热喷涂---表面科学与技术课件.ppt
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1、表面科学与技术,中国石油大学(华东),热喷涂概述,热喷涂,常见的热喷涂方法,热喷涂的性能测试与质量检验,热喷涂工艺过程,热喷涂概述,中国石油大学(华东),热喷涂技术是指利用某种热源将喷涂材料迅速加热到熔融或半熔融状态,再经过高速气流或焰流将其雾化加速喷射到经预处理的工件表面上,形成喷涂层的一种表面加工方法。,热喷涂的定义,热喷涂概述,中国石油大学(华东),喷涂材料的熔化,熔滴雾化,与基体表面的碰撞变形及淬冷凝固,热喷涂过程,粒子的飞行阶段,热喷涂概述,中国石油大学(华东),喷涂材料的熔化,粉末喷涂材料进入热源高温区域,被加热到熔化态或软化态;线材喷涂材料的端部在热源高温区加热熔化,熔化的材料以
2、熔滴形式存在于线材端部,热喷涂概述,中国石油大学(华东),熔滴雾化,对于线材喷涂时,端部的熔滴在外加压缩气流或热源自身射流的作用下脱离线材端部,并雾化成细小熔滴向前喷射;在粉末喷涂时,不存在粉末的细化和雾化过程,直接在压缩气流或热源射流推动下发生喷射。,热喷涂概述,中国石油大学(华东),粒子的飞行阶段,熔化或软化的微细颗粒首先被气流或射流加速,当飞行一定距离后速度又减小。,热喷涂概述,中国石油大学(华东),与基体表面的碰撞变形及淬冷凝固,具有一定速度和温度的微细粒子到达基材表面,发生强烈的碰撞。粒子在碰撞基体表面或撞击已经形成的涂层的瞬间,把动能转化为热能后传给基体,同时粒子在凹凸不平的表面发
3、生变形,形成扁平状粒子,并且迅速凝固成涂层。喷涂的粒子不断飞向基体表面,产生碰撞-变形-冷凝的过程,变形粒子与基材之间及粒子与粒子之间相互交叠在一起,形成涂层。,热喷涂概述,中国石油大学(华东),涂层的结合机理,涂层的结合包括涂层与基材的结合及涂层之间的结合。前者的结合强度称为结合力,后者的结合强度称为内聚力。,涂层与基体间的结合机理,机械结合:熔融态的粒子撞击到基材表面后铺展成扁平状的液态薄层,嵌合在起伏不平的表面形成机械结合,又称为抛锚效应。,涂层间的结合机理,喷涂粒子间的结合是以机械结合为主。,热喷涂概述,中国石油大学(华东),涂层与基体间的结合机理,物理结合:当高速运动的熔融粒子撞击基
4、体表面后,若界面两侧紧密接触的距离达到原子晶格常数范围内时,产生范德华力,提高基体与涂层间的结合强度。,扩散结合:当熔融的喷涂粒子高速撞击基体表面形成紧密接触时,由于变形和高温的作用,基体表面的原子得到足够的能量,使涂层与基体之间产生原子扩散,形成扩散结合。扩散的结果使界面两侧微小范围内形成一层固溶体或金属间化合物,增加了涂层与基体之间的结合强度。,冶金结合:当基体预热,或喷涂粒子有高的熔化潜热,或喷涂粒子本身发生放热化反应时,熔融态的粒子与局部熔化的基体之间发生“焊合”现象,产生“焊点”,形成微区冶金结合。,热喷涂概述,中国石油大学(华东),线材火焰喷涂、棒材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、超音速火
5、焰喷涂、粉末火焰喷熔,电容放电喷涂、感应加热喷涂,激光喷涂、激光喷焊,热喷涂方法,气体燃烧热源,电热热源,激光热源,燃气重复爆炸喷涂、线材电爆喷涂,爆炸热源,电弧喷涂、等离子喷涂、等离子喷焊,气体放电热源,热喷涂概述,中国石油大学(华东),(1)热喷涂方法多:热喷涂具体方法有十几种,可以选择合适的方法对零件进行热喷涂。(2)热喷涂材料种类广泛:金属及其合金、陶瓷、塑料、尼龙以及它们的复合材料等都可以作为喷涂材料。(3)机体材料使用范围广:几乎所有的固体材料表面都可以热喷涂,一般也不受零件尺寸及场地限制,既可以大面积喷涂,也可以进行局部喷涂。(4)基体材料受影响小:喷涂时可使集体控制在较低温度,
6、所以基体变形小、组织和性能变化小,保证了基体质量基本不受影响。(5)涂层厚度可以控制:涂层厚度从几十微米到几微米,可以根据要求确定。(6)操作环境差:存在粉尘、烟雾和噪音等问题,因此需要加强防护措施。,热喷涂的特点,热喷涂概述,中国石油大学(华东),热喷涂材料按其使用形式的不同可分为粉末材料和线丝材料两大类,按使用功能和制造方式可分为非复合材料和复合材料;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。,热喷涂材料,热喷涂概述,中国石油大学(华东),热喷涂线材,热喷涂概述,中国石油大学(华东),热喷涂线材,热喷涂概
7、述,中国石油大学(华东),非复合型热喷涂粉末,热喷涂概述,中国石油大学(华东),非复合型热喷涂粉末,热喷涂概述,中国石油大学(华东),复合型热喷涂粉末,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(Combinati
8、on 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。,表面科学与技术,中国石油大学(华东),热喷涂概述,热喷涂,常见的热喷涂方法,热喷涂的性能测试与质量检验,热喷涂工艺过程,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),线材火焰喷涂,基本原理:如图所示,喷枪通过气阀分别引入乙炔、氧气和压缩空气,乙
9、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。,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,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),线材火焰喷涂的涂层特性,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1030MPa;4)涂层气孔隙为1015%。,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),线材火焰喷涂设备的组成,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
10、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,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),线材火焰喷涂设备的组成,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;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;线材盘架;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。,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),线材火焰喷涂的特点及应用,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),粉末火焰喷涂,1-氧、乙炔混合气;2-
11、送粉气;3-喷涂粉末;4-喷嘴;5-火焰;6-涂层;7-基体,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。,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),粉末火焰喷涂涂层的特征,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80-95%,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),粉末火焰喷涂设备的组成,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
12、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。,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),粉末火焰喷涂的特点及应用,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),等离子弧喷涂,基本原理:等离子喷涂原理如图所示,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。,1-喷涂粉末;2-工作气;3-阴极;4-阳极
13、;5-等离子射流;6-基体;7-喷涂层;,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),等离子弧喷涂涂层的特性,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。,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),等离子弧喷涂设备的组成,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),等离子弧喷涂设备的组成,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
14、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。,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),等离子弧喷涂的特点及应用,常见的热喷涂方法,中国石油大学(华东),电弧喷涂,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
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