热喷涂技术及其应用讲解课件.ppt
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- 喷涂 技术 及其 应用 讲解 课件
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1、中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司设备维修技术交流(二)-欧阳健中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司 一、前言一、前言 1.1.材料表面技术概况材料表面技术概况 2.2.材料表面技术分类材料表面技术分类 3.3.热喷涂技术概况热喷涂技术概况 4.4.热喷涂涂层的性能热喷涂涂层的性能 二、先进热喷涂技术二、先进热喷涂技术1.1.低压等离子喷涂低压等离子喷涂2.2.高速火焰喷涂高速火焰喷涂3.3.冷喷涂冷喷涂4.4.热喷涂工艺热喷涂工艺 三三.热喷涂技术应用热喷涂技术应用 1.1.防腐蚀涂层防腐蚀涂层 2.2.抗磨损涂层抗磨损涂层 3.3.抗高温氧化和耐热腐蚀涂层抗高温氧
2、化和耐热腐蚀涂层 4.4.热障涂层热障涂层 5.5.绝缘涂层绝缘涂层 6.6.尺寸恢复涂层尺寸恢复涂层 石化行业的其它应用中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司1.1.材料表面工程技术概况材料表面工程技术概况众所周知众所周知,金属材料会与周围介质发生化学、电化学反应而遭受腐金属材料会与周围介质发生化学、电化学反应而遭受腐蚀蚀.此外此外,金属表面受各种机械作用会也引起磨损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
3、、改变材料种材质的扩渗,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;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、耐磨的航空晶显示,太阳能材料,耐高温、耐磨的航空(燃气轮机燃气轮机)、火箭发动机等高、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;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工业部门越来越多地要求
4、机械设备能在高参数(高温、高压、高速度和高高温、高压、高速度和高度自动化度自动化)和恶劣的工况条件和恶劣的工况条件(如严重的磨损和腐蚀如严重的磨损和腐蚀)下长期稳定的运行下长期稳定的运行.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求的推动下获得了飞速的发展和提高.中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司材料材料表面表面技术技术涂镀涂镀技术技术表面表面改性改性技术技术表面表面检测检测技术技术扩渗扩渗(气体、(气体、液体、固液体、固体)体)机械机械强化强化PVD(真空离子真
5、空离子电镀电镀)喷塑喷塑漆料漆料热喷涂热喷涂喷焊喷焊电镀、电镀、阳极氧阳极氧化、化化、化学镀学镀CVD(化學蒸镀化學蒸镀)三束改性三束改性(电子束、电子束、离子束、离子束、激光束激光束)中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q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。中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q1)1)气体燃烧火焰喷涂气体燃烧火焰喷涂:高速火焰喷涂、爆炸喷涂、粉末高速火焰喷涂、爆炸喷涂、粉末火焰喷涂、线、棒材火焰喷涂火焰喷涂、线、棒材
6、火焰喷涂q2)2)电弧喷涂:电弧喷涂:常规电弧喷涂、高速电弧喷涂常规电弧喷涂、高速电弧喷涂q3)3)等离子喷涂等离子喷涂:大气等离子喷涂、低压等离子喷涂、水: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、三阴极等离子喷涂稳等离子喷涂、微弧等离子喷涂、三阴极等离子喷涂q4)4)电热热源喷涂:电热热源喷涂:线材电爆喷涂、冷喷涂线材电爆喷涂、冷喷涂中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司等离子喷涂等离子喷涂高速火焰喷涂高速火焰喷涂粉末火焰粉末火焰电弧喷涂电弧喷涂丝材火焰喷涂丝材火焰喷涂粉末粉末丝材丝材中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司热源种类热源种类 温度(温
7、度()丙烷丙烷-氧气氧气 26402640天然气天然气-氧气氧气 27352735氢气氢气-氧气氧气 26902690乙炔乙炔-氧气氧气 31003100电弧电弧 5000-60005000-6000等离子电弧等离子电弧 1000010000中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司金属及其合金金属及其合金FeFe、AlAl、ZnZn、NiNi、CuCu、MoMo等各种金属及其合金;等各种金属及其合金;NiNi3 3AlAl、TiNiTiNi等金属间化合物;等金属间化合物;TiTi、ZrZr和和HfHf(系元素)碳化物;(系元素)碳化物;CrCr、MoMo和和W W(系元素)硼化物;(系
