热喷涂(2)说课讲解.ppt
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1、热喷涂(2)加热熔化、雾化、加热熔化、雾化、飞行、喷涂飞行、喷涂粒子粒子速度速度、温度温度、尺寸、反应尺寸、反应机械结合机械结合热喷涂热喷涂层状组织结构层状组织结构预处理预处理2一一 概述概述n定义:采用各种定义:采用各种热源热源将将粉状或丝状粉状或丝状固体材料固体材料加热到加热到熔融或半熔融熔融或半熔融状态,通过状态,通过高速气流高速气流使使其其雾化雾化,然后高速,然后高速喷射、沉积喷射、沉积到经过到经过预处理预处理的工件表面,从而形成附着牢固的表面层。的工件表面,从而形成附着牢固的表面层。1 1、热喷涂、热喷涂(Thermal Spray)(Thermal Spray)32 2、热喷涂的分
2、类、热喷涂的分类 (1 1)喷涂材料的形态:)喷涂材料的形态:丝材、粉末丝材、粉末(2 2)涂层的功能:)涂层的功能:耐蚀、耐磨、隔热、抗氧化耐蚀、耐磨、隔热、抗氧化(3 3)加热和结合方式:)加热和结合方式:喷涂、喷熔(喷涂喷涂、喷熔(喷涂+熔化,冶金结合)熔化,冶金结合)4(4 4)按照热源种类:)按照热源种类:l火焰类:火焰类:包括包括火焰火焰、爆炸、爆炸、超音速喷涂超音速喷涂l电弧类:电弧类:电弧电弧和和等离子喷涂等离子喷涂l电热类:电热类:电爆、感应和电容放电喷涂电爆、感应和电容放电喷涂l高能束类:高能束类:激光激光、电子束喷涂、电子束喷涂53 3热喷涂特点热喷涂特点 涂层材料涂层材
3、料取材范围广取材范围广 金属、合金、陶瓷、塑料、尼龙、复合材料等。金属、合金、陶瓷、塑料、尼龙、复合材料等。可用于各种基体可用于各种基体金属、陶瓷、玻璃、石膏、布、纸、木材等固体金属、陶瓷、玻璃、石膏、布、纸、木材等固体可使基体保持较低温度、基材变形小可使基体保持较低温度、基材变形小冷工艺冷工艺303020000、不变形、不弱化、不变形、不弱化工艺灵活工艺灵活可可10mm10mm内孔,也可大型构件;可大面积,也可局部;内孔,也可大型构件;可大面积,也可局部;保护性气氛,也可现场作业保护性气氛,也可现场作业6工效高、操作程序少、速度快工效高、操作程序少、速度快每小时几公斤每小时几公斤几十公斤几十
4、公斤涂层厚度可调范围大涂层厚度可调范围大几十微米几十微米几毫米几毫米可得到特殊的表面性能可得到特殊的表面性能耐磨、抗氧化、耐热、导电、绝缘耐磨、抗氧化、耐热、导电、绝缘成本低、经济效益显著成本低、经济效益显著l缺点:缺点:结合强度低;结合强度低;材料利用率低材料利用率低;热效率低热效率低;均匀性差均匀性差;孔隙率高孔隙率高。74、涂层材料的要求、涂层材料的要求n(1)较宽的液相区;)较宽的液相区;n(2)形状、尺寸有要求,线材、粉末。)形状、尺寸有要求,线材、粉末。8二二 热喷涂的基本理论热喷涂的基本理论喷涂层形成过程喷涂层形成过程1.1.喷涂过程喷涂过程喷涂材料的加热熔化喷涂材料的加热熔化熔
5、化或软化熔化或软化熔滴的雾化熔滴的雾化粉末无,线材粉末无,线材,外加压缩气流或热源自身射流外加压缩气流或热源自身射流9粒子的飞行粒子的飞行先加速、后减速先加速、后减速粒子的喷涂粒子的喷涂尺寸尺寸,几十微米,几十微米几百微米;几百微米;速度速度,几十,几十几百米几百米/秒;秒;温度温度,熔点,熔点 碰撞,碰撞,动能动能热能热能;变形变形成扁平状粒子,凝固成扁平状粒子,凝固102.2.涂层的形成过程涂层的形成过程u由不断飞向基体表面的粒子撞击基体或涂层表面由不断飞向基体表面的粒子撞击基体或涂层表面堆积而成堆积而成 即,即,粒子的碰撞粒子的碰撞变形变形冷凝收缩冷凝收缩冷速极高:冷速极高:106108
