1、熱噴涂無機涂層 熱噴涂原理熱噴涂原理 l熱噴涂是采用各種熱源使無機涂層材料加熱熔化或半熔化;l然后用高速氣體使無機涂層材料分散細化并高速撞擊到基體表面;l形成無機涂層的工藝過程。 熱噴涂原理示意圖熱噴涂原理示意圖 從噴涂材料進入熱源形成無機涂層從噴涂材料進入熱源形成無機涂層經歷四個階段經歷四個階段 l噴涂材料的加熱、熔化：對于線材，當端部進入熱源高溫區域時，立即被加熱熔化；對于粉末，進入熱源高溫區域，在行進的過程中被加熱熔化或軟化。l熔化的噴涂材料被霧化：線材端部熔化形成的熔滴在外加壓縮氣流或熱源自身射流作用下脫離線材，并霧化成微細熔滴向前噴射：粉末一般不存在熔粒被進一步破碎和霧化的過程，而是

2、被氣流或熱源射流推著向前噴射。l熔融或軟化的微細顆粒的噴射飛行：在飛行過程中，顆粒首先被加速形成粒子流，隨飛行距離增加，粒子運動速度逐漸減小。l粒子與基材表面發生碰撞、變形、凝固和堆集：當具有一定溫度和速度的微細顆粒與基體表面接觸時，顆粒與基材表面產生強烈的碰撞，顆粒的動能轉化為熱能并部分傳遞給基材，同時微細顆粒沿凸凹不平表面產生變形，變形的顆粒迅速冷凝并產生收縮、呈扁平狀黏結在基材表面。噴涂的粒子束連續不斷的運動并沖擊表面，產生碰撞變形冷凝收縮的過程，變形的顆粒與基材之間，以及顆粒與顆粒之間互相黏結在一起，從而形成了無機涂層。無機涂層形成過程示意圖 熱噴涂發展歷史熱噴涂發展歷史l熱噴涂技術由

3、瑞士科學家肖普（Schoop）博士于1910年發明，1920年后出現了電弧噴涂技術。l20世紀50年代后期，為滿足航空、原子能、導彈、火箭等尖端技術對于高熔點、高強度無機涂層的迫切要求，美國相繼發明了爆炸噴涂和離子噴涂。l20世紀80年代以來，低壓等離子噴涂和超音速火焰噴涂也相繼問世。熱噴涂技術在自身不斷發展與完善的同時，在各個應用領域也取得了很大的成就。l例如美國PWA飛機發動機公司對2800多個發動機零部件的48種材料進行熱噴涂，使發動機的大修期從4000小時延長到16000小時以上。 熱噴涂工藝分類熱噴涂工藝分類l根據所使用的熱源不同，一般將熱噴涂工藝分為：l燃燒法；l電加熱法。 熱噴涂

4、工藝的分類 常用的熱噴涂技術是線材火焰噴涂、粉末火焰噴涂、常用的熱噴涂技術是線材火焰噴涂、粉末火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂和超音速火焰噴涂技電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂和超音速火焰噴涂技術。下圖給出了各種熱源的典型噴槍特征。術。下圖給出了各種熱源的典型噴槍特征。 熱噴涂技術的特點熱噴涂技術的特點熱噴涂可在各種基體上制備各種材質的無機涂層 金屬、陶瓷、金屬陶瓷以及工程塑料等都可用作熱噴涂的材料；而金屬、陶瓷、金屬陶瓷、工程塑料、玻璃、石膏、木材等幾乎所有固體材料都可以作為熱噴涂的基材；l基體溫度低 基體材料溫度一般在30200之間，因此變形小，熱影響區淺；l操作靈活 可噴涂各種規格

5、和形狀的物體，特別適合于大面積噴涂，并可在野外作業；l無機涂層厚度范圍廣 從幾十微米到幾毫米的無機涂層都能制備，且容易控制；l噴涂效率高，成本低，噴涂時生產效率為每小時數公斤到數十公斤。 熱噴涂技術的局限性熱噴涂技術的局限性l熱噴涂技術的局限性主要體現在l熱效率低；l材料利用率低；l浪費大；l和無機涂層與基材結合強度較低。l盡管如此，熱噴涂技術仍然以其獨特的優點獲得了廣泛的應用。 熱噴涂材料的技術要求熱噴涂材料的技術要求l熱噴涂材料最好有較寬的液相區，因為無機涂層材料需要熔化后才能噴涂到基體上去，而較寬的液相區可以使熔滴在較長的時間內保持液相。一般金屬材料和氧化物陶瓷材料都適合熱噴涂技術。但如

6、果材料在高溫下易分解或揮發，則不適合用熱噴涂技術噴涂無機涂層。l其次，對無機涂層材料的形狀與尺寸也有要求。一般噴涂用材料都必須是線材或粉末材料。線材的規格一般為13mm，而粉末為1100m之間。用來生產線材和粉末材料的方法都可以用來生產噴涂用線材和粉末。l粉末材料熱噴涂的重要特點是材料成分可按任何比例調配，組成復合粉末，獲得某些特殊性能的無機涂層。l線材由于受加工性能的限制，只有塑性好的材料才可以制造成線材。 常用熱噴涂材料常用熱噴涂材料l雖然熱噴無機涂層適合的材料范圍很廣泛，但是由于熱噴涂技術工藝的特殊性，對熱噴涂材料仍有一定的限制。常用熱噴涂材料集中在以下范圍內：l金屬熱噴涂材料l金屬熱噴

