表面工程-第五章-表面涂层技术课件.ppt

1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术第五章 表面涂敷技术表面涂装表面涂装1 1热喷涂热喷涂2 2堆焊堆焊3 3其它涂敷技术其它涂敷技术4 4材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术5.1 表面涂装1.1.涂装相关概念涂装相关概念涂装：用涂装：用有机涂料有机涂料通过一定的方法涂覆于材料通过一定的方法涂覆于材料或制件表面，形成涂膜的全部工艺过程。或制件表面，形成涂膜的全部工艺过程。油漆：油漆：植物油植物油涂料：涂料：合成树脂合成树脂涂料：涂料：概念广泛，传统涂料水性涂料、粉末涂料等概念广泛，传统涂料水性涂料、粉末涂料等材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术5.1 表面

2、涂装材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术溶剂挥发类：溶剂挥发类：涂料在成膜过程中不发生化学反应，只涂料在成膜过程中不发生化学反应，只是溶剂挥发使涂料干燥成膜，一般为自然干燥型涂料，是溶剂挥发使涂料干燥成膜，一般为自然干燥型涂料，容易重新涂装。容易重新涂装。固化干燥类：固化干燥类：成膜物质一般是相对分子质量较低的线成膜物质一般是相对分子质量较低的线性聚合物，可溶解于特定的溶剂中，经涂装、溶剂挥发性聚合物，可溶解于特定的溶剂中，经涂装、溶剂挥发后，就可通过化学反应交联固化成膜。气干型、烘烤型、后，就可通过化学反应交联固化成膜。气干型、烘烤

3、型、两罐型、辐射型。两罐型、辐射型。5.1 表面涂装材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术涂装预处理涂装预处理涂装涂装干燥固化干燥固化预处理预处理：清除污垢、化学处理（磷化、钝化）、消：清除污垢、化学处理（磷化、钝化）、消除缺陷、合适粗糙度。除缺陷、合适粗糙度。涂布方法涂布方法：各种类型：各种类型干燥固化干燥固化：自然干燥、人工干燥（加热、照射）：自然干燥、人工干燥（加热、照射）5.1 表面涂装材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术静电喷涂：静电喷涂：是用静电喷枪使油漆雾化并带负电荷，与是用静电喷枪使油漆雾化并带负电荷，与接地的工件间形成高压静电场，静电引力使漆雾均匀沉接地

4、的工件间形成高压静电场，静电引力使漆雾均匀沉积在工件表面。积在工件表面。涂膜均匀涂膜均匀易于自动化易于自动化油漆利用率高油漆利用率高5.1 表面涂装材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术电泳涂装：电泳涂装：将电泳漆用水稀释到固体分为将电泳漆用水稀释到固体分为10-15%左右，左右，加入电泳槽内，将工件浸入作为电极，通以直流电时电加入电泳槽内，将工件浸入作为电极，通以直流电时电泳漆中的树脂和颜料移向工件，沉积在工件表面，烘干泳漆中的树脂和颜料移向工件，沉积在工件表面，烘干后形成均匀的漆层。后形成均匀的漆层。生产效率高生产效率高安全环保：水安全环保：水涂膜均匀、附着力好涂膜均匀、附着力好

5、5.1 表面涂装材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术粉末涂装：粉末涂装：以粉末形态进行涂装，经熔融或交联固化以粉末形态进行涂装，经熔融或交联固化形成涂膜。形成涂膜。树脂分子量大：质量、耐久性好树脂分子量大：质量、耐久性好损失少：可回收损失少：可回收专用设备、调色难、薄层难、单涂层专用设备、调色难、薄层难、单涂层无溶剂：无毒无溶剂：无毒温度高、可涂厚膜温度高、可涂厚膜5.1 表面涂装材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术5.1 表面涂装材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术5.1 表面涂装材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术烧蚀涂料：烧蚀涂料：能够碳化

