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热喷涂、喷焊与堆焊-PPT.ppt
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1、热喷涂、喷焊与堆焊Particle or Droplet generationAcceleratingHeatingSplat formation:Impact,flatteningSolidification 热喷涂原理热喷涂原理2典型热喷涂系统3(1)可在各种基材上制备各种涂层;(2)基材温度低(30 200),热影响区浅,变形小;(3)涂层厚度范围宽(0.5 5mm);(4)操作灵活,可在不同尺寸和形状的工件上喷涂;(5)加热效率低,喷涂材料利用率低,(6)涂层与基体结合强度低。2 热喷涂技术的特点热喷涂技术的特点41 喷涂材料的分类和要求 热喷涂材料按材料的形态分线材、棒材和粉末三大类
2、。3、热喷涂材料、热喷涂材料5热喷涂材料分类热喷涂材料分类(金属类)6热喷涂材料分类热喷涂材料分类(非金属类)7(1)热稳定性好,在高温焰流中不升华,不分解。(2)有较宽的液相区,使熔滴在较长时间内保持液相。(3)与基材有相近的热膨胀系数,以防止因膨胀系数相差过大产生较大的热应力。(4)喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的浸润性,以保证涂层与基材之间有良好的结合性能。(5)一定的形状与尺寸(线材13mm,粉末1100um)热喷涂材料的要求热喷涂材料的要求8大家有疑问的,可以询问和交流大家有疑问的,可以询问和交流可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点可以互相讨论下,但要小声点可以互
3、相讨论下,但要小声点9(1)喷涂材料被加热到熔融状态。(2)喷涂材料被雾化成微小熔滴并高速撞击基体表面,撞击基体的颗粒动能越大和冲击变形越大,形成的涂层结合越好。(3)熔融的高速粒子在冲击基材表面后发生变形,冷凝后形成涂层。4 涂层形成过程涂层形成过程10n n 式中:为粉末在焰流中的运动距离;式中:为粉末在焰流中的运动距离;l l为平均边界层的热导率;为平均边界层的热导率;D D为平均边界层的温度梯度;为平均焰流速度;为粉末材为平均边界层的温度梯度;为平均焰流速度;为粉末材料的熔化潜热;为粉末的平均直径;料的熔化潜热;为粉末的平均直径;m m为平均焰流黏度;为为平均焰流黏度;为粉末密度。粉末
4、密度。在涂层粉末熔化过程中,将材料参数及有关变量,如在涂层粉末熔化过程中,将材料参数及有关变量,如热导率、熔化温度等,统一纳入到加热条件及气流动力学热导率、熔化温度等,统一纳入到加热条件及气流动力学方程中,可得到以下不等式。方程中,可得到以下不等式。11 如右图所示如右图所示如右图所示如右图所示是等离子喷涂钼是等离子喷涂钼是等离子喷涂钼是等离子喷涂钼涂层显微结构形涂层显微结构形涂层显微结构形涂层显微结构形貌图,大小不一貌图,大小不一貌图,大小不一貌图,大小不一的扁平颗粒、未的扁平颗粒、未的扁平颗粒、未的扁平颗粒、未熔化的球形颗粒、熔化的球形颗粒、熔化的球形颗粒、熔化的球形颗粒、夹杂和孔隙组成。
5、夹杂和孔隙组成。夹杂和孔隙组成。夹杂和孔隙组成。5.涂层结构涂层结构12 涂层性能具有方向性,垂直和平行涂层方向上的性能不一致。涂层中伴有氧化物等夹杂,存在部分孔隙,孔隙率420。涂层是由无数变形粒子互相交错堆叠在一起,形成一层堆积而成的层状结构。13 涂层内有一定比例的孔隙,产生原因是:(1)未熔化颗粒的低冲击功能;(1)喷涂角度不同造成的遮蔽效应;(2)凝固收缩和应力释放效应 缺点:孔隙将降低涂层的硬度、耐磨性和耐蚀性。优点:但孔隙可以储存润滑剂,提高涂层的隔热性能,减小内应力并因此增加涂层厚度,提高涂层抗热震性能,提高涂层的可磨耗性能。14 6 热喷涂中的相变 相对基体来说,熔滴尺寸非常