7、涂材料一般有線材和粉末兩種形式。線材是用普通的拉拔方法制造的，而粉末一般是用霧化法制造的。由于粉末材料表面積大，氧化程度高，所以在方便的條件下推薦采用線材。但粉末制造方法簡單、靈活，材料成分不受限制，因此小批量熱噴涂時一般采用粉末材料。l陶瓷熱噴涂材料l陶瓷熱噴涂材料最主要的形式是粉末，制造方法有熔融破碎、化學共沉積、噴霧干燥等。另外，將陶瓷粉末燒結制成陶瓷棒可直接噴涂，但成本相對較高，因此應用很少。常用金屬熱噴涂材料 金屬無機涂層材料種類 鐵基合金 低碳鋼材料高碳鋼材料不銹鋼材料鎳基合金 鎳鉻合金鎳銅合金鎳鉻鋁釔鈷基合金 鈷鉻鎢（司太立合金）鎳鉻鋁釔銅基合金 純銅（紫銅）常用的陶瓷熱噴涂材料

8、 陶瓷無機涂層材料種類 氧化鋁基材料 氧化鋁氧化鋁-氧化鈦氧化鉻 氧化鉻氧化鋯 氧化鋯-氧化鈣氧化鋯-氧化鎂氧化鋯-氧化釔莫來石莫來石尖晶石尖晶石鋯英石鋯英石 塑料熱噴涂材料塑料熱噴涂材料l熱噴涂塑料涂層比傳統的刷涂、靜電噴涂、流化床噴涂塑料無機涂層的成本低、投資少，無機涂層厚度與工作場地無限制，不含溶劑，符合環保要求。l采用的塑料涂層材料熔化溫度范圍應較寬、粘度較低、熱穩定性好，一般采用粉末形式。 熱噴涂用復合粉末材料熱噴涂用復合粉末材料l熱噴涂用復合材料分為兩種：l一種是為適應熱噴涂工藝而制備的復合材料，例如，為防止碳化鎢材料在噴涂過程中氧化分解而制備的鎳包碳化鎢復合粉末材料，它們是當前熱

9、噴涂用復合材料的主流：l另一類是通過增強相增強無機涂層性能的復合材料，如纖維增強無機涂層材料，這類材料目前還在研究探索過程中。l從形式上看，熱噴涂復合材料分為復合絲材和復合粉末材料。 熱噴涂無機涂層形成過程熱噴涂無機涂層形成過程l無機涂層形成的大致過程是：l無機涂層材料經加熱熔化和加速撞擊基體冷卻凝固形成無機涂層。l其中無機涂層材料的加熱、加速和凝固過程是三個最主要的方面。 熱噴涂無機涂層熱噴涂無機涂層l無機涂層材料的熔化非常關鍵，一般希望所有無機涂層材料都完全熔化并一直保持到撞擊基體表面之前，并且不發生揮發，一些簡單的模型可以描述熱氣流中固體粉末的熔化過程。l將材料參數及有關變量，如熱導率、

10、熔化溫度等，統一納入到加熱條件及氣流動力學方程中，可以得到不等式：l式中，S為粉末在焰流中的運動距離；為平均邊界層的熱導率；T為平均邊界層的溫度梯度；V為平均焰流速度；為平均焰流粘度；L為粉末材料的熔化潛熱；D為粉末的平均直徑；P為粉末密度。PDLVS16)(222 熱噴涂工藝熱噴涂工藝l無機涂層材料的噴涂速度主要由焰流速度決定，同時也與材料的粒度有關。噴涂材料在飛行速度最大時撞擊基體的顆粒動能與沖擊變形最大，形成的無機涂層結合較好。因此，調整噴嘴與工件的距離到最佳位置非常重要。l熔滴撞擊基材后擴展成薄膜，撞擊時的高速度有助于熔滴的擴展，但會因為表面張力或凝固過程而停止擴展，并凝固成一種扁平的

11、薄餅狀結構。l如果顆粒有部分未熔，則未熔部分會從基板反彈出來，留下空洞或包裹在無機涂層中形成類似于“夾雜”的組織。l如果液滴過熱，則撞擊基體時溫度過高、液滴粘度太低，會造成“噴濺”現象，即熔滴擴展后不會立即凝固，而是邊緣變厚，趨于破裂，脫離中心液滴并收縮、凝固成許多小球狀液滴。l熱噴涂工程中的未熔和過熔都是噴涂過程中應避免的。 熱噴涂無機涂層結構熱噴涂無機涂層結構l左上圖是等離子鉬無機涂層微觀結構l可見無機涂層由大小不一的扁平顆粒，未熔化的球形顆粒、夾雜和孔隙組成。l幾乎所有熱噴無機涂層都具有上述相同的特征，差別只在于尺寸的大小和數量的多少。圖中的黑色細長物為夾雜，它是由于噴涂過程中熔滴發生氧

12、化而形成氧化膜，最后以夾雜形式存在于無機涂層中。l未熔化顆粒也會在無機涂層中形成夾雜。夾雜一般來說會損壞無機涂層的結合強度。但有些夾雜也有有利一面，如含鉬無機涂層中形成的氧化鉬具有減摩作用，含鈦無機涂層中形成的氮化鈦硬度很高具有耐磨作用。l熱噴無機涂層一般都會有一部分孔隙（0.025%50%），其產生原因主要有三個：第一是未熔化顆粒的低沖擊動能；第二是噴涂角度不同時造成的遮蔽效應；第三是凝固收縮和應力釋放效應。無機涂層中的孔隙特別是穿孔將損壞無機涂層的耐腐蝕性能，增加無機涂層表面加工后的粗糙度，降低無機涂層的結合強度、硬度、耐磨性。但是，孔隙可以貯存潤滑劑，提高無機涂層的隔熱性能，減少內應力并

13、因此增加無機涂層厚度，以及提高無機涂層抗熱震性能。此外，孔隙還有助于提高無機涂層的可磨耗性能，特別適合于可磨耗封嚴無機涂層中。 熱噴涂中的相變熱噴涂中的相變l噴涂過程中熔滴撞擊基體冷卻凝固形成無機涂層。l相對基體來說，熔滴尺寸非常小，冷卻速度可以達到106K/s，冷卻后會形成非晶態或亞穩相，完全不同于同樣材料在軋制態或鑄態的組織結構。l在高溫環境下使用時，無機涂層的這些亞穩態結構會向穩定相轉變，或發生分解。有些相變甚至會產生相變應力，導致無機涂層破壞，因此在設計無機涂層時應引起注意。l例如-AL2O3材料硬度高耐磨性好，但是-AL2O3材料的等離子噴無機涂層，由于快速凝固，形成的是-AL2O3

