1、熱噴涂、噴焊技術(shù),引言,隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，對(duì)各種機(jī)械設(shè)備零件的表面性能要求越來越高。表面熔融凝固技術(shù)通過表面涂覆與改性，改變金屬或非金屬表面的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)和形態(tài)，使機(jī)械設(shè)備零件適應(yīng)高溫、高壓、高速、重載及腐蝕介質(zhì)、惡劣工況條件工作的需要，有效改善材料表面性能，提高生產(chǎn)力，節(jié)約資源能源，減少環(huán)境污染，改變零部件的外觀，已成為提高產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命的重要制造技術(shù)。受到各工業(yè)部門的重視，現(xiàn)已在航天、航空、冶金、機(jī)械制造、煤炭、電力、石油、化工、紡織等工業(yè)部門得到應(yīng)用。,第一節(jié) 熱噴涂技術(shù),概述 熱涂技術(shù)最早于1910年由普博士發(fā)明,當(dāng)時(shí)命名：“金屬噴鍍” 1979年9月2710月

2、1日在美國Florida州Miami城召開第八屆國際熱噴涂會(huì)議,采用“熱噴涂”,這一名詞,這就是“熱噴涂”名詞的由來。 我國熱噴涂技術(shù)是從上世紀(jì)五十年代開始的,當(dāng)時(shí)由吳劍春和張關(guān)寶在上海組建了國內(nèi)第一個(gè)專業(yè)化噴涂廠,研制氧乙炔焰絲噴及電噴裝置，并對(duì)外開展金屬噴涂業(yè)務(wù)。,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在“八五”期間(19911995年包括1996年)，中國熱噴涂行業(yè)總產(chǎn)值為3億元年左右(包括熱噴涂設(shè)備、材料、施工與技術(shù)服務(wù)、輔助設(shè)備材料等)。1996年，我國國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值約為7.5萬億元(約為9100億美元)，熱噴涂產(chǎn)值約占其0.39/10000。據(jù)國外有關(guān)材料介紹，近幾年美國熱噴涂總產(chǎn)值約為20億美元，日本為

3、800億日元，分別占其國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值(GNP)的3.6/10000和2.3/10000。熱噴涂產(chǎn)值在GNP重的比值是該國熱噴涂發(fā)達(dá)與否的重要標(biāo)志。中國的這個(gè)比值，僅為美國的11%，日本的17%。這說明，中國的熱噴涂仍處于發(fā)展階段，遠(yuǎn)未達(dá)到成熟和飽和階段，也正因?yàn)槿绱耍瑹釃娡吭谥袊氖袌?chǎng)廣大，機(jī)遇甚多，發(fā)展前景看好。,一.熱噴涂概念 利用熱源將材料加熱至熔化或熔融狀態(tài)，借助氣流高速霧化形成“微粒霧流”，沉積在經(jīng)過預(yù)處理的工件表面，形成與基體緊密結(jié)合的涂層的一類技術(shù)稱為熱噴涂。 二.熱噴涂技術(shù)原理 1. 熱噴涂技術(shù)原理 如圖1所示， 在噴涂過程中，被熱源加熱并被高速氣流霧化的噴涂材料顆粒被噴射到基

4、體表面，和基體發(fā)生撞擊，速度由每秒幾十、幾百米驟然降為零，顆粒由于撞擊而產(chǎn)生巨大的變形鋪展，形成片層狀結(jié)構(gòu)，并迅速冷卻下來，如圖2所示。,圖1 熱噴涂技術(shù)原理示意圖 1- 基體 2- 涂層 3 熱源 4- 熱噴涂材料 L- 熔體 S- 固體,圖2 噴涂顆粒的變形鋪展,在噴涂前，基體經(jīng)過凈化、粗化預(yù)處理，表面形成了一定的粗糙度，變形鋪展的噴涂顆粒可以鑲嵌在粗化表面上，形成機(jī)械嵌合作用，和表面結(jié)合在一起，如圖3所示。 不斷和基體撞擊、變形鋪展的噴涂顆?；ハ嗵钊⒍逊e而形成噴涂層，如圖4所示。,圖3 噴涂顆粒和基體的結(jié)合,圖4 涂層的形成,2.熱噴涂分類,3.熱噴涂特點(diǎn) 能夠噴涂的材料范圍特別廣；

