SULZER METCO 热喷涂工艺介绍(中文版)——本人将继续分.pdf

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1、热喷涂 2 Sulzer Metco 3 热喷涂 Sulzer Metco 目录目录 1 引言引言 4 1.1 表面特性 4 1.2 涂层工艺 5 2 热喷涂涂层热喷涂涂层 6 2.1 定义 6 2.2 基材材料 6 2.3 涂层材料 7 2.4 热喷涂涂层材料 8 2.4.1 传统火焰喷涂工艺 8 2.4.2 电弧线材喷涂 9 2.4.3 等离子喷涂 9 2.4.4 高速火焰喷涂(HVOF)10 2.4.5 工艺对比 10 2.4.6 基础设备（系统要求）12 2.5 涂层结构 13 2.6 涂层性能 14 2.6.1 磨损保护 14 2.6.2 防腐蚀 14 2.6.3 绝缘涂层（热涂/电

2、涂）14 2.7 后加工处理 14 2.7.1 机械加工后处理 14 2.7.2 密封处理 14 2.7.3 涂层后热处理 15 2.8 涂层性能 15 3 技术应用技术应用 16 3.1 生产应用程序 17 3.1.1 替代涂硬铬 17 3.1.2 医疗移植 17 3.1.3 纺织机械 17 3.1.4 燃气涡轮机 18 3.1.5 印刷工业 18 3.1.6 通用工业用途 18 3.1.7 消费品 19 3.1.8 汽车工业 19 3.1.9 钢铁工业 19 3.1.10 造纸工业 20 3.1.11 航空航天 20 3.2 海上救助及修复 20 4 小结小结 21 5 附件附件 22 5

3、.1 参考表 22 5.2 参考文献 23 B.Tanner/SulzerMetco 热喷涂 4 Sulzer Metco 1 引言引言 当今所有的工业行业，都打着“更好、更快、更便 宜”这一既常见又非常有效的口号，看起来似乎生 产的需求不断增长。但是过分苛刻的要求和超负荷 的操作条件经常导致过早失去功能。如图 1a 所示的是一个在约千小时实际运行后，已 经完全磨损的一个水轮机喷嘴针阀。如果该使用寿 命无法接受的话，那么只能是：或者整个元件用一 种更能抗磨损的材料制造，或者必须妥善保护接触 面而减少磨损。从成本方面考虑，通常会选择后者。这就产生了表面涂层的应用。至于是将涂层覆盖整 个元件、还是

4、将涂层应用于易侵蚀的表面，关键是 看哪一种涂层更能满足需要。图1a13/4涂铬钢水轮机喷嘴针阀运行后图片 Figure 1a Chrome plated,13/4 steel pelton turbine Nozzle needle after service 1.1 表面特性表面特性 一个元件必需的表面要求主要由它的运行环境决定，不时变换。表面要求的范围包括足够的防磨损、防腐蚀、热绝 缘、电绝缘，甚至包括涂层应用后，外观上能够符 合美学标准。事实上，很少有元件只承受单一的运行条件。通常 呈现的是多种条件的组合；例如，磨损与高热应力 相结合。防磨损和防腐蚀是表面 涂层必须承受的，也是最经常遇到

5、的工作条件。图1b 喷嘴针阀喷涂氧化铬涂层，防磨损 Figure 1b Nozzle needle with a chrome oxide coating to prevent wear 5 热喷涂 Sulzer Metco 1.2 涂层工艺涂层工艺 通常涂层应用工艺有多种选择，几乎可以是无限多种的涂层材料可供选择。为相关的涂层应用选择正确组合，通常需要专家的专业知识。表 1 列出了主要的涂层工艺原理、可达到的标准涂层厚度、常用的涂层材料及应用实例。有些工艺对某一 特定的涂层材料不适用；同时，不是所有的方法都能 达到所需要的涂层厚度。除此之外，有些工艺必须的设备可能会非常复杂，因而也就非常昂贵

6、。使用成本分析的方法能够确定哪一种涂层是切实可行的解决方案。目前的法规规定对各种涂层工艺是否符合生态标准必须进行分别测定，因为并不是所有的方法对环境的影响都相同的。Coating Typical Coating Coating Material Characteristics Examples Process Thickness 涂层工艺 标准涂层厚度 涂层材料 特性 实例 PVD 1-5 m(40-200 in)Ti(C,N)Wear resistance Machine tools 钛基硬质合金 耐磨损 机床 CVD 1-50 m(40-2000 in)SiC Wear resistanc

