工程机械轴类零件失效分析及其热喷涂再制造工艺研究.pdf

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1、 天津大学硕士学位论文 工程机械轴类零工程机械轴类零件件失效分析及失效分析及其其热喷涂再热喷涂再制造工艺研究制造工艺研究 Study on the Failure Analysis and Thermal Spray Remanufacturing for Construction Machinery Shaft Parts 学科专业：材料加工工程 研 究 生：陈源 指导教师：叶福兴 教授 天津大学材料科学与工程学院 2012 年 12 月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过

2、的研究成果，也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年 月 日 签字日期：年 月

3、 日 摘要摘要 由于资源的日益短缺，产品利润空间的不断压缩，以及潜在巨大市场的刺激，再制造成为工程机械行业的一个必然趋势。热喷涂技术作为一种高效便捷的表面修复技术，有望在工程机械再制造过程中得以广泛地应用。本文以装载机变速箱二轴、三轴及驱动桥十字轴为例，研究了工程机械轴类零件的失效机理。研究结果表明，工程机械轴类零件的主要失效方式为磨损失效，其磨损过程可以分为摩擦磨损磨粒磨损粘着及疲劳磨损三个阶段。磨粒磨损过程中的硬质磨粒是由摩擦磨损过程中产生的磨屑在工件进一步运行的过程中逐渐形成的，硬质磨粒的形成大大加速了工件的磨损失效过程。采用含有亚微米级 WC 颗粒的 WC-12Co 粉末，对装载机变速

4、箱齿轮二轴、三轴及驱动桥十字轴进行了 HVOF 再制造。采用的参数为：C3H8（0.75MPa，25L/min）、O2（0.75MPa，250L/min）、N2（0.6MPa，13L/min，2r/min）、喷管（150mm）、喷涂距离（265mm）。通过 XRD、SEM、显微硬度计等测试手段，对再制造涂层的表面质量进行了综合评定，结果表明涂层主要由 WC 相与 Co 相组成，同时含有少量的 W2C；涂层的显微硬度为 1107HV0.1；孔隙率为 2.2%；涂层的平均抗拉强度为 68.12MPa，最高达 75.82MPa；涂层的主要断裂机制为沿晶断裂。为了降低热喷涂再制造成本，研发新的耐磨涂层

5、，采用大气等离子喷涂技术（APS），探索了碳纳米管增强铁基非晶合金复合涂层的制备工艺，并通过对扁平粒子和涂层断面形貌的分析，研究了涂层的微观结构。结果表明碳纳米管的加入，可以通过“桥连”和“拔出”机制，对铁基非晶合金涂层进行强化和韧化。但由于碳纳米管的润湿性比较差，致使其与铁基非晶合金之间的结合不够充分；同时等离子喷涂过程中，碳纳米管的烧蚀比较严重，降低了碳纳米管的纤维增强作用，因此还有待进一步的研究。为了解决工程机械轴类零件表面的局部修复难题，对热喷涂的工装系统进行了再制造性设计，发明了一种热喷涂再制造工装及其自动修复控制系统，可以现实工程机械轴类零件局部表面精确、自动的热喷涂再制造过程。关

6、键词：关键词：工程机械；热喷涂；再制造；失效机理；碳纳米管；局部修复 ABSTRACT Due to the shortage of resources,reduction of product profit,and the inspiration of big potential market,remanufacturing has become an inevitable tendency in the field of construction machinery.As a kind of high efficient and convenient surface repairing t

7、echnology,thermal spraying is potential for wide application in the remanufacturing for construction machinery.According to this thesis,failure mechanism research of construction machinery parts has been taken on loader,by taking examples of second and third shaft in the gearbox,as well as cross sha

8、ft in the driving axle.The result showed that the main failure form of construction machinery shaft parts is wear,and the wear process can been divided into three periods:friction wear-abrasive wear-adhesive and fatigue wear.The hard abrasive particle in the abrasive wear process is produced in its

9、following operate process,by the wear dust produced in the friction wear period.The formation of hard abrasive particle greatly accelerates the wear failure process.Remanufacturing has been carried out on the second shaft,third shaft and cross shaft via HVOF,by utilizing WC-12Co powder,which contain