6、、泡沸碳；美国火星的能够碳化、泡沸碳；美国火星的“海盗海盗”号飞号飞船的舱身和外露部件均涂有一层船的舱身和外露部件均涂有一层12.7 厚的有机硅树脂厚的有机硅树脂中的酚醛中的酚醛-玻璃珠玻璃珠-软木的绝缘层，耐摩擦产生的温度约软木的绝缘层，耐摩擦产生的温度约1482。5.1 表面涂装示温涂料：随温度变化而变颜色，晶型转变示温涂料：随温度变化而变颜色，晶型转变、结构转变、脱水、分解、固相反应。、结构转变、脱水、分解、固相反应。材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术5.2 热喷涂1.1.热喷涂热喷涂热喷涂：采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激热喷涂：采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、

7、激光等作热源，将粉末状或丝状的金属或非金属喷涂材料光等作热源，将粉末状或丝状的金属或非金属喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，并用热源自身的动力或外加加热到熔融或半熔融状态，并用热源自身的动力或外加高速气流雾化，使喷涂材料的熔滴以一定的速度喷向经高速气流雾化，使喷涂材料的熔滴以一定的速度喷向经过预处理的工件表面，依靠喷涂材料的物理变化和化学过预处理的工件表面，依靠喷涂材料的物理变化和化学反应，形成附着牢固的表面层的加工方法。反应，形成附着牢固的表面层的加工方法。材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术热喷涂原理热喷涂原理5.2 热喷涂材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术机械结合

8、：凸凹不平表面相互咬合机械结合：凸凹不平表面相互咬合冶金结合：涂层粒子和基体产生扩散微区冶金结合：涂层粒子和基体产生扩散微区物理结合：高速粒子撞击，晶格范围，范德华力物理结合：高速粒子撞击，晶格范围，范德华力粒子间结合：机械为主、扩散冶金也存在粒子间结合：机械为主、扩散冶金也存在5.2 热喷涂材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术各种基体材料：金属、玻璃、陶瓷、有机材料各种基体材料：金属、玻璃、陶瓷、有机材料方法多样：有十几种之多。方法多样：有十几种之多。喷涂材料种类广泛：金属、合金、陶瓷、有机喷涂材料种类广泛：金属、合金、陶瓷、有机喷

9、涂工件不受限制：大面积、小工件均可喷涂工件不受限制：大面积、小工件均可涂层厚度可控：几十微米到几毫米涂层厚度可控：几十微米到几毫米5.2 热喷涂材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术线材：碳钢丝、不锈钢丝、铝丝、铜丝、复合喷涂丝线材：碳钢丝、不锈钢丝、铝丝、铜丝、复合喷涂丝及镍、铜、铝的合金丝等。锌丝及镍、铜、铝的合金丝等。锌丝粉末：金属及合金粉末、陶瓷粉、复合材料粉末和塑粉末：金属及合金粉末、陶瓷粉、复合材料粉末和塑料颗粒等。镍基合金粉。料颗粒等。镍基合金粉。5.2 热喷涂线材火焰喷涂：设备简单，价格便宜，手持操作，调节简单线材火焰喷涂：设备简单，价格便宜，手持操作，调节简单，工件

10、表面温度较低，工件表面温度较低，粉末火焰喷涂：粉末火焰喷涂：颗粒由表面向内部融化，不存在破碎颗粒由表面向内部融化，不存在破碎和雾化，粉末粒度决定喷涂粒度，存在不同部分融化和雾化，粉末粒度决定喷涂粒度，存在不同部分融化不一致问题。不一致问题。材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术工件表面准备：洁净、粗糙、新鲜，酸洗或喷砂除氧工件表面准备：洁净、粗糙、新鲜，酸洗或喷砂除氧化皮，有机溶剂或碱水除污，车削、磨削、喷砂粗糙化皮，有机溶剂或碱水除污，车削、磨削、喷砂粗糙预热：提高工件与熔滴接触温度，有利于咬合；降低预热：提高工件与熔滴接触温度，有利于咬合；降低冷却速度（应力）；去除表面水分。冷却

