热喷涂、喷焊与堆焊技术共111页

2.热喷涂分类
3.热喷涂特点
能够喷涂的材料范围特别广； 能够在多种基体材料上形成涂层； 一般不受工件尺寸和施工场所的限制； 沉积效率高，特别适合沉积后膜涂层； 对基体材料的热影响小； 调整涂层成分比较容易； 容易对制品进行局部强化或改性； 节约贵重材料； 方便维修。
三.喷涂工艺方法
1.电弧喷涂 电弧喷涂最早是由瑞士工学博士 M. U. Schoop 在 1913 年提出的，到 1916 年研制成功了第一把 实用型的电弧喷枪。图1所示为世界上的第一台电 弧喷涂设备。
世界上的第一台电弧喷涂设备
1）电弧喷涂原理
电弧喷涂是用电弧将喷涂材料加热熔化，再用 压缩空气雾化，喷射到基体表面形成涂层的一种 热喷涂技术
对封孔剂的基本要求是：
a 粘度低，渗透性好； b 化学性能稳定，能耐化学腐蚀或溶剂作用， 不与涂层材料发生有害反应； c 容易古话，最好能常温固化，且与涂层粒子粘 结牢固； d 安全无毒，使用方便。
按照封孔剂材料的类型，封孔剂主要分为有 机封孔剂和无机封孔剂两类。前者一般用于常温 和不高的环境温度下，如微晶石蜡、酚醛清漆、 环氧清漆等；后者则多用于高温涂层的封孔，如 水玻璃、水解硅酸乙酯、磷酸铝等。
二.热喷涂技术原理 1. 热喷涂技术原理 如图1所示， 在喷涂过程中，被热源加热并被 高速气流雾化的喷涂材料颗粒被喷射到基体表面， 和基体发生撞击，速度由每秒几十、几百米骤然 降为零，颗粒由于撞击而产生巨大的变形铺展， 形成片层状结构，并迅速冷却下来，如图2所示。
图1 热喷涂技术原理示意图 1- 基体 2- 涂层 3 热源 4- 热喷 涂材料 L- 熔体 S- 固体
式中 σ b ——涂层的粘聚强度， N/mm 2 ； F ——涂层破断最大载荷， N ； d1 ——试件喷涂前直径， mm ； d2 ——试件喷涂加工后直径， mm 。

热喷涂喷焊与堆焊
4 涂层形成过程
（1） 喷涂材料被加热到熔融状态。 （2） 喷涂材料被雾化成微小熔滴并高速撞击基体表面，撞击 基体的颗粒动能越大和冲击变形越大，形成的涂层结合越好。 （3） 熔融的高速粒子在冲击基材表面后发生变形，冷凝后形 成涂层。
热喷涂喷焊与堆焊
在涂层粉末熔化过程中，将材料参数及有关变量，如 热导率、熔化温度等，统一纳入到加热条件及气流动力学 方程中，可得到以下不等式。
• 残余应力： 致密涂层 > 疏松涂层 • 涂层应力大小可通过调整工艺参数而部分控制，
但更有效的方法是采用梯度过渡层缓和涂层应力
热喷涂喷焊与堆焊
减少涂层残余应力措施： （1） 减小涂层厚度； （2） 调整喷涂工艺参数； （3）采用较疏松涂层； （4） 采用梯度过渡层缓和涂层内应力
热喷涂喷焊与堆焊
8 涂层的结合强度
缺点：孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。优点： 但孔隙可以储存润滑剂，提高涂层的隔热性能，减小内应力 并因此增加涂层厚度，提高涂层抗热震性能，提高涂层的可 磨耗性能。
热喷涂喷焊与堆焊
6 热喷涂中的相变
相对基体来说，熔滴尺寸非常小，冷却速 度可达10∧6 K/s,冷却后会形成非晶态或亚稳相， 完全不同于同样材料在轧制态或铸态的组织结 构。
热喷涂喷焊与堆焊
➢ 涂层是由无数变形粒子互相交错堆叠 在一起，形成一层堆积而成的层状结构。 ➢ 涂层性能具有方向性，垂直和 平行涂层方向上的性能不一致。 ➢ 涂层中伴有氧化物等夹杂，存 在部分孔隙，孔隙率4％－20％。
热喷涂喷焊与堆焊
涂层内有一定比例的孔隙，产生原因是： (1) 未熔化颗粒的低冲击功能； （1） 喷涂角度不同造成的遮蔽效应； （2） 凝固收缩和应力释放效应