10、s micron size WC particle.The applied parameters were:C3H8(0.75MPa,25L/min),O2(0.75MPa,250L/min),N2(0.6MPa,13L/min,2r/min),nozzle length(150mm),spray distance(265mm).Surface quality evaluation of the remanufactured coating has been developed via XRD,SEM and microhardness test,et al.The result showed

11、 that the coating mainly consist of WC phase and Co phase,as well as small amount of W2C phase;the microhardness of the coating is 1107HV0.1;and the porosity is 2.2%;the mean tensile strength of the coating is 68.12MPa,and the highest tensile strength can reach 75.82MPa;and the main fracture mechani

12、sm of the coating is intergranular fracture.In order to reduce the thermal spray remanufacturing cost and develop a new kind of engineering coating,carbon nanotube reinforced amorphous Fe alloy composite coating has been synthesized via Air Plasma Spraying(APS)and the microstructure of the coating h

13、as been investigated through single splat morphology,as well as fracture morphology of the coating.The result showed that by the addition of carbon nanotube,amorphous Fe alloy can be strengthened and toughened by the“bridging”and“pulling out”mechanisms of carbon nanotube.However,the poor wettability

14、 of carbon nanotube caused insufficient bond with amorphous Fe alloy;also the relative serious erosion of carbon nanotube during plasma spring weakened the fiber reinforcement of carbon nanotube.To solve this problem,more advanced process should been developed in the future.In order to solve the loc

15、al repairing problem of construction machinery shaft parts,remanufacturing design has been carried out on the thermal spray frock system.A kind of thermal spray remanufacturing frock and its automatic repair control system has been invented,which can make construction machinery shaft parts accomplis

16、h local,precise and automatic thermal spray remanufacturing process.KEY WORDS：construction machinery,thermal spraying,remanufacturing,failure mechanism,carbon nanotube,local repairing 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 引言.1 1.2 再制造工程简介.2 1.2.1 再制造工程的概念.2 1.2.2 再制造工程的发展状况.2 1.2.3 工程机械再制造的发展状况.4 1.3 轴类零件的失效分析.5

17、1.4 热喷涂技术简介.6 1.4.1 火焰喷涂.6 1.4.2 爆炸喷涂.6 1.4.3 电弧喷涂.6 1.4.4 等离子喷涂.6 1.4.5 超音速等离子喷涂.7 1.4.6 超音速火焰喷涂.7 1.4.7 冷喷.7 1.4.8 激光喷涂.8 1.5 热喷涂耐磨涂层.8 1.5.1 热喷涂耐磨涂层材料及其应用领域.8 1.5.2 WC-Co 热喷涂耐磨涂层.8 1.5.3 Fe 基非晶合金热喷涂耐磨涂层.9 1.6 本课题的选题背景、意义及主要研究内容.9 第二章第二章 工程机械零部件拆卸清洗及其轴类零件失效分析工程机械零部件拆卸清洗及其轴类零件失效分析.11 2.1 工程机械零部件的拆卸

18、.11 2.2 工程机械零部件的清洗.12 2.2.1 工程机械零部件清洗液.12 2.2.2 工程机械清洗设备.13 2.3 工程机械轴类零件失效分析.14 2.3.1 变速箱齿轮二轴失效分析.14 2.3.2 变速箱齿轮三轴失效分析.14 2.3.3 驱动桥十字轴失效分析.15 2.4 本章小结.21 第三章第三章 工程机械轴类零件工程机械轴类零件 HVOFHVOF 再制造修复及涂层表面质量评定再制造修复及涂层表面质量评定.22 3.1 工程机械轴类零件 HVOF 再制造的材料及设备.22 3.1.1 实验材料.22 3.1.2 实验设备.23 3.2 工程机械轴类零件 HVOF 再制造修

19、复及表面质量评定试样制备.23 3.2.1 装载机变速箱齿轮二轴与三轴 HVOF 再制造修复.23 3.2.2 装载机驱动桥十字轴 HVOF 再制造修复.25 3.2.3 涂层表面质量评定试样的制备.25 3.3 涂层表面质量评定的原理及方法.26 3.3.1 涂层微观组织形貌分析.26 3.3.2 涂层物相分析.26 3.3.3 涂层显微硬度测试.27 3.3.4 涂层孔隙率测试.27 3.3.5 涂层结合强度测试.28 3.3.6 涂层断裂形貌及断裂机制分析.29 3.4 涂层表面质量评定结果与分析.29 3.4.1 涂层组织及显微结构分析.29 3.4.2 涂层物相组成分析.30 3.4