5、能夠在多種基體材料上形成涂層； 一般不受工件尺寸和施工場(chǎng)所的限制； 沉積效率高，特別適合沉積后膜涂層； 對(duì)基體材料的熱影響?。?調(diào)整涂層成分比較容易； 容易對(duì)制品進(jìn)行局部強(qiáng)化或改性； 節(jié)約貴重材料； 方便維修。,4.涂層材料 首先，熱噴涂材料最好有較寬的液相區(qū)，因?yàn)橥繉硬牧闲枰刍蟛拍車娡康交w上去，而較寬的液相區(qū)可以使熔滴在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持液相：一般金屬材料和氧化物陶瓷材料都適合熱噴涂技術(shù)。 其次，對(duì)噴涂材料的形狀與尺寸也有要求。一般噴涂用材料都必須是線材或粉末材料。,5.涂層形成過程 涂層形成的大致過程是：涂層材料經(jīng)加熱熔化和加速一撞擊基體一冷卻凝固一形成涂層。其中涂層材料的加熱、加速和凝

6、固過程是三個(gè)最主要的方面。 涂層材料的熔化非常關(guān)鍵，一般希望所有涂層材料都完全熔化并一直保持到撞擊基體表面之前，并且不產(chǎn)生揮發(fā)。一些簡(jiǎn)單的模型可以描述熱氣流中固體粉末的熔化過程。將材料參數(shù)及有關(guān)變量，如熱導(dǎo)率、熔化溫度等，統(tǒng)一納入到加熱條件及氣流動(dòng)力學(xué)方程中，可得到以下不等式：,S（T）2/VL2D2/16P 式中，S為粉末在焰流中的運(yùn)動(dòng)距離；為平均邊界層的熱導(dǎo)率；T為平均邊界層的溫度梯度；V為平均焰流速度；為平均焰流粘度；L為粉末材料的熔化潛熱；D為粉末的平均直徑；P為粉末密度。,6.涂層結(jié)構(gòu) 如圖5所示是等離子噴涂鉬涂層顯微結(jié)構(gòu)形貌圖?？梢娡繉佑纱笮〔灰坏谋馄筋w粒、未熔化的球形顆粒、夾雜和

7、孔隙組成。幾乎所有熱噴涂層都具有上述相同的特征，差別只在于尺寸的大小和數(shù)量的多少。 圖5,熱噴涂層一般都會(huì)有一部分孔隙(0.025一50)，其產(chǎn)生原因主要有三個(gè)： 1） 未熔化顆粒的低沖擊動(dòng)能； 2）是噴涂角度不同時(shí)造成的遮蔽效應(yīng)； 3）是凝固收縮和應(yīng)力釋放效應(yīng)。,7.熱噴涂中的變相 噴涂過程中熔滴撞擊基體冷卻凝固形成涂層。相對(duì)基體來說，熔滴尺寸非常小，冷卻速度可以達(dá)到106K/s。冷卻后會(huì)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(jié)構(gòu)。在高溫環(huán)境下使用時(shí)，涂層的這些亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)會(huì)向穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變，或發(fā)生分解。有些相變甚至?xí)a(chǎn)生相變應(yīng)力，導(dǎo)致涂層破壞，因此在設(shè)計(jì)涂層時(shí)應(yīng)引起注意。,8

8、.涂層應(yīng)力 大部分涂層材料的冷卻凝固伴隨著收縮過程。當(dāng)熔滴撞擊基體并快速冷卻、凝固時(shí)，顆粒內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生張應(yīng)力而在基體表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。噴涂完成后在涂層內(nèi) 部存在殘余張應(yīng)力，其 大小與涂層厚度成正比。 涂層達(dá)到一定程度時(shí)， 涂層的張應(yīng)力超過涂層 圖6 與基材的結(jié)合強(qiáng)度或涂層本省的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，涂層就會(huì)發(fā)生破壞。如圖6所示。,薄涂層一般比厚涂層更加經(jīng)久耐用。高收縮材料如某些 奧氏體不銹鋼容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，因此不能噴涂厚的涂層。 噴涂方法和涂層結(jié)構(gòu)也影響涂層的應(yīng)力水平。致密涂層中的殘余應(yīng)力要比疏松涂層的要大。涂層應(yīng)力大小還可以通過調(diào)整噴涂工藝參數(shù)而部分控制但更有效的辦法是通過涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用梯度過

9、渡層緩和涂層應(yīng)力。,9.結(jié)合強(qiáng)度 1)涂層拉伸結(jié)合強(qiáng)度 這是測(cè)定噴涂涂層與基體界面之間沿法線方向抗拉伸應(yīng)力的結(jié)合強(qiáng)度。試樣和拉伸實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。試樣 A 的端面經(jīng)噴砂處理后噴涂涂層厚度大于 0.8mm ，加工至 0.5mm ，最小厚度不小于 0.4mm ；試樣 B 的端面經(jīng)噴砂處理，然后將 A 、 B 試樣端面涂上粘結(jié)劑，加壓固化后在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，拉伸速度不超過 1mm/min ，加載速度不超過 9.8kN/min 。試樣破斷時(shí)的最大載荷與涂層面積之比即為抗拉結(jié)合強(qiáng)度。應(yīng)對(duì) 5 組試樣進(jìn)行測(cè)試，取其算術(shù)平均值。,2） 涂層剪切結(jié)合強(qiáng)度 涂層剪切結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試試樣如圖7 所示。在圓柱形

