动力机械制造与维修
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动力机械制造与维修. ( 第 8 章 金属粉末喷涂和喷焊 ). 刘正林. 2010-02. 第八章 热喷涂技术 Thermal Spray Technology §8-1  热喷涂原理及特点 Principle and Characteristics of Thermal Spray 1 热喷涂原理 (Principle of Thermal Spray) 1. 定义 (Definition) :

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动力机械制造与维修

(第8章 金属粉末喷涂和喷焊)

刘正林

2010-02


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第八章 热喷涂技术

Thermal Spray Technology

§8-1 热喷涂原理及特点

Principle and Characteristics of Thermal Spray

1 热喷涂原理(Principle of Thermal Spray)

1. 定义(Definition):

热喷涂:是利用热源将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态,借助于焰流或外加的推力将熔滴雾化或推动熔粒成喷射的粒束,以一定速度喷射到经过制备的基体表面形成某种功能的涂层。

热喷熔:在喷涂过程中或涂层形成后,对金属基体和涂层加热,使涂层在基体表面熔融,并和基体产生扩散或互熔,形成与基材冶金结合的喷熔层,称为热喷熔(Thermal Spraying and Fusing)。


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图 1-粉末注入;2-熔化颗粒

3-涂层;4-材料进给;5-热喷涂源

2. 热喷涂过程 (Thermal Spray Process):

1)喷涂材料被加热熔化;

2)熔滴雾化;

3)高速飞行;

4)与基体表面的碰撞变形及淬冷凝固。

  在产生碰撞瞬间,颗粒的动能转化成热能传给基材,并沿预处理的凹凸不平表面产生变形,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。喷涂的粒子束接连不断地冲击基材表面,产生碰撞-变形-冷凝收缩的过程,变形颗粒与基材表面之间,以及颗粒与颗粒之间互相交错地粘结在一起,从而形成涂层。

热喷涂原理


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2. 涂层结构(Coating Structure):

1)涂层层状结构

由大量相互平行的碟形粒子互相粘结而成;

2)涂层的多孔结构

粒子碰撞、变形和冷凝等过程的时间极短;

3)涂层中存在氧化物夹杂

其数量取决于热源、材料和喷涂条件;

4)涂层的各向导性:

层状结构→各向异性。

5)涂层残余应力。

6)涂层的结构是被微细氧化物和孔洞层错分隔的系列薄片材料的堆积层。

7)涂层经过适当的处理后,其结构会发生变化。例如:涂层经过重熔处理,就消除了涂层中的氧化物夹杂和孔隙,层状结构成为均质结构,涂层与基体表面的结合状态也发生了变化。


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二、涂层的结合机理

(Bonding Mechanisms of Coatings)

涂层的结合包括涂层与基体表面的结合及涂层中粒子与粒子的结合。

前者的结合强度称为结合力;后者的结合强度称为内聚力。

1. 机械结合

熔融状态的喷涂粒子在与基本表面碰撞时,其变形粒子与基体表面的

凹凸粗糙面机械地咬合,这种结合被 称为“抛锚效应”,例如等离子或氧乙

炔喷涂陶瓷材料时,涂层和基体的结合就属于机械结合。

2. 物理结合

涂层与基体表面的粘附是由范德瓦耳斯力所引起的。

3. 化学或显微冶金结合

当基体表面被高温微粒熔化和与它们发生反应而形成金属间化合物时,其涂层和

基体表面的结合称为化学结合。当喷涂粒子与基体表面原子形成互相扩散时,就称为

显微冶金结合。 一般来说,涂层与基体表面的结合以机械结合为主。


3 classify of thermal spray

3 热喷涂分类(Classify of Thermal Spray)

线材火焰喷涂、棒材火焰喷涂

气体燃烧火焰法  粉末火焰喷涂、爆炸喷涂

           超音速火焰喷涂、粉末火焰喷熔

         电弧喷涂

               大气等离子喷涂

热              真空等离子喷涂

喷气体放电法 等离子喷涂  保护气体等离子喷涂

涂              水稳等离子喷涂

               超音速等离子喷涂

         等离子喷熔

电热法:高频喷涂、线材电爆喷涂

激光热源:激光喷涂、激光喷熔


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4 热喷涂特点(Characteristics of Thermal Spray)