6、/s 金属金属 104106/s 陶瓷陶瓷两粒子撞击时间间隔两粒子撞击时间间隔0.1s左右左右10-710-6s完成完成11n涂层材料的加热、加速、凝固是三个最涂层材料的加热、加速、凝固是三个最主要方面。主要方面。n(1)希望涂层材料完全熔化,并保持到)希望涂层材料完全熔化,并保持到撞击基体前;撞击基体前;n(2)喷涂速度由焰流速度决定,与材料)喷涂速度由焰流速度决定,与材料粒径有关;粒径有关;n(3)凝固成薄饼状。部分未熔)凝固成薄饼状。部分未熔反弹反弹形成空洞和夹杂;过热形成空洞和夹杂;过热喷溅。喷溅。12飞行中的粒子流飞行中的粒子流1 1、粒子的飞行速度、粒子的飞行速度喷涂方法喷涂方法喷
7、涂材料的密度和形状喷涂材料的密度和形状粒子的尺寸粒子的尺寸粒子的飞行距离粒子的飞行距离由快到慢由快到慢影响碰撞时转换能量的大小、变形程度及结合强度影响碰撞时转换能量的大小、变形程度及结合强度 有有关关因因素素132.2.粒子的温度粒子的温度线材线材熔化或熔融熔化或熔融熔点熔点粉末粉末 熔融熔融 表表内热传导内热传导 90%90%熔融熔融复合材料粉末复合材料粉末,可能,可能大于熔点大于熔点例:例:NiNi包包AlAl放热反应放热反应3.3.粒子的尺寸粒子的尺寸有一最佳临界尺寸有一最佳临界尺寸144.4.粒子的表面反应粒子的表面反应与与O O2 2、N N2 2反应反应氧化物、氮化物夹杂氧化物、氮
8、化物夹杂火焰喷涂火焰喷涂电弧喷涂电弧喷涂 等离子喷涂等离子喷涂粒子速度、温度、尺寸及表面发生的反应影粒子速度、温度、尺寸及表面发生的反应影响涂层质量、结合强度响涂层质量、结合强度15涂层的成分和结构涂层的成分和结构喷涂材料的成分喷涂材料的成分 涂层的成分涂层的成分 氧化烧损氧化烧损与粒子和喷涂气氛之间的化学反应有关与粒子和喷涂气氛之间的化学反应有关例:例:电弧喷涂,因温度高、气氛为空气而氧化烧损严重电弧喷涂,因温度高、气氛为空气而氧化烧损严重1.1.涂层的成分涂层的成分162 2涂层的结构涂层的结构 涂层是涂层是变形粒子的层状组织结构变形粒子的层状组织结构涂层的性能具有涂层的性能具有方向性方向
9、性 组成:扁平颗粒、组成:扁平颗粒、氧化物夹杂、不完全熔融粒子、孔洞氧化物夹杂、不完全熔融粒子、孔洞涂层经适当处理后,结构会发生变化。涂层经适当处理后,结构会发生变化。例:重熔,层状结构例:重熔,层状结构 均质结构均质结构 17涂层结合机理涂层结合机理 (1 1)机械结合)机械结合 n抛锚效应抛锚效应:粒子碰撞、变成扁平状并随基体表面的凹粒子碰撞、变成扁平状并随基体表面的凹凸不平而起伏,这些覆盖并紧贴基体表面的液态薄片,凸不平而起伏,这些覆盖并紧贴基体表面的液态薄片,在冷却凝固时收缩咬住凸出点而形成机械结合。在冷却凝固时收缩咬住凸出点而形成机械结合。n与基体表面粗糙度有关与基体表面粗糙度有关喷
10、砂、粗车、车螺纹、酸洗喷砂、粗车、车螺纹、酸洗n这是主要的结合方式这是主要的结合方式 涂层与基体的结合涂层与基体的结合18(4 4)冶金结合)冶金结合放热型喷涂材料或高温热源喷涂放热型喷涂材料或高温热源喷涂达到熔点达到熔点焊合焊合 微区冶金结合微区冶金结合重熔即喷焊时,主要是冶金结合重熔即喷焊时,主要是冶金结合(3 3)物理结合)物理结合由范德华力或次价键形成的结合由范德华力或次价键形成的结合()扩散结合扩散结合变形和高温,足够能量原子间相互扩散变形和高温,足够能量原子间相互扩散金属化金属化合物或固溶体合物或固溶体19.涂层间的结合涂层间的结合机械结合为主,扩散结合、物理结合、冶金机械结合为主