20、.3 涂层显微硬度测试结果分析.31 3.4.4 涂层孔隙率测试结果分析.31 3.4.5 涂层结合强度测试结果分析.32 3.4.6 涂层断裂形貌及断裂机制分析.32 3.5 本章小结.34 第四章第四章 碳纳米管增强铁基非晶合金复合涂层的制备与研究碳纳米管增强铁基非晶合金复合涂层的制备与研究.35 4.1 碳纳米增强铁基非晶合金涂层的制备.35 4.1.1 实验材料及其预处理.35 4.1.2 Fe-1CNTs 复合涂层的制备.37 4.2 Fe-1CNTs 涂层微观形貌分析.38 4.2.1 Fe-1CNTs 扁平粒子形貌分析.38 4.2.2 Fe-1CNTs 涂层 XRD 物相分析.

21、39 4.2.3 Fe-1CNTs 涂层断裂形貌分析.40 4.3 存在的问题及下一步工作展望.41 4.4 本章小结.42 第五章第五章 工程机械轴类零件局部热喷涂再制造工装及其自动修复控制系统的设工程机械轴类零件局部热喷涂再制造工装及其自动修复控制系统的设计计.43 5.1 工程机械液压缸活塞杆局部热喷涂再制造修复的困难.43 5.2 工程机械轴类零件局部热喷涂修复工装系统的设计.44 5.3 自动修复控制系统的设计.45 5.4 本章小结.47 第六章第六章 结论结论.48 参考文献参考文献.49 发表论文发表论文和科研情况说明和科研情况说明.54 致致 谢谢.55 天津大学硕士学位论文

22、-1-第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言 制造业是社会财富的源泉，制造业的出现，极大促进了人类社会的发展，在20 世纪短短的 100 年时间里，人类就缔造了超过以往 5000 年的物质财富总和。但是，在财富的背后，制造业同时也消耗了大量的自然资源，更成为环境污染的罪魁祸首，每年世界 70%以上的污染物来自制造业1。中国现已跨入世界制造大国的行列，工业增加值居世界第四位，约为美国的 1/42。但由于技术的落后，中国消耗了世界 25%的钢铁、30%的煤炭，同时也成为继美国之后的第二大石油消费国3。日益严重的资源短缺和能源危机，以及愈演愈烈的环境污染，已经成为限制中国及世界各国发展的重要因素。与此

23、同时，每年大量的废旧产品的处理也逐渐成为各国政府不得不面对的一大难题。20 世纪 50 年代，欧美的企业在利益的驱动下首先开始对废旧产品实行回收再利用，以最大限度地挖掘废旧产品中蕴含的剩余价值，并由此产生了一个新兴的绿色行业再制造业。由于再制造产品的性能及质量可以达到甚至超过新品，而成本却只有新品的 50%。一时间，再制造业风靡全球，得到了各国政府的高度重视，其规模和产值也得到了空前的发展。相比之下，我国再制造业起步较晚，上世纪 90 年代末，在中国工程院徐匡迪和徐滨士两位院士及其他一大批有识之士的呼吁下，国内的一批知名科研院所和企业也开始涉足再制造的研究与生产工作，开始了我国的再制造之路。在

24、我国，工程机械在机械工业中位居第四，销售规模世界第二，拥有近世界1/6 的市场4。然而工程机械是资源消耗大户，目前我国工程机械的年用钢量已达 1700 万 t，随着全球低端原材料价格的持续上涨，我国工程机械制造商的利润空间受到了空前的挤压5。在市场的驱动下，再制造逐渐成为工程机械行业一个新的利润增长点。目前我国工程机械保有量达 400450 万台，其中已有 80%到达中修期或大修期；预计到 2020 年，我国工程机械的报废量将达到 120 万台5-6。巨大的市场使得再制造成为工程机械行业一个新的历史机遇。1909 年瑞士 M.U.Shoop 先生发明了热喷涂技术，其后经过一百多年的发展，已逐渐