14、無機涂層，其性能特點不同于-AL2O3材料。 熱噴涂無機涂層應力熱噴涂無機涂層應力l大部分無機涂層材料的冷卻凝固伴隨著收縮過程。當熔滴撞擊基體并快速冷卻、凝固時顆粒內部會產生張應力，其大小與無機涂層厚度成正比。無機涂層厚度達到一定程度時，無機涂層內的張應力超過無機涂層與基體的結合強度或無機涂層自身的結合強度時，無機涂層就會發生破壞。l薄無機涂層一般比厚無機涂層更加經久耐用。高收縮材料如某些奧氏體不銹鋼易產生較大的殘余應力，因此不能噴涂厚的無機涂層。由于無機涂層應力的限制，熱噴無機涂層的最佳厚度一般不超過0.5mm。l噴涂方法和無機涂層結構也影響無機涂層的應力水平。致密無機涂層中的殘余應力要比疏

15、松無機涂層的要大。無機涂層應力大小還可以通過調整噴涂工藝參數而部分控制，但更有效的辦法是通過無機涂層結構設計，采用梯度過度層緩解無機涂層應力。 無機涂層的結合強度無機涂層的結合強度l熱噴涂無機涂層中，無機涂層與基體的結合機理主要為機械結合或稱“拋錨作用”，即最先形成的薄片狀顆粒與基體表面凹凸不平處產生機械咬合，隨后飛來的顆粒敷在先到的顆粒表面，依照次序堆疊鑲嵌，形成以機械結合為主的噴無機涂層。l此外，噴涂過程中顆粒在撞擊到基體時釋放出大量能量，使基體表面局部達到瞬時高溫，導致無機涂層材料與基體之間發生局部擴散和焊合，形成冶金結合。例如用具有放熱反應效應的鎳包鋁復合粉末噴涂時鎳和鋁兩種元素會發生

16、反應形成金屬間化合物，同時釋放出大量熱量，使基體與顆粒接觸表面瞬時達到高溫，無機涂層與基體表面原子相互擴散，形成冶金結合。因為顆粒撞擊無機涂層時冷卻速度非常快（106K/s），擴散反應過程非常短，一般不超過0.5m，所以常稱其為微冶金結合。l機械結合為主的結合機理決定了熱噴涂無機涂層的結合強度比較差，只相當于其母體材料的5%30%強度，最高也只能達到70Mpa。 熱噴涂工藝方法熱噴涂工藝方法l不同的熱噴涂工藝，盡管所用的熱源、設備、無機涂層材料、工藝參數和環境氣氛不同，但都必須要把無機涂層材料熔化、霧化，然后以一定的速度噴射到經過預處理的基體表面形成無機涂層。l因此，各種工藝的工序流程是大體相

17、同的，基本上包括基體的預處理、噴涂施工、無機涂層后處理及精加工等步驟。 基體的預處理基體的預處理l基體的預處理的目的是獲得新鮮、清潔、有活性的表面，即凈化、粗化、活化的表面，以增大與噴射粒子和無機涂層的粘結強度。l由于熱噴涂無機涂層的粘結是以機械嵌合和粘合為主，因此，無機涂層與基體的粘結強度直接受到基體表面狀態，即表面預處理的影響和制約。l表面預處理質量的好壞直接決定噴涂工藝和無機涂層的成敗。 基體的預處理基體的預處理l常用的表面預處理方法：l清洗、l除油、l噴砂、l車螺紋或滾花、l電拉毛。 金屬基體的清洗、除油金屬基體的清洗、除油l可采用工業汽油、航空煤油、四氯化碳、甲苯和丙酮等有機溶劑及合

18、成水基防銹清洗劑，對工件進行清洗除油。可以擦洗、刷洗、浸洗和噴洗，也可以用酸液或堿液浸洗，工件清洗除油后，應即時用清水洗凈或用丙酮去濕。對于大批量生產的工件的清洗除油，最好采用三氯乙烯蒸汽除油。l對于鑄鐵件、多孔件和具有窄縫的工件內的油污，可采用爐內加熱或用火焰加熱的方法，讓油污流出燃燒。加熱溫度為300350，溫度不宜過高，否則會使工件組織發生變化或使工件變形。l如油污過多，可反復進行清洗，直至無油污滲析斑點為止。同時，要及時將油污燃燒產生的炭黑清洗干凈。 粗化處理粗化處理l表面粗化可以凈化表面、增大結合面積、構成無機涂層顆粒互鎖的結構，提供表面壓應力。l粗化處理可以顯著地使無機涂層與無機涂

19、層之間以及無機涂層與基體之間的結合強度得到強化。l表面粗化的方法主要有：噴砂（或噴丸），加粘結底層以及宏觀粗化。 噴砂處理噴砂處理l基體表面的噴砂預處理是采用高硬度的磨料顆粒高速噴射基體表面，對基體表面產生沖刷、鑿削和錘擊作用，以除去基體表面的鐵銹、鱗皮、毛刷、焊渣、舊陶瓷無機涂層等污物，并形成具有相當粗糙度的基體表面，使金屬基體裸露出活性新鮮的活性表面，同時產生凈化、粗化和話化效果。l常用的噴砂磨料有氧化鋁、鐵砂、鋼砂、碳化硅和金剛砂和鐵砂等，噴砂介質的選擇取決于基體的材質和硬度。砂粒粒度的大小主要取決于所需要的表面粗糙度，也與磨料的硬度、無機涂層的厚度和噴砂用空氣壓力等因素有關。實際使用的

