《喷涂与喷焊》作业思考题武汉理工大学材料科学与工程学院2014-12-15一、名词概念表面工程：是将材料表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种物理、化学或机械等方法和技术，使材料表面获得具有与基体不同性能的系统工程。

表面工程技术：主要涵盖内容有：（1）表面合金化：喷焊、堆焊、离子注入、激光溶敷、热渗镀等；（ 2）表面覆层与覆膜技术：热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、热浸镀等；（ 3）表面组织转化技术：激光、电子束热处理技术以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。

表面能：固体表面原子与气相（或液相）接触时，气相分子对其作用力可忽略不计，故表面原子处于不均匀的力场中，其能量大为升高，高出的能量称为（固体的）表面能。

润湿：指液体对固体表面浸润、附着的能力。

清洁表面：是指经过特殊处理后，保持在超高真空条件下，使外来污染烧少到不能用一般表面分析方法探测到的表面。

实际表面：指暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经一定加工处理（切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。

物理吸附：固体与气体原子之间靠范德华力作用而结合的吸附即为物理吸附。

化学吸附：表面与被吸附分子之间发生电子交换，电子或多或少地被两者所共有，形成化合物，形成了强健结合的吸附。

磨损：机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失，造成表面损伤的现象。

腐蚀：材料与环境介质之间的化学或电化学作用引起的材料破坏和损伤。

热喷涂：是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高速气流将其雾化，喷射沉积到经预处理的基体表面形成涂层的方法。

喷焊：用喷枪加热，将熔融或半熔融的合金粉末喷到工件表面上，再用热源使涂层重熔，使涂层与工件基体熔焊（冶金结合）在一起的一种表面加工方法。

超音速火焰喷涂：又称作高速氧燃料喷涂（High Velocity Oxygen Fuel-HVOF），它是将气态或液态燃料（氢、丙烷、丙烯）与高压氧气混合后在特定的燃烧室或喷嘴中燃烧，产生的高温、高速的燃烧焰流，使粉末熔化加速,喷射至工件表面形成涂层的一种热喷涂方法。

电弧喷涂：利用燃烧于两根连续送进的金属丝之间的电弧熔化金属，用高速气流把熔化的金属雾化成粒子，加速喷至工件表面形成涂层的技术。

等离子喷涂：采用非转移型等离子弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的涂层的方法。

大气等离子喷涂（APS-Atmosphere Plasma Spray）：是指喷枪和基体都处于大气之中的等离子喷涂方法。

（其粒子速度较低，涂层易污染，一般需要对基体进行封孔处理以提高其性能）低压等离子喷涂(LPPS-Low Pressure Plasma Spray)：（在APS的基础上发展起来）是指在低压氩气或其它惰性气体（4～40KPa）保护下进行的等离子喷涂方法。

（该工艺具有粒子速度高,涂层不易受污染等特点,其金属及合金涂层具有结合强度高,孔隙率低等特点）水稳等离子喷涂：喷枪内通入高压水流，并在枪筒内壁形成涡流。

这时在等离子枪体后部的阴极和枪体前部的旋转阳极间产生直流电弧，使枪筒内壁表面的一部分水蒸发、分解，变成等离子态，产生连续的等离子弧。

由于旋转涡流水的聚束作用，等离子弧的能量密度提高，燃烧稳定。

利用该等离子弧熔化和半熔化粉末材料（特别是高熔点氧化物陶瓷粉末材料），高速喷涂至工件表面形成涂层的方法。

爆炸喷涂：将粉末注入喷枪，将引入的氧-乙炔混合气点火引爆产生3300℃高温，释放出热能和冲击波,热能使喷涂粉末熔化,冲击波则使熔融粉末以700～800m/s的速度喷射到工件表面，形成具有高结合强度和高致密度的圆斑（～20mm直径、～8μm厚)的涂层。