7、e Fiber coatings 硅绝缘化合物 耐磨损 纤维涂层 Baked Polymers 1-10 m(40-400 in)Polymers Corrosion resistance,Automobile 培烧聚合物涂层 聚合物 aesthetics 汽车 耐腐蚀，符合美学特性 Thermal 40-3000 m(0.0015-0.12 in)Ceramic and Wear resistance,Bearings Spray metallic alloys corrosion resistance 轴承 热喷涂 陶瓷和金属合金 耐磨损，耐腐蚀 Hard Chrome Plate 10-

8、100 m(40-4000 in)Chrome Wear resistance Rolls 硬铬电镀 铬 耐磨损 辊子 Weld Overlay 0.5-5 mm(0.02-0.2 in)Steel,Stellite Wear resistance Valves 焊镀 钢、钨铬合金 耐磨损 阀门 Galvanize 1-5 m (40-200 in)Zinc Corrosion resistance Steel sheet 镀锌 锌 耐腐蚀 钢板 Braze Overlay 10-100 m (40-4000 in)Ni-Cr-B-Si alloys Very hard,dense Shaft

9、s 镀铜 镍-铬-铜-硅 合金 surface 轴 高硬度，高密度表面 表 1a 主要的涂层工艺及特性 Table 1a Principal coating processes and characteristics 热喷涂工艺能够最广泛地选择涂层材料，涂层厚度 和可达到的涂层特性，这将在以后文章中加以深入 细致地讨论。表 1b 涂层工艺的对照表 Table 1b Comparison of coating processes 底材的温度C Substrate Temperature C CVD（化学气相沉积）化学处理 离子注入 涂层厚度m Coating Thickness m 热喷涂涂层

10、PVD(物理气相沉积)焊接 热喷涂 6 Sulzer Metco 2 热喷涂涂层热喷涂涂层 2.1 定义定义 按照德国工业标准 DIN 657 1*，对热喷涂涂层的定义是“.这种涂层的应用是通过特殊的设备（或系统）将熔化的或熔融的喷涂材料高速喷射到一个干净的、经预处理过的元件表面上.。”该定义其实并没有完全描述热喷涂的工艺过程。图 2 展示了热喷涂的基本原理。首先涂层材料在加热源中熔化。然后这一液态或熔融的涂层材料得到工艺气体的推动，并喷涂到一个基底材料上，最后固化成一个坚硬的固体层。热喷涂涂层的各具体方面如下所示：能源 喷涂材料 Energy Spraying material 热喷涂涂层

11、Thermal sprayed coating 预处理表面Prepared surface 气体或其它工作介质 Gas or other operating media 相对运动 Relative motion 热喷涂原理 Figure 2 Principle of thermal spraying 2.2 基底材料基底材料 适用的基底材料要求能够承受用喷砂方法糙化表面，氧化物微粒 孔隙率 通常基底材料的表面硬度不能超过 55 HRc。特殊的 Oxide particle Porosity 工艺技术要求基底材料具有更高的表面硬度。因为涂 层粘附于基底上主要通过机械粘合，所以小心谨慎地 清洁表面

12、并对表面进行预处理是极其重要的。通过化学或机械的方法去除表面杂质后，通常使用一 种喷砂的方法粗糙材料表面。这样就通过增加表面自 由能而激活了表面，同时增大了喷涂微粒粘附的表面 面积。基底 未熔化微粒 Substrate Unmelted particle 该液态或熔融的涂层微粒高速撞击基底表面。这样就 使得微粒发生形变，并且像“薄煎饼”一样分布在基 底表面。图 3 热喷涂涂层原理示意图 Figure 3 *译自德文文本。Schematic diagram of a thermal sprayed coating 喷枪 Spray gun 喷射火熔Spray plume 7 热喷涂 Sulzer

13、 Metco 高温颗粒的热量传递到温度更低的基材材料。当颗粒冷缩和凝固的时候，它们就粘附在基底材料粗糙的表面。因此涂层的粘附力就是基于机械“钩连接”。这种方法在图 2 和图 3 中用图解的方式清晰地展现。由于涂层颗粒和基底材料之间的扩散作用产生的冶金 结合强度非常微小，有关粘合原理（特例：钼）的讨论认为可以忽略不计。使表面粗糙化通常是用干燥的金刚砂进行喷砂处理。另外，一些应用工艺需要用到其他介质，诸如冷淬铁、钢砂或硅化合物。除了喷粒的类型，其他重要 的因素包括喷砂颗粒的尺寸、形状、喷砂的角度和 压力，以及喷砂介质的纯度。2.3 涂层材料涂层材料 基本上，当熔融时不会分解的任何材料都能被用作热喷

