热喷涂、喷焊与堆焊技术.ppt

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1、热喷涂、喷焊与堆焊技术,第五章,第一节：热喷涂技术,1.1、热喷涂技术原理与特点,1.热喷涂原理,利用各种不同的热源，将欲喷涂的各种材料(如金属、合金、陶瓷、塑料及其各类复合材料)加热至熔化或熔融状态，借助气流高速雾化形成“微粒雾流”沉积在已经预处理的工件表面形成堆积状，与基体紧密结合形成喷涂层。,而将某些喷涂层进行重熔处理形成的冶金结合特征的涂层称之为喷熔层或重熔层。,热喷涂方法分类,.热喷涂技术的特点,(1)可在各种基体上制备各种材质的涂层,金属、陶瓷、金属陶瓷以及工程塑料等都可用作热喷涂的材料；而金属、陶瓷、金属陶瓷、工程塑料、玻璃、石膏、木材、布、纸等几乎所有固体材料都可以作为热喷涂的

2、基材；,(2)基体温度低 基材温度一般在30200 oC之间，因此变形小，热影响区浅；,(3)操作灵活 可喷涂各种规格和形状的物体特别适合于大面积涂层，并可在野外作业；,(4)涂层厚度范围宽 从几十微米到几毫米的涂层都能制备，且容易控制；,（5）喷涂效率高，成本低喷涂时生产效率为每小时数公斤到数十公斤。,（6）热喷涂技术的局限性主要体现在热效率低，材料利用率低、浪费大和涂层与基材结合强度较低三个方面。,尽管如此，热喷涂技术仍然以其独特的优点获得了广泛的应用。,.涂层材料,热喷涂材料最好有较宽的液相区；,较宽的液相区可以使熔滴在较长时间内保持液相。,对喷涂材料的形状与尺寸也有要求；,一般是线材或

3、粉末材料。线材的规格一般在13mm，而粉末1100m之间。,4.涂层形成过程,涂层材料经加热熔化和加速撞击基体冷却凝固形成涂层。,其中涂层材料的加热、加速和凝固过程是三个最主要的方面。,5.涂层结构,由大小不一的扁平颗粒、未熔化的球形颗粒、夹杂和孔隙组成。,6.热喷涂中的相变,熔滴尺寸小，冷却速度快，可达到106 K/s，冷却后会形成非晶态或亚稳相，在高温使用时，涂层的亚稳态结构会向稳定相转变，产生相变应力。,7.涂层应力,涂层材料的冷却凝固伴随着收缩过程，从而在基体表面产生压应力。热喷涂层的最佳厚度一般不超过0.5 mm.,8.涂层结合强度,“抛锚作用”：即最先形成的薄片状颗粒与基体表面凹凸

4、不平处产生机械咬合，随后依照次序堆叠镶嵌，形成以机械结合为主的喷涂层；此外基体表面局部瞬时高温，导致涂层材料与基体之间发生局部扩散和焊合，形成冶金结合。,机械结合为主的结合机理决定了热喷涂涂层的结合强度比较差，只相当于其母体材料的530%。最高也只能达到70MPa。,热喷涂工艺流程,9热喷涂工艺流程和质量控制,1.2、热喷涂工艺方法,熔体金属注入喷涂,主要是喷涂低熔点的金属。用电阻加热的方法使熔化金属漏入雾化罐内，喷射到基体表面形成涂层,线材火焰喷涂,主要喷涂铝、锌、锌铝合金材料，用于大型钢结构件和各类钢丝的耐腐涂层。,通过调节压紧滚轮的旋转速度，调节线材进入氧乙炔火焰的速度，在环状压缩空气的

5、作用下将熔化的线材雾化成金属熔滴沉积到工件表面上,火焰丝材喷涂设备,粉末火焰喷涂,喷涂粉末从火焰中央喷出后被火焰加热至熔融态喷射到基体表面，可以喷涂各种金属及合金粉末，并可以喷涂熔点低于2600C陶瓷粉末和塑料粉末。,火焰粉末喷涂设备,爆炸喷涂,这是一种将燃气和助燃气按一定比例进行混合后，送入燃爆室内点燃爆炸，产生的高温、高速气流将粉末喷射到工作表面形成涂层的方法,高速火焰喷涂,该方法将燃烧火焰约束在枪体内部，火焰温度高，对粒子加热时间长，焰流速可达1050 m/s。因此涂层甚至比等离子喷涂层更细密，氧化物含量更低，涂层结合强度约为70 Mpa。噪音大。,电弧喷涂,二根送入的通电金属丝相交时产