25、形成了包括火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、等离子喷涂、冷喷涂及激光喷涂等组成的较为完整的体系，现已发展成为表面工程重要的第一章 绪论-2-组成部分7。热喷涂的所用的材质广泛，金属、陶瓷、玻璃、有机物，几乎所有材质的材料都可以用于喷涂；零件形状及尺寸不受限制；同时热喷涂工艺简单、涂层质量优越且高效环保8。随着全世界对环境保护的不断重视，热喷涂技术正逐渐取代电镀等传统的表面技术，成为再制造工程的重要修复技术之一。1.2 再制造工程简介 1.2.1 再制造工程的概念 再制造工程是指以装备全寿命周期理论为指导，以实现废旧产品性能跨越式提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先

26、进技术和产业化生产为手段，进行修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称9。传统的设计观念往往只注重产品从论证、设计到制造，占全寿命周期费用20%30%的产品前半生的部分，而忽视了产品使用、维修以及报废，占全寿命周期费用 70%80%的产品后半生部分的研究10。再制造工程则刚好打破常规，将产品的后半生作为其主要的研究对象，力求提升、改造废旧产品的性能，使废旧产品重获新生。再制造不同于产品或装备的维修和回收再利用。维修一般是在使用阶段针对在使用过程中因磨损或腐蚀等原因而不能正常使用的个件进行修复或替换，因而具有随机性、原位性、应急性和小批量性。回收再利用则是指将已经报废的零部件的材料重新

27、进行熔化或溶解，重新加工成低品位的原材料的过程，一般需要消耗大量的能源，且会造成二次环境污染。然而再制造是利用已经报废或损坏的零部件作为毛坯，通过高新的再制造修复技术对其进行批量化的修复，恢复甚至提升零部件的性能，再次赋予了废旧产品新的寿命周期，是对产品全寿命周期的延伸 11-12。再制造工程是机械、材料、自动化等多个学科相互综合、交叉、渗透而形成的新兴学科，其主要的研究领域包括再制造设计基础、再制造关键技术、再制造质量控制及再制造设计等方面13。1.2.2 再制造工程的发展状况 再制造技术起源于 20 世纪 40 年代的美国，最早被福特公司应用于汽车发动机，由于质量控制得力，这些再制造的发动

28、机性能并不亚于新发动机，而成本仅相当于新产品的 1/3 左右5。20 世纪 80 年代年，美国率先在其国内提倡废旧产品的翻新或再生，并首先将其称之为“再制造”。20 世纪 90 年代，通过政府部天津大学硕士学位论文-3-门的干预和支持，美国建立了首个国家再制造与资源回收中心 10、14。由于再制造理念的谱及，再制造已成为美国的一大新兴产业，早在 20 世纪末，美国的专业化再制造公司已达 73000 家，直接从业人员 480000，年产值 530 亿美元15-16。与此同时，欧洲的宝马、大众、梅塞德斯等知名汽车企业都纷纷建立了自己的汽车再制造拆卸试验中心。奔驰汽车公司将再制造回收的概念应用于汽车

29、的整个生命周期之中：从设计之始就开始注重汽车的可回收性，同时考虑报废时的可拆卸性与回收再利用性。作为汽车的“心脏”，发动机的再制造历来受到这些汽车企业的格外重视。目前，德国大众公司的再制造发动机已占 9/10。2002 年 2月，欧盟委员会为了进一步促进再制造的发展，通过的一项有利于环保的新规定中，明确提出未来所有欧盟的汽车用户将可享受到汽车免费回收17。作为世界汽车的大国，日本每年有近 500 万辆汽车报废，但很有企业都对其进行了再制造修复，延长了汽车的使用寿命。日本的丰田、本田、马自达等汽车大公司都纷纷积极开展了汽车的可回收性设计，并利用先进的再制造技术对报废的汽车进行开发和回收再利用，而

30、其再制造汽车的成本只有$600，仅为一辆新车的一半左右18。我国的再制造工程起步相对较晚，1999 年，徐滨士院士发表了表面工程与再制造技术和现代制造科学之 21 世纪的再制造工程技术及理论研究报告，得到了我国国家自然科学基金委高度的重视及支持，将“再制造工程技术及理论研究”列为当年国家自然科学基金优先发展的领域。2005 年，中国工程院组织了 33 位院士、80 余位专家启动了建设节约型社会战略研究，呼吁在全国范围内大力发展再制造。虽然我国再制造工程起步较晚，但得到了我国政府及企业届的广泛认同和大力支持，发展势头迅猛。2005 年，国务院明文指出国家将大力“支持废旧机电产品再制造”19。20