14、涂涂层材料。涂层材料可以是线状或粉末状，这取决于热喷涂工艺类型。在表 2 中，列出了一些经常用到的材料分类，并列出典型实例、特性以及应用范例。为某一特定应用程序选择合适的涂层材料需要有关操作环境的专门 知识，以及有关材料的知识。除了物理特性（例如：膨胀系数、密度、导热性和熔点）之外，附加因素，诸如颗粒形状、粒子大小分布和粉末材料的制造过程，将会影响涂层性能。正因为大多数喷涂材料就像合金或混合物一样容易获得，这可以几乎是无限的材料组合选择。但只有通过有多年使用经验和广博的专业技术，才能做出正确的选择。材料等级材料等级 标准合金标准合金 特性特性 实例应用实例应用 Material Class T

15、ypical Alloy Characteristics Example Application Pure metals Zn Corrosion protection Bridge construction 纯金属 锌 腐蚀防护 桥梁建筑 Self-fluxing Fe-Ni-B-Si High hardness,fused Shafts,bearings alloys minimal porosity 转轴，轴承 自融合金 铁-镍-铜-硅 高硬度，易熔，最小孔隙率 Steel Fe-Cr13 Economical,Repair 钢 铁-铬13 wear resistance 修复用 低成本

16、，耐磨 MCrAlY NiCrAlY High temperature Gas turbine blades 金属-铬-铝-钇 镍铬铝钇 corrosion resistance 燃气涡轮叶片 耐高温，耐腐蚀 Ni-graphite Ni-25C Anti-fretting Compressor alloys 镍-25碳 耐磨蚀 inlet ducts 镍-石墨合金 压缩机，进风管 Oxides Al2O3 Oxidation resistance,Textile industry 氧化物 三氧化铝 high hardness 纺织工业 抗氧化，高硬度 Carbides WC-Co12 Wea

17、r resistance Shafts 碳化物 碳化物-12 钴 耐磨损 转轴 表 2 热喷涂粉通用分类 Table 2 Common classes of thermal spray powder materials 热喷涂 8 Sulzer Metco 2.4 热喷涂涂层工艺热喷涂涂层工艺 有几种不同工艺能够应用于热喷涂涂层。等离子喷涂 具体如下所示：高速火焰喷涂(HVOF)火焰喷涂 电弧线材喷涂 工艺细节如下所示。工艺总览请看参考文献 2 2.4.1 传统火焰喷涂工艺传统火焰喷涂工艺 2.4.1.1 火焰线材喷涂火焰线材喷涂 燃气 线材 空气帽 Fuel gas Wire Air cap

18、 火焰线材喷射工艺，是用氧气和燃气混合 涂层 燃烧火焰将线材喷涂材料熔化进行喷涂。Coating 燃气可以使用乙炔、丙烷或者氢气。线材被送入火焰中心，线材熔化后经压缩 空气雾化成细微颗粒，被直接喷向工件表 面。氧气 空气通道 工件 Oxygen Air passage Workpiece 喷嘴 Nozzle 图 4a 火焰线材喷射工艺原理示意图 Figure 4a Schematic diagram of the wire flame spray process 2.4.1.2 火焰粉末喷涂火焰粉末喷涂 粉末 燃气 Powder 喷嘴 Fuel gas Nozzle 火焰粉末喷涂工艺是基于与火

19、焰线材工艺 涂层 相同的操作原理，不同之处在于前者涂层 Coating 材料使用的是喷涂粉末。因此火焰粉末喷 涂在材质选择方面有更多选择，因为不是 所有的材质都能被做成线材。氧气 工件 Oxygen Workpiece 图 4b 火焰粉末喷涂工艺原理示意图 Figure 4b Schematic diagram of the powder flame spray process 9 热喷涂 Sulzer Metco 2.4.2 电弧线材喷涂电弧线材喷涂 电压 电弧喷涂，是将各自带有正负电荷、通 Voltage 压缩空气 涂层 常相同化学成分的两条金属线接触产生 Compressed air C