20、粒度范圍通常分為三擋：粗砂（0.62.0mm，-10+30目），中粗砂（0.4251.4mm，-14+40目），細砂（0.180.6mm，-30+80目）。l無機涂層厚度超過0.25mm時推薦采用粗砂，以提高基體的表面粗糙度獲得最佳的結合強度；當無機涂層厚度小于0.25mm時要求基體表面的粗糙度比較均勻時，則宜采用中粗砂。細砂噴砂時，單位時間單位面積上沖擊基體表面的磨料數目和接觸面積均大，因而噴砂效率高，但表面粗糙度小；反之，磨料粒度大噴砂效率低，表面粗糙度增大。l噴砂用磨料必須清潔、干燥、有棱有角，使用過且受到污染的磨料不能再用。 噴涂粘結底層噴涂粘結底層l在基體金屬上噴涂陶瓷無機涂層時，為

21、改善基體金屬與陶瓷無機涂層之間的結合力，一般都要噴涂一層粘結底層。粘結底層具有如下的特性：la.“自粘結”效應 在等離子焰流的高溫下，無機涂層材料的不同組分間能發生放熱化學反應，使無機涂層與基體形成微區冶金結合。最典型和應用最廣的“自粘結”無機涂層材料是Ni-Al復合粉末。lb.“粗化”效應 熱噴涂的自粘結無機涂層表面非常粗糙，甚至比噴砂處理的粗化效果更好，因而陶瓷無機涂層能與之形成更強的機械嵌合，可不再對基體進行噴砂預處理。lc.“簾柵屏蔽”效應 自粘結底層具有比基體材料更好的抗氧化能力和耐蝕性能，因而能在陶瓷無機涂層與基體之間起“屏蔽簾柵”的隔離作用，能將陶瓷無機涂層由于有孔隙而引起的基體

22、的氧化和腐蝕降至最小。ld.“緩沖效應”自粘結無機涂層的熱膨脹系數介于基體金屬與陶瓷無機涂層之間，且自粘結無機涂層的強韌性好，在機械和熱疲勞的作用下具有足夠的韌性，能對因基體金屬與陶瓷無機涂層的熱膨脹系數不同而產生的應力起“緩沖”作用，減少甚至消除陶瓷無機涂層的應力開裂和剝落。 熱噴涂方法熱噴涂方法l熱噴涂方法有很多。l根據熱源種類、噴涂材料的形狀及噴涂時的工藝特點可分為表11-6所示的多種方法。 火焰熱噴涂工藝火焰熱噴涂工藝l火焰熱噴涂（Flame Speay）是對線材火焰噴涂（Wire Flame Spray）和粉末火焰噴涂（Powder Flame Spray）的總稱。l火焰噴涂一般通過

23、氧-乙炔氣體燃燒提供熱量加熱熔化噴涂材料，通過壓縮氣體霧化并加速噴涂材料，隨后在基體上沉積成無機涂層。l燃燒氣體還可以使用丙烷、氫氣或天然氣等。燃燒氣體的自由膨脹對無機涂層材料加速的效果有限。為了實現噴涂，噴嘴上通有壓縮空氣流或者高壓氧氣流，使熔融材料霧化并加速。在特殊場合下，也可用惰性氣體作壓縮氣流。l根據無機涂層材料形狀的不同，火焰噴涂可分為線材火焰噴涂和粉末火焰噴涂。 線材火焰噴涂原理l線材火焰噴涂的原理示意圖如圖所示。l噴涂用線材送入噴槍后，由噴槍內的驅動輪連續輸送到噴嘴，在噴嘴前端被同軸燃燒氣的火焰加熱而熔化，然后被壓縮空氣霧化并加速，噴涂在基體表面。l除了線材（連續的金屬絲）可以用

24、這種方法噴涂外，棒材（約60cm長的脆性陶瓷棒）和帶材（裝有金屬粉末的柔性塑料管）都可以用同樣的方法進行噴涂。粉末火焰噴涂的原理l粉末火焰噴涂與線材火焰噴涂的不同之處在于噴涂材料不是線材而是粉末，其原理示意圖如圖所示。l用少量氣體將噴涂粉末輸送到噴槍的噴嘴前端，通過燃氣加熱、熔化并加速噴涂到基體表面。在噴嘴前端加上空氣帽，可以壓縮燃燒焰流并提高噴涂速度。l線材火焰噴涂比粉末火焰噴涂便宜，但選材要窄，因為有些材料很難加工成線材。不論線材火焰噴涂還是粉末火焰噴涂，其工藝特點是相同的。 火焰噴涂的原理l火焰噴涂的焰流溫度較低，一般用于金屬材料和塑料的噴涂。l火焰噴涂的優勢在于設備投資少，操作容易，設

25、備可攜帶到現場施工，無電力要求，沉積效率高等。l無機涂層氧含量較高，孔隙較多，無機涂層結合強度偏低，無機涂層質量不高。 電弧噴涂工藝電弧噴涂工藝l電弧噴涂（Arc Spray）的原理示意圖如圖所示，兩根彼此絕緣并加有18-24V直流電壓的線形電極，由送絲機構向前輸送，當兩極靠近時，在兩線頂端產生電弧并使頂端熔化，同時吹入的壓縮空氣使熔化的液滴霧化并形成噴涂束流，沉積在工件表面。l電弧噴涂只能用于具有導電性能的金屬線材，當前主要用于噴涂鋅鋁防腐蝕無機涂層、不銹鋼無機涂層、高鉻鋼無機涂層，用于大型零件的修復和表面強化。l電弧噴涂的無機涂層密度可達70%-90%理論密度，比同樣的火焰噴涂無機涂層要致