6、生电弧，由电弧热溶化的金属丝被压缩空气雾化成颗粒，喷射到工件表面形成涂层,这种喷涂方法比线材火焰喷涂具有更高的喷涂效率和好的涂层质量电弧喷涂效率可达50kg/h。,电弧喷涂设备,等离子喷涂,采用氮气、氩气、氢气作为离子气、经电离产生等离子高温射流，将输入的材料熔化或熔融喷射到工作表面形成涂层的方法。主要用于制备金属陶瓷，金属相陶瓷涂层。,在其基础上发展了超音速等离子喷涂它的等离子焰流能量密度更高、焰流速度更快、提高了涂层质量。,等离子喷涂设备,超音速喷涂设备,激光喷涂,将从激光器发出的激光束聚焦在喷枪喷嘴近旁，喷涂粉末由压缩气体从喷嘴喷出，由激光束加热熔化，压缩气体将熔粒雾化、加速，喷射到基材

7、表面形成涂层。,1.3、热喷涂涂层材料,热喷涂工艺对涂层材料的基本要求,被喷涂的材料必须满足对热喷涂涂层使用功能特性的基本要求，如耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、可磨耗密封、自润滑、热辐射、导电、绝缘及超导等。,与基体或结合底层有良好的性能匹配。,涂层材料在加热过程中，具有良好的化学稳定性和热稳定性，不会产生有害的化学反应及有碍涂层使用的晶型转变。,如线材应具有一定强度、径值均匀、表面光洁无污染；粉末材料必须有足够的流动性应干燥清洁、无污染。,热喷涂涂层材料分类,热喷涂涂层材料分类,1.4、热喷涂技术的应用,1）喷涂耐腐蚀涂层,采用热喷涂技术可以喷涂耐各种介质腐蚀的保护涂层，如锌、铝、不锈钢、镍合

8、金、蒙乃尔合金、青铜以及氧化铝、氧化铬陶瓷涂层和塑料等。,2)喷涂耐磨涂层,喷涂各种铁基或镍基耐磨合金涂层，或氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层和镍基或钴基碳化钨涂层。,3)喷涂耐高温涂层,喷涂技术可用于改善机械零件的高温性能。超音速火焰喷涂Cr2C3-NiCr涂层，在900o以下是非常好的耐磨涂层，温度在900o以上，则可以采用大气等离子喷涂氧化锆涂层。喷涂氧化铝氧化钛等陶瓷涂层可防止熔融金属的侵蚀。,4)喷涂功能涂层,广泛应用于电气工业中，如喷涂屏蔽涂层，用于消除电磁波和无线电波的干扰。,5)喷涂成型,采用热喷涂制造机械零件。快速成型。,1.5、热喷涂涂层质量评定,1.涂层厚度的测定简单几何形状

9、可直接用游标卡尺或千分尺；复杂形状可采用磁性法和涡流法测厚仪(参考GB1137489)2.孔隙率测定金相法3.结合强度测定采用拉伸法，见右图4涂层显微结构观察,第二节：热喷焊工艺与特点,2.1、热喷焊工艺的一般特点,采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙、这就是热喷焊技术。,根据采用的热源不同，热喷焊技术有：氧乙炔火焰喷焊和等离子喷焊两种。,基本特点,a)热喷焊组织致密，冶金缺陷很少，与基材结合强度高;,b)热喷焊材料必须与基材相匹配，喷焊材料和基材比热喷涂窄得多；,原因,1）喷焊材料需能够润湿基材；2）必须与基材相容，即它们在液

10、相和固相下必须有一定的溶解度；3）基材的熔点应高于喷焊材料的熔点，否则易导致基材塌陷或损坏；4）喷焊材料在凝固结晶过程中应不会产生热裂纹，或使基材热影响区产生裂纹。,因此，热喷焊工艺只能适合于一些特定的金属材料（包括基材和粉末）,C)热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多；,温度高，导致基材变形大。因此，对于一些形状复杂、易热变形的零件，无法使用热喷焊技术。,d)热喷焊层的成分与喷焊材料的原始成分会有一定差别；,由于基体表面会少量熔化，并与喷焊材料形成合金，导致成分差异。一般将基材熔入喷焊层中的重量百分含量称为喷焊层的稀释率。,2.2、氧乙炔火焰喷焊,采用氧乙炔火焰作为喷焊热源的工艺。,2.3、