1. 喷涂材料的选择范围广泛,它几乎包括所有的固体材料;如金属及其合金,各种陶瓷及金属陶瓷、塑料和各种类型的复合材料等。

2. 选择合适的工艺方法几乎能在任何固体材料表面上进行喷涂。

3. 一般不受施工场所的限制,既可以在室内喷涂,又可以现场施工。

4. 一般不受工件尺寸及形状限制,既可对大型构件进行大面积喷涂,也可以对工件进行局部喷涂。

5. 涂层厚度可以在几十微米到几毫米范围内控制,因此可作薄涂层或厚涂层使用。


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6. 除喷熔外,热喷涂工艺对基体材料热影响较小,并且可以进行控制,它不会影响基体金属的金相组织和机械性能。

7. 能使涂层具有耐磨、耐蚀、耐氧化、耐高温、隔热、导电、绝缘、密封、减磨、辐射及电子发射等不同功能或使涂层具有复合功能。

8. 热喷涂的生产率高,对于大多数热喷涂工艺方法,其生产率可达每小时数公斤,有的方法甚至可达每小时数十公斤。

9. 与其他堆焊方法比较,火焰喷熔层和等离子喷熔层的冲淡率较低,而且表面成形平整、光滑、加工余量少,节省合金材料。

10. 废旧件采用热喷涂修复后,还能比新件具有更高的性能和更长的使用寿命。


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热喷涂的局限性:

1. 一般用喷涂方法制备的涂层,涂层结合强度及密度受到一定限制。

2. 对于喷涂面积小的工件,沉积效率低,不经济。

3. 一般喷涂方法操作环境较恶劣,要求采取劳动保护和环境保护措施。

4. 难以对涂层质量进行非破坏性检查。


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线材火焰喷涂原理示意图

1-涂层;2-燃烧火焰;3-空气帽;

4-气体喷嘴;5-线材或棒材;6-氧气;

7-乙炔;8-压缩空气;9-喷涂射流;10-基体

§8-2 热喷涂方法和设备

Methods and Equipment of Thermal Spray

1 线材火焰喷涂 (Wire Flame Spraying)

1. 基本原理:

喷枪通过气阀分别引入乙炔、

氧气和压缩空气,乙炔和氧气

混合后在喷咀出口处燃烧,不

断送进的丝材被氧-乙炔火焰

加热熔化,然后,由通过气帽

的压缩空气将其雾化成粒子,

并被喷射到基体表面形成涂层。


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  • 2. 涂层特性 (Coating Characteristics):

    • 1) 涂层结构为明显的层状结构;

    • 2) 涂层中含有明显的气孔和氧化物夹渣;

    • 3) 涂层结合强度为10~30MPa;

    • 4) 涂层气孔隙为10 % ~15%。


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1)氧气及乙炔供给系统:由气源、压力及流量调节装置,回火防止管及输氧管道等组成;

2)压缩空气供给系统:由空气压缩机和空气净化装置(冷凝器和油水分离器组成)构成;

3)线材盘架;

4)气喷枪:它主要由机动部分、混合头部分及手柄部分组成,国产SQP-1型气喷枪分高速、中速两种规格,前者用喷涂镁、铝等低熔点金属,后者用于喷涂钼、钢等高熔点金属。

3.设备组成 (Equipment Composition):

线材火焰喷涂典型装置示意图

1-燃料气;2-氧气;3-气体流量计;4-压缩空气;

5-空气过滤器;6-空气控制器;7-线材控制装置;8-线材喷枪


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4.特点及应用 (Characteristics and Application)

1) 特点:

(1)喷涂方法简便,设备简单;

(2)火焰温度低,气流速度不高,因而颗粒打击力小,涂层致密度较差;

(3)涂层中含有一定量的氧化物。

2) 应用:

(1) 目前国内大多用于制备锌、铝长效防护涂层;

(2) 不锈钢、镍铬及有色金属防腐涂层;

(3) 碳钢、铬钢恢复尺寸涂层以及耐磨涂层等。


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2 粉末火焰喷涂 (Powder Flame Spraying)

