热喷涂技术及其应用ppt课件.ppt

材料表面工程技术之一 热喷涂技术及其应用,设备维修技术交流(二)-欧阳健,目录,一、前言 1.材料表面技术概况 2.材料表面技术分类 3.热喷涂技术概况 4.热喷涂涂层的性能 二、先进热喷涂技术1.低压等离子喷涂2.高速火焰喷涂3.冷喷涂4.热喷涂工艺 三.热喷涂技术应用 1.防腐蚀涂层 2.抗磨损涂层 3.抗高温氧化和耐热腐蚀涂层 4.热障涂层 5.绝缘涂层 6.尺寸恢复涂层 石化行业的其它应用,一、前言,1.材料表面工程技术概况众所周知,金属材料会与周围介质发生化学、电化学反应而遭受腐蚀.此外,金属表面受各种机械作用会也引起磨损.针对受损部位，可以运用材料表面工程技术中的表面镀膜、涂层、表面异种材质的扩渗，表面改性或几种的复合等方法，修补材料表面、改变材料表面的形态、化学成分、组织结构，获得所需要的结构和性能；现代表面技术已制备出了许多新材料、新器件，应用到如光、磁记录，液晶显示，太阳能材料，耐高温、耐磨的航空(燃气轮机)、火箭发动机等高新技术领域，是目前节能及节约资源的有效技术之一；工业部门越来越多地要求机械设备能在高参数(高温、高压、高速度和高度自动化)和恶劣的工况条件(如严重的磨损和腐蚀)下长期稳定的运行.表面处理技术就具有重大的技术和经济意义。而表面处理技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高.,2.材料表面技术的分类,热喷涂技术是表面防护和强化的技术之一,利用某种热源,如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金 属涂层材料加热到熔融或半熔融状态,然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面,与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。,3.热喷涂技术概况,利用热源将涂层材料加热到熔融或者半熔融状态，借助焰流及高速气体将涂层材料粒子喷射到基体表面，获得沉积成具有某种特殊功能涂层。,热喷涂技术分类,1)气体燃烧火焰喷涂：高速火焰喷涂、爆炸喷涂、粉末火焰喷涂、线、棒材火焰喷涂2)电弧喷涂：常规电弧喷涂、高速电弧喷涂3)等离子喷涂：大气等离子喷涂、低压等离子喷涂、水稳等离子喷涂、微弧等离子喷涂、三阴极等离子喷涂4)电热热源喷涂：线材电爆喷涂、冷喷涂,常用热喷涂喷枪,等离子喷涂,高速火焰喷涂,粉末火焰,电弧喷涂,丝材火焰喷涂,粉末,丝材,热喷涂工艺温度要素,常用喷涂材料,4.热喷涂涂层的性能,1.化学成分 由于涂层材料在熔化和喷射过程中，在高温下会与周围介质发生作用生成氧化物、氮化物，以及在高温下会发生分解，因而涂层的成分与涂层材料的成分是有一定的差异的，并在一定程度上影响涂层的性能。如MCrAlY氧化后会影响其耐蚀性，而WCCo经氧化和高温分解后其耐磨性会降低。通过喷涂方法的选择可以避免和减轻这一现象的发生。如采用低压等离子喷涂可大大减少涂层材料的氧化，而高速火焰喷涂则可以防止碳化物的高温分解。2.孔隙度 热喷涂涂层中不可避免地存在着孔隙，孔隙度的大小与颗粒的温度和速度以及喷涂距离和喷涂角度等喷涂参数有关。一般来说，温度及速度都低的火焰喷涂和电弧喷涂涂层的孔隙度都比较高，一般达到百分之几，甚至可达百分之十几。而高温的等离子喷涂涂层及高速的超音速火焰喷涂涂层则孔隙度较低。最低可达0.5以下。3.硬度 由于热喷涂涂层在形成时的激冷和高速撞击，涂层晶粒细化以及晶格产生畸变使涂层得到强化，因而热喷涂涂层的硬度比一般材料的硬度要高一些，其大小也会因喷涂方法的不同而有所差异。,热喷涂涂层的性能,4.结合强度 热喷涂涂层与基体的结合主要依靠与基体粗糙表面的机械咬合（抛描效应）。