26、密，結合強度（1040Mpa）要高。而且電弧噴涂的運行費用較低，噴涂速度和沉積效率都很高，因此是噴涂大面積無機涂層的最佳選擇。 等離子噴涂工藝等離子噴涂工藝l等離子噴涂（Plasma Spray）采用等離子火焰作為熱源對噴涂材料進行加熱。l等離子體是由電離了的原子、分子、離子與電子組成的導電氣體。當氣體中的原子被激發到高能級上，這些原子會釋放出電子并成為帶正電荷的離子，從而組成了導電氣體等離子體。等離子體稱為物質的第四態，它整體呈電中性，但內部導電。l根據電離程度高低，通常將等離子體分為三大類：高溫高壓等離子體，電離度100%，溫度可達幾億度，可用于核聚變；低溫低壓等離子體，電離度不足1%，溫

27、度僅為50250；高溫低壓等離子體，約有1%以上的氣體被電離，具有幾萬度的溫度。熱噴涂所利用的正是這類等離子體。 等離子噴涂工藝等離子噴涂工藝l用于等離子噴涂的等離子體通常由下列一種或幾種氣體混合產生：氬、氦、氮、氫。等離子火焰溫度可達到20000K，遠高于所有材料的熔點和沸點。l但是等離子火焰溫度并不是等離子體高效加熱性能的唯一原因。例如氦氣加熱到13000K還沒有形成等離子體，因此無法 提供噴涂所需的熱能，而氮氣僅需加熱到10000K就分解和電離成等離子體，可以提供噴涂的熱量是氦氣在130000K時的六倍。等離子體提供巨大能量的一個重要原因是分子氣體分解成原子氣體以及電離時發生的能量變化。

28、氬氣、氮氣、氫氣和氦氣的分解和電離能 等離子噴涂工藝等離子噴涂工藝l等離子噴涂設備由電源、電器控制系統、噴槍、氣源和氣路、供粉系統、水冷系統等組成，設備相對比較復雜，價格較貴。l等離子噴槍的的作用是產生等離子火焰并噴射出高速氣流。等離子噴槍由銅陽極嘴和鎢陰極頭組成。l陽極嘴和陰極頭都采用高壓水冷卻。離子氣由陰極流向陽極，經壓縮后從陽極噴射出去。壓縮后的等離子電弧，通過陽極孔道噴出后，離子氣發生急劇膨脹，將壓縮氣流加速到亞音速甚至超音速水平，焰心的最高溫度可達20000-30000。l粉末送入方式有兩種，一種是外送式，即在噴嘴之外的區域送入等離子體焰心中；另一種是內送式，是用送粉管將粉末從噴嘴內

29、部送到等離子火焰中。然后，粉末被迅速加熱、加速，并噴涂到基體表面。等離子噴涂原理示意圖 等離子噴涂原理l等離子噴涂一般在大氣環境下噴涂。為避免噴涂材料的氧化，也可以在充滿低壓保護氣體的真空室內進行，稱為真空等離子噴涂（Vacuum Plasma Spraying VPS）或低壓等離子噴涂（Low Pressure Plasma Spraying，LPPS）。l在真空（低壓）等離子噴涂中的束流密度較低，因此熱能的動能的轉移率較低，對噴涂高熔點材料反而不利。l等離子噴涂的最大優勢是焰流溫度高，噴涂材料適用面廣，特別適合噴涂高熔點材料。l等離子噴無機涂層的密度可達理論密度的85%98%，真空噴涂可達

30、到95%99.5%，結合強度也很高（35-70Mpa），而且無機涂層中夾雜較少，噴涂質量遠優于火焰噴無機涂層。 爆炸噴涂和超音速火焰噴涂爆炸噴涂和超音速火焰噴涂l爆炸噴涂也屬于燃燒噴涂的一種，最早由美國聯合碳化物公司發明。l當時他們只提供噴涂服務，不轉讓專利，其設備和工藝參數至今仍然保密。不過，現在我國和俄羅斯巴頓焊接研究所都能生產這一裝置。l其技術關鍵在于爆炸槍的構造，包括一個長的水冷槍筒，并開有進氣門和送粉口。氧氣和燃料（通常使用乙炔）輸送到槍管內，同時喂入一份噴涂粉末。然后點火器點燃混合氣體，引起燃燒爆炸，使噴涂粉末加熱和加速，并以超音速的速度噴射出槍管，沉積在基體表面。l粉末每噴射一次

31、，就通入一股脈沖氮氣流清洗槍管。此過程重復多次就可獲得無機涂層。現在，爆炸噴涂的頻率已達到60Hz。爆炸噴涂的工藝特性，最大特點是射流速度高。但是采用氧氣-乙炔燃燒爆炸，焰流溫度不很高，因此不適合噴涂陶瓷等高熔點材料。噴涂碳化物類金屬陶瓷（如WC-Co,WC-Ni,Cr2C3-NiCr等）材料時，由于碳化物在高溫時易分解，用等離子噴涂技術很難通過控制工藝參數來防止分解，而火焰噴無機涂層質量差，結合強度低，爆炸噴涂的溫度低，可以有效地抑制碳化物的分解，同時其超音速的噴射速度可以保證獲得高密度，高結合強度的無機涂層。所以爆炸噴涂是噴涂含碳化物金屬陶瓷無機涂層的理想方法。爆炸噴涂示意圖 超音速火焰噴

32、涂超音速火焰噴涂l爆炸噴涂無機涂層與基體結合強度非常高，最高可以超過85Mpa；無機涂層最高密度可達到理論的99.9%，雜質含量也較低。但是爆炸噴涂的噴涂效率非常低，運行成本相對較高，所以一般專門用于碳化物無機涂層的噴涂。l在20世紀60年代初期美國Browning公司開始研究超音速火焰噴涂技術，1983年獲得專利。目前世界上的各大噴涂公司都能生產這種設備。超音速火焰典型特征是距離噴嘴一定距離的位置可看到一列菱形花紋，向金剛石一樣閃閃發光。因此，1989年美國Metco熱噴涂公司將推出的超音速火焰噴涂取名“Diamond Jet”。l超音速火焰噴涂實際上與普通火焰噴涂一樣，只是多了一個使噴涂火