11、,扩散结合、物理结合、冶金结合等也起一定作用。结合等也起一定作用。20涂层残余应力涂层残余应力涂层的外层涂层的外层受拉应力受拉应力后冷、收缩受阻后冷、收缩受阻基体、涂层的内层则基体、涂层的内层则产生压应力产生压应力由由喷喷涂涂热热条条件件及及物物理理性性质质的的差差异异造造成成,影影响响涂涂层质量,限制涂层的厚度层质量,限制涂层的厚度预热或粗化表面能预热或粗化表面能消除和减少消除和减少21热喷涂预处理热喷涂预处理喷涂工艺中一个重要工序:喷涂工艺中一个重要工序:n清洗、脱脂:清洗、脱脂:碱洗法、溶剂洗涤法、蒸气清洗法、加热碱洗法、溶剂洗涤法、蒸气清洗法、加热n去除氧化膜、表面粗糙化:去除氧化膜、
12、表面粗糙化:机械法(机械法(喷砂喷砂、滚压、车削、车螺纹)、酸洗、滚压、车削、车螺纹)、酸洗n预热基体预热基体 20030022获得良好结合涂层要求:获得良好结合涂层要求:喷涂粒子尺寸合适,保持液态;喷涂粒子尺寸合适,保持液态;飞行速度飞行速度足够大;足够大;基体表面洁净并粗化;基体表面洁净并粗化;提高接触提高接触温度温度和高温停留时间;和高温停留时间;防止产生残余变形、开裂。防止产生残余变形、开裂。23三热喷涂方法三热喷涂方法1 1、丝材火焰喷涂、丝材火焰喷涂(Wire Flame Spray,最早,1910)24丝材火焰喷涂的装置示意图丝材火焰喷涂的装置示意图丝材传送:空气涡轮或电动马达丝
13、材传送:空气涡轮或电动马达气体:乙炔、氧气,压缩空气(雾化气)气体:乙炔、氧气,压缩空气(雾化气)涂层:层状结构,气孔、氧化物夹杂涂层:层状结构,气孔、氧化物夹杂用途:大型钢结构,喷涂铝锌用途:大型钢结构,喷涂铝锌25粉末火焰喷涂的装置图粉末火焰喷涂的装置图 2 2、粉末火焰喷涂、粉末火焰喷涂(Powder Flame Spray)26粉末火焰喷涂的原理示意图粉末火焰喷涂的原理示意图27 氧一乙炔火焰喷枪氧一乙炔火焰喷枪 两部分:氧、乙炔供给系统两部分:氧、乙炔供给系统 喷涂粉末供给喷涂粉末供给28气体:气体:乙炔乙炔+氧,也可甲基乙炔,天然气、氢气氧,也可甲基乙炔,天然气、氢气用途:用途:可
14、喷涂金属、陶瓷、塑料等可喷涂金属、陶瓷、塑料等特点:特点:应用非常灵活、设备轻便、经济、应用较广应用非常灵活、设备轻便、经济、应用较广不足:不足:颗粒速度小、火焰温度低、涂层结合强度低、颗粒速度小、火焰温度低、涂层结合强度低、气孔率高、涂层氧含量高气孔率高、涂层氧含量高改善:改善:提高气流速度;使用惰性气体提高气流速度;使用惰性气体2930313 3、爆炸喷涂、爆炸喷涂(Detonation Spray)氧气和乙炔氧气和乙炔燃烧燃烧气体膨胀、气体膨胀、爆炸爆炸热能和冲击波热能和冲击波熔熔化,化,700800m/s喷射到工件表面上形成涂层喷射到工件表面上形成涂层氮气用于清洗枪管氮气用于清洗枪管3
15、2粉末在高速枪中被输送的长度远大于等离子枪粉末在高速枪中被输送的长度远大于等离子枪原因:粒子速度高(超音速)原因:粒子速度高(超音速)l特点:特点:粒子飞行速度高,动能大粒子飞行速度高,动能大结合强度高;结合强度高;涂层致密、气孔率很低;涂层致密、气孔率很低;涂层表面加工后粗糙度低;涂层表面加工后粗糙度低;工件表面温度低工件表面温度低l缺点:效率低,缺点:效率低,成本高、噪音大成本高、噪音大l应用:应用:美国林德分公司美国林德分公司19551955专利,设备及工艺保密专利,设备及工艺保密 中国航天工业部航空材料研究所,中国航天工业部航空材料研究所,19851985 45%C45%C2 2H H
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