1.基本原理:如图所示,喷枪通过气阀分别引入燃料气(主要采用乙炔)和氧气,经混合后从喷咀喷出,产生燃烧火焰。合金粉末在高速氧气流的带动下由喷嘴射出,穿过燃烧火焰时被加热到熔化或半熔化状态,并高速撞击在已预处理的基体表面上,沉积为喷涂层。

粉末火焰喷涂原理示意图

1-氧、乙炔混合气;2-送粉气;3-喷涂粉末;4-喷嘴;5-火焰;6-涂层;7-基体


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2. 涂层特性 (Coating Characteristics):

1)涂层中含有一定量的氧化物及气孔,并有少量变形不充分的颗粒;

2)涂层结合强度10-30MPa;

3)涂层孔隙率高。


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1)粉末火焰喷涂的典型设备主要由氧气及乙炔供给系统和喷枪组成,粉末可以装在与喷枪构成一体的粉斗内,也可由送粉器通过管道送入。

2)目前国内常用的火焰喷涂枪有:SPH-E型两用枪、SPH-E2000型喷涂枪、Cp-1000型亚音速喷涂枪、Cp-3000型亚音速喷涂枪。

3.设备组成:

粉末火焰喷涂典型装置示意图

1-氧气;2-燃料气;3-气体流量计;4-粉末;5-喷枪


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4.特点及应用

1)特点

(1) 设备简单、轻便、初投资少,操作工艺简单,现场施工方便;

b. 适于机械零部件的局部修复和强化,成本低、耗时少、效益高;

c. 可以喷涂纯金属粉、合金、陶瓷、金属陶瓷和复合粉末等多种材料;

d. 涂层孔隙率较高。

2)应用

粉末火焰喷涂广泛用于机械部件和化工容器、辊筒表面制备耐蚀、耐磨涂层。对喷枪喷咀部分作适当变动后,可用于喷涂塑料粉末。


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3 等离子弧喷涂 (Plasma Spraying)

1.基本原理: 等离子喷涂原理:在阴极和阳极(喷咀)之间产生一直流电弧。该电弧把导入的工作气体加热电离成高温等离子体并从喷咀喷出形成等离子焰。粉末由送粉气体送入等离子射流后被熔化、加速、喷射到以预处理的基体材料表面形成涂层。

等离子喷涂原理示意图

1-喷涂粉末;2-工作气;3-阴极;4-阳极;5-等离子射流;6-基体;7-喷涂层;


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2.涂层特性 (Coating Characteristics)

1) 组织结构为细晶的层状结构,含一些球状组织,存在细小弥散物;

2)等离子弧温度高,能量集中,焰流速度高;

3)喷涂层组织细密,氧化物夹渣和气孔率都低,气孔率可控制到2-5%;

4)涂层与基体的结合及粒子之间的结合除以机械结合为主外,可以产生微区冶金结合和物理结合;结合强度可达35-70MPa。


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1)喷枪:喷枪实际上是一个非转移型等离子弧发生器,是最关键的部件,它集整个系统的电气、粉、水于一体,主要由阴极、喷咀(阳极)、进气道与气室、送粉道、水冷密封与绝缘以及枪体所组成。

2)送粉器:送粉器是用来贮存喷涂粉末和按工艺要求向喷枪输送粉末的一种装置,主要有自重式送粉器、刮板式送粉器、雾化式送粉器、电磁振动式送粉器、鼓轮式送粉器等。

3)整流电源:等离子喷涂采用的整流电源有饱和电抗器式或硅整流电源、可控硅型电源、直流发动机电源。

4)供气系统。

5)水冷系统及控制系统。

3.设备组成:


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4.特点及应用

1)特点:

(1)喷涂材料范围广:制备难熔金属、陶瓷、金属陶瓷复合材料涂层及其它特殊功能涂层;

(2)涂层结合强度高,气孔率低;

(3)惰性气体等离子射流有保护气氛,加氢的射流有还原气氛,避免或减少了喷涂粒子的氧化;

(4)设备昂贵,一次性投资大。

2)应用:

主要用于制备质量要求高的耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温和特殊功能涂层。


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5.其它等离子喷涂方法

1)低压等离子喷涂(LPPS);