33、焰達到超音速的機構。l噴涂粉末可以用高壓軸向送入或從噴射管側面送入（此處壓力小一些）。另一種辦法是將燃料（煤油、乙炔、丙烯和氫氣）和氧氣用高壓噴射出噴嘴，在噴嘴外燃燒，噴涂粉末用高壓氣體從噴嘴內軸向送入火焰中，然后通過噴嘴外空氣罩中的壓縮空氣將燃燒火焰壓縮、加速，并將熔融的粉末噴向基體。超音速火焰噴涂示意圖 超音速火焰噴涂l超音速火焰噴涂的工藝特性與爆炸噴涂一樣，射流速度高而焰流溫度相對較低，同樣適合噴涂含碳化物無機涂層材料。l采用超音速火焰噴涂獲得的無機涂層最高密度可達到理論密度的99.9%，結合強度略低于爆炸噴涂，達70Mpa以上。無機涂層雜質較少，無機涂層殘余應力小，在某些情況下甚至可以

34、得到殘余壓應力，因此可以噴涂更厚的無機涂層。l據報道，采用Tafa公司JP-5000型超音速火焰噴涂設備，最高噴涂過12.7mm厚的不銹鋼無機涂層。超音速火焰噴涂燃料消耗大，雖然其噴涂效率比爆炸噴涂有提高，噴涂成本目前仍然比較高。 熱噴涂無機涂層的后處理封孔處理熱噴涂無機涂層的后處理封孔處理 l熱噴涂無機涂層總含有或多或少的氣孔，這些氣孔分為開孔、盲孔和通孔幾種類型。封孔處理的目的主要是填充和封閉所有的開孔和通孔，以提高無機涂層的耐蝕性、抗氧化性、電絕緣性和無機涂層的密封性能，同時有助于無機涂層加工過程中防止磨屑等污物污染無機涂層，改善無機涂層形貌l封孔處理時可將封孔劑進行噴涂、刷涂、浸涂、真

35、空浸滲等。封孔處理應在噴涂施工之后盡可能快地進行，以防止無機涂層孔隙中吸附潮氣等而影響封孔效果。固態的微晶石蠟封孔劑最好借噴涂的余熱使其熔化而將無機涂層孔隙封閉。l車磨削前應對無機涂層進行封孔處理，以防止磨粒或碎屑嵌入無機涂層孔隙損傷無機涂層。車、磨削機加工后，無機涂層中原有的部分盲孔會暴露出來成為開孔，最好再次進行封孔處理，以改善無機涂層的外觀質量。l真空浸滲是最有效的封孔方法，它是將噴涂后零件放入真空室中，在抽真空過程中就能把無機涂層孔隙中的空氣抽出，此時向真空室的盛部件的容器中注入封孔劑，通過毛細作用使封孔劑吸入到抽真空后的孔隙、空穴和裂紋處，達到良好的滲透封孔的目的。 熱噴涂無機涂層的

36、后處理致密化熱噴涂無機涂層的后處理致密化l熱噴涂無機涂層的致密化處理：通常是采用加熱的方法，將金屬或合金特別是自熔性合金無機涂層熔融成完全致密無孔且與基體呈高溫釬焊結合甚至冶金結合的無機涂層的處理工藝，包括火焰噴涂重熔、感應重熔、激光重熔和電子束重熔。等離子噴焊實質上也是一種無機涂層致密化工藝。l近代采用激光束對金屬無機涂層和某些陶瓷無機涂層進行熔融處理已取得可喜進展，更擴大了重熔處理的范圍。 火焰噴涂重熔（火焰噴焊）火焰噴涂重熔（火焰噴焊）l火焰噴涂重熔（火焰噴焊） 這是采用氧-乙炔火焰將自熔性合金粉末或自熔性合金+碳化物類金屬陶瓷復合粉末（或混合粉末）熔焊在表面上形成焊層的工藝方法，分為火

37、焰噴焊（俗稱一步法）和火焰噴涂重熔（俗稱二步法）兩種。金屬陶瓷粉末只能使用火焰噴涂重熔工藝處理。l火焰噴涂重熔工藝的優點是適合于較大工件、較大面積的噴焊，噴焊層比較平整、光滑，厚度比較均勻、焊層與基體呈冶金結合或高溫釬焊結合，結合十分牢固。含碳化物類硬質相的硬質合金焊層可顯著進一步提高自熔性合金焊層的硬度和耐磨性，特別適合于耐高應力磨粒磨損、沖蝕磨損和沖擊磨損的場合。其缺點是工件要整體加熱至紅熱狀態，熱量輸入大、工件變形大、基體的組織結構會發生變化，無機涂層成分尤其是碳化物硬質相會發生一定程度的失碳和燒損，無機涂層組分中硬質相的比例不能過大，一般為35%左右，材料品種有限。 爐內重熔爐內重熔l

38、爐內重熔： 這是將已噴涂自熔性合金、自熔性合金加碳化物類硬質合金無機涂層的工件，放入加熱爐中加熱至自熔性合金的熔點，約10501150，停留一段時間，使無機涂層充分熔融成完全致密的焊層。l這種方法對爐溫或爐溫均勻性的控制要求嚴格，若爐溫過高，會使合金熔體黏度變小，容易流淌，且使無機涂層氧化加重；若爐溫偏低，無機涂層熔融不充分，亦會出現未熔透、無機涂層不完全致密、硬度不均勻等現象。一般爐溫應控制在自熔性合金熔點（35）范圍內。如能在無機涂層表面撒布一層無機覆蓋劑，則既可保護無機涂層免遭氧化，又能防止無機涂層熔融后流溢。也可在爐內通入保護氣體，或在真空爐內重熔，有效地防止基體無機涂層的的氧化，特別