激光熔覆：在金属基体表面添加（或输入）金属、合金、陶瓷粉末或复合粉末，通过激光重熔加热，使添加的粉末熔化并使基体表面微熔，从而获得一层外加熔覆层的方法。

冷喷涂：是利用高压气体通过拉瓦尔喷管产生超音速流动，将粉末粒子从轴向送入高速气流中，经加速在完全固态下撞击基体，经较大塑性流动变形而沉积于基体表面形成涂层的方法。

等离子喷焊：是采用转移型等离子弧作热源，将金属粉末加热至熔化或半熔化态,喷涂至工件表面，再继续加热，熔化该涂层、排气排渣，冷却后形成与基体呈冶金结合熔覆层的方法。

堆焊：是借用焊接手段改变金属材料厚度和表面的材质，即在工件上堆敷一层或多层所希望性能材料的焊接方法。

等离子弧堆焊：是利用转移型等离子弧作热源，使填充金属熔覆在基材表面的熔化堆焊方法。

二氧化碳气体保护堆焊：采用CO2气体作为保护介质的一种堆焊工艺。

埋弧堆焊：是电弧埋在熔剂层下面进行堆焊的方法。

通过电弧高温熔化焊剂，形成熔焊层覆盖在熔池上面起到隔绝大气的作用，熔化金属与溶剂蒸发的蒸气在熔渣层下形成一个密封空腔，电弧在空腔内燃烧使焊条熔化，获得熔覆金属层的堆焊方法。

带级堆焊：是用金属带材（尺寸：δ0.4～0.8mm×B25～120mm）代替焊丝作电极的堆焊方法。

二、分析讨论1.常用热喷涂技术有哪些方法、特点及优缺点？答：按照热喷涂所用热源的不同，常用热喷涂方法有火焰喷涂、超音速火焰喷涂，电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等。

主要特点：喷涂过程中，基体温度低，涂层不熔化，涂层与基体以机械结合为主，结合强度不高。

与堆焊的根本区别在于基体不熔化或极少熔化。

优点：（1）适用面宽几乎所有的工程材料都可用做热喷涂的基材；（2）工艺灵活喷涂工件不受尺寸和形状的限制，可进行整体/局部喷涂，大型结构/小型孔槽喷涂，还可在真空/控制气氛、或野外进行喷涂。

（3）基体变形小多数热喷涂过程中，基体受热温度一般部超过250℃，故工件变形小，母材的组织和性能基本不发生变化。

（4）生产率高可实现每小时数kg喷涂量。

不足：热效率低、材料利用率低、浪费大，涂层与基体的结合强度低（以机械结合为主）。

还有喷涂的劳动操作环境较差。

但由于其独特的优点，已获得广泛的应用。

2.从喷涂材料类型、形状、热源性质以及特种工艺角度看，热喷涂技术是如何分类的？答：从材料类型、形状、热源性质以及特种工艺来分，热喷涂技术可分如下几类：（1）按喷涂材料分类：金属喷涂、陶瓷喷涂、塑料喷涂等；（2）按喷涂材料的形状不同分类：粉末喷涂、丝材（线材）喷涂、棒材喷涂等；（3）按喷涂热源的性质不同分类：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、激光喷涂等。