2)水稳等离子喷涂;

3)屏蔽等离子喷涂;

4)反应等离子喷涂;

5)超音速等离子喷涂。


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电弧喷涂原理示意图

1-直流电源;2-金属丝;3-送丝滚轮;4-导电块;5-导电嘴;

6-空气喷嘴;7-电弧;8-喷涂射流;9-涂层;10-基体

4 电弧喷涂 (Arc Spraying)

1. 基本原理:电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极,利用其端面产生的电弧作热源来熔化金属丝材,用压缩空气进行雾化的热喷涂方法,喷涂原理如图所示。


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2.涂层特性 (Coating Characteristics)

1)涂层为典型的层状组织结构,但组织结构较粗大,并且大小不均;

2)结合强度较高:由于熔粒温度高,粒子变形量大,而提高了涂层的结合强度;

3)元素含量减少:涂层中C及合金元素的烧损量大,因而涂层硬度降低;


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3.设备组成:

1)整流电源:电弧外特性应是平特性或略带上升的外特性,动特性应有足够大的电流上升速率;为适应不同材料喷涂的需要,电源上要求有输出电压调节装置。

2)控制装置;

3)喷枪:

(1) 在喷枪中由导电咀、空气喷咀、绝缘块和弧光罩等组成的雾化头是喷枪的关键部分;

(2) 按驱动金属丝的动力源分为:电动式、空气马达式及气动蜗轮式;

按推动金属丝的方式不同分为:推式、拉式及推拉式

4)金属丝盘架或送丝装置;

5)压缩空气供给系统等组成。


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4. 特点

1) 热效率高:热能利用率高达60- % 70%;火焰喷涂热能利用率为5 % -15%;等离子喷涂为12%左右;

2) 生产率高:一般为火焰喷涂的3倍以上,如电流为300A时,钢材喷涂速率15kg/h;

3) 喷涂成本低:电弧喷涂的施工成本比火焰喷涂要降低30%以上;

4) 结合强度高:粒子温度高、动能大→结合强度一般要比火焰喷涂高50%以上;

5) 可以方便地制备假合金涂层:铜-钢合金涂层就具有良好的耐磨、减磨和导热性能。


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5. 应用

1)钢铁构件上制备Zn、Al长效防护涂层;

2)钢铁喷铝,通过产生渗铝层,制备抗高温氧化涂层,工作温度可达870℃;

3)在钢铁件上喷涂不锈钢或其它耐磨金属,用于耐磨蚀防护;

4)喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料,用于修复零件已磨损或尺寸超差的部位;

5)在电容器上喷涂导电涂层,在塑料制品上喷涂屏蔽涂层等。


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5 爆炸喷涂 (Detonation Spraying)

1. 基本原理:

将一定比例和流量的乙炔和氧气引入内径为25mm的水冷枪筒内,与同时引入的喷涂粉末混合,通过火花塞瞬间引爆,枪筒内的温度突然上升3300℃以上,气体燃烧的速度超过音速的十倍,形成冲击波, 爆炸的热能将喷涂粉末加热到熔融或半熔融状态,并使熔粒加速到2倍音速喷出,撞击到基体表面形成涂层,此后将氮气引入枪筒内置换,直到下一个爆炸过程开始。

爆炸喷涂原理示意图

1-氮气;2-粉末;3-火花塞;4-喷涂射流;5-涂层;

6-基体;7-氧气;8-乙炔


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2. 特点及应用

1)涂层结合强度高:

它与基材的结合力比等离子喷涂高,尤其是WC-Co涂层比等离子喷涂高2倍以上;

2)涂层硬度高:

喷涂WC-Co涂层的断面硬度比等离子喷涂高50%以上;

3)气孔率低:

喷涂WC-Co涂层气孔率一般只有0.5%;

4)用途:

目前爆炸喷涂主要用于制备优质耐磨涂层。


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6 超音速火焰喷涂

(High Velocity Oxy - Fuel Spraying-HVOF)