20、oating 电弧，瞬间产生高热将金属线材尖端熔 化。压缩空气将熔融的喷涂材料雾化，然后 加速喷射到基材表面。喷涂的速度通过 调节适当的线材给进量进行调整，因此 才能保持电弧恒定。工件 送线控制机构 导线机构 Workpiece Wire feed control Wire guide 图5 电弧喷涂工艺原理示意图 Figure 5 Schematic diagram of the electric arc wire spray process 2.4.3 等离子喷涂等离子喷涂 等离子气体+电流 Plasma gas+current 水冷式正极 阴极 Water-cooled anode 等离

21、子喷涂（镀）的基本原理，如示意 Cathode 涂层 图 6a 所示。在一个阳极和一个阴极之 Coating 间点火，产生高频率电弧。气体（如：氦、氢、氮或其混合气体）流经电极之 间被电离，由此产生几厘米长的等离子 火 焰。等离子火焰中心温度可高达 16000 K。喷涂材料从枪喷嘴外以粉 末状注入等离子火焰，被熔化，最后被 压缩气体高速喷射并撞击基材表面形成 涂层。绝缘板 粉末注射口 工件 Insulator Powder port Workpiece 图 6a 等离子喷镀工艺原理示意图 Figure 6a Schematic diagram of the plasma spray proce

22、ss 对于一些特殊的喷涂工艺，有另一种自 动控制的低压环境下进行的等离子喷涂。与在大气中喷涂（大气等离子喷涂，或 称 APS）相比，真空等离子喷涂熔融的 颗粒氧化物极少，其产生的涂层品质更 佳 3。图 6b 真空等离子喷涂 Figure 6b VPS plasma spraying 热喷涂 10 Sulzer Metco 2.4.4 高速氧燃气火焰喷涂高速氧燃气火焰喷涂(HVOF)高速火焰喷涂(HVOF)工艺相对来说是最近 扩展形喷嘴 才进入热喷涂工艺系列。因为该工艺使用的 燃气 氧气 Expansion nozzle 涂层 是超音速喷枪（这点有别于传统火焰喷涂），Fuel gas Oxyge

23、n Coating 所以颗粒撞击基材表面的速度要快得多，这 菱形冲击波 样就提高了涂层性能。该工艺的基本原理与 Diamond shockwaves 传统火焰喷涂类似，差别在于其喷枪出口处 喷嘴的扩展（如图 7 所示）。高速火焰喷涂 (HVOF)可以使用的燃气有丙烷、丙烯、乙 炔、氢气和天然气，以及煤油等液体燃料。压缩空气 粉末与载气 Compressed air 工件 Powder and carrier gas Workpiece 图 7 高速火焰喷涂(HVOF)工艺原理示意图 Figure 7 Schematic diagram of the high velocity oxy-fuel

24、 spray process(HVOF)2.4.5 工艺对比工艺对比 前面所讨论的各种不同的涂层工艺，在对每个工艺中的喷涂微粒所供给的热能和动能方面，有着根本的区别。热能是由可达到的火焰温度决定的，而喷涂微粒的动能是高压气体流速提供的。喷镀工艺的不同能量对比如图 8 所示。等离子喷涂的高温尤其适合于高熔点的材料，例如：陶瓷。高速火焰喷涂(HVOF)工艺过程具有高动能及相对 比较低的热能特性，这对于涂层的高性能有非常积 极的影响，并且有利于诸如碳化钨等喷涂材料的涂层。各种不同工艺的对比所关注的焦点在于工艺与 其产生的涂层之间的关系。表 3 列举出了一些重要 的涂层特性，并按照材料类别进行组织。图

25、 8 各种热喷涂工艺的能量对比 Figure 8 Energy comparison of thermal spray processes 热能热能 Thermal Energy 动能动能 Kinetic Energy 等离子 电弧 火焰喷涂 高速火焰 11 热喷涂 Sulzer Metco Characteristics Coating Type Powder HVOF Electric Arc Plasma 特性特性 涂层类型涂层类型 Flame Spray Spray Wire Spray Spray 火焰粉末喷涂火焰粉末喷涂 高速火焰喷涂高速火焰喷涂 电弧线材喷涂电弧线材喷涂 等离子喷

26、涂等离子喷涂 Gas temperature C 3000 2600-3000 4000(Arc)12000-16000 气体温度 F 5400 4700-5400 7200(Arc)21500-29000 Spray rate kg/h 2-6 1-9 10-25 2 10 喷射速率 lb/h 4.5-13 2-20 22-55 4.5-22 Particle velocity m/s up to 50 up to 700 approx.150 up to 450 粒子速度 ft/s up to 160 up to 2300 approx.500 up to 1500 高达50 高达700