31、06 年，国家成立汽车零再制造产业试点；2008 年国家又批准了一汽、上汽、重汽、东风、奇瑞、潍柴、玉柴等全国 14 家汽车企业为新一轮“汽车零部件再制造产业试点企业”10。同时，国内的许多科研院所也积极地参与了再制造的研究，如：装甲兵工程学院、全军装备维修表面工程研究中心、天津大学、上海交通大学、西安交通大学等 20。经过我国政府及各方的共同努力，国内的一批较有实验的再制造企业呈现出良好的发展势头。大众公司已经成为为旗下的桑塔纳轿车提供了 1.1 万台再制造发动机。济南复强再制造公司每年再制造斯泰尔发动机 5 万台，回收附加值 16.15亿元21。我国巨大的市场是再制造得以发展的最大动力。以

32、汽车为例，目前我国汽车保有量达 4531 万4700 万辆，每年报废的汽车数超过 200 万辆。若其中的 30%第一章 绪论-4-可以用于再制造，则每年可以回收附加值 490 亿元。1.2.3 工程机械再制造的发展状况 20 世纪 70 年代，工程机械行业的国际元老级企业美国卡特彼勒公司最先开始涉足工程机械再制造领域，迄今为止已经积累 40 多年的技术和运营经验，成为全球最大的再制造商之一22。2005 年，返回卡特彼勒公司从世界各地的客户手中返回的零部件多达 61200t 之众，其中，在达到使用年限的 2200 万 t 零部件之中，有近 70%的零部件经公司再制造得以重新利用。目前，卡特彼勒

33、已将再制造技术推广应用于挖掘机等工程机械主机。由于低廉的成本、高额的利润以及巨大的发展空间的刺激，卡特彼勒公司已经在美国、英国、中国等 7 个国家建立了14 个再制造工厂，年产值就超过 15 亿美元。无独有偶，日本的日立建机、小松等工程机械企业，也纷纷开设自己的再制造厂，或与其它专业再制造厂商合作，建立联营网格，开展工程机械的再制造经营，以此来拓宽公司的经营门类，弥补因新机销售不旺而造成的利润损失。工程机械作为我国机械行业的重要组成部分，目前已具备相当的规模，其产品涵盖了挖掘机械、装载机、推土机、平地机、铲运机、吊车等十几个大类，3000多个品种。据 2005 年统计，我国每年用于制造工程机械

34、的钢材已达 1.7 107t 之众23，资源、能源消耗极大，因此工程机械再制造势在必行。同时，我国巨大的市场为工程机械的再制造提供了无限的商机。截止 2007 年底，中国主要工程机械保有量约为 232 万252 万台，且多以上世纪 70、80 年代国外引进的产品为主，已有近 80%的产品达到中修期或大修期，预计到 2020 年我国工程机械的报废量将达到 120 万台。中国工程机械再制造的巨大市场，吸引了世界各国工程机械厂商的重视，纷纷将中国作为未来几年内工程机械再制造发展的重点。2008 年，世界工程机械行业的巨头卡特彼勒公司率先在上海建立了其占地2.5万平米的全球第三家工程机械再制造中心，之

35、后又马上在河北顺德和四川成都建立了工程机械再制造回收点。2010 年 1 月 18 日，卡特彼勒在上海举行其首台再生挖掘机的交机仪式，从此正式拉开了中国工程机械再制造的序幕。很快，世界著名工程机械发动机生产厂商康明斯空降中国，将工程机械再制造作为其未来几年内首要发展的重点。工程机械再制造的发展同样也引起了中国政府、科研院所及工程机械生产厂商的高度重视。2009 年，国家正式将徐工集团工程机械有限公司、天津工程机械研究院、广西柳工机械有限公司、卡特彼勒再制造工业（上海）有限公司、三一集团有限公司、长沙中联重工科技发展股份有限公司以及武汉千里马工程机械再制造有限公司这 7 家工程机械企业定为国家首