8、元素)硼化物;V V、NbNb和和TaTa(系元素)氮化物(系元素)氮化物金属基复合材料金属基复合材料 Ni/Co/FeNi/Co/Fe基合金基合金+Al+Al2 2O O3 3、ZrOZrO2 2 等等Ni/Co/FeNi/Co/Fe基合金基合金+WC,+WC,TiCTiC,CrCr3 3C C2 2等等Al/NiAl/Ni基材料基材料+磨料磨料陶瓷陶瓷AlAl2 2O O3 3、ZrOZrO2 2、TiOTiO2 2、CrCr2 2O O3 3氧化物;氧化物;B B4 4C C、SiCSiC、SiSi3 3N N4 4、BNBN等等有机材料有机材料聚醚、聚丙烯类共聚物聚醚、聚丙烯类共聚物
9、、Al-Si+Al-Si+聚醚等聚醚等中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q1.1.化学成分化学成分q 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。q2.2.孔隙度孔隙度q 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
10、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。q3.3.硬度硬度q 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。中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q4.4.结合强度结合强度q 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
11、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。q5.5.冷热疲劳性能冷热疲劳性能q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。中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司1.1.低压等离子喷涂(低压等离子喷涂(LPPSLPPS、VPSVPS)q在低压保护气氛下进行的等离子喷涂;在低压保护气氛下进行的等离子喷涂;q涂层成
12、分不受污染、结合强度高、涂层致密;涂层成分不受污染、结合强度高、涂层致密;q设备主要包括真空系统、冷却和除尘系统、喷涂工作室、持枪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。电源系统和控制系统。中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q在低压保护性气氛下工作,可防止氧、氮污染;在低压保护性气氛下工作,可防止氧、氮污染;q等离子射流可到等离子射流可到2000m/s2000m/s,粒子速度可达,粒子速度可达300m/s300m/s,涂层致密;,涂层致密;
13、q基体温度可达基体温度可达650650,涂层应力较小,涂层能较厚;,涂层应力较小,涂层能较厚;q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;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;q低压下等离子焰变粗变长,粉末受热均匀;低压下等离子焰变粗变长,粉末受热均匀;q喷涂在真空罐内进行,粉尘和噪音污染小;喷涂在真空罐内进行,粉尘和噪音污染小;q低压等离子喷涂要求较细的粉末;低压等离子喷涂要求较细的粉末;q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
14、(如求严格,且要求结合强度高,孔隙率低的涂层(如MCrAlYMCrAlY系合金)的制系合金)的制备上。备上。中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q生物涂层:人工种植体上的钛涂层;生物涂层:人工种植体上的钛涂层;q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化MCrAlYMCrAlY超合金涂层以及热障涂层的过渡层;超合金涂层以及热障涂层的过渡层;q用作靶材的高纯度金属涂层;用作靶材的高纯度金属涂层;q钨涂层:核聚变托克马克装置用反应内腔喷涂钨涂层。钨涂层:核聚变托克马克装置用反应内腔喷涂钨涂层。中海石油炼化
15、有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q工作压力在工作压力在0.5-10mbar0.5-10mbar之间;之间;q涂层均匀、致密、沉积效率高;涂层均匀、致密、沉积效率高;q制备的涂层在制备的涂层在5-505-50m;q涂层应力小,可以制备出厚的热障涂层涂层应力小,可以制备出厚的热障涂层(TBC)(TBC),Al2O3Al2O3绝缘涂层和导电绝缘涂层和导电涂层;涂层;q铝表面上制备铝表面上制备AlAl2 2O O3 3涂层,孔隙率涂层,孔隙率1%1%,具有,具有250-450KV/cm250-450KV/cm的击穿电压的击穿电压;中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q在航空航天、电子、
16、医学、能源有广泛的应用,特别是在航空航天、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。、隔热涂层、抗高温氧化及热腐蚀涂层等。中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q二十世纪二十世纪8080年代,出现了第一代年代,出现了第一代HVOFHVOF设备设备Jet-Jet-KoteKote;q粒子速度提高到粒子速度提高到400m/s400m/s以上;以上;q涂层结合强度大幅度