（4）特种喷涂：超音速火焰喷涂、爆炸喷涂、低压等离子喷涂、水稳等离子喷涂、激光喷涂等。

3.结合热喷涂工艺的流程框图，简要说明涂层的形成过程、机理及主要工艺步骤？答：除火焰喷熔和等离子粉末堆焊外，其他各种喷涂工艺方法制备的涂层，其形成机理基本相同。

都是通过热源的加热，使喷涂材料加热至熔融、半熔融或高塑性状态，用高速气流将其雾化，并使这些微颗粒高速撞击基体表面产生塑性变形、形成“盘碟”形状。

后续颗粒将撞击已粘贴在基体上的微粒，形成扁平状并相互镶嵌，冷却后逐渐形成涂层。

因此各种喷涂工艺的工序流程大体相同，如图所示。

主要工艺步骤：包括基体的准备与制备、基体的预处理（净化、粗化等）、预热（100℃～150℃）及喷涂施工、涂层后处理（封孔）及精加工等步骤。

4. 简述喷涂层与基体的结合机理。

答：主要包含：机械结合、微冶金结合、扩散结合、物理结合。

机械结合-涂层与基体凹凸不平表面之间、涂层与涂层之间的嵌合、咬合；微冶金结合-放热性喷涂材料，熔融颗粒到达基体表面时，放热反应会维持几秒钟，使局部达到熔点温度，有可能使颗粒与基体材料表面形成微区冶金结合；扩散结合-熔融颗粒撞击基体材料表面，由于变形、高温等作用，在涂层与基材表面之间产生微小的扩散，增加了涂层与基体的结合强度；物理结合-基材表面经活化处理后，基材与涂层分子之间充分润湿，形成分子间作用力。

热喷涂涂层与基体之间的结合以机械结合为主，某些情况下可产生微冶金结合、扩散结合、物理结合。

而喷焊层与基体之间发生了熔焊，属冶金结合。

5. 热喷焊与热喷涂工艺有何不同？答：其主要不同有以下几点：（1）工件表面温度：喷涂时＜250℃，一般不会变形和改变工件原始组织。

对喷修形状复杂、薄壁、长轴等重要工件有利。

喷焊＞900℃，易引起应力和变形，多数工件的邻近基体会发生退火及不完全退火。

（2）结合状态：喷涂层以机械结合为主，也有微小的冶金焊合，结合强度不高，一般20～65MPa。

喷焊层是冶金结合，结合强度可达300MPa～700MPa。

（3）粉末材料：喷焊用自熔性合金粉末。

喷涂粉末不受此限制。

（4）涂层结构：喷涂层为层状结构，存在孔隙等缺陷（还有内应力大、化学成分不均匀等），有防腐要求时，需封孔处理。

喷焊层未冶金熔合层，均匀致密、无孔隙。

（5）承载能力：喷涂层不能承受冲击载荷和较高的接触应力，适用于各种面接触配合。

喷焊层结合强度大，可承受冲击载荷和较高的接触应力。

适用于线接触等场合。

6．选择喷涂与喷焊工艺的原则是什么？答：当工件承受负载大，尤其是承受冲击负荷，要求涂层有很高的结合强度或工件在腐蚀介质中使用，或要求涂层致密等情况下，采用喷焊为宜。

当工件尺寸精度要求很高和不允许变形，或不能改变基体材料原来的淬火组织，而且工件不受冲击负荷，或只承受轻微的冲击负荷，对结合强度要求不是很高时，易采用喷涂为宜。

7．按照涂层性能和功能来分，喷涂层具体有哪些种类和作用？答：有六大类，具体如下。

（1）耐磨涂层：从20℃~800℃大范围内选择喷涂材料、工艺制备，大幅提高零件耐磨性能。

（2）耐热与抗高温氧化涂层：如热障涂层、高温保护屏蔽涂层；（3）耐腐蚀涂层：阳极保护涂层（不锈钢、镍、铬），阴极保护涂层（锌、铝），起保护和隔离作用。

（4）导电与绝缘涂层，还包括具有对电磁波、射线的辐射屏蔽作用的功能涂层。

（5）间隙控制和密封涂层：这类涂层与配合部件接触时，进行控制性的优先磨损，以保障最佳的间隙和封严效果。

（6）恢复尺寸涂层：修复因磨损、加工不当，铸造等工艺缺陷，尺寸偏小等缺陷，涂层与工件基体材料具有相同的功能。

8. 试结合电弧喷涂的工作简图，分析其工作原理及技术特点。

答：电弧喷涂时，在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧，因电弧产生的热使金属焊丝逐渐熔化，熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成涂层。

设备部件主要包括：电源系统、导线机构、送丝系统、压缩空气系统等，如图所示：电弧喷涂工作简图优点：设备较轻便，易于现场操作；在不提高工件温度又不使用打底层情况下，可获得较高的结合强度；生产效率较高，能源利用率达60%～70%；成本低，安全。

局限：喷涂材料必须是导电的焊丝材料。

9.试结合等离子喷涂的工作简图，论述其工作原理和涂层的形成。