11、速度（应力）；去除表面水分。喷涂：火焰温度、供给速度、气体压力、喷涂距离、喷涂：火焰温度、供给速度、气体压力、喷涂距离、喷涂角度、喷涂移动速度。喷涂角度、喷涂移动速度。喷后处理：有孔结构，蜡或树脂封口。喷后处理：有孔结构，蜡或树脂封口。材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术火焰喷涂的应用火焰喷涂的应用 火焰喷涂工艺与其它喷涂工艺相比，最大的特点火焰喷涂工艺与其它喷涂工艺相比，最大的特点是成本低廉，使用方便，在许多场合下所得涂层能是成本低廉，使用方便，在许多场合下所得涂层能够充分满足性能要求。一般来说在满足工程要求的够充分满足性能要求。一般来说在满足工程要求的前提下，尽可能采用火焰喷涂

12、。前提下，尽可能采用火焰喷涂。火焰喷涂的应用主要有以下几方面：火焰喷涂的应用主要有以下几方面：材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术(1)用于长效防腐蚀涂层用于长效防腐蚀涂层 这类涂层大多是用线材火焰喷涂的这类涂层大多是用线材火焰喷涂的Zn，Al，Cd等金属或合金涂层。可用于铁桥、铁塔、水闸、船等金属或合金涂层。可用于铁桥、铁塔、水闸、船体、贮水器、管道、矿山货车、气体容器、船内浴体、贮水器、管道、矿山货车、气体容器、船内浴室、水处理设备和钢制框格等多种钢结构件。室、水处理设备和钢制框格等多种钢结构件。(2)用于抗高温氧化涂层用于抗高温氧化涂层 Al涂层有良好的抗高温氧化性，可用于加

13、热器、涂层有良好的抗高温氧化性，可用于加热器、燃烧室、烟囱等易受高温氧化的钢铁件。燃烧室、烟囱等易受高温氧化的钢铁件。材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术电弧喷涂电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，输送电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，输送直流或交流电，利用丝材端部产生的电弧作为热源来熔化直流或交流电，利用丝材端部产生的电弧作为热源来熔化金属，用压缩气流雾化熔滴并喷射在基材表面形成涂层。金属，用压缩气流雾化熔滴并喷射在基材表面形成涂层。喷涂导电材料，喷涂颗粒大小不匀，质地不均，烧失量大喷涂导电材料，喷涂颗粒大小不匀，质地不均，烧失量大但效率高，液滴变形量大，结

14、合强度高，价格便宜但效率高，液滴变形量大，结合强度高，价格便宜电弧电压、电弧电流、送丝速度、气体压力和流量、喷涂电弧电压、电弧电流、送丝速度、气体压力和流量、喷涂距离，距离，材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术电弧喷涂的特点和应用电弧喷涂的特点和应用 电弧喷涂与火焰喷涂相比，有下述优点：电弧喷涂与火焰喷涂相比，有下述优点：（1）生产率高，一般为火焰喷涂的三倍以上。）生产率高，一般为火焰喷涂的三倍以上。（2）成本低，其施工成本比火焰喷涂低）成本低，其施工成本比火焰喷涂低30%以以上。上。（3）热效率高，电弧热的利用率为）热效率高，电弧热的利用率为60%70%，火焰喷涂时火焰燃烧热的利

15、用率仅为火焰喷涂时火焰燃烧热的利用率仅为5%15%。材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（4）可用两根成分不同的金属丝制成具有独特综）可用两根成分不同的金属丝制成具有独特综合性能的假合金涂层，如具有良好耐磨、减磨及导合性能的假合金涂层，如具有良好耐磨、减磨及导热性的铜钢假合金涂层。热性的铜钢假合金涂层。电弧喷涂具有上述特性，故被广泛用于钢铁构件电弧喷涂具有上述特性，故被广泛用于钢铁构件的喷涂铝、喷涂锌、不锈钢或其它耐磨材料，用于的喷涂铝、喷涂锌、不锈钢或其它耐磨材料，用于机械零件的修复喷涂。另外，电弧喷涂还可用于塑机械零件的修复喷涂。另外，电弧喷涂还可用于塑料、木材等基体材料的喷涂