27、150 左右 高达450 ft/s 高达160 高达2300 500左右 高达1500 Bond strength MPa Ferrous alloys 14-21 48-62 28-41 21-34 结合强度 psi 铁合金 2000-3000 7000-9000 4000-6000 MPa Non-ferrous alloys 7-34 48-62 14-48 14-48 psi 有色合金 2000 5000 7000-9000 4000-7000 4000-7000 MPa Self-fluxing alloys 83+(fused)70-80 15-50-psi 自熔合金 12000+

28、(fused)10000-11500 2200-7200-MPa Ceramics 14 34 -21-41 psi 陶瓷 4000-5000-3000-6000 MPa Carbides 34-48 83+-55-69 psi 碳化物 5000-7000 12000+-8000-10000 Coating thickness mm Ferrous alloys 0.05-2.0 0.05-2.5 0.1-2.5 0.4-2.5 涂层厚度 mil 铁合金 2-80 2-100 4-100 15-100 mm Non-ferrous alloys 0.05-5.0 0.05-2.5 0.1-5.

29、0 0.05-5.0 mil 有色合金 2-200 2-100 4-200 2-200 mm Self-fluxing alloys 0.15-2.5 0.05-2.5-mil 自熔合金 6-100 2-100-mm Ceramics 0.25-2.0-0.1-2.0 mil 陶瓷 10-75-4-80 mm Carbides 0.15-0.8 0.05-5.0-0.15-0.8 mil 碳化物 6-30 2-200-6-30 Hardness HRc Ferrous alloys 35 45 40 40 硬度 铁合金 (see Table A2 in Non-ferrous alloys 2

30、0 55 35 50 the Appendix)有色合金（见附录表 A2所示）Self-fluxing alloys 30-60 30-60-30-60 自熔合金 Ceramics 40-65-45-65 陶瓷 Carbides 45-55 55-72-50-65 碳化物 Porosity%Ferrous alloys 3-10 2 3-10 2-5 孔隙率 铁合金 Non-ferrous alloys 3-10 2 3-10 2-5 有色合金 Self-fluxing alloys 2(fused)2-自熔合金 Ceramics 5-15-1-2 陶瓷 Carbides 5-15 1 -2-

31、3 碳化物 表3 热喷涂特性值(近似值)的比较 Table 3 Comparion of thermal spray process coating characteristics(approximate values)热喷涂 12 Sulzer Metco 2.4.6 基础设备（系统要求）基础设备（系统要求）除了涂层系统的主要组成部件及喷枪的主要组成部分，在某一工业环境中应用涂层工艺所必需的还有其他许多部件。图 9 所示的就是一个涂层系统。喷涂房的作用就在于屏蔽喷涂过程中喷枪所产生的噪音和灰尘。喷涂房中包括电源和气体供给入口，及工序过程监测和控制设备。通常喷枪装载于一个机械手上，机械手按照需

32、要涂层的特殊工件预先编制的操作程序进行操作。进行喷涂的工件通常是安置在一个操作设备上，例如：旋转工作台。这样才有可能对具有非常复杂几何形状的工件实施喷涂工艺。同时，千万不要忽略了带过滤器的通风系统，因为存在着所谓的“过喷”，例如：没有粘附于工件表面的粉末喷涂材料，能够被过滤器吸取出来并且截留在过滤器中。某些喷涂材料所产生的喷涂粉尘可能容易着火；因此，在这些操作环境下，整个系统必须能够防火防爆。如 19页图 24 所示的是一个现代化的、自动化的、高效率的涂层设备。过滤器 水冷却器 Filter Water chiller 喷枪 Spray gun 喷涂机械手 Robot 热交换器 Heat ex

33、changer 电源柜 Electrical supply cabinet 喷涂房 Spray cabin 旋转工作台 Turntable 等离子电源柜 控制台 Plasma Control console power supply 气体管理中心 Gas Management Center 送粉器 工艺控制中心 Powder feeder Process Control Center 图 9 标准涂层设备 Figure 9 Typical coating facility 13 热喷涂 Sulzer Metco 2.5 涂层结构涂层结构 在一定程度上，热喷涂涂层工艺决定了涂层的孔隙率。火焰和电

