表面工程与热喷涂
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第二节 热喷涂技术概述 一、热喷涂概念
热喷涂----利用某种热源，如电弧、等离子弧或燃烧 火焰等将粉未状或丝状的金属或非金属材料加热熔化或 软化形成熔滴、并以一定速度射向预处理过的基体表面、 形成具有一定结合强度涂层的工艺方法。
喷焊---是指用热源将喷涂层加热到熔化，使喷 涂层的熔融合金与基材金属互溶、扩散，形成类 似钎焊的冶金结合，这样所得到的涂层称为喷焊 层。
工艺灵活
工件受热温度可控 涂层容易控制 成本低
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在喷涂过程中可使基体保持较低温度，基体变形小，一般 温度可控制在 30～200℃，从而保证基体不变形、不弱化。
涂层厚度由几十微米到几毫米，涂层表面光滑，加工余量少。
但目前该技术仍存在着结合力低、孔隙率较高、均匀性差 等缺点，有待于进一步发展。
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涂层的特点：
涂层的性能具有方向性
垂直和平行涂层方向上的性能是不一致的。
有孔隙或空洞
涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地存在一部分孔隙或空 洞，其孔隙率一般在 0.025％～20％之间，涂层中还伴有 氧化物等夹杂。
涂层结构可改变
涂层经适当处理后，结构会发生变化。如涂层经重熔处理， 可消除涂层中氧化物夹杂和孔隙，层状结构变成均质结构， 与基体表面的结合状态也发生变化。 残留应力是由于撞击基体表面的熔融态变形颗粒在冷 凝收缩时产生的微观应力的累积造成的，涂层的外层 受拉应力，而基体或涂层的内侧受压应力。

表面工程与热喷涂 涂层中颗粒与基体表面之间的结合以及颗粒之间的结 合机理目前尚无定论，通常认为有三种结合：
碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒，由于和凹凸不平的 表面相互嵌合（即抛锚效应）， 形成机械钉扎而结合。一般 来说，涂层与基体的结合以机械结合为主。 这是当涂层和基体表面产生冶金反应的一种结合类型，如 出现扩散和合金化，包括在结合面上形成金属化合物或固溶 体。当喷涂后进行重熔即喷焊时，喷焊层与基体的结合主要 是冶金结合。
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三、 热喷涂技术分类及特点
1.热喷涂技术的分类
热源
喷涂方法
线材火焰喷涂
火焰
粉末火焰喷涂 高速火焰喷涂 爆炸喷涂 电弧喷涂
自由电弧 等离子弧
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大气等离子弧喷涂(APS)
低压等离子弧喷涂(LPPS) 水稳等离子弧喷涂
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机械结合
冶金-化学结合
物理结合
颗粒与基体表面间由范德华力或其他次价键力形成的结合。
范德华力是存在于分子间的一种吸引力，它比化学键弱得多。
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（二）热喷涂涂层结构
• 喷涂层的形成 过程决定了涂 层的结构，喷 涂层是由无数 变形粒子互相 交错呈波浪式 堆叠在一起的 层状组织结构。
喷涂材料在热源中被加热的过程和颗粒与基体表面的 结合过程是热喷涂涂层制备的关键环节。 （一）涂层的形成过程及特点
热喷涂的工艺过程：
喷涂材料加热熔化 粒子喷涂 涂层形成 熔滴雾化 粒子飞行
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热源温度越高，熔滴冲击速度越大，形成的涂层越致密。
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第三节 热喷涂材料
一、热喷涂材料的性能和分类
1.热喷涂材料必须满足的性能：
稳定性好 使用性能好 润湿性好 固态流动性好 热膨胀系数合适
热喷涂材料在喷涂过程中，必须能够耐高温，具有良好的化学稳定性 和热稳定性，即在高温下不发生有毒的化学反应及性能上的转变。
根据工件的要求，所得涂层应该满足各种使用要求，即喷涂材料也必 须具有相应的性能，如耐磨、耐蚀、导电、绝缘等。 润湿性好，则得到的涂层与基体的结合强度高；自身密度好，且涂层 平整。 固体粉末的流动性与粉末形状、湿度和粒度有关。流动性好，才能 保证送粉的均匀性。 若涂层与工件的热膨胀系数相差甚远，则可能导致工件在喷涂 后的冷却过程中引起涂层龟裂。
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热喷涂技术的目的：
热喷涂的目的：是提高工件的耐蚀、耐磨、耐高温等 性能，亦可用于修复因磨损或加工失误造成尺寸超差的零 部件。
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热喷涂生产实例
录相
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二、热喷涂的原理
火焰喷涂 高速火焰喷涂 爆炸喷涂 电弧喷涂 等离子弧喷涂
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2. 热喷涂技术的特点
可喷涂的材料广泛 基体不受限制
几乎所有的金属、合金、陶瓷都可以作为喷涂材料，塑 料、尼龙等有机高分子材料也可以作为喷涂材料。
在金属、陶瓷器具、玻璃、石膏，甚至布、纸等固体上都 可以进行喷涂。 既可对大型设备进行大面积喷涂，也可对工件的局部进行喷涂；既 可喷涂零件，又可对制成后的结构物进行喷涂。室内或露天均可进 行喷涂，工序少，功效高，大多数工艺的生产率可达到每小时喷涂 数千克喷涂材料。如对同样厚度的涂层，时间比电镀用的少得多。
涂层中存在残留应力
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Ni－Cr－B－Si火焰喷涂组织
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涂层的残留应力：
涂层中存在的残留应力会影响涂层的质量，残留应力的大小与涂层的厚 度成正比，限制了涂层的厚度。因此，薄涂层一般比厚涂层具有更好的结合 强度，受残留应力的限制，热喷涂层的最佳厚度一般不超过 0.5 mm。 热喷涂层残留应力的大小可通过调整喷涂工艺参数进行控制，但更有效的 方法是通过涂层结构设计，采用梯度过渡层缓和涂层残留应力。
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各种热喷涂技术的典型特征参数
喷涂方法 温度 /℃ 3000 3000 4000 5000 >10000 粒子速度 /m.s-1 40 800～1700 800 100 200～400 结合强度 / MPa 8～20 70～110 ＞70 12～25 60～80 气孔率 /（ %） 10～15 ＜0.5 1～2 10 ＜0.5 喷涂效率 /kg·h－1 2～6 1～5 1 10～25 2～10 相对 成本 1 2～3 4 2 4