基材表面的清洁程度、涂层材料的颗粒温度和颗粒撞击基体的速度以及涂层中残余应力的大小均会影响涂层与基体的结合强度，因而涂层的结合强度也与所采用的喷涂方法有关。5.冷热疲劳性能对于一些在冷热循环状态下使用的工件，其涂层的抗冷热疲劳（或称热震）性能至关重要，如若该涂层的抗热震性能不好，则工件在使用过程中便会很快开裂甚至剥落。涂层抗热震性能的好坏主要取决于涂层材料与基体材料的热膨胀系数差异的大小和涂层与基体材料结合的强弱。,二、先进热喷涂技术及应用,1.低压等离子喷涂（LPPS、VPS）在低压保护气氛下进行的等离子喷涂；涂层成分不受污染、结合强度高、涂层致密；设备主要包括真空系统、冷却和除尘系统、喷涂工作室、持枪机器人及与其联动的工件夹持系统、等离子喷涂系统、转移弧电源系统和控制系统。,低压等离子喷涂的特点,在低压保护性气氛下工作，可防止氧、氮污染；等离子射流可到2000m/s，粒子速度可达300m/s，涂层致密；基体温度可达650，涂层应力较小，涂层能较厚；采用转移弧电清理，提高基体表面活性，提高了涂层与基体的结合；低压下等离子焰变粗变长，粉末受热均匀；喷涂在真空罐内进行，粉尘和噪音污染小；低压等离子喷涂要求较细的粉末；主要用于活性金属材料的涂层（如钛、锆、钨、钽及合金）及对成分要求严格，且要求结合强度高，孔隙率低的涂层（如MCrAlY系合金）的制备上。,低压等离子喷涂的应用,生物涂层：人工种植体上的钛涂层；超合金涂层：在飞机发动机和大型地面燃机涡轮叶片上喷涂抗高温氧化MCrAlY超合金涂层以及热障涂层的过渡层；用作靶材的高纯度金属涂层；钨涂层：核聚变托克马克装置用反应内腔喷涂钨涂层。,真空等离子喷涂薄涂层技术,工作压力在0.5-10mbar之间；涂层均匀、致密、沉积效率高；制备的涂层在5-50m；涂层应力小，可以制备出厚的热障涂层(TBC)，Al2O3绝缘涂层和导电涂层；铝表面上制备Al2O3涂层，孔隙率1%，具有250-450KV/cm的击穿电压；,Al2O3涂层,低压等离子喷涂的其它应用及前景,在航空航天、电子、医学、能源有广泛的应用，特别是制备各种绝缘涂层、导电涂层、能量转换涂层、光学性能（反射、吸收、转移等）涂层、梯度涂层、催化涂层、隔热涂层、抗高温氧化及热腐蚀涂层等。,2.高速火焰喷涂（HVOF、HVAF）,二十世纪80年代，出现了第一代HVOF设备Jet-Kote；粒子速度提高到400m/s以上；涂层结合强度大幅度提高，孔隙率大大降低；火焰温度3000，碳化物喷涂过程中分解小;采用航空煤油替代丙烷、丙烯和氢气等，降低了成本；近年出现了使用压缩空气替代氧气的HVAF设备，碳化钨涂层的性能更优。,HVOF特点,氧化程度低，碳化钨失碳接近真空喷涂；孔隙率1%;强度接近烧结/铸造材料；高硬度、韧性好；优异的抛光性能；低应力，涂层厚度不受限制；生产效率高，金属20Kg/h，碳化钨30-40Kg/h；喷涂过程不积瘤。,采用HVOF涂层替代电镀硬铬,传统电镀的缺限和制约：1)环保要求：Cr6+致癌，电镀废水污染环境。2)性能要求：不能满足工作温度高、耐磨的工况，存在氢脆。3)电镀工艺沉积速度慢；电镀的工件尺寸受镀槽尺寸的限制。高速火焰喷涂优势：,HVOF涂层和硬铬层的性能比较,HVOF的应用,轴承、转子叶轮安装面的修复等,HVOF的应用,造纸压光辊、钢铁张力辊、输送辊、炉底辊,水力发电站水轮机部件等。油浆泵、砂浆泵、烟气轮机等。,3.冷喷涂技术,粒子在喷涂过程中加热到，但没熔化，同时被超音速气流加速，喷射到基体表面，粒子产生锻焊作用而沉积在基体表面的技术；原理：加热到一定温度的高压气流经拉瓦尔管加速产生超高音速的束流，该束流将粉末粒子加速到数倍音速，撞击到基体表面，通过固态塑性变形而形成涂层。,冷喷形成良好涂层的基本条件,粒子的速度要达到临界速度；基体与喷涂材料粒子都要有一定的塑性变形的能力。