16、。料、木材等基体材料的喷涂。材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术等离子喷涂等离子喷涂是以电弧放电产生等离子体作为高温热源，等离子喷涂是以电弧放电产生等离子体作为高温热源，以喷涂粉末材料为主，将喷涂粉末加热至熔化或熔融状以喷涂粉末材料为主，将喷涂粉末加热至熔化或熔融状态，在等离子射流加速下获得很高速度，喷射到基材表态，在等离子射流加速下获得很高速度，喷射到基材表面形成涂层。面形成涂层。工作气体为氩气或氦气，工作温度高，可熔化所有金属，工作气体为氩气或氦气，工作温度高，可熔化所有金属，喷涂效率高，涂层致密结合强度高。喷涂效率高，涂层致密结合强度高。输入功率，气体及流量，供粉速度，喷涂距

17、离，喷涂角，输入功率，气体及流量，供粉速度，喷涂距离，喷涂角，移动速度。移动速度。材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术 等离子喷涂由于能产生特别高的温度，所以它等离子喷涂由于能产生特别高的温度，所以它可以喷涂任何一种可熔材料。可以喷涂任何一种可熔材料。等离子喷涂层组织细密，氧化物夹渣少，气孔等离子喷涂层组织细密，氧化物夹渣少，气孔率低，涂层与基体结合程度高，最高可达到率低，涂层与基体结合程度高，最高可达到60Nmm2，其结合机理以机械结合为主，在一些微区产其结合机理以机械结合为主，在一些微区产生了冶金结合和物理结合。生了冶金结合和物理结合。等离子喷涂的特点等离子喷涂的特点材料科学与

18、工程学院材料科学与工程学院表面改性技术与其它喷涂技术相比，等离子喷涂具有下列特点：与其它喷涂技术相比，等离子喷涂具有下列特点：（1）能够喷涂多种喷涂材料，尤其能喷涂熔点高）能够喷涂多种喷涂材料，尤其能喷涂熔点高的难熔材料，如难熔金属、陶瓷、金属陶瓷及其它的难熔材料，如难熔金属、陶瓷、金属陶瓷及其它特殊功能材料。特殊功能材料。（2）可以选择惰性气体做为工作介质，减少了喷）可以选择惰性气体做为工作介质，减少了喷涂粒子在飞行过程中的氧化反应。涂粒子在飞行过程中的氧化反应。等离子喷涂的特点等离子喷涂的特点材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（3）涂层的结合强度高，气孔率低。）涂层的结合强度

19、高，气孔率低。（4）能通过控制工艺参数制备精细涂层。）能通过控制工艺参数制备精细涂层。因此，等离子喷涂主要用于制备涂层质量要求高因此，等离子喷涂主要用于制备涂层质量要求高的耐蚀涂层；耐磨、减摩、固体润滑涂层；导电、的耐蚀涂层；耐磨、减摩、固体润滑涂层；导电、绝缘涂层；隔热涂层、抗高温涂层和特殊涂层，在绝缘涂层；隔热涂层、抗高温涂层和特殊涂层，在机械制造、石油化工、航天航空、交通运输、能源机械制造、石油化工、航天航空、交通运输、能源及电子工业中得到应用。及电子工业中得到应用。等离子喷涂的特点等离子喷涂的特点材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术耐蚀涂层；耐蚀涂层；耐磨、减摩、固体润滑涂