36、批工程机械再制造试点单位，工天津大学硕士学位论文-5-程机械再制造正式成为国家“绿色再制造”重点研究与发展的项目。2009 年，经过 3 年的研发及试验工作，天津工程研究总院成功完成了国内首台平地机的再制造。1.3 轴类零件的失效分析 轴类零件，通常是指用来传递动力和扭矩，同时起到支承旋转零部件（如齿轮）作用的零件。一般按照外形的不同，可以分为直轴、曲轴及软轴三大类。轴类零件的失效分析通常包括失效工件的宏观形貌检查、微观形貌检查、金相组织检验、硬度检验、化学成分检测等24-26。轴类零件的失效形式主要包括断裂失效、磨损失效及由于轴表面出现压痕、点蚀、剥落等缺陷而造成的失效，其中断裂及磨损是轴类

37、零件最主要的失效形式27。高天安28及蔡素然29等人的研究表明，万向节十字轴的失效主要是由于十字轴运行过程中主要因斜压印、疲劳剥落及缺油烧蚀等作用造成的。其中，斜压印是由于其上的轴承圆周间隙过大，致使滚针产生歪斜，从而使十字轴轴颈产生与轴线倾斜一定角度的压印，当压印过大时，将会导致滚针自转困难，从而增加摩擦阻力。疲劳剥落是由于磨损的扩大，使十字轴与其上的轴承径向游隙增大，致使轴的局部产生集中载荷，产生过早的疲劳裂纹扩展，从而造成疲劳剥落。缺油烧蚀是由于工件运行过程中因缺油而产生高温，使十字轴与其上的轴承咬死，致使轴表面出现局部的塑性变形、塑性流动及粘着磨损，从而加剧了十字轴的失效。表面失效是零

38、部件失效的主要形式，另据统计30：在表面失效的工件中，约60%80%是由磨损引起的，这其中，磨料磨损造成的损失又占 50%，轴类零件也不例外，磨损是造成轴类零件失效的主要形式之一。磨损根据形式的不同，可以分为摩擦磨损、磨料磨损、粘着磨损、接触疲劳磨损、腐蚀磨损等。其中，摩擦磨损是指工件在相对运动的过程中，由于微观的微凸点的存在，从而在“犁削”作用下使工件表面物质不断损失的过程31。磨料磨损是指由于材料表面与硬质颗粒或硬质凸出物相互摩擦而造成材料表面物质损失的过程。粘着磨损是由于两接触的材料表面由于粘着力大于材料的强度，使材料从一个表面转移动另一个表面，形成粘着磨损32。接触疲劳磨损是指由于相互

39、接触的材料在应力作用下，促使材料表面微裂纹扩展，导致材料疲劳剥落而造成材料损失。腐蚀磨损是指由于材料表面由于腐蚀而造成表面物质损失的过程。刘俊英14等人的研究表明，轴类失效的主要原因是由于零件在运转过程中与之相配合的轴承、轴套或轴瓦等相关配件相接触而产生摩擦磨损。同时，当有外第一章 绪论-6-来硬质颗粒侵入到与轴相接触的轴类零件的表面之间时，还会造成轴表面产生磨粒磨损而失效。1.4 热喷涂技术简介 热喷涂技术通过火焰、电弧、等离子弧或激光等热源将线状或粉末状的材料加热至熔化或半熔化状态，并通过气流的吹动作用将其雾化后高速喷射到基体表面而形成涂层的表面加工技术33。经过多年的发展，目前热喷涂已经

40、形成包括火焰喷涂、爆炸喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、激光喷涂等较为完整的技术体系，成为表面工程的重要技术手断之一。1.4.1 火焰喷涂 火焰喷涂是是利用可燃性气体燃烧生成的火焰把喷涂材料加热，并使其在熔融或接近熔融的状态之下喷射向基体材料表面而形成涂层。该方法设备简单，工艺成熟，投资少，见效快，是目前使用较为广泛的一种热喷涂工艺8。1.4.2 爆炸喷涂 气体爆炸喷涂最早由美国联合碳化物公司利德分公司所发明的 34。其原理是利用可燃气体爆炸时所产生的高能量，使喷涂粉末迅速加热并加速，使其以较高的温度和速度轰击工件表面而形成涂层。该方法粒子速度大，得到的涂层非常致密，与工件基体结合性