,冷喷涂涂层的微观结构,部分冷喷涂涂层的性能,冷喷涂涂层的优点,涂层致密，且涂层成分基本上与粉末保持一致；涂层残余应力低，涂层厚度基本不受限制；涂层具有稳定的相结构；工件温度低，热影响小；涂层具有锻造结构，其硬度高于同样成分的块体材料；涂层是形变组织，特殊处理后可得到纳米结构组织；沉积的斑点大小可以调节，省去遮挡工作；设备运行成本低；工作环境好，无高温辐射、噪音低；几乎所有金属和合金都可以进行喷涂。,4.热喷涂工艺 热喷工艺过程如下：工件表面预处理 工件预热 喷涂 涂层后处理,1.表面预处理 为了使涂层与基体材料很好地结合,基材表面必须清洁及粗糙.净化处理的目的是除去工件表面的所有污垢,方法有溶剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法等.粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接触面,增大涂层与基材的机械咬合力,使净化处理过的表面更加活化,以提高涂层与基材的结合强度.粗化处理的方法有喷砂、机械加工法(如车螺纹、滚花)、电拉毛等。其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法，常用的喷砂介质有氧化铝、碳化硅和冷硬铸铁等。多数工件表面的2.513mRa就够了。对于一些与基材粘结不好的涂层材料,还应选择一种与基体材料粘结好的材料喷涂一层过渡层,称为粘结底层,常用作粘结底层的材料有Mo、NiAl、NiCr及铝青铜等.粘结底层的厚度一般为0.080.18m。,2.预热 预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气,提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度,以提高涂层与基体的结合强度；减少因基材与涂层材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂.预热温度取决于工件的大小、形状和材质,以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素,一般情况下预热温度控制在60-120 之间.3.喷涂采用何种喷涂方法进行喷涂主要取决于选用的喷涂材料、工件的工况及对涂层质量的要求。例如，如果是陶瓷涂层，则最好选用等离子喷涂；如果是碳化物金属陶瓷涂层则最好采用高速火焰喷涂；若是喷涂塑料则只能采用火焰喷涂；而若要在户外进行大面积防腐工程的喷涂的话，那就非灵活高效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂莫属了。总之，喷涂方法的选择一般来说是多样的，但对某种应用来说总有一种方法是最好的。预处理好的工件要在尽可能短的时间内进行喷涂,喷涂参数要根据涂层材料、喷枪性能和工件的具体情况而定,优化的喷涂条件可以提高喷涂效率、并获得致密度高、结合强度高的高质量涂层.,4.涂层后处理 喷涂所得涂层有时不能直接使用,必须进行一系列的后处理.用于防腐蚀的涂层,必须对涂层进行封孔处理.选择合适的封孔剂,要根据工件的工作介质、环境、温度及成本等多种因素进行考虑.对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件,为了提高涂层的结合强度,要对喷涂层进行重熔处理(如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等静压等),使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致密涂层.有尺寸精度要求的,要对涂层进行机械加工.选用合理的加工方法和相应的工艺参数才能保证喷涂层机械加工的顺利进行和保证达到所要求的尺寸精度.,防腐蚀涂层抗磨损涂层抗高温氧化和耐热腐蚀涂层热障涂层绝缘涂层尺寸恢复(维修),三.