6、小,冷却速度可达106 K/s,冷却后会形成非晶态或亚稳相,完全不同于同样材料在轧制态或铸态的组织结构。15 涂层冷却凝固时,会伴随着收缩过程,颗粒内部会产生张应力而在基体表面产生压应力。结果使涂层内部产生残余张应力,应力大小与涂层厚度成正比,当张应力超过涂层与基材之间结合强度时,涂层就会发生破坏。7 涂层应力涂层应力 16 涂层应力涂层应力n n由于涂层应力与厚度的关系,热喷涂层的最佳厚度一般不超过0.5mmn n 残余应力:致密涂层 疏松涂层n n涂层应力大小可通过调整工艺参数而部分控制,但更有效的方法是采用梯度过渡层缓和涂层应力17 减少涂层残余应力措施减少涂层残余应力措施:(1)减小涂
7、层厚度;(2)调整喷涂工艺参数;(3)采用较疏松涂层;(4)采用梯度过渡层缓和涂层内应力 18 包括涂层与基材之间、涂层中颗粒与颗粒之间的结合,结合形式有:(1)机械结合:撞成扁平状的颗粒和凸凹不平的基材表面互相嵌合(即抛锚效应)而结合在一起。8 涂层的结合强度涂层的结合强度19(2)物理结合:熔融粒子的原子与基材表面原子之间距离达到晶格常数范围时,产生范德华力,形成物理结合。(3)冶金结合:熔融粒子撞击基材表面时释放出的能量使喷涂材料与基材之间发生局部扩散和焊合,形成冶金结合。如喷涂镍包铝复合粉末时的放热反应。热喷涂的涂层与基材的结合主要以机械结合为主,结合强度较差(85MPa)。2)涂层致
8、密(最高密度可达99.9)。3)工件表面温度低。4)效率非常低,运行成本高,只用于含碳化物涂层的喷涂。爆炸喷涂特点爆炸喷涂特点491)航空发动机钛合金风扇叶片阻尼台上用爆炸喷涂0.25mn厚的WC,寿命提高10倍;2)燃烧室的定位卡环上喷一层0.12mm厚Cr3C2,寿命提高7倍。爆炸喷涂应用爆炸喷涂应用50l超音速火焰喷涂原理超音速火焰喷涂原理 原理与普通火焰喷涂类似,只是多了一个使喷涂火焰达到超音速的机构5.超音速火焰喷涂(High Velocity Oxygen Fuel,简称,简称HVOF)51521)焰流速度高但温度相对较低,适合喷涂含碳化物材料。2)涂层致密(99.9),表面粗糙度
9、低。3)结合强度略低于爆炸喷涂,达70MPa以上。4)喷涂效率高,但燃料消耗大,喷涂成本比较高。;5)噪音大(120dB),需有隔音和防护装置。(3)超音速喷涂的特点)超音速喷涂的特点536.各种热喷涂方法比较各种热喷涂方法比较54(1)对涂层结合力要求不高,喷涂材料熔点2500,可采用火焰喷涂。(2)对涂层性能要求较高,喷涂高熔点材料时时,应采用等离子喷涂。(3)工程量大的金属喷涂施工最好采用电弧喷涂。(4)要求高结合力、低孔隙度的金属、合金及以某些金属陶瓷涂层可采用超音速火焰喷涂。(5)对于批量大的工件,宜采用自动喷涂。7、喷涂工艺的选择原则、喷涂工艺的选择原则55 三、常用热喷涂材料n热
10、喷涂材料按形状分为粉末和线材n热喷涂材料按化学组成分为金属热喷涂材料、陶瓷热喷涂材料、塑料热喷涂材料、热喷涂用复合粉末材料。56 l热喷涂材料的选材原则热喷涂材料的选材原则n(1)要把实用性、工艺性和经济性结合起来考虑,尽量选择合理的喷涂材料。n(2)对于重要的部件以获得最优涂层性能为准则;不十分重要的部件则以获得最大的经济效益为准则。n(3)根据工件的工作环境选择合适的工作涂层。n(4)为满足喷涂工件的使用要求,可采用复合涂层和梯度涂层。571 金属热喷涂材料n金属热喷涂材料一般有线材和粉末两种形式。线材用拉拔法制造,而粉末一般用雾化法制造。n由于粉末材料表面积大,氧化程度高,所以在方便的条
11、件下推荐采用线材。但粉末制造方法简单、灵活,材料成分不受限制,因此小批量热喷涂时一般采用粉末材料。n常用热喷涂金属材料见书P105106582 陶瓷热喷涂材料n陶瓷热喷涂材料最主要形式是粉末,制造方法有熔融破碎、化学共沉淀、喷雾干燥等。另外,将陶瓷粉末烧结制成陶瓷棒可直接喷涂,但成本相对较高,因此应用较少。n热喷涂用陶瓷材料主要集中在氧化物陶瓷材料上,因为非氧化物陶瓷材料在喷涂过程中易挥发或分解。n常用陶瓷热喷涂材料见书P10659 3 塑料热喷涂陶瓷材料n热喷涂塑料涂层特点比传统塑料涂层成本低、投资少涂层厚度与工作场地无限制,不含溶剂,符合环保要求采用的塑料涂层材料熔化温度范围应较宽、粘度较