41、强，同时可以喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷等多种材料35。1.4.3 电弧喷涂 电弧喷涂是利用两根金属电极之间产生的电弧热使电极的金属逐步熔化，并通过压缩空气将其喷向基体表面而形成热喷涂层。该方法设备投资少，效率高，能源利用率高，但一般仅限于能导电的金属材料的喷涂。1.4.4 等离子喷涂 等离子喷涂最早是由美国的 Metco 和 Plasmadyne 公司研制的。等离子喷涂是一般利Ar或N2形成的等离子弧将载入的喷涂粉末加热至熔化或半熔化的状态后高速喷打于基体表面而形成涂层36。等离子喷涂最大的优点是喷涂温度高（最高可达 15000K 以上），可以熔化几乎所有的材料；另外等离子喷涂冷却速度高（106

42、K/s）适合大块非晶材料的喷涂。天津大学硕士学位论文-7-1.4.5 超音速等离子喷涂 超音速等离子喷涂是在等离子喷涂的基础之上完善起来的一种新技术，其原理是主气（Ar）在钨极与二次喷嘴内壁之间产生等离子电弧之后，经过旋转次气（N2或 N2、H2的混合气）的强烈作用下，被压缩在喷嘴中心的等离子电弧拉长至喷嘴外缘，形成高压的扩展等离子弧。粉末经该扩展的等离子弧加热并加速后轰击材料表面而形成涂层。该方法同时兼具高温与高速的特点，被喷涂的粒子可以获得很高的温度和动能，形成的涂层致密，孔隙率低。1.4.6 超音速火焰喷涂 超音速火焰喷涂（HVOF：High Velocity Oxygen Fuel）是

43、 20 世纪 80 年代初期开发的一种热喷涂技术。一般是将燃料（乙炔、丙烷、煤油等）和高压氧气送入高压水冷反应燃烧室燃烧，生成的火焰通过细长的喷射管压缩加速后形成起音速火焰。喷涂粉末可轴向或侧向送入起音速焰流中，经过火焰的加热及加速作用后喷涂于材料表面形成致密的涂层。由于超音速火焰喷涂粒子的射流速度高，所得的涂层致密性好；同时由于其焰流温度相对较低，更适合碳化物涂层的制造，可以避免等离子喷涂过程中 WC 粒子的脱碳问题；同时超音速火焰喷涂所得的涂层杂质少，残余应力小，涂层结合强度高（可达 70MPa 以上）。最近人们又在 HVOF 的基础之上开发出了一种空气助燃超音速火焰喷涂技术（HVAF），

44、其采用压缩空气来代替氧气的助燃。HVOF 焰流温度一般为 3000，粒子速度为 350650m/s，而 HVAF 焰流温度只有 2000，但粒子速度却可达1000 2000m/s，因而可以更好地抑制材料的氧化和 WC 分解，同时也提高了涂层的强度。1.4.7 冷喷 冷喷全名冷空气动力喷涂法（CGDS：Cold Gas Dynamic Spray），是 20 世纪80 年代中期俄罗斯在风洞实验的基础上开发的。冷喷的气体完全不经加热或只经稍微的加热后，通过高压压缩后以很高的速度带动具有固态粒子进行运动，使其与基体碰撞后经过强烈的塑性变形而发生沉积形成涂层。由于冷喷涂过程中粒子经过剧烈的塑性变形，所

45、以冷喷涂层组织非常致密，且在涂层中可以产生较大的压应力，可以制备较厚的涂层；由于冷喷涂温度低，非常适合纳米粒子的喷涂；同时冷喷过程中温度低，喷涂材料不发生显著的物理化学变化，因而可以回收再利用37。第一章 绪论-8-1.4.8 激光喷涂 激光喷涂利用激光作为热源，将被喷涂的材料加热至熔化或半熔化状态，再用高压气体将其喷向基体表面而形成涂层。激光的功率在大范围内可以调节，激光喷涂可以喷涂从低熔点至超高熔点绝大多数的涂层材料，同时涂层孔隙率低。1.5 热喷涂耐磨涂层 1.5.1 热喷涂耐磨涂层材料及其应用领域 耐磨涂层是指熔覆于工件表面，用于提高工件耐磨性能的一类涂层。耐磨涂层材料一般要求具有高硬