10、試棒的凸臺(tái)表面噴涂涂層，磨削加工到規(guī)定尺寸。將試樣放入陰模中，在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上沿軸線對(duì)試棒勻速施加壓力，直至涂層破斷，換算成單位面積上承受的剪切應(yīng)力，即為涂層的剪切結(jié)合強(qiáng)度。,圖6 涂層拉伸結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試試樣,圖7 涂層剪切結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試試樣,3)涂層自身的結(jié)合強(qiáng)度 測(cè)試按照?qǐng)D 8 所示加工并噴涂試樣，試樣數(shù)量為 5 個(gè)。涂層厚度一般不小于 1.2mm ，加工后保留 1.0mm ，噴涂層寬度不小于 60mm 。拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，拉伸速度不超過 1mm/min ，加載速度不超過 9.8kN/min ，直到涂層斷裂。涂層的粘聚強(qiáng)度按下式計(jì)算： 式中 b 涂層的粘聚強(qiáng)度， N/mm 2 ； F 涂

11、層破斷最大載荷， N ； d1 試件噴涂前直徑， mm ； d2 試件噴涂加工后直徑， mm 。,圖8 涂層粘聚強(qiáng)度試驗(yàn)試樣,10.熱噴涂前后處理技術(shù) 1)基體表面預(yù)處理 基體進(jìn)行表面預(yù)處理是熱噴涂非常重要的一個(gè)工藝環(huán)節(jié)。涂層與基體的結(jié)合是機(jī)械嵌合，噴射向基體的熔融粉末或金屬液滴，和基體發(fā)生碰撞，產(chǎn)生變形，和基體表面的凸凹部分發(fā)生嵌合，產(chǎn)生拋錨效應(yīng)，從而形成涂層。這種嵌合能力的大小，和基體表面的凈化程度、粗化效果有很大關(guān)系。通過對(duì)基體表面進(jìn)行凈化和粗化，提高基體表面的活性和表面積，可以提高涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度，改善涂層內(nèi)的應(yīng)力分布狀況。 在制備涂層前，對(duì)基體表面進(jìn)行的清理、粗化、預(yù)熱等，統(tǒng)稱為

12、基體表面預(yù)處理。常用的表面預(yù)處理方法包括：,1. 溶劑清洗 2. 高溫加熱 3. 火焰灼燒 4. 機(jī)械打磨 5. 機(jī)械加工 6. 噴砂處理 7. 電火花粗化 8. 超聲波清洗 9. 基體預(yù)熱,2） 基體表面的保護(hù)與遮蔽 很多時(shí)候基體表面并不需要全部進(jìn)行噴涂。必須對(duì)非噴涂部位進(jìn)行保護(hù)與遮蔽，以防止在噴砂過程中砂粒對(duì)非噴涂部位的損傷，以及噴涂時(shí)噴涂粒子沉積在非噴涂部位，妨礙工件以后的正常使用。可以使用薄鐵皮對(duì)非噴涂表面進(jìn)行保護(hù)，油孔、螺栓孔可以用軟木塞、粉筆等堵塞。噴涂時(shí)某些無法保護(hù)的部位，可以事先涂刷防粘涂料，以便噴涂完畢后，該部位的涂層能夠迅速除,3） 涂層的后處理 (1)涂層的封孔處理 熱噴

13、涂涂層都存在一定的孔隙。多孔性降低了涂層的耐蝕性、絕緣性。當(dāng)噴涂防腐涂層或絕緣涂層時(shí)，就要對(duì)涂層進(jìn)行封孔處理。 封孔處理是熱噴涂工藝的一種后處理工序。封孔劑的作用就是填充涂層中的空隙，從而達(dá)到： a 提高涂層的耐腐蝕、抗氧化、電絕緣性能； b 避免涂層磨削加工時(shí)磨料嵌入涂層孔隙中； c 賦予涂層以新的功能。如采用石蠟、有機(jī)硅樹脂類封孔劑，具有減摩自潤(rùn)滑性能，可使涂層也有減摩自潤(rùn)滑性能。,對(duì)封孔劑的基本要求是： a 粘度低，滲透性好； b 化學(xué)性能穩(wěn)定，能耐化學(xué)腐蝕或溶劑作用， 不與涂層材料發(fā)生有害反應(yīng)； c 容易古話，最好能常溫固化，且與涂層粒子粘結(jié)牢固； d 安全無毒，使用方便。 按照封孔劑