12、低、热稳定性应好,一般采用粉末形式n常用塑料热喷涂材料见书P107604 热喷涂用复合粉末材料n热喷涂用复合材料分为两种热喷涂用复合材料分为两种一类是为适应热喷涂工艺而制备的符合材料,例如,一类是为适应热喷涂工艺而制备的符合材料,例如,为防止碳化钨材料在喷涂过程中氧化分解而制备为防止碳化钨材料在喷涂过程中氧化分解而制备的镍包碳化钨复合粉末材料,他们是当前热喷涂的镍包碳化钨复合粉末材料,他们是当前热喷涂用复合材料的主流用复合材料的主流另一类是通过增强相增强涂层性能的复合材料,如另一类是通过增强相增强涂层性能的复合材料,如纤维增强涂层材料,这类材料目前还在研究探索纤维增强涂层材料,这类材料目前还在
13、研究探索过程中过程中n常用热喷涂复合材料见书常用热喷涂复合材料见书P107611 喷涂耐腐蚀涂层喷涂耐腐蚀涂层(1)不不锈锈钢钢涂涂层层:不不锈锈钢钢电电极极电电位位比比铁铁高高,易易在在涂涂层层孔孔隙隙处处 形形成成原原电电池池,加加剧剧铁铁基基体体腐腐蚀蚀,所所以以喷喷涂涂后后必必须须封封孔孔处处理理。类似的涂层材料还有镍合金、蒙乃尔合金、青铜等金属涂层。类似的涂层材料还有镍合金、蒙乃尔合金、青铜等金属涂层。(2)铝铝、锌锌及及其其合合金金涂涂层层:锌锌、铝铝的的腐腐蚀蚀电电极极电电位位高高于于铁铁,腐腐蚀蚀介介质质首首先先腐腐蚀蚀锌锌和和铝铝,而而使使铁铁基基体体作作为为阴阴极极得得到到
14、保保护护,可用于桥梁、海洋钻井平台等。可用于桥梁、海洋钻井平台等。(3)塑塑料料涂涂层层:用用于于化化工工、食食品品等等行行业业。(例例如如葡葡萄萄酒酒低低温温发发酵酵罐罐内内壁壁喷喷涂涂聚聚乙乙烯烯涂涂层层,有有效效的的防防止止了了罐罐壁壁的的点点蚀蚀,控控制了酒中铁离子含量)制了酒中铁离子含量)四、热喷涂技术的应用四、热喷涂技术的应用62n喷涂耐磨涂层的应用:喷涂耐磨涂层的应用:(1)在机械零件表面喷涂耐磨涂层,延长零件的使用寿命 (2)修复磨损失效的机械零件2 2 喷涂耐磨涂层喷涂耐磨涂层63n不同环境下的耐磨涂层不同环境下的耐磨涂层(1)纺织、造纸、和印刷等行业,机械零件与布匹、面纱、
15、纺织、造纸、和印刷等行业,机械零件与布匹、面纱、纸张等纤维制品摩擦,导致磨损。采用等离子喷涂氧化纸张等纤维制品摩擦,导致磨损。采用等离子喷涂氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层(2)遭遇磨料磨损的机械部件如泥浆泵活塞杆、螺旋送料器遭遇磨料磨损的机械部件如泥浆泵活塞杆、螺旋送料器等零件,要求涂层硬度超过磨料硬度,采用超音速火焰等零件,要求涂层硬度超过磨料硬度,采用超音速火焰喷涂或爆炸喷涂技术喷涂镍基或钴基碳化钨涂层。喷涂或爆炸喷涂技术喷涂镍基或钴基碳化钨涂层。(3)对于在冲蚀和气蚀环境条件下工作的水轮机、抽风机、对于在冲蚀和气蚀环境条件下工作的水轮机、抽风机、旋风除尘器等的零件,
16、要求涂层硬度高、韧性好,采用旋风除尘器等的零件,要求涂层硬度高、韧性好,采用等离子喷涂超细氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层,或选等离子喷涂超细氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层,或选用超音速火焰喷涂或爆炸喷涂技术喷涂钴基碳化钨复合用超音速火焰喷涂或爆炸喷涂技术喷涂钴基碳化钨复合涂层。涂层。64(4)在配合件的接触运转中可采用可磨耗涂层,可磨)在配合件的接触运转中可采用可磨耗涂层,可磨 耗涂层能自动形成所必须的间隙,提供最佳的密封状耗涂层能自动形成所必须的间隙,提供最佳的密封状态。可磨耗涂层一般采用等离子喷涂或火焰喷涂,涂态。可磨耗涂层一般采用等离子喷涂或火焰喷涂,涂层成分由金属基体和非金属填料组成。层成
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