热喷涂在工业中的应用,防腐蚀涂层,抗磨损涂层,抗高温氧化和耐热腐蚀涂层,热障涂层,绝缘涂层,尺寸恢复涂层,尺寸恢复涂层-大型设备部件现场修复,大型轴类零件可以在现场修复，如发电机转子和汽轮机转子的轴颈有划伤，可制造专用工装在现场进行修复。,尺寸恢复涂层,尺寸恢复涂层,石化行业的其它应用,1、机械密封（或端面密封）：采用在金属基体上喷涂复合陶瓷和金属碳化物涂层制造机械密封动、静环，具有优异的耐磨耐蚀性能，摩擦性系数小，能耗低，对静环磨耗少，使用寿命均高于镀硬铬层和堆焊CoCrW焊层的45倍。与烧结的硬质合金环比，有成本低、机械性能好、不会产生崩裂的优点。(兰州赛格使用该项技术)另外，与之配副的密封静环,如：铝青铜、M106K石墨、L516改性聚四氟乙烯等；由于摩擦系数特低,达0.0330.11(干摩擦)，故与陶瓷涂层配副的静环使用寿命均高于与镀硬铬配副的静环34倍。涂层主要技术指标：涂层厚度0.20.3mm结合强度2030Mpa涂层硬度HV8001200 涂层孔隙率12%摩擦系数0.1(对石墨)f 精研表面粗糙度Ra0.050.1m,石化行业的应用,2、阀门密封面：对大多数阀门来说,密封问题是首要问题，故障大都出现在阀芯上,主要原因是一般阀芯元件的耐磨性和耐腐蚀性较差。在阀门的阀芯元件上喷涂陶瓷可改进其密封性能,提高其耐磨性能和耐腐蚀性能。对于工作在温度达540，压力达140MPa的含有腐蚀性砂浆的管道中的金属座球阀，应用超音速火焰喷涂WC-Co涂层、Cr2C3-NiCr涂层、Fe-Cr-Ni-Mo涂层或WC-Ni涂层，可大幅度改善球阀的耐腐蚀和耐冲蚀性能，提高使用可靠性和寿命。,石化行业的应用,3、各种阀门密封件的修复和制造 采用热喷涂技术修复和制造阀门配件（门杆、阀芯、阀座），其表面喷涂硬质合金，在850以内硬度无明显下降、不起氧化皮，抗冲蚀、汽蚀、水蚀、划伤，提高寿命三倍以上。,PCV阀门阀芯(修复前)测绘制造的阀芯,石化行业的应用,减温水调节门门芯修复前 减温水调节门门芯修复后,石化行业的应用,4、柱塞和活塞杆表面上喷涂陶瓷涂层：采用等离子喷涂或超音速喷涂技术，在各种液压缸、往复泵中的柱塞和活塞杆表面上喷涂陶瓷涂层，其突出特点在于：（1）摩擦系数低、能耗小、减少摩擦能耗；（2）使用寿命比镀铬件提高35倍，属环保涂层技术。主要技术指标：涂层厚度 0.30.5 mm；结合强度1540 Mpa；涂层硬度HV8001300；磨削粗糙度Ra 0.63 m（3）对密封填料或对偶件的磨耗小，减少维修；,石化行业的应用,5、修复巴氏合金：巴氏合金轴瓦使用后磨损、划伤均可以用热喷涂技术来修复。通常轴瓦为钢基体表面铸造巴氏合金，巴氏合金种类较多，锡基合金应用最广。对于铸造合金瓦，要在钢基设计燕尾槽需要铸造模具，经常会出现气孔、夹渣与基体剥离等铸造缺陷。用喷涂技术制造、修复巴氏合金涂层能解决以上问题。,喷涂后的推力瓦,石化行业的应用,6、设备内喷涂合金：油田使用的塔、罐、管道可采用电弧喷涂铝、锌、不锈钢等涂层防腐或采用火焰喷塑防腐。在反应发生器内壁已大量使用线材喷涂不锈钢、司太立合金、钼和钛合金。采用等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂均可解决油田用各种锅炉管道的腐蚀和冲蚀问题,7、造船工业中的应用：包括防电偶腐蚀，密封或易磨损面的表面修复，如承舵柱、推进轴、发动机连轴器、潜艇弓形面壳体配合面法兰、可调变距螺旋桨壳和电动马达转子等的密封修复等。在高锰铸铝青铜螺旋桨上采用LPPS技术制备了Ti-Ni涂层，并经热处理后，其抗空泡腐蚀性能大幅度提高，使用寿命比无涂层的螺旋桨提高3倍，且浮游生物易于清理。,石化行业的应用,热喷涂是一项促进科技进步、提高产品质量，保护环境、节约资源及能源，降低生产成本的有效工程技术。,结束语,谢谢!,