34、弧喷涂工艺产生的孔隙率最大。然而，高速火焰喷涂（HVOF）涂层所产生的涂层非常致密，孔隙率小于0.5%。典型的等离子喷涂形成的涂层孔隙率在1%到2%之间。喷枪在基材表面上方来来回回、重复地操作，涂层逐渐地层层堆积，标准的每一层叠厚度为10到20m(400 到800 in)，喷涂涂层就这样形成了。值得注意的是，在层叠外表层的间隙之间可能生成氧化物。通过在真空或惰性气体环境中喷涂的方法，可以将这些氧化物数量减少到最低。因为过喷所产生的细粉尘及未熔化的颗粒可能变成涂层中的滞留物质。粉尘是导致涂层材料不能与工件紧密结合的罪魁祸首。后继的喷涂颗粒将这些粉尘拖曳到涂层表面，并成为涂层中的滞留物。图10所示

35、的是一个X40 CR 13电弧喷涂层的显微图片。我们从中可以辨认出层状结构和存在的孔隙（黑色区域）。圆形颗粒是因为再固化之前颗粒没有完全熔化而形成的。该涂层的厚度可达几毫米。高速火焰喷涂（HVOF）工艺能生成更致密的涂层。图11描述了一个碳化钨(CoCr)涂层。肉眼几乎看不到任何孔隙。亮区由碳化钨硬相组成，碳化钨硬相镶嵌于钴铬延展基体。HVOF喷涂工艺形成的标准涂层厚度在0.2到0.3毫米之间（0.008到0.012英寸）。热喷涂涂层通常呈现出高内应力，这可归因于固化和冷却的过程。当热颗粒冷却时收缩，这就导致内部涂层应力增大。如果把基材材料及涂层材料的热膨胀系数的比率考虑在内，那么这些内应力将

36、被压缩应力部分抵消。因此，涂层工艺过程中的温度控制，在决定是冷却基材还是加热基材方面起着极其重要的作用。有的时候，基材表面的陶瓷涂层的结合强度不能满足要求。为了增加结合强度，可以应用一个粘合层，粘合层通常是由镍铝合金或镍铬合金制成，起着基材和陶瓷涂层之间中间层的作用。该中间涂层同时提供了附加的防腐蚀这一重要的功能。图 10 X40Cr1电弧喷涂涂层 图 11 碳化钨（钴，钴)12 高速火焰喷涂涂层 Figure 10 Arc wire spray coating of X40Cr13 Figure 11 HVOF spray coating of WC-(Co,Cr)12 热喷涂 14 Sul

37、zer Metco 2.6 涂层特性涂层特性 如前所述，热喷涂涂层的孔隙率是由工艺类型决定的，并且涂层呈现一种非均质、分层结构。这些基本的特性可以在一个很大的范围内变动，从而能够适应某些特殊的应用要求。如果要满足耐高温的工艺应用需求，则可以使用金属-铬-铝-钇（MCrAlY）材料，这些材料经常被应用于在受控环境下进行的等离子喷镀。2.6.1 防磨损防磨损 热喷涂涂层重要用途之一就是防止磨损4。这些应用中经常使用陶瓷和碳化物材料。所用的碳化物材料是碳化钨或钴碳化钨。在这里，碳化物硬相（WC）展现出防止磨损及浸蚀磨损的优良特性，并且镶嵌于延展钴基体。2.6.2 防腐蚀防腐蚀 低碳的、非合金钢及铸铁

38、材料极易生锈，因此通常需要持续的表面防护。铝或锌火焰喷涂涂层能够达到表面防护的功能，其最主要的应用领域就是用于桥梁等海上建筑物。2.6.3 绝缘涂层（热绝缘绝缘涂层（热绝缘/电绝缘）电绝缘）陶瓷材料是优良的隔热和隔电的绝缘体，同时它们还拥有良好的防止氧化和防磨损的性能。当作为隔热涂层应用于引擎和涡轮元件时，这些特性非常有用。隔热涂层降低了基材的表面温度，从而延长了工件可使用的有效期限。另一方面，工件在相同的运行温度下由于隔热涂层减少了热损失，从而效率也大大提高。这些涂层系统由一个结合层（通常是抗氧化的金属-铬-铝-钇材料，其中的金属是铁、镍或钴）和一个陶瓷外涂层构成。一般说来，外涂层经常使用钇

39、稳定氧化锆材料，因为该材料良好的热冲击特性。2.7 后加工处理后加工处理 因为许多喷涂材料有其固有的粗糙表面和多孔性，所以必须进行后加工处理。另外，特殊的工艺程序要求其他的处理方法，按照需要，可能是涂层后扩散处理、氮化、高温静压或者喷丸硬化处理。2.7.1 机械后加工处理机械后加工处理 热喷涂涂层膜的表面粗糙度在 5 和 20m 之间（参照附录表 A1）。因此，经常需要机械加工以达到成品尺寸和表面光洁度的要求。涂层表面可以通过传统机械加工或者也可以通过碾磨或抛光达到成品尺寸，这主要是看应用的是哪一种涂层工艺。2.7.2 密封密封 密封喷涂主要是用作填补镀层表面的孔隙和细微裂纹，这样就相当于提供

