第六章 表面涂覆技术

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。
增 强
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。
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思考题
• • •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？
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 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。
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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。
状组织结构。
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；
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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。 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。
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。
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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
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第一节 热喷涂 六. 热喷涂工艺
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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
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第一节 热喷涂
涂层的外层受拉应力；基体和涂层的内层产生压应力。
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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。
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。
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)
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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Union Carbide Co.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Browning Engineering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。
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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)。
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第一节 热喷涂
一些喷涂零件
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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
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。
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第一节 热喷涂
喷涂涂层形成过程示意图
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第一节 热喷涂
喷涂涂层形成过程 —— 颗粒形貌
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第一节 热喷涂
喷涂涂层形成过程 —— 颗粒形貌
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第一节 热喷涂
喷涂涂层形成过程 —— 粗糙表面
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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。
重熔对改善 结构最有效 喷涂层结构示意图
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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，
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第一节 热喷涂 热喷涂方法分类
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第一节 热喷涂 2．热喷涂特点
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。 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。 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。 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。 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℃。 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。
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• 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。