14、材料的類型，封孔劑主要分為有機(jī)封孔劑和無機(jī)封孔劑兩類。前者一般用于常溫和不高的環(huán)境溫度下，如微晶石蠟、酚醛清漆、環(huán)氧清漆等；后者則多用于高溫涂層的封孔，如水玻璃、水解硅酸乙酯、磷酸鋁等。,(2) 涂層的加工 幾乎所有的熱噴涂涂層表面都是較粗糙的，在要求涂層幾何尺寸精度和表面光潔度的情況下，必須對(duì)涂層進(jìn)行機(jī)械加工。 熱噴涂涂層的機(jī)械加工不同于普通整體金屬材料的加工，由于涂層組織的特殊性，在制定機(jī)加工工藝時(shí)，應(yīng)考慮如下因素： a 涂層結(jié)合強(qiáng)度有限，尤其在邊緣處不能承受過大的切削應(yīng)力，否則易出現(xiàn)涂層剝離現(xiàn)象。 b 一般涂層韌性差，不宜切削。 c 耐磨涂層硬度高，導(dǎo)熱性差，刃口溫度高，涂層易過熱，刀具

15、容易磨損。 d 涂層一般較薄，加工余量不大。,除了噴焊層以外，熱噴涂涂層都是以機(jī)械結(jié)合為主，不正確的機(jī)加工工藝會(huì)導(dǎo)致涂層的剝離和開裂。涂層的車、銑加工以小進(jìn)給量和低線速度為宜。 薄涂層和硬度很高的涂層最好采用磨削加工。,三.噴涂工藝方法 1.電弧噴涂 電弧噴涂最早是由瑞士工學(xué)博士 M. U. Schoop 在 1913 年提出的，到 1916 年研制成功了第一把實(shí)用型的電弧噴槍。圖1所示為世界上的第一臺(tái)電弧噴涂設(shè)備。,世界上的第一臺(tái)電弧噴涂設(shè)備,1）電弧噴涂原理 電弧噴涂是用電弧將噴涂材料加熱熔化，再用壓縮空氣霧化，噴射到基體表面形成涂層的一種熱噴涂技術(shù),1- 直流電源； 2- 金屬絲； 3-

16、 送絲輪； 4- 導(dǎo)電塊； 5- 導(dǎo)電嘴； 6- 空氣噴嘴； 7- 電弧,（2）電弧噴涂設(shè)備 電弧噴涂是借助電弧燃燒的熱能熔化金屬絲材，利用壓縮空氣的壓力把熔化的金屬霧化成金屬顆粒。因此，產(chǎn)生電弧的噴槍、給噴槍供電的電源和空氣壓縮機(jī)是電弧噴涂必不可少的設(shè)備。噴涂用的空氣要求清潔干燥，因此供氣系統(tǒng)中還包括空氣凈化裝置。基體噴涂前要進(jìn)行粗化處理，需要噴砂設(shè)備。此外還有驅(qū)動(dòng)工件按一定速度運(yùn)動(dòng)的噴涂機(jī)床，除塵設(shè)備等。 噴涂主體設(shè)備,電弧噴涂設(shè)備,2.等離子噴涂 1）等離子噴涂的原理 等離子噴涂的原理如下圖所示。將金屬或非金屬粉末送入剛性非轉(zhuǎn)移弧等離子焰流中，加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，并隨高速等離子焰流噴

17、射并沉積到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面，形成涂層。,等離子噴涂的原理圖,2）等離子噴涂設(shè)備 等離子噴涂設(shè)備是由許多分立的設(shè)備和裝置所組成的復(fù)雜裝備系統(tǒng)，通常包括電源、控制與監(jiān)測(cè)裝置、等離子噴槍、冷卻系統(tǒng)、氣源供給裝置、送粉裝置、等離子噴槍的運(yùn)動(dòng)與控制設(shè)備、噴涂部件的運(yùn)動(dòng)與控制設(shè)備、通風(fēng)與排氣裝置、除塵裝置、噴涂室等。等離子噴涂主體設(shè)備如圖所示。,等離子噴涂設(shè)備,3.火焰噴涂 火焰噴涂一般采用氧 - 燃?xì)饣鹧孀鰺嵩?，噴涂的材料可以是粉末，也可以是絲材，可以是金屬、合金、復(fù)合材料、陶瓷、塑料，只要噴涂材料的熔點(diǎn)低于火焰的溫度，就可以在火焰中熔化、霧化，噴射形成涂層。 1） 絲材火焰噴涂原理 絲材火焰噴涂是