1. 基本原理: Jet-Kote超音速粉末火焰枪原理如图所示。燃料气体(氢气、丙烷、丙烯)和助燃剂(O2)以一定的比例导入燃烧室内混合,爆炸式燃烧,高温燃气经燃烧室上部燃烧头内的四根倾斜喷管进入铜喷咀,粉末由送粉气(Ar或N2)定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送入高温燃气中,由高温高速燃气带出喷咀,高速喷射到工件上形成涂层,整个喷枪由循环水冷却。

     目前超音速喷涂发展很快,新发展的喷枪不仅在结构上不同于Jet-Kote,而且可以使用液体燃料(如:煤油, JP-5000、 JP-8000)和压缩空气助燃剂 (HVAF),大大降低了涂层的制造成本。


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Jet-Kote超音速粉末火焰枪原理图

1-粉末及送粉气;2-冷却水;3-冷却水;4-氧气;5-燃料气;


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2. 特点及应用

1)火焰及喷涂粒子速度极高:燃气流速可达1500-2000m/s,粉粒撞击到工件表面的速度为550-800 m/s;

2)粉粒在火焰中加热时间长:喷涂粉末以中心轴式方法供给,这种供粉方式使粉末在火焰中停留时间长,能均匀地受热熔融,产生集中的喷射束流;

3)熔粒与周围大气接触时间短:这可避免碳化物材料分解和脱碳;

4)喷涂粉末细微,涂层光滑:粉末粒度为5-45μm,可获得表面光滑的涂层;

5)涂层致密,结合强度高:涂层的孔隙率可小于0.1%,结合力可大于100N/mm2;

6)气体耗量大、喷涂噪声大:目前喷枪所消耗的气体远大于一般火焰喷涂;

7)用途

被广泛使用来制备碳化物(WC-Co、NiCr-Cr3C2)涂层和耐蚀涂层。


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§8-3 热喷涂工艺过程

Thermal Spraying Processes

1表面预处理 (Surface Preparation)

1. 净化处理(Cleaning Treatment)

1)溶剂清洗法: 常用的溶剂有汽油、煤油、柴油、丙酮、酒精、三

氯乙烯、四氯化碳等。清洗的方法有浸泡和擦刷法、喷淋脱脂法。

2)蒸气清洗法:常用的溶剂一般为三氯乙烯、四氯化碳等。

3)碱洗法:碱洗法是将工件表面放到氢氧化钠或碳酸钠等碱性溶

液中,待工件表面的油脂溶解后,再用水冲洗干净。

4)加热脱脂法:将疏松工件表面加热到250~450℃的温度,使油脂

渗出表面,挥发烧掉,然后再加以清除。


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2. 粗化处理 (Roughing Treatment)

目的:

1)增加涂层和基材表面之间的接触面;

2)使净化处理的表面更加活化,提高涂层的结合强度;

3)改变涂层中残余应力的分布。

方法:喷砂、机械加工法、电拉毛及喷涂自粘结材料作结合底层等。


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1)喷砂处理 (Grit Blasting)

(1)目的:

a)清除表面的污物;

b)使表面获得一定的粗糙度;

c)能使工件表面产生残余压应力,可提高工件表面的疲劳强度;

d)能使工件表面活化,有助于提高喷涂层的结合强度。

(2) 常用的磨料及粒度:

刚玉砂、激冷铁砂、带棱角的钢砂、碳化硅砂、金刚砂等。喷砂粗化时砂粒粒度多是将粗(20目左右)、细(40目左右)两种砂粒混合使用。

(3)喷砂的方式:

射吸式、压力式、离心式三种。


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2)机械加工法 (Machining)

(1) 原理:

采用机械切削和凿、滚压等方法对喷涂表面进行粗化预处理,多用于轴类零件。对于平面部件,也采用开槽处理。

(2) 粗化方法:

车毛螺纹、车沟槽-滚花及平面开槽等,但对于承受疲劳载荷的轴类零件不宜采用车螺纹粗化。

(3) 应用:

适用于可进行切削加工的钢材和有色金属基材。在需要制备较厚的涂层或需要适应较苛刻的载荷条件时,采用先机械加工粗化,然后,再喷砂的方法能获得良好的效果。


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3)电拉毛粗化 (Electrical Discharge Roughing)

(1) 原理:

电拉毛是采用镍条作电极接在电源的一端,工件接另一端,当作为电极的镍条在工件上划擦时,在接触处产生电火花,因电热造成局部熔化,镍条熔粘在工件表面。这样反复划擦,便在工件上形成覆盖有熔化金属层的粗糙表面。

(1) 应用:

电拉毛适用于工件硬度较高又不能采用喷砂或机械加工的工件表面的粗化处理。由于电拉毛产生了放电痕对基材的切割作用,工件的疲劳寿命会下降。


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4)喷涂粘结底层

(Spraying Self-bonding Coating)

(1) 原理:

某些材料能在光滑表面上形成具有一定粘结强度、洁净、粗糙、活性高的涂层,再在其上面喷涂其它性能的涂层,这种作为过渡层的涂层一般称为粘结底层,喷涂粘结底层用的材料称为自粘结材料。

(2) 常用的自粘结材料:

Ni-Al和Mo; Ni-Cr、NiCrAl合金或MCrAlY(M: Ni、Co、Fe)。

(3) 底层厚度:

一般在0.08~0.12mm范围内较合适。


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2 预热 ( Preheating)

1.目的:

1)消除工作表面的水分和湿气;

2)提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度;

3)减少因工件热膨胀造成的涂层应力,避免涂层开裂,提高涂

层与基材的结合强度。

2. 预热温度:

取决于工件的大小、形状和材质及喷涂材料的热膨胀系数。一

般情况下预热温度控制在60-120℃之间。

3. 预热的方法:

采用氧乙炔火焰加热,也可以用电炉、高频炉加热。


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3 喷涂 ( Spraying)

1.制备好的工件表面要在尽量短的时间 (2h-4h) 内进

行喷涂。

2.喷涂工艺参数要根据涂层种类、喷枪性能和工件的

具体情况而定, 对于不同的喷涂方法都有相应的喷涂参数。

3.控制喷涂参数的目的是为了提高喷涂速率,增加涂

层的致密度,提高涂层的结合强度,得到高质量的涂层。


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4 涂层的后处理 ( Post-treating)

1. 喷涂后得到的涂层有时不能直接使用。

2. 对于防腐涂层,为了防止介质进入涂层到达基材需进行封孔

处理。封孔剂应根据工作环境介质的性质、成本等因素来考虑。

3. 对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件,要对喷涂层进行重

熔处理,使疏松多孔与基材主要靠机械结合的涂层变为与基体是冶

金结合的致密喷熔层。

4. 有尺寸精度要求的工件要进行机械加工,由于喷涂层本身的

一些特性,决定了它与一般金属材料不同的加工特点。所以,必须

选用合理的加工方法和相应的工艺参数,才能保证机械加工的顺利

进行和所要求的尺寸精度。


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§8-4 热喷涂材料

Thermal Spray Materials

1. 热喷涂材料按其使用形式的不同可分为两大类:

  • 粉末材料

  • 线丝材料

    2. 按使用功能和制造方式可分为:

  • 非复合材料

  • 复合材料

    3. 按组成成分可分为:

  • 金属及合金、自熔性合金、复合材料、陶瓷和有机塑料等几种。

  • 目前热喷涂材料已有60种以上的线材和200种以上的粉末。


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1 热喷涂线材 

(Thermal Spray Wire Materials)

1. 非复合喷涂线材

(Non-composite Wire for Spraying)

非复合喷涂线材是指只用含一种金属或合金的材料制成的喷涂线材。这些线材是用普通的拉拔方法制造的,应用最普遍的非复合线材有:铝及铝合金喷涂丝、锌及锌合金喷涂丝、铜及铜合金喷涂丝、锡及锡合金喷涂丝、铅及铅合金喷涂丝、镍及镍合金喷涂丝、铜喷涂丝及铁合金喷涂丝。


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2. 复合喷涂线材 (Composite Wire for Spraying)

1)概念:

复合喷涂线材是把两种或两种以上的材料复合而制成的喷涂线材,复合喷涂线材中大部分是增效复合喷涂线材。

2)常用的复合方法:

丝-丝复合、丝-管复合、粉-管复合、粉-皮压结复合及粉-粘合剂复合。

3)常用的放热型喷涂复合线材:

Ni-Al喷涂丝,Al-Cr, Al-Nb, Al-Ta, Al-B, Al-Ni-WC, NiCr-Al, Al-Ni-Al2O3, Al-Ni-SiC等线材。

4)一步法喷涂丝:

利用组元的放热反应,再加入其它元强化组可制成自结合一步法喷涂丝,

这类复合丝有不锈钢-Ni/Al丝,Ni-Al-Mo丝,Cu-Al丝等。


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2 非复合型热喷涂粉末

(Non-Composite Thermal Spray Powders)

1. 金属及合金粉末 (Metal and Alloy Powder)

1) 种类:主要是Ni基、Fe基、Co基及Cu基合金粉末,自熔合金粉末在热喷涂中得到了广泛的应用。

2)制造方法:机械破碎法、元素组合法、雾化法等,最常用的是雾化法。

2. 陶瓷粉 (Ceramic Powder)

陶瓷粉主要是指氧化物、氮化物、硼化物、碳化物和硅化物粉。

常用的陶瓷粉有Al2O3,ZrO2,TiO2,WC,Cr3C2。


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3. 混合粉 (Mixed Powder)

把金属、合金、陶瓷喷涂粉以不同的比例相互混合起来,可得到各种混合粉。其中金属或合金与陶瓷组成的混合粉也称为金属陶瓷粉。这些混合粉虽然配制方便,但由于被混合粉末的密度等物理性能的差异,这种混合粉很难均匀,容易造成涂层偏析,使用效果不好。

4. 高聚物粉 (Plastic Powder)

1.热塑性树脂粉末材料:

聚乙烯粉、尼龙粉及EVA树脂;

2. 热固性树脂粉末材料:

环氧树脂粉末。


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3 复合型热喷涂粉末

(Composite Thermal Spray Powders)

1.包覆型粉末(Clad Powder):由一种或几种成分作为外壳,均匀连续或星点间断地包覆由一种或几种成分组成的核心的粉体。

1)制造方式:气相沉积法和液相沉积法;

2)类型:Ni/Al,Al/Ni,Ni/石墨,Ni/硅藻土,Ni/MoS2,Ni/Al2O3,Ni/WC,Ni/Cr3C2,Ni/Cu,Ni/Cr,Ni/Cr2O3,Ni/尼龙,Ni/聚四氟乙烯,Co/WC,Cu/石墨,Cu/Cr,NiCu/Cr3C2。

2.组合型粉末(Combination Powder):把几种金属粉末、合金粉末、陶瓷粉末等按不同比例混合起来,使之成为一种成分均匀、不产生偏析的混合物。

1)制造方式:热扩散法、共还原法、烧结破碎法、混合团聚法。其中广泛应用的是混合团聚法;

2)类型:Ni-Cr-Al,AlSi-聚苯酯,Ni/Al, Co/WC,NiCr/Cr2O3,NiCr-Al,Al-Mo-不锈钢及Al-Mo-合金钢等粉末。


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§8-5 热喷涂涂层分类

(Classify of Thermal Sprayed Coatings)

1 涂层应用领域 

(Fields of Coating Application)

热喷涂目前获得了越来越广泛的应用,其应用的工业领域包括航天航空、机械、电子、冶金、能源、交通、石油、化工、食品、轻纺等,并在高新技术领域也得到了应用。


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2 涂层应用分类

(Classify of Coating Application)

1.抗腐蚀/氧化涂层(Corrosion-resistant and Oxidation-resistant Coatings)

1) 抗化学腐蚀涂层:涂层材料主要有Ni、NiCr、NiAl、Al2O3、TiO2、Y2O3、Tai、Mo、塑性等;

2) 抗大气/电化学腐蚀涂层: 涂层材料主要有:Al、Zn、AlZn、青铜、不锈钢、蒙乃尔合金、镍基合金;

3) 抗氧化涂层: 涂层材料主要有:NiCr、MCrAlY(M为Ni、Co或Fe)、Mo、镍基合金和铝化物等。


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2.抗磨损涂层 (Wear-resistant Coatings):