40、了对腐蚀性介质的额外防护，否则腐蚀性介质可能渗透到底材。如果使用树脂或蜡这些密封剂，当它们呈现液态状的时候，就会渗入到孔隙中，然后硬化（通常经过加热）。如果密封剂是经过喷射或者直接涂在表面的话，该工序必须重复多次以保证镀层表面被完全覆盖。密封剂也可以用于生成无粘性的表层（聚四氟乙烯基密封胶）。15 热喷涂 溶化后After fusing Sulzer Metco 2.7.3 涂层后热处理涂层后热处理 经由涂层后热处理，可以增加底材和涂层之 间的结合强度，并且具有合金“自我扩散”作用，同自溶合金的溶化不同。各种自熔合金构成了喷涂材料的一个特殊类 别，对于自熔合金而言，在应用喷涂涂层之 后，将实施

41、涂层溶化这一附加的步骤。这些 合金的喷涂粉末通常是铬、铁和镍的混合物，并且含有相当数量的温度抑制物质，如硼和 硅。在喷涂的工艺过程中，有一些金属间相形成。接下来的涂层熔化导致涂层材料的完全转化，并生成硅化物及硼化物硬相。渗入到基材的 扩散作用也将发生，从而提高粘合强度，孔 隙也几乎全部消除，不存在任何连通孔隙。图 12 自熔镀层 Figure 12 Self-fluxing coating 自熔合金涂层展现出极度优良的抗腐蚀及高硬度的特性。熔化涂层最常使用的手动方法是使用乙炔焊炬。用激光、电子束或感应加热将涂层熔化在熔炉内同样也是行之有效的。使扩散作用有效的温度要求范围是在 10000C 到

42、1200C（1800F 到 2200F）之间。图 12 正好就是显示了一镍-铬-铜-硅合金镀层在涂层溶化前后之间的变化。涂层结构的均质化可以从图中清晰地辨认出来，换句话说，涂层机构均质化也就是熔融的涂层孔隙的减少和结构密致化。2.8 涂层特性涂层特性 对于涂层应用而言，除了涂层特性非常重要之外，还 有一些性能相对容易测试，并且具备标准的质量控制 检测方法。它们是：目测 涂层厚度测量 表面光洁度测量 如有必要的话，利用测试样品相同的时间和相同的条件 下喷涂的试验样品，能够对涂层进行测试，以确定涂层 质量的其他性能：为精确测定涂层厚度、孔隙率和结构，以及未熔化颗 粒和氧化夹杂物的微观结构，对涂层进

43、行横向截面测 试 显微硬度测量 用一种特殊的粘合剂及试验设备进行结合强度测定 弯曲试验 除此之外，各种各样的元素分析方法，以及刮痕试验、摩擦学性能研究、应力分析、腐蚀和磨蚀特性研究，也都包括在内。因为这些都是破坏性检验，所以它们并不是特别适合成品，在试验样品测试中也很少采用。现在许多最终使用者自主研发出测试的技术条件和测试方法以鉴定及评价涂层的质量。需要特别注意的是，航空和航天工业对测试的要求有非常严格的指导性文件。镀层后After Coating 试验测定需要使用标准化的样本几何结构。具体的执行在 6 中阐述，各项标准保持一致。除此之外，还有许多其他方法。事实上，涂层的性能非常复杂，所以存在

44、许多不同的测试方法，这些方法并无共性。热喷涂 16 Sulzer Metco 3.应用应用 为了最大限度地应用热喷涂先进技术，涂层材料必须适当选择，当然还必须选择适当的涂层工艺并整理出相应的工艺参数。同样，为了涂层的需要必须注明准确的零部件尺度。涂层首选的几何结构就是圆盘、平直面板及可旋转的对称型零部件，如图 13 所示。图13 对涂层有利的涂层几何结构 Figure 13 Favorable coating geometries for coating 不可行不可行 Not Feasible 可行可行 Feasible 优先配置优先配置 Preferred Configuration 简化的