11、等离子喷焊,等离子喷焊技术是采用等离子弧作为热源加热基体，使其表面形成熔池，同时将喷焊粉末材料送入等离子弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半熔化状态，被焰流喷射至熔池后，充分熔化并排出气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池凝固、形成喷焊层的工艺过程。,等离子喷焊技术的主要特点：,(1)生产效率高 因为等离子喷焊温度高、传热率大，因此喷焊速度高，生产率也较高，并能顺利地进行难熔材料的喷焊；,(2)稀释率低 为保持喷焊层的性能，要求基体材料熔入喷焊层的比例少；即稀释率低；5,(3)工艺稳定性好易实现自动化,(4)喷焊层成分、组织均匀 喷焊层平整光滑，尺寸可以得到较精确地控制，可获得0.258mm之间任意

12、厚度的喷焊层。,2.4、常用热喷焊材料,第三节：堆焊工艺及特点,堆焊是在零件表面熔敷上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。,堆焊的物理本质与一般的熔焊工艺无区别。只是堆焊的目的不是为了起连接作用，而是为了发挥堆焊层的优良性能。,热喷焊也属于堆焊技术的范畴，只是热喷焊采用的是粉末填充材料，而常规堆焊一般采用线材或焊条。,堆焊的优势在于熔敷效率比热喷焊要高，但是稀释率比热喷焊大得多。,3.1、堆焊层的形成和控制,.堆焊层的形成,由于堆焊材料与基材成分不同，必定会产生一层性能和组织与基材和堆焊层都不相同的过渡层。该过渡层如果是脆性的，将使性能恶化。,.相容性,取决于互溶性及是否产生脆性金

13、属间化合物；还需考虑两者之间的熔化温度、膨胀系数、热导率和比电阻等物理性能的差异。,3.熔合区的成分、组织与性能,熔合区即堆焊层与基体之间的分界区，一般包括熔合线和结晶过渡区段。,由于熔焊区内各层的结晶特点不同，可能由于成分的变化形成性能不良的过渡层，如在低碳钢上堆焊合金钢焊层，经回火后过渡层中的含碳量大大增加，形成大量脆性金属化合物，导致焊层开裂。,堆焊过程中应尽量避免或控制过渡层的产生和长大。尽量采用能抑制脆性相产生的元素。,如选用含有大量的奥氏体形成元素的奥氏体堆焊材料。,4.稀释率,稀释率强烈地影响堆焊层的成分和性能。,稀释率主要通过控制堆焊工艺参数，如堆焊功率、堆焊速度、焊道间距等来

14、控制。,另外，在堆焊过程中向熔池中补加填充金属，也可以降低稀释率。,5.内应力,堆焊耐磨层通常不做消除应力处理，所以在堆焊过程中由于热膨胀或收缩引起的残余应力可能是难以克服的。,这些应力是否引起变形或开裂，在很大程度上取决于堆焊金属和基材的强度和塑性。对工件进行焊前预热和焊后缓冷以及采用堆焊底层方法，可以减少堆焊层内应力。,3.2、堆焊技术的应用特性,通过正确设计堆焊层的合金体系，可以获得抗磨损、冲击、腐蚀、擦伤和气蚀等多种性能的堆焊层，,手弧焊：3kg/h;双带极埋弧焊：68kg/h；,3.3、堆焊工艺方法,各种焊接方法都可以用来进行堆焊.,常用堆焊的工艺方法可分为氧乙炔焰堆焊、手工电弧堆焊

15、、钨极氩弧堆焊、熔化极气体保护电弧堆焊、埋弧堆焊、等离子弧堆焊和电渣堆焊等。,堆焊材料通常呈棒状、管状、带状，焊剂可以装在管芯内或作为焊条药皮包覆在外层使用。,3.4、堆焊材料,1类 型,包括：铁基、镍基、钴基、铜基和碳化钨复合堆焊材料等,铁基合金：含C量的变化-珠光体，M，耐磨。钴基、镍基堆焊合金价格较高，由于高温性能好，耐腐蚀，主要在要求高温磨损、高温腐蚀的场合使用。铜基堆焊材料具有较好的耐大气、耐海水和耐各种酸碱溶液的腐蚀，并能减少金属间的摩擦系数。碳化钨金属陶瓷堆焊层在耐严重磨料磨损和工具堆焊中占有重要地位。这类合金硬度高，但脆性大，容易破裂剥落。加入一定质量分数的钴可以降低熔点，增加韧性。,2选择堆焊合金的原则,满足使用要求、经济性和工艺可行性。,步骤,1.分析工作条件，确定失效类型及其堆焊层的要求；2.选择几种可供采用的堆焊合金和堆焊方法；3.分析这些堆焊合金与基材的相容性，同时考虑热应力和开裂性；4.堆焊零件进行试验分析；5.根据使用寿命和成本进行评价，选出堆焊材料和堆焊方法的最佳方案；6.制定严密的堆焊工艺。,