39、是碳化物類易氧化硬質相的氧化，獲得優質的高耐磨焊層。l這種方法特別適用于平板類部件表面制備高耐磨耐蝕焊層，適合于大批量生產。 感應重熔感應重熔l感應重熔：這是利用電磁感應裝置的感應線圈所產生的高頻或中頻磁場，根據磁場感應的“趨膚效應”和“渦流發熱效應”，使基體表面或無機涂層材料迅速加熱并熔化成致密焊層的處理方法。l工業上，根據感應設備所產生電磁波的頻率，常用高頻感應和中頻感應兩種頻率進行感應重熔。高頻感應頻率高，升溫快，“趨膚效應”強，熔深淺，但高頻磁場對人體有害；中頻感應頻率降低，升溫速度減慢，“渦流發熱效應”強，熔深增大操作條件得到改善。l不同的設備，通過感應器的設計調整和控制感應磁場的頻

40、率，合理匹配工件轉速與感應器的移動速度，控制好感應重熔時間，就能有效地控制感應重熔過程，獲得滿意的焊層。l感應重熔具有升溫快、重熔效率高、基體熱輸量小、易實現機械化和自動控制、生產費用低等特點，特別適合形狀一致的圓柱形回轉體和平板工件表面噴無機涂層的重熔處理，具有顯著高效、節能、節材效果。l 激光重熔激光重熔l激光重熔 利用激光束的高能量密度，對等離子噴涂陶瓷無機涂層進行激光重熔處理，能獲得完全致密的無孔隙陶瓷熔合層，無機涂層組織結構產生重大變化，晶粒細化，硬度大大提高，耐磨性和耐蝕性大大提高，并顯著改善陶瓷無機涂層與基體金屬的結合強度和抗熱震性能。l由于激光重熔時的溫度很高，遠高于陶瓷無機涂

41、層的固溶溫度，且冷凝和冷卻速度也相當高，因而會出現快速凝固和高的非穩定態相變過程，導致無機涂層中出現相當大的熱應力和相變應力，處理不好，重熔陶瓷無機涂層會迅速出現開裂甚至崩落，因此并非所有陶瓷無機涂層都能夠進行激光重熔。l激光重熔陶瓷無機涂層的質量主要取決于陶瓷無機涂層的化學成分、無機涂層系統設計和激光重熔參數的合理選擇。 熱處理熱處理l對熱噴涂無機涂層進行低溫熱處理，有利于消除熱噴涂無機涂層的內應力，提高其使用壽命。l對高溫合金噴涂的NiCr、Ni-Al、NiCr-Al等粘結底層在真空、氫氣或氬氣保護氣氛下，于9801090下進行高溫擴散熱處理，能使粘結無機涂層的成分與高溫合金成分發生互擴散

42、，形成致密的冶金結合粘結底層。從而有利于在高溫燃氣使用條件下防止因粘結底層的氧化而使其耐熱震壽命降低。l在不銹鋼或鈦合金基體上噴涂羥基磷灰石生物功能陶瓷時，對無機涂層采用蒸汽熱處理，使基體表面預氧化，與噴涂的羥基磷灰石層具有更好的親和性與齒合性，可提高無機涂層在體液中的耐蝕性。 浸滲處理浸滲處理l將等離子噴涂的Co-WC金屬陶瓷無機涂層在低溫焊料或釬焊料的熔體中進行熔浸處理，熔融釬焊料通過毛細管作用，能迅速滲透填滿未熔化的Co-WC無機涂層的孔隙，像低溫下用液態封孔劑對無機涂層進行浸滲處理一樣。l熱浸滲處理可在1000真空中或800氫氣氛中進行，浸滲處理時間約為12min，對于大多數Pb、Sn

43、、Ag和Cu焊料的浸滲，可獲得滿意的結果，能顯著改善Co-WC無機涂層的強度和耐磨性。l例如，等離子噴涂的12Co-WC金屬陶瓷無機涂層，在一種CuNi-P低熔點合金的熔體中進行浸滲處理，熔浸溫度為810，真空度為13.3mPa（10-4Torr）,浸滲時間為30min。熔浸處理后無機涂層的硬度（HV）達到14001500，顯著地提高無機涂層的耐磨性能，并可與燒結生產的超硬質合金的耐磨性能相比。 無機涂層的磨削加工無機涂層的磨削加工l無機涂層的磨削加工：熱噴涂無機涂層是含有孔隙和夾雜的層疊狀堆積的各向異性的不均勻物質，無機涂層的使用效果在很大程度上取決于加工工藝。l陶瓷無機涂層的磨削加工是陶瓷

44、制品達到高的公差要求和表面光潔度的唯一有效方法。磨削方法主要有磨床磨削、砂輪磨削和砂帶磨削。 熱噴涂無機涂層質量評定熱噴涂無機涂層質量評定l熱噴涂無機涂層的質量應根據其用途來評定。l例如GE，P&W以及RR等航空發動機公司建立的熱噴涂最終質量標準中，常用的指標為顯微硬度和（或）宏觀硬度、結合強度、界面和無機涂層顯微結構以及無機涂層厚度。l其他的指標如磨損率、熱震、沖蝕率、摩擦系數、熱膨脹系數等則視無機涂層應用環境的需要而測定。l以下僅介紹常用熱噴涂無機涂層性能的測定方法。 無機涂層厚度的測定無機涂層厚度的測定l簡單幾何形狀基體表面，可直接用游標卡尺或千分尺測量無機涂層厚度。l對形狀較復

45、雜的零件，可采用磁性法和渦流法測厚儀測量無機涂層厚度（參考GB1137489）。l磁性法是以探頭對磁性基體磁通量或互感電流為基準，利用非磁性無機涂層的厚度不同，以探頭磁通量或互感電流的變化值來測量覆蓋層厚度。因此只適合測量磁性基體上非磁性無機涂層的厚度，如鋼鐵表面的非磁性膜。l渦流法利用一個載有高頻電流線圈的探頭，在被測試樣表面產生高頻磁場，由此引起金屬內部渦流，此渦流產生的磁場又反作用于探頭內線圈，使其阻抗變化。通過測量阻抗變化值就可確定無機涂層的厚度。l磁性法和渦流法直觀簡單，但其測量校準工作非常重要，否則容易產生很大的測量誤差。 孔隙率測定孔隙率測定l無機涂層中的孔隙率可以采用阿基米德方