3.3、堆焊技术的应用特性
1 结合强度高，抗冲击性能好；
2
成分和性能调节方便；
通过正确设计堆焊层的合金体系，可以获 得抗磨损、冲击、腐蚀、擦伤和气蚀等多 种性能的堆焊层，
3
堆焊层厚度大，2-30g/h; 双带极埋弧焊：68kg/h；
5 设备简单，与焊接设备通用；
6
热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多； 温度高，导致基材变形大。因此，对于 一些形状复杂、易热变形的零件，无法 使用热喷焊技术。
d)
热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有 一定差别；
•由于基体表面会少量熔化，并与喷焊材 料形成合金，导致成分差异。一般将基 材熔入喷焊层中的重量百分含量称为喷 焊层的稀释率。
3.1、堆焊层的形成和控制
１. 堆焊层的形成 １. 堆焊层的形成
由于堆焊材料与基材成分不同，必定会产生一层性 能和组织与基材和堆焊层都不相同的过渡层。该过 渡层如果是脆性的，将使性能恶化。
２. 相容性 ２. 相容性
取决于互溶性及是否产生脆性金属间化合物；还需 考虑两者之间的熔化温度、膨胀系数、热导率和比 电阻等物理相容性能的差异。(增加焊接应力，降低 结合质量)
1）喷焊材料需能够润湿基材； 2）必须与基材相容，即它们在液相和固 相下必须有一定的溶解度； 3）基材的熔点应高于喷焊材料的熔点， 否则易导致基材塌陷或损坏； 4）喷焊材料在凝固结晶过程中应不会产 生热裂纹，或使基材热影响区产生裂纹。
因此，热喷焊工艺只能适合于一些特定的金属材料（包括 基材和粉末）
C)
加热不均匀，薄壁、细长构件要注意变形。
3.4、堆焊工艺方法
各种焊接方法都可以用来进行堆焊.
常用堆焊的工艺方法可分为氧—乙炔焰堆 焊、手工电弧堆焊、钨极氩弧堆焊、熔化 极气体保护电弧堆焊、埋弧堆焊、等离子 弧堆焊和电渣堆焊等。 堆焊材料通常呈棒状、管状、带状，焊剂可以装在 管芯内或作为焊条药皮包覆在外层使用。

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第六章 热喷涂技术
热喷涂的特点之三
（3）工件受热少 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℃， 工件不会发生畸变，不改变工件的金相 组织。
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第六章 热喷涂技术
热喷涂的特点之四
（4）生产效率高 大多数工艺方法的生产率可达到每小时 喷涂数千克喷涂材料，有些工艺方法可 高达50kg／h以上。
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1.火焰喷涂
火焰喷涂设备简单，一枝喷枪。 喷枪主要由两部分组成：产生火焰的氧、 乙炔供给系统和供料（粉末或丝材）系统。
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1.火焰喷涂
喷枪
初期的火焰丝材喷枪 美国METCO的5P-Ⅱ粉末喷枪
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线、棒材喷涂都是将材料 从喷枪中心孔送出，由氧 的火焰将其熔化，通过压 缩空气将熔化的材料雾化 成微粒，并将其喷射到基 体表面沉积成为涂层。 特点：操作简单，设备运 转费用低，可手持操作。 材料：线材主要有 Zn,Al,Cu, Mo, Ti等及其 化合物，铝包镍，镍包铝， 金属包碳化物等复合线材; 棒材主要为Al2O3、 Al2O3 + TiO2及TiO2陶瓷 材料。
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火焰粉末喷涂过程中
爆炸喷涂技术产生于上世纪50年代中期，将燃气爆 炸技术引入热喷涂领域。其主要特点是涂层与基体 的结合强度高，涂层孔隙率小（小于0.5％），工件 受热小，涂层在制作过程中受空气污染小。
PT100型爆炸喷涂设备
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高速火焰喷涂是20世纪80年代初 期由美国开发的，由喷管出口处 燃烧的高温射流迅速膨胀，产生 了超音速火焰，焰流速度高，颗 粒熔化充分。该方法制备的涂层 与基体结合强度高，涂层致密， 孔隙率小于1％，并且涂层的残 余应力小。但是成本较高，限于 应用于一些关键部位制作上。 特点：所得涂层性能可与爆炸喷 涂相媲美，但其工作效率，工作 条件的可变范围更优越；成本较 高。 材料：最适宜喷涂碳化物基的粉 末。

