速度先進設(shè)備方向發(fā)展；應用范圍已從舊修利 廢為主向新產(chǎn)品預保護和強化方向發(fā)展。 5.15.1 幾種新工藝技術(shù)的應用幾種新工藝技術(shù)的應用 （1）爆炸噴涂、超音速噴涂（HVOF、HVAF）噴涂連鑄機軋輥和爐底輥。采用上 述兩種工藝，上海、江蘇、廣東、山東、四川、湖北等地已經(jīng)成功噴涂了連鑄 機軋輥和爐底輥，噴涂 Cr3C2 涂層和 Al2O3、ZrO2 陶瓷涂層取得了良好效果， 已有許多成功實例。 （2）采用激光重熔、高頻感應重熔、電子束重熔、大功率火焰重熔、爐中重熔 工藝，已在伐門、石油行業(yè)各種柱塞，連鑄機低溫段各種軋輥（如 1450 軋機輸 送輥）廣泛應用，克服了以往的氧乙炔火焰重熔功

17、率低、易變形等缺，保證了 涂層質(zhì)量，采用高頻重熔技術(shù)生產(chǎn)的石油光桿已出口國外。 （3）電弧噴涂 Ni-Cr-Ti（45CT） 、Cr3C2 、Ni70/Cr30 涂層已在電廠鍋爐對流 受熱面上廣泛應用，目前國內(nèi)已有 30 多個電廠鍋爐對流受熱面上廣泛應用，獲 得了較好效果。 （4）電弧及其它噴涂方法，噴涂 304L、316L 不銹鋼材料、哈氏合金高耐蝕材 料已在食品、化工容器中廣泛應用，取代整體制作不銹容器，效果很好。 （5）超音速等離子噴涂已在軍工及國防工業(yè)中發(fā)揮了重要作用。 （6）引進的 HVOF、HVAF 以及高能等離子噴涂設(shè)備正在攻克鋼廠結(jié)晶管。 （7）TiB2、Al2O3/TiB2

18、涂層正在攻克電介槽節(jié)能課題，同時也在攻克熔融金 屬腐蝕問題。 （8）棒材及陶瓷軟線噴涂，正在為現(xiàn)場噴涂陶瓷及合金涂層服務，解決了一部 分等離子，超音速現(xiàn)場不能噴涂的問題。 （9）鋅、鋁及其合金大面積長效防護涂層，已在國內(nèi)重大工程中應用，如新建 的長江大橋水閘門、大型管道、煤礦井筒等大型工程應用已百余例。 （10）冷噴涂技術(shù)正在興起。 冷噴涂技術(shù)（CGDS 或 HVPC 簡稱：冷噴涂）是近年來發(fā)展起來的一門新興 表面工程技術(shù)，自 95 年以來，每年舉辦的國際熱噴涂會議，關(guān)于冷噴涂方面的 論文明顯增多，冷噴涂技術(shù)已經(jīng)成為國際熱噴涂研究熱點之一，其應用上已經(jīng) 得到世界各國科學界工業(yè)界重視。 5.25

19、.2 目前國內(nèi)熱噴涂技術(shù)發(fā)展趨勢目前國內(nèi)熱噴涂技術(shù)發(fā)展趨勢 我國熱噴涂技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀無論從材料、設(shè)備、工藝、科研都提高很快，但 與先進國家相比還有一定差距，但就發(fā)展趨勢和應用方面的特點與國外比也是 相吻和的。 6.6. 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢 目前，國內(nèi)外的熱噴涂設(shè)備正朝著高能、高速、高效發(fā)展的同時，軸向送粉 技術(shù)、多功能集成技術(shù)和實時控制技術(shù)也將成為熱噴涂設(shè)備的發(fā)展方向。設(shè)備 的不斷發(fā)展將使可噴涂材料的范圍更廣，制備納米、非晶、導熱、催化、導電、 絕緣、超導、隱身等功能涂層將成為熱噴涂研究的熱點。利用各種在線監(jiān)測技 術(shù)確定粉末在噴涂過程中的流體動力學特征，建立噴涂粒子的溫度場和速度場， 深入理解涂層

20、的形成過程，從而得出各個噴涂參數(shù)對涂層結(jié)構(gòu)和性能的影響規(guī) 律。采用各種先進的聲、光、電無損檢測技術(shù)，對涂層性能進行在線診斷，評 估涂層質(zhì)量和預測涂層壽命，是未來熱噴涂涂層質(zhì)量監(jiān)控的重要研究方向。隨 著熱噴涂技術(shù)的不斷發(fā)展，熱噴涂涂層必將更加廣泛地應用到國民經(jīng)濟發(fā)展的 各個領(lǐng)域中 參考文獻參考文獻 1 吳子健等 熱噴涂技術(shù)與應用 機械工業(yè)出版社 2005.10 2 師昌緒. 表面工程與維修M. 北京:機械工業(yè)出版社, 1996. 3 徐濱士, 馬世寧, 劉家浚. 表面工程的發(fā)展J. 電鍍與涂飾, 1998, 17 (3):42-47. 4 徐濱士等.中國表面工程的發(fā)展C. 中國機械工程學會 60

21、 周年先進制造 技術(shù)學術(shù)會議論文集, 1996:23-28. 5 胡傳炘. 熱噴涂原理及應用M. 中國科學技術(shù)出版社, 1994. 6 徐濱士等.中國表面工程的發(fā)展C. 中國機械工程學會 60 周年先進制造 技術(shù)學術(shù)會議論文集, 1996:23-28. 7 徐濱士, 李長久等. 表面工程與熱噴涂技術(shù)及其發(fā)展J. 中國表面工程, 1998 (1):3-9. 8 田保紅, 胡軍志, 徐濱士等. 高速電弧噴射沉積 Fe3Al 涂層研究J. 金 屬熱處理, 2000, (1):3-26. 9 謝鐵兵, 劉憲軍. 電弧噴涂管狀絲材新發(fā)展及應用J. 表面技術(shù), 1999, 28 (3):30-33. 10 蔣建敏.賀定勇.門玉芹.張秀英. 新型熱噴涂粉芯絲材的研究及應用. 機 械工人. 熱加工 2003 年第 9 期 熱質(zhì)涂特別策劃專輯 11 賀定勇, 蔣建敏等. 電弧及火焰噴涂用粉芯線材的研究及應用J. 焊接 設(shè)備與材料, 2001, 30