45、结构 Simplified structure 带特殊的喷枪，品质降低 With special spray gun,quality is reduced 17 热喷涂 Sulzer Metco 3.1 生产的应用生产的应用 3.1.1 替代镀硬铬替代镀硬铬 由于环境保护需求不断增加，电镀车间面临着更加严格的法规限制。热喷涂涂层作为硬铬电镀的一种替代技术，可以用来提供磨损和腐蚀防护，并且可以使用纯铬或各种各样的碳化物涂层 5。如果是为了使热喷涂涂层的耐腐蚀性能尽可能接近电镀铬的耐腐蚀性能，则可以使用高速火焰喷涂工艺，高速火焰喷涂涂层的性能优于铬镀性能，但是为了达到硬铬电镀的具有反射性的表面外观

46、，要对涂层进行碾磨及抛光。使用热喷涂涂层代替硬铬电镀的一个应用实例就是飞机起落架零部件的热喷涂涂层。图 14 所示的是 F5“老虎”战斗机前起落架的碳化钨-钴涂层。图14 表面碳化钨-钴涂层的F5“老虎”战斗机 前起落架 Figure 14 Nose gear of an F5 Tiger with a WC/CoCr coating 医疗移植医疗移植 为了使整形外科的移植（例如：人工髋关节）能够牢固而持久，表面光洁处理具有极其重要的作用。采用真空等离子喷涂工艺的苏尔寿美科 SUMEPLANT 涂层，有意喷涂成孔隙很多的表面，从而使得骨头生长渗入到孔隙中。同时有些 SUMEPLANT 涂层技术

47、应用具有生物相容性的钛涂层（如图 15 所示），或者应用具有生物活性的、羟基的磷灰石涂层，具有生物活性的羟基磷灰石涂层对于促进人体骨头的生长并渗入假肢的表面起着非常积极的作用。图15 髋部植入物的具有生物相容性的SUMEPLANT钛涂层 Figure 15 Biocompatible SUMEPLANT titanium coating on a hip implant 3.1.3 纺织机械纺织机械 SUMETEX 涂层系统的开发研制是多年来与纺织机械制 造合作的结果。该涂层的特点在于使用各种不同的处理方法，得到的精确涂层表面形态和布局。表面结构对于与纤维相接触的纺织机械零部件而言非常重要。为

48、了使纤维生产量最大化，可以使用陶瓷氧化物涂层，通常还带有一个镍粘合层，并且能够提供腐蚀防护作用。图 16 展示了这 种样本应用。图 16 各种纺织机器零部件 Figure 16 Various textile machinery components 热喷涂 18 Sulzer Metco 3.1.4 燃气涡轮机燃气涡轮机 无论是对于固定的工业燃气涡轮机，还是对于移动的航空发动机，热喷涂涂层在许多不同地方能够广泛使用，并且具有各不相同的功能。防止高温腐蚀的保护性涂层、热绝缘涂层、间隙控制涂层以及用于待修复耐高涂层具有相同化学成分。这些只是部分实例（参照图 17）。图 17 涂层的燃气涡轮机舵

49、Figure 17 Coated gas turbine vanes 3.1.5 印刷工业印刷工业 带涂层的滚筒和滚柱广泛地使用于印刷机器。通过与造纸和印刷工业客户建立合作关系，开发研制出多种SUMEPRINT 涂层技术。等离子喷涂氧化铬涂层在油墨滚筒呈现出良好的显微结构，这样就可以在涂层上激光雕刻非常小的、紧凑的图案（如图 18 所示）。图18 SUMEPRINT涂层可以激光雕刻的印染辊 Figure 18 Anilox printing roll with a laser engraved SUMEPRINT coating 3.1.6 一般工业用途一般工业用途 涂层技术应用种类最多的就是

50、机械工业。图 19 所示的是轴承轴上的巴氏合金涂层，主要在水泥厂使用。这种特殊的多孔涂层是为油润滑作用而设计的，该多孔层可起到储油器的功能，从而防止“卡死”的现象。其另一些应用实例：柴油机的活塞环、压缩机的活塞杆、泵轴承、阀盖等。图19 轴承轴上巴氏合金涂层 19 热喷涂 Figure 19 Bearing shaft with a babbitt coating Sulzer Metco 3.1.7 消费品消费品 虽然开发的大多数热喷涂涂层是用于一些非常特殊专业零部件，但是热喷涂涂层其实也是可以应用于消费品工业的。图 20 所示的是电熨斗，在其底板喷涂陶瓷涂层用以耐磨损。经常使用一种抗粘结的