热喷涂涂层广泛应用于抗滑动磨损、抗磨料磨损、抗冲蚀磨损、抗微动磨损、抗气蚀磨损等,其涂层材料主要有:Al2O3/TiO2、Cr2O3、WC/Co、TiC/NiCr、高碳钢、不锈钢、NiCrBSi、CoCrW、Cr3C2/NiCr、Mo等。

3.热障涂层 (Thermal Barrier Coatings-TBCs):

热喷涂材料主要有ZrO2/Y2O3、ZrO2/MgO、ZrO2/CeO2、MCrAlY、NiAl等。

4.抗磨密封涂层 (Abradable Sealing Coatings):

涂层材料主要有Al/聚酯、Ni/膨润土、Ni/石墨、NiCr/ Al2O3、NiCr/ Al2O3、NiCr/ TiC、NiCr/ SiC、ZrO2等。


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5. 修复/装饰涂层 (Repair and Decoration Coatings):

涂层材料主要有Ni 、Al、Cu、铝青铜、不锈钢、碳钢、NiAl、NiCr、Mo等。

6.电/磁/光涂层 (Electricity, Magnetism and Light Coatings):

电/磁/光涂层包括绝缘涂层、导电涂层、半导体与超导体涂层、压电涂层、电致伸缩涂层、辐射、吸收及反射涂层、光-电涂层等。

7.特殊功能涂层 (Special Function Coatings):

目前热喷涂能制造各种特殊功能涂层,它已应用于生物种植、梯度功能材料、复合材料制造、防滑表面和模具制造中。


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§8-6 热喷涂在船机零件中的应用

Application of Thermal Spray in Marine Mechanical Components

1.热喷涂技术在柴油机气阀中的应用。

2.热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用。

3.热喷涂技术在柴油机气缸盖阀座中的应用。

4.热喷涂技术在尾轴耐磨衬套中的应用。

5.热喷涂技术在柴油机燃烧室中的应用。

6.热喷涂技术在船舶钢构件防腐中的应用。

7.热喷涂技术在巴氏合金薄壁轴瓦中的应用。

8.热喷涂技术在船舶其它机械零件中的应用。


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1 热喷涂技术在柴油机气阀中的应用

1.涂层功能:恢复尺寸、高温耐磨及腐蚀

2.涂层材料:Ni、Co基合金

3. 工艺方法:等离子弧堆焊、激光熔敷、火焰喷熔、真空熔烧


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2 热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用

1. 涂层功能:恢复尺寸、耐磨

2. 涂层材料:Ni、Fe基合金

3. 工艺方法:火焰喷涂、电弧喷涂、等离子弧喷涂、超音速火焰喷涂


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2 热喷涂技术在曲轴等轴类零件中的应用


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3 热喷涂技术在柴油机气缸盖阀座中的应用

1. 涂层功能:恢复尺寸、

高温耐磨及耐腐

2. 涂层材料:Ni、Co基合

3. 工艺方法:等离子弧堆

焊、激光熔敷、火焰喷


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4 热喷涂技术在船舶尾轴耐磨衬套中的应用

1. 涂层功能:恢复尺

寸、耐腐蚀

2. 涂层材料:Ni基合

金、马氏体不锈钢

3. 工艺方法:火焰喷

涂、电弧喷涂、 超

音速火焰喷涂


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5 热喷涂技术在柴油机燃烧室中的应用

1. 涂层功能:绝热

2. 涂层材料:ZrO2、

Al2O3、NiCr、

NiCr/Al

3. 工艺方法:等离

子喷涂


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6 热喷涂技术在船舶钢结构中的应用

1. 涂层功能:防腐

2. 涂层材料:Zn、Al、

Zn-Al合金

3. 工艺方法:线材火

焰喷涂、电弧喷涂


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7 热喷涂技术在巴氏合金薄壁轴瓦中的应用

1. 涂层功能:恢

复尺寸、耐磨

2. 涂层材料:巴

氏合金

3. 工艺方法:火

焰喷涂


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8 热喷涂技术在船舶其它机械零件中的应用

1. 柴油机机座

2. 活塞及活塞环

3. 气缸套

4. 摇臂

5. 活塞销

6. 泥泵壳及衬板

7. 挖泥船绞刀


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