冷轧辊修 复堆焊
2 耐磨损、腐蚀堆焊
• 磨损和腐蚀是造成金属材料失效的主要因 素，为了提高金属工件表面耐磨性和耐蚀 性，以满足工作条件的要求，延长工件使 用寿命，可以在工件表面堆焊一层或几层 耐磨或耐蚀层。就是将工件的基体与表面 堆焊层选用具有不同性能的材料，制造出 双金属工件。由于只是工件表面层具有合 乎要求的耐磨、耐蚀等方面的特殊性能， 所以充分发挥了材料的作用与工作潜力， 而且节约了大量的贵重金属。
热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多； 温度高，导致基材变形大。因此，对于 一些形状复杂、易热变形的零件，无法 使用热喷焊技术。
d)
热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有 一定差别；
•由于基体表面会少量熔化，并与喷焊材 料形成合金，导致成分差异。一般将基 材熔入喷焊层中的重量百分含量称为喷 焊层的稀释率。
2.3、等离子喷焊
等离子喷焊技术是采用 等离子弧作为热源加热 基体，使其表面形成熔 池，同时将喷焊粉末材 料送入等离子弧中，粉 末在弧柱中得到预热， 呈熔化或半熔化状态， 被焰流喷射至熔池后， 充分熔化并排出气体和 熔渣，喷枪移开后合金 熔池凝固、形成喷焊层 的工艺过程。
● 喷涂用非转移弧（钨阴极、喷嘴铜阳极）；而喷焊 用的则是非转移弧和转移弧的联合弧（工件作阳极）。 转移弧对工件的加热能力比非转移弧强，是喷焊的主 弧。 ● 等离子喷焊的前、后处理与氧—乙炔火焰喷焊相 同。 ● 等离子喷焊的材料范围比较宽，可喷焊难熔材料。 粉末粒度与火焰喷焊的一样，但比热喷涂的要稍大一 些。
最小堆焊厚度 /mm 0.8 0.8 0.2 3.2 2.4 3.2 3.2 3.2 4.8 4.8 3.0 4.0
熔敷效率 （%） 100 100 85～95 65 98～100 90～95 80～85 95 95 95 95 95

4. 热喷涂用复合材料(粉末、丝材)

（主要）为适应热喷涂工艺而制备的复合材料
表6-9

通过增强相增强涂层性能的复合材料
四、热喷涂技术的应用
1. 喷涂耐腐蚀涂层
普利茅斯海湾
热喷涂锌
跨海大桥
汽轮机转子
水轮机机座
2. 喷涂耐磨涂层
延长零件使用寿命、修复磨损失效的机械零件(再制造工程)。
水轮机叶片 球阀球体碳化钨喷涂层
3. 等离子喷涂工艺

特点：(高温低压等离子体)
(优点)焰流温度及速度高，喷涂材料适应面广，特别适合喷涂高熔点材料；涂层密 度及 结合强度高。 (缺点)热效率低、沉积效率较低，设备相对复杂、价格较贵，喷涂成本高。