46、度、高韧性及高结合强度等特性。常用的耐磨涂层材料见表 1-1。表 1-1 耐磨涂层材料应用领域38 耐磨涂层类型 涂层材料 耐磨粒磨损及冲蚀磨损涂层 WC-Co、Ni-Cr、Cr2O3、TiC-Co、Fe-Cr-B-Si（非晶）、Ni-Cr-B-Si（非晶）、Co-Cr-W（非晶）、Ti-Ni、Al2O3-TiO2、Cr2O3-SiO2-TiO2、NiCr-Mo-B-Si 耐滑动磨损涂层 Mo 及 Mo 合金、Ni、青铜、Ni-Al、巴氏合金、Ni-Cr-B-Si（非晶）、Co-Cr-W（非晶）、Al2O3、Al2O3-TiO2 1.5.2 WC-Co 热喷涂耐磨涂层 WC-Co 系耐磨涂层是

47、热喷涂领域中最重要的耐磨涂层材料，其中 WC 是硬质合金，其硬度高，耐磨性好，Co 是黏结相，用于提高涂层的韧性。WC 与 Co金属具有良好的润湿性，且升温时能溶解于 Co 金属之中，降温时又能从中重新析出形成 WC 骨架，这一特性使 WC-Co 成为最适宜热喷涂加工的耐磨涂层之一。Zhao39等人研究了不同 WC 晶粒大小对涂层最终性能的影响，结果表明 WC晶粒的大小对涂层的性能起着重要的影响，随着一次 WC 晶粒的减小，WC-Co涂层的硬度将会提高，同时涂层的断裂韧性将随之减小。李长久40等人的研究也表明 WC 颗粒的尺寸对两相粒子的变形影响很大，小颗粒的 WC 在喷涂过程中可以随液相扁平

48、化，而随着 WC 颗粒的变大，其喷涂过程中的扁平粒子的厚度将受到 WC 尺寸的控制。同时，李长久41等人还研究了不同粒子状态对涂层强度的影响，结果表明，完全熔化的喷涂粒子所得到的涂层强度反而不及半熔化粒子所得的涂层，半熔化状态的粒子得到的涂层致密，强度强度可达 76MPa，是完全熔化的粒子所得涂层强度的两倍。天津大学硕士学位论文-9-赵翔42等人研究了 WC-10Co-4Cr 涂层的抗磨粒磨损性能，结果表明，采用活性燃烧高速燃气（AC-HVAF）喷涂工艺制备的 WC-10Co-4Cr 涂层的结合强度和显微硬度高，组织结构致密，在相同实验条件下，16Mn 钢的磨粒磨损质量损失是 WC-10Co-

49、4Cr 涂层的 266 倍，说明 AC-HVAF 涂层具有非常优异的抗磨粒磨损的性能。叶福兴43等人采用HVOF技术制备了含有亚微米级WC颗粒的WC-12Co金属陶瓷涂层，结果表明，HVOF 制备的亚微米级 WC-12Co 涂层具有极高的硬度及耐磨性，在相同的实验条件下，对磨环 GCr15 材料磨损减少的质量是 WC-12Co涂层的 20 倍。1.5.3 Fe 基非晶合金热喷涂耐磨涂层 Fe 基非晶合金是日本的 Inoue 在 1995 年首次发现的44，相比其它非晶合金，Fe 基非晶具有更高的硬度、强度及弹性极限，同时表现出良好的非晶形成能力、热稳定性及耐磨性，因而成为人们备受关注和重视的非

50、晶合金体系之一。由于大块非晶的形成一般需要极高的冷却速率（104106K/s）,热喷涂是一个快速加热同时又块速冷却的过程，因而具有较高的冷却速率，适合大块非晶的形成条件，因此热喷涂成为制备大块非晶合金涂层的一种重要手段。肖华星45等人研究了大块 Fe 基非晶合金的摩擦磨损性能，结果表明由于 Fe基非晶合金为高硬度、低断裂韧度的脆性材料，在摩擦过程中自身不易粘连，同时由于非晶材料在受到压缩或拉伸循环应力用用时基本不发生塑性变形，因此循环应力对其损伤没有塑性变形的积累过程，只能通过在其表面形成与滑动方向相垂直的磨损微裂纹来缓解应力，并通过微裂纹的不断产生、扩展，直至在表层剥离形成磨屑。因此 Fe