46、法和金相法測定；l阿基米德方法是通過比較無機涂層實際密度和無機涂層材料理論密度的差別來確定；l金相法是通過圖象分析確定。l封孔處理后無機涂層的殘余穿孔測定可以采用試劑試驗方法，即通過貼附在無機涂層表面試紙上亞鐵氰酸的蘭色斑點情況，檢查在鋼鐵基體上無機涂層通向基體表面的氣孔存在情況；l也可以采用高壓放電試驗方法來測定，即通過火花放電的原理來檢查在鋼鐵基體上無機涂層通向基體表面的氣孔存在。 結合強度測定結合強度測定l熱噴無機涂層結合強度的測定一般采用拉伸法（參考GB864288）。將膠粘好的試樣，裝在試驗機上，在規定的條件下，均勻、連續地施加載荷，至試樣斷裂，記錄最大斷裂強度。l用下式計算無機涂層

47、結合強度：l b=F/A0l式中，b為無機涂層結合強度；F為試樣斷裂載荷；A0為試樣無機涂層面積。 無機涂層顯微結構觀察無機涂層顯微結構觀察l無機涂層顯微結構分析與一般材料顯微分析手段相同，如金相分析、SEM、TEM等。l但是進行無機涂層截面分析時，試樣制作非常關鍵。因為無機涂層較薄，而且大部分較脆，所以對試樣的切割、鑲樣以及研磨拋光都有特殊要求。l在切割過程中應選擇合適的切割砂輪和切割速度，切割方向應垂直于無機涂層表面、從無機涂層表面向基體方向切割。熱噴無機涂層結合強度的測試原理 熱噴涂技術的應用熱噴涂技術的應用l1.噴涂耐腐蝕無機涂層l采用熱噴涂技術可以噴涂耐各種介質腐蝕的保護無機涂層，如

48、鋅、鋁、不銹鋼、鎳合金、蒙乃兒合金、青銅以及氧化鋁、氧化鉻陶瓷無機涂層和塑料等。但是不銹鋼、鎳合金、蒙乃兒合金、青銅等金屬無機涂層的電極電位比鋼鐵高，因此易在無機涂層孔隙處產生電化學腐蝕，只用于機械部件如柱塞泵的活塞和活塞桿、液壓油缸、蒸汽輪機軸的密封部件、船舶尾軸、閥門等，而且必須封孔處理。l陶瓷無機涂層用于防腐也必須經過封孔處理。最成功的熱噴涂防腐無機涂層是鋅、鋁無機涂層，它們除了具有大多數油漆和涂料對鋼基體形成的“隔離”和“阻擋”功能外，由于鋅、鋁的腐蝕電極電位高于鐵，即使無機涂層有孔隙、缺陷或出現裂紋時，腐蝕介質將首先腐蝕鋅和鋁，而使鐵基體作為陰極而得到保護，可用于大型橋梁、海洋鉆井平

49、臺、水利設施等，使用壽命可達到20年以上，是極有希望的替代油漆的表面保護無機涂層l。例如英國普利茅斯公路大橋，處于海洋和工業性氣候，1961年建成，噴涂0.08mm 鋁-鋅復合無機涂層，至今只重新噴涂過一次。 2. 2.噴涂耐磨無機涂層噴涂耐磨無機涂層l熱噴涂技術被成功地應用于噴涂機械零件表面的耐磨無機涂層，延長零件的使用壽命，或修復磨損失效的機械零件。l采用等離子噴涂氧化鋁、氧化鉻等耐磨陶瓷無機涂層可以有效減少磨損，提高壽命。對于可能遭遇磨料磨損的機械部件如泥漿泵活塞桿、螺旋送料器等零件，要求無機涂層的硬度超過磨料的硬度，因此最好選用超音速火焰噴涂或爆炸噴涂技術噴涂鎳基或鈷基碳化鎢無機涂層。

50、對于在沖蝕和氣蝕環境下工作的水輪機、抽風機、旋風除塵器等的零件，要求無機涂層硬度高、韌性好，采用等離子噴涂超細氧化鋁、氧化鉻等耐磨陶瓷無機涂層，或選用超音速或爆炸噴涂鈷基碳化鎢復合無機涂層可以獲得較好的效果。l美國Metco公司在中國小浪底水電站建設工作中承擔了水輪機耐沖蝕無機涂層的施工任務，共耗噴涂材料13噸多，項目總投資達到6-7千萬美元。采用耐沖蝕無機涂層后預計水輪機葉輪壽命將從三年提高到幾十年。l在航空發動機中，采用可磨耗無機涂層能成功地減小轉子與機殼之間的間隙。可磨耗無機涂層一般采用等離子噴涂或火焰噴涂技術制備，無機涂層成分由金屬基體和非金屬填料組成，金屬通常可選用鋁、銅、鎳、鈷及其合金等，而填料通常有石墨、聚苯脂、硅藻土、膨潤土、六方氮化硼等。 3. 3.噴涂耐高溫無機涂層噴涂耐高溫無機涂層l熱噴涂技術同樣可用于改善機械零件的抗高溫氧化性能。l超音速火焰噴涂Cr2C3-NiCr無機涂層，在900以下是非常好的耐磨無機涂層，是冶金工業中連續退火爐爐底輥的主要高溫保護無機涂層。如果溫度在900以上，則可以采用大氣等離子噴涂氧化鋯無機涂層。采用真空等離子噴涂NiCrAI或Ni(Co)CrAIY無機涂層，或者用等離子噴涂氧化鋁氧化鈦等陶瓷無機涂層，都可以改善機械零件的抗高溫氧化性能，防止熔融金屬的侵蝕。l采用熱障無機涂層隔離金屬基體與高溫