20、层；耐磨、减摩、固体润滑涂层；导电、绝缘涂层；导电、绝缘涂层；隔热涂层；隔热涂层；抗高温涂层；抗高温涂层；特殊涂层特殊涂层等离子喷涂的应用等离子喷涂的应用材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（1 1）大功率大功率 在高热能的条件下，配合高速喷嘴，使粉在高热能的条件下，配合高速喷嘴，使粉末微粒速度增大，而获得高的动能，于是粉末微粒速度增大，而获得高的动能，于是粉末微粒在喷向基体表面时的热能和动能转化末微粒在喷向基体表面时的热能和动能转化为涂层的结合能就高，从而提高了涂层的结为涂层的结合能就高，从而提高了涂层的结合强度和涂层的致密度。合强度和涂层的致密度。等离子喷涂的新进展等离子喷涂的

21、新进展材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（2 2）Low Pressure Plasma SprayingLow Pressure Plasma Spraying Vacuum Plasma Spraying Vacuum Plasma Spraying （a a）涂层受氧化污染小，含杂质也少，故涂层的）涂层受氧化污染小，含杂质也少，故涂层的质量优于大气环境下喷涂涂层。尤以对于氧敏感的质量优于大气环境下喷涂涂层。尤以对于氧敏感的材料如钛、钽、铌等材料是理想的喷涂环境。材料如钛、钽、铌等材料是理想的喷涂环境。（b b）在真空室内进行，所以减少了对周围环境的）在真空室内进行，所以减少

22、了对周围环境的污染；且噪音小，对操作者的健康是有利的。污染；且噪音小，对操作者的健康是有利的。（c）由于是计算机程控自动操作，故涂层的工艺）由于是计算机程控自动操作，故涂层的工艺参数重复性好，涂层生产性能稳定；且能通过数理参数重复性好，涂层生产性能稳定；且能通过数理统计选出最佳工艺参数，提高了涂层质量。统计选出最佳工艺参数，提高了涂层质量。等离子喷涂的新进展等离子喷涂的新进展材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（3 3）新设备）新设备 Axial III Axial III型等离子喷涂设备型等离子喷涂设备 加拿大加拿大Mettech-三阴极轴向送粉等离子喷涂三阴极轴向送粉等离子喷涂

23、系统。传统的枪外送粉方式是将粉末从径向送入等系统。传统的枪外送粉方式是将粉末从径向送入等子焰流，这样就会有部分粉末穿过或没有进入等离子焰流，这样就会有部分粉末穿过或没有进入等离子焰，降低了粉末的沉积效率，又影响了涂层质量。子焰，降低了粉末的沉积效率，又影响了涂层质量。而而Axial III则可完全避免这些缺点。则可完全避免这些缺点。Axial III轴向送粉喷枪包括轴向送粉喷枪包括3对相互独立的阳极和对相互独立的阳极和阴极阴极，从而实现真正意义上的，从而实现真正意义上的轴向送粉轴向送粉。等离子喷涂的新进展等离子喷涂的新进展材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术 高沉积效率、高送粉速率

24、高沉积效率、高送粉速率 低孔隙率、较高的涂层硬度低孔隙率、较高的涂层硬度 对粉末粒度分布要求不高。对粉末粒度分布要求不高。喷涂喷涂WC-Co，Axial III可以比可以比HVOF节省节省75%80%的时间。目前，采用热喷涂工艺代替电镀铬成的时间。目前，采用热喷涂工艺代替电镀铬成为新的研究方向，为新的研究方向，Axial III已经在许多领域替代了已经在许多领域替代了电镀铬，材料方面包括电镀铬，材料方面包括WC-Co，Cr-NiCr，Ti，NiCrBSi。此外，此外，Axial III在制备要求较高的涂层方在制备要求较高的涂层方面，如网纹传墨辊涂层、报纸印刷辊涂层等也具有面，如网纹传墨辊涂层、

25、报纸印刷辊涂层等也具有明显的优势。明显的优势。等离子喷涂的新进展等离子喷涂的新进展