等离子喷涂设备包括电源、电气控制系统、喷枪、气源和气路、 供粉系统、水冷系统等。
三、等离子喷焊

定义：
采用等离子弧作为热源加热基体，使其表面形成熔池，同时将喷 焊粉末材料送入等离子弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半 熔化状态，被焰流喷射至熔池后，充分熔化并排出气体和熔渣，喷 枪移开后合金熔池凝固，形成喷焊层的工艺过程。
(工件带电，联合弧)
(工件不带电，非转移弧)

非转移弧： 工作时首先引燃，再建立转移弧
二、堆焊工艺方法

各种焊接方法都可以用来进行堆焊。 常用堆焊工艺方法： 氧－乙炔焰堆焊 手工电弧堆焊 钨极氩弧堆焊 熔化极气体保护电弧堆焊 埋弧堆焊 等离子弧堆焊 电渣堆焊 堆焊材料通常为棒状、管状、带状。

等离子弧堆焊


稀释率、熔敷速度和堆焊层厚度是最重要的指标。
(在允许的稀释率水平下尽可能提高熔敷速度。)

涂层及基体材质广泛 基体温度低 操作灵活

热喷焊技术：
分类： 氧-乙炔火焰喷焊 等离子喷焊 激光熔覆
喷焊的特点：
（1）涂层组织致密，缺陷少，与基体冶金结合，强 度结合是热喷涂的10倍，因此，可以涂敷几个毫米 厚，不会开裂，这样热喷焊可以用于修复表面磨损 的零件，或者用来强化表面。 （2）热喷焊时，存在一个涂层材料与基体匹配的问 题。因为和基体要达到冶金结合，真要炼合金，两 种材料必须能炼到一起去。实际就是涂层材料基体 材料必须能够液态和固态时能够有一定的溶解度。 另外，基体材料的熔点要高于涂层材料的熔点，通 常基体有少量熔化，但是不容许基体塌陷。从这些 条件来看，喷焊材料的选择范围比热喷涂小多了。
相对比较而言，粉末喷涂选材容易，因为制粉比制线材容易多了。 火焰喷涂适用于金属材料和塑料，因为焰流温度比较低（800-2电极之间产生的放电作为热源的。两根丝材接在直流电源 的正负极上，在离开导嘴后短接，产生电弧，电弧就会稳定的燃烧，不断熔 化喷涂材料，在压缩空气的作用下雾化，并喷涂在基体表面上。电弧喷涂比 火焰喷涂质量要好，涂层致密度高，结合强度高。但是只能用于导电的金属 线材。通常用来喷涂防腐的锌铝涂层。
η为喷焊层的稀释率，A为喷焊的金属质量，B为基 体熔化的质量。所以，稀释率不能大，否则涂层成 分会严重偏离你设计的成分。
二、热喷焊工艺
（1）氧-乙炔火焰喷焊 用氧-乙炔混合气体燃烧的火焰作为热源。设备就是喷 焊枪、气焊的那一套，气瓶，焊枪和普通气焊枪的区别 就是加了套送粉机构，一个粉斗，再加一个开关。
5．涂层的结合强度 热喷涂层的形成是液滴与基体撞击后变形与基体不平处咬 合在一起，后来的颗粒是一层层镶嵌在一起的，因此，结合属于 机械结合。结合力较低，只能达到母体材料的30%以下，最高能 达到70MPa. 6．热喷涂的技术特点 （1）可以制备各种材质的涂层 （2）基体温度低 基体温度在30-200℃，变形小。 （3）操作灵活 （4）涂层厚度范围广 几十个um到几个mm都能喷涂，另外效率高，成本低。 7. 热喷涂的工艺流程 基体表面预处理（清洗、粗化3.2-12.5um， 粘结底层，就是 选择容易喷涂的材料打底，然后再喷涂涂层材料，底层材料有NiAl Ni-Cr合金等）——热喷涂——封孔（就是用一些树脂类物质 把孔隙填充。提高抗腐蚀能力）——机加工。