17、提高,孔隙率大大降低;涂层结合强度大幅度提高,孔隙率大大降低;q火焰温度火焰温度30003000,碳化物喷涂过程中分解小,碳化物喷涂过程中分解小;q采用航空煤油替代丙烷、丙烯和氢气等,降低了成本;采用航空煤油替代丙烷、丙烯和氢气等,降低了成本;q近年出现了使用压缩空气替代氧气的近年出现了使用压缩空气替代氧气的HVAFHVAF设备,碳化钨涂层的性设备,碳化钨涂层的性能更优。能更优。中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q氧化程度低,碳化钨失碳接近真空喷涂;氧化程度低,碳化钨失碳接近真空喷涂;q孔隙率孔隙率1%;1%;q强度接近烧结强度接近烧结/铸造材料;铸造材料;q高硬度、韧性好;高硬
18、度、韧性好;q优异的抛光性能;优异的抛光性能;q低应力,涂层厚度不受限制;低应力,涂层厚度不受限制;q生产效率高,金属生产效率高,金属20Kg/h20Kg/h,碳化钨,碳化钨30-40Kg/h30-40Kg/h;q喷涂过程不积瘤。喷涂过程不积瘤。中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q传统电镀的缺限和制约:传统电镀的缺限和制约:1)1)环保要求:环保要求:CrCr6+6+致癌,电镀废水污染环境。致癌,电镀废水污染环境。2)2)性能要求:不能满足工作温度高、耐磨的工况,存在氢脆。性能要求:不能满足工作温度高、耐磨的工况,存在氢脆。3)3)电镀工艺沉积速度慢;电镀的工件尺寸受镀槽尺寸的限
19、制。电镀工艺沉积速度慢;电镀的工件尺寸受镀槽尺寸的限制。q高速火焰喷涂优势:高速火焰喷涂优势:特点特点热喷涂热喷涂镀铬镀铬涂层厚度涂层厚度均匀,可以很厚均匀,可以很厚有限制有限制化学溶液控制化学溶液控制不需要不需要严格严格工件尺寸限制工件尺寸限制无无有有机动性机动性好好差差现场修复能力现场修复能力强强差差中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司涂涂 层层性能性能WC-12CoWC-12CoCrCr3 3C C2 2-25NiCr-25NiCr硬铬镀层硬铬镀层显微硬度显微硬度 HVHV1100-14001100-1400900-1200900-1200800-1000800-1000表面
20、粗糙度表面粗糙度,微英寸微英寸140-170140-170180-200180-20040-5040-50研磨光洁度研磨光洁度 Ra,Ra,微英寸微英寸1010101016-3216-32干磨粒磨损率干磨粒磨损率0.20.20.20.21.01.0干磨粒磨损比干磨粒磨损比5 5 1 15 5 1 11:11:1最高工作温度,最高工作温度,538538816816427427中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q轴承、转子叶轮安装面的修复等轴承、转子叶轮安装面的修复等中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q造纸压光辊、钢铁张力辊、输送辊、炉底辊造纸压光辊、钢铁张力辊、输送辊
21、、炉底辊q水力发电站水轮机部件等。水力发电站水轮机部件等。q油浆泵、砂浆泵、烟气轮机等。油浆泵、砂浆泵、烟气轮机等。中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q粒子在喷涂过程中加热到粒子在喷涂过程中加热到,但没,但没熔化,同时被超音速气流加速,喷射到基体表面,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;粒子产生锻焊作用而沉积在基体表面的技术;q原理:加热到一定温度的高压气流经拉瓦尔管加速原理: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
22、塑性变形而形倍音速,撞击到基体表面,通过固态塑性变形而形成涂层。成涂层。中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q粒子的速度要达到临界速度;粒子的速度要达到临界速度;q基体与喷涂材料粒子都要有一定的塑性基体与喷涂材料粒子都要有一定的塑性变形的能力。变形的能力。材料材料临界速度值临界速度值(m/s)(m/s)CuCu560560FeFe620620NiNi620620AlAl680680中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司 材材料料 条条件件 杨杨氏氏模模量量(GPa)屈屈服服强强度度(MPa)极极限限强强度度(MPa)应应变变
23、(%)块块体体 207 59 317 0.3 喷喷涂涂 158 300 300 0.0002 镍镍 热热处处理理 125 207 304 0.0956 块块体体 110 220 喷喷涂涂 103 266 铜铜 热热处处理理 104 195 块块体体 65.5 83 152 18 喷喷涂涂 241 241 0 6061铝铝 热热处处理理 51 91 157 18 块块体体 30 喷喷涂涂 142 Hastyalloy C 热热处处理理 块块体体 41 喷喷涂涂 98 CoNiCrAlY 热热处处理理 中海石油炼化有限责任公司中海石油炼化有限责任公司q涂层致密,且涂层成分基本上与粉末保持一致;涂层
24、致密,且涂层成分基本上与粉末保持一致;q涂层残余应力低,涂层厚度基本不受限制;涂层残余应力低,涂层厚度基本不受限制;q涂层具有稳定的相结构;涂层具有稳定的相结构;q工件温度低,热影响小;工件温度低,热影响小;q涂层具有锻造结构,其硬度高于同样成分的块体材料;涂层具有锻造结构,其硬度高于同样成分的块体材料;q涂层是形变组织,特殊处理后可得到纳米结构组织;涂层是形变组织,特殊处理后可得到纳米结构组织;q沉积的斑点大小可以调节,省去遮挡工作;沉积的斑点大小可以调节,省去遮挡工作;q设备运行成本低;设备运行成本低;q工作环境好,无高温辐射、噪音低;工作环境好,无高温辐射、噪音低;q几乎所有金属和合金都
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