18、利用氧 - 燃?xì)?( 一般為乙炔氣 ) 火焰做熱源，將連續(xù)、均勻送入火焰中的噴涂絲材加熱、熔融，再通過高壓氣體霧化成微粒狀，噴射到預(yù)先處理過的工件表面，形成金屬、合金或陶瓷涂層。其基本原理如圖1 所示。氧氣和燃?xì)馑腿雵姌尯螅旌先紵?，用于熔化噴涂絲材；在氧 - 燃?xì)馔吠獠凯h(huán)形通入壓縮空氣，,用于霧化熔化后的噴涂材料，并將噴涂材料噴射到基體上。噴槍前部的空氣帽使壓縮空氣射流呈錐形射束，將氧 - 燃?xì)饣鹧鎵嚎s聚焦于絲材端部，使絲材端部始終處于良好的加熱熔化狀態(tài)。這樣，既使采用的噴涂材料是燒結(jié)成棒狀的陶瓷材料，仍然可以很好地熔化。,絲材火焰噴涂原理示意圖,2）絲材火焰噴涂設(shè)備 絲材火焰噴涂設(shè)備由噴

19、槍、供氣系統(tǒng)和氣體控制系統(tǒng)組成，如圖 所示,絲材噴涂設(shè)備,3） 粉末火焰噴涂原理 粉末火焰噴涂是利用燃?xì)夂椭細(xì)馊紵a(chǎn)生的熱量加熱粉末態(tài)噴涂材料，使其達(dá)到熔融或軟化狀態(tài)，借助焰流動(dòng)能或噴射加速氣體，將粉末噴射到經(jīng)預(yù)處理的基體表面，形成涂層，如圖 所示。,粉末火焰噴涂原理示意圖,4)粉末火焰噴涂設(shè)備 粉末火焰噴涂設(shè)備主要是粉末火焰噴槍，其它輔助設(shè)備包括氣瓶、氣體流量調(diào)節(jié)裝置等。當(dāng)需要使用壓縮空氣時(shí)，還包括壓縮空氣系統(tǒng)。粉末火焰噴槍外形如圖所示。,絲材噴涂設(shè)備,3.超音速火焰噴涂原理 超音速火焰噴涂 (High Velocity Oxygen Fuel ，簡(jiǎn)稱 HVOF) 工藝是基于一高壓內(nèi)燃系統(tǒng)

20、，與微型火箭引擎相似。所用燃料包括煤油、氫氣、丙烯、丙烷、乙炔、甲基乙炔、天然氣等。將粉末引入燃燒室熱焰中，可在幾乎無限制的各種基體上產(chǎn)生涂層。超音速噴涂技術(shù)是利用噴槍在壓力下點(diǎn)燃混合氣體，通過擴(kuò)張使燃燒繼續(xù)，而且超音速噴槍的結(jié)構(gòu)獨(dú)特，在燃燒室的末端即咽喉部位（ Throat ）采用了拉瓦爾（ Laval ）曲線設(shè)計(jì)，使得燃燒室的壓力增加，噴涂過程中，燃料與氧混合產(chǎn)生溫度為 2800 的超聲氣流。,在焰流剛膨脹的低壓部位導(dǎo)入噴涂粉末，粉末遂高速低壓焰流的抽吸作用被高速焰流加熱和加速，達(dá)到很高的粒子速度從噴槍口噴出，然后高速撞擊基體表面，形成優(yōu)質(zhì)涂層。涂層非常致密，基本無孔，與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，

21、壓應(yīng)力小，其質(zhì)量完全可以達(dá)到甚至超過爆炸噴涂涂層。下圖是 JP5000 型超音速火焰噴槍的結(jié)構(gòu)示意圖。,JP5000 型超音速火焰噴槍結(jié)構(gòu)示意圖,1）超音速火焰噴涂的特點(diǎn)和局限性 I. 超音速火焰噴涂的特點(diǎn)： 焰流速度高。焰流速度高達(dá) 1500 2200m/s ， 為音速的 2 5 倍。顆粒速度為氣流速度的 20% 40% ，因此，顆粒速度最高可達(dá) 900m/s 涂層結(jié)合強(qiáng)度高。噴涂 WC-Co 涂層可達(dá) 70 90MPa 。 涂層非常致密，孔隙率極低，小于 1% 。 涂層硬度高，噴涂 WC-Co 涂層的顯微硬度 (Hv) 最高可達(dá) 1600 ，與燒結(jié)材料相當(dāng)。 涂層應(yīng)力為壓應(yīng)力，且殘余應(yīng)力低

22、，可噴涂厚涂層。 火焰溫度在 2900 3300 之間，比等離子噴涂和電弧噴涂低，且顆粒在焰流中的飛行時(shí)間短，因而粉末的氧化、燒損小，特別適合噴涂碳化物等易氧化粉末材料。,II. 超音速火焰噴涂的局限性： (1) 能噴涂的材料有限?；鹧鏈囟鹊停翌w粒在焰流中的飛行時(shí)間短，因而無法熔融高熔點(diǎn)陶瓷粉末。若噴涂金屬或合金粉末，則成本太高，體現(xiàn)不出優(yōu)越性。 (2) 熱效率低，成本高。燃料高強(qiáng)度燃燒產(chǎn)生的熱能大量被冷卻水或空氣帶走，降低了熱效率，提高了涂層成本。 (3) 沉積效率低。噴涂 WC-Co 涂層的沉積效率通常低于 45% ，大大增加了材料成本。 (4) 供氣系統(tǒng)龐大，操作不方便。 (5) 工件

23、受熱大。,4）爆炸噴涂原理 爆炸噴涂是利用氣體爆炸產(chǎn)生高能量，將噴涂粉末加熱加速，使粉末顆粒以較高的溫度和速度轟擊到零件表面形成涂層。爆炸噴涂時(shí)首先要將一定壓力、比例的氧氣和乙炔氣送入到噴槍內(nèi)，然后再由另一入口用氮?dú)馀c噴涂粉末混合送入。在槍體內(nèi)充有一定量的混合氣體和粉末后，由電火花塞點(diǎn)火，使氧乙炔混合氣發(fā)生爆炸，產(chǎn)生熱量和壓力波。噴涂粉末在獲得加速的同時(shí)被加熱，通過槍口噴出，并以高速 ( 超過音速約 3 倍 ) 噴射在零件表面形成致密的涂層，然后通過氮?dú)馇逑礃尮埽瑸橄乱淮螄娡孔鰷?zhǔn)備，噴涂過程反復(fù)連續(xù)進(jìn)行。爆炸噴涂工作原理見下圖所示。,爆炸噴涂工作原理,1）爆炸噴涂的優(yōu)缺點(diǎn) 爆炸噴涂與其它噴涂工

24、藝相比有很多優(yōu)點(diǎn)： (1) 爆炸噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度高、致密、孔隙率低。噴涂時(shí)，由于粉末顆粒迅速被加熱、加速，半熔粉末對(duì)基體的撞擊力大，所以涂層結(jié)合強(qiáng)度高，噴涂陶瓷粉末可達(dá) 70 MPa ，噴涂金屬陶瓷粉末可達(dá) 175 MPa ，涂層致密，孔隙率 2% ； (2) 零件熱損傷小。爆炸噴涂是脈沖式噴涂，熱氣流對(duì)零件表面作用時(shí)間短，因而零件的溫升不高于 200 ，不會(huì)造成零件變形和組織變化； (3) 涂層均勻、厚度易控制。爆炸噴涂每次噴涂形成的涂層厚度約為 6m ，所以涂層的厚度均勻、易控制，零件加工余量小；,(4) 涂層硬度高、耐磨性好。涂層材料相同時(shí)，爆炸噴涂形成的涂層硬度較高、耐磨性較好，硬質(zhì)合

25、金涂層硬度可達(dá) 1100 HV ； (5) 爆炸噴涂可用微機(jī)控制，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。,爆炸噴涂也存在著一些缺點(diǎn) ; (1)產(chǎn)生的噪音大，一般高達(dá) 180 dB ，需要在專用的隔音間中進(jìn)行，并由設(shè)在隔音室外的微機(jī)控制，噴涂時(shí)產(chǎn)生粉末飛散現(xiàn)象，使爆炸噴涂的使用受到一定的限制： (2) 爆炸噴涂頻率為 2 10 次 /s ，每次只能形成約 25 mm0.006 mm 的涂層，效率較低； (3) 爆炸噴涂的噴涂粉末從噴槍中噴出，只能以直線行進(jìn)，所以噴涂受基材形狀限制較大，對(duì)于形狀復(fù)雜的零件很難噴涂； (4) 效率低。爆炸頻率低，不超過 10 次 /s ，而每次噴涂的涂層厚度僅 4-6m ，面積僅是直,四

26、.常用熱噴涂材料 P105,五、熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用 1噴涂耐腐蝕涂層 采用熱噴涂技術(shù)可以噴涂耐各種介質(zhì)腐蝕的保護(hù)涂層，如鋅、鋁、不銹鋼、鎳合金、蒙乃兒合金、青銅以及氧化鋁、氧化鉻陶瓷涂層和塑料等。 2噴涂耐磨涂層 熱噴涂技術(shù)被成功地應(yīng)用于噴涂機(jī)械零件表面的耐磨涂層，延長(zhǎng)零件的使用壽命，或修復(fù)磨損失效的機(jī)械零件?；謴?fù)零件尺寸的技術(shù)現(xiàn)在稱為機(jī)械零件“再制造工程”。,3.噴涂耐高溫涂層 熱噴涂技術(shù)同樣可以用于改善機(jī)械零件的抗高溫氧化性能。超音速火焰噴涂Cr2C3-NiCr涂層，在900。C以上，則可以采用大氣等離子噴涂氧化鋯涂層。采用真空等離子噴涂NiCrAL或Ni（Co）CrALY涂層，或者用等離子

27、噴涂氧化鋁-氧化鈦等陶瓷涂層，都可以改善機(jī)械零件的抗高溫氧化層性能，防止熔凝金屬的侵蝕。 4噴涂功能涂層 熱噴涂技術(shù)可廣泛應(yīng)用于電氣工業(yè)中，如噴涂屏蔽涂層，用于消除電磁波和無線電波的干擾(EMIRFI)，同時(shí)清除靜電放電火花；用電弧噴涂鋅涂層可以提供高能級(jí)的衰減(范圍達(dá)60BOaB)。屏蔽涂層的應(yīng)用包括計(jì)算機(jī)終端設(shè)備、電子辦公設(shè)施、藥品監(jiān)測(cè)裝置和感光電子設(shè)備。,5.噴涂成型 采用熱噴涂制造機(jī)械零部件是近年來迅速發(fā)展的一項(xiàng)特殊知道技術(shù)。利用計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手在可去除的模具上噴涂成型各類袁建，具有快速、方便、凈成型等特點(diǎn)，而且可以選擇的材料范圍廣泛，特別是可以快速成型陶瓷、耐火金屬等難成型材料。當(dāng)然

28、，用噴涂成型方法制造的零部件空隙度高，機(jī)械強(qiáng)度差，大部分需要經(jīng)過熱壓，熱等靜壓處理，此項(xiàng)技術(shù)還在研究中。,六.熱噴涂涂層質(zhì)量評(píng)定 熱噴涂涂層質(zhì)量檢測(cè)是其質(zhì)量保證和滿足使用功能的基本依據(jù)。對(duì)于熱噴涂涂層，一般應(yīng)該檢查涂層外觀、涂層厚度、涂層密度和孔隙率、涂層硬度、涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度、涂層自身結(jié)合強(qiáng)度、涂層成份、微觀組織結(jié)構(gòu)等。 1.涂層外觀檢查 涂層外觀用目視或放大鏡檢查。涂層外觀應(yīng)均勻一致，無起皮、剝落、開裂及未噴涂區(qū)。,2.涂層厚度測(cè)量 涂層厚度是熱噴涂涂層的重要質(zhì)量指標(biāo)之一，它關(guān)系到涂層材料消耗、涂層的應(yīng)力、涂層結(jié)合強(qiáng)度、涂層的使用壽命等。 涂層厚度破壞式測(cè)量方法主要為采用顯微鏡測(cè)量。涂層

29、厚度無損測(cè)量方法分接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢?。前者包括機(jī)械量具測(cè)量、傳感器探頭測(cè)量等，后者包括紅外激光熱波測(cè)厚。,3.涂層密度和孔隙率測(cè)量 涂層密度測(cè)量用試樣如圖1所示。按圖1加工并噴涂出圓柱形試棒，磨去多余涂層，并精磨整個(gè)圓 式中 c 涂層密度， g/cm3 ； s 基體材料密度， g/cm3 ； Vc 涂層體積， cm3 ； Vs 基體體積， cm3 。,圖1 直接稱量法測(cè)定涂層密度試樣 1 試樣基體 2 精加工后的涂層 3 精加工去除的涂,涂層孔隙率的測(cè)量 將用稱量法測(cè)定的涂層密度c 與涂層材料的真密度m 進(jìn)行比較，即可求出涂層中的孔隙率。,4.涂層硬度的測(cè)量 涂層硬度是熱噴涂涂層的

30、重要質(zhì)量指標(biāo)之一，它對(duì)涂層的耐磨性有直接影響。涂層硬度的測(cè)量必須考慮熱噴涂工藝的特性和噴涂涂層的結(jié)構(gòu)特性，即噴涂的高溫顆粒急速冷卻所產(chǎn)生的淬硬性；涂層硬度對(duì)噴涂工藝參數(shù)強(qiáng)烈的依賴性；涂層中含有孔隙、氧化物，組織結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性造成的宏觀硬度和微觀硬度測(cè)量的差別性等。因此，熱噴涂涂層硬度的測(cè)量最好采用顯微硬度或表面洛氏硬度，且測(cè)量點(diǎn)數(shù)應(yīng)不少于 5 個(gè)，取其平均值為涂層硬度。,5.涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試 （1） 涂層拉伸結(jié)合強(qiáng)度 這是測(cè)定噴涂涂層與基體界面之間沿法線方向抗拉伸應(yīng)力的結(jié)合強(qiáng)度。試樣和拉伸實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示。試樣 A 的端面經(jīng)噴砂處理后噴涂涂層厚度大于 0.8mm ，加工至 0.5m

31、m ，最小厚度不小于 0.4mm ；試樣 B 的端面經(jīng)噴砂處理，然后將 A 、 B 試樣端面涂上粘結(jié)劑，加壓固化后在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，拉伸速度不超過 1mm/min ，加載速度不超過 9.8kN/min 。試樣破斷時(shí)的最大載荷與涂層面積之比即為抗拉結(jié)合強(qiáng)度。應(yīng)對(duì) 5 組試樣進(jìn)行測(cè)試，取其算術(shù)平均值。,圖2 涂層拉伸結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試試樣,2. 涂層剪切結(jié)合強(qiáng)度 涂層剪切結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試試樣如圖3 所示。在圓柱形試棒的凸臺(tái)表面噴涂涂層，磨削加工到規(guī)定尺寸。將試樣放入陰模中，在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上沿軸線對(duì)試棒勻速施加壓力，直至涂層破斷，換算成單位面積上承受的剪切應(yīng)力，即為涂層的剪切結(jié)合強(qiáng)度。,圖3 涂層剪切

32、結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試試樣,6.涂層自身的結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試 按照?qǐng)D 4 所示加工并噴涂試樣，試樣數(shù)量為 5 個(gè)。涂層厚度一般不小于 1.2mm ，加工后保留 1.0mm ，噴涂層寬度不小于 60mm 。拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，拉伸速度不超過 1mm/min ，加載速度不超過 9.8kN/min ，直到涂層斷裂。 式中 b 涂層的粘聚強(qiáng)度， N/mm 2 ； F 涂層破斷最大載荷， N ； d1 試件噴涂前直徑， mm ； d2 試件噴涂加工后直徑， mm 。,圖4 涂層粘聚強(qiáng)度試驗(yàn)試樣,7.耐蝕性能檢測(cè) 腐蝕條件多種多樣，腐蝕條件千差萬別，沒有適合于所有腐蝕條件的統(tǒng)一的腐蝕實(shí)驗(yàn)方法。根據(jù)腐蝕工況的不同，模擬的

33、腐蝕實(shí)驗(yàn)方法很多，包括浸泡腐蝕試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)、應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、晶間腐蝕試驗(yàn)、疲勞腐蝕試驗(yàn)、抗硫化物腐蝕試驗(yàn)、高溫氧化試驗(yàn)等。 8.摩擦磨損試驗(yàn) 利用兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的試樣在一定荷重條件下產(chǎn)生滑動(dòng)或滾動(dòng)，經(jīng)過一定的時(shí)間或移動(dòng)距離后，測(cè)量試樣的摩擦系數(shù)、摩擦功及磨損失重，以評(píng)定材料或涂層的耐磨性能，,9.熱震試驗(yàn) 熱震試驗(yàn)也稱為熱沖擊試驗(yàn)，用以檢測(cè) Al 2 O 3 、 ZrO 2 為主要成分的耐高溫及隔熱用熱障陶瓷涂層的耐急冷急熱的能力。加熱試樣的方法有電爐加熱、氧 - 乙炔火焰槍加熱、等離子焰加熱等；冷卻方法有空氣冷卻、強(qiáng)制吹風(fēng)冷卻、水冷卻等。,第二節(jié) 噴焊,噴焊(spra

34、ying welding )，是指在熱噴涂過程中同時(shí)對(duì)基體加熱，使涂層在基體表面熔化，形成熔敷層的方法。利用氣體燃燒火焰為熱源的噴焊方法，稱為火焰噴焊。利用轉(zhuǎn)移型等離子弧為主要熱源的噴焊方法，稱為等離子噴焊（粉末等離子弧噴焊）。,噴焊的原理、工藝、方法簡(jiǎn)介 噴焊是對(duì)經(jīng)預(yù)熱的自溶性合金粉末涂層再加熱至10001300，使顆粒熔化，造渣上浮到涂層表面，生成的硼化物和硅化物彌散在涂層中，使顆粒間和基體表面達(dá)到良好結(jié)合。最終沉積物是致密的金屬結(jié)晶組織并與基體形成約0.050.1mm的冶金結(jié)合層，其結(jié)合強(qiáng)度約400MPa，抗沖擊性能較好、耐磨、耐腐蝕，外觀呈鏡面。,與噴涂層相比，噴焊層的優(yōu)點(diǎn)顯著。但由于重熔過程中基體局部受熱后溫度達(dá)900，會(huì)產(chǎn)生較大熱變形。因此，噴焊的使用范圍有一定局限性。適于噴焊的零件和材料一般是： 受沖擊載荷，要求表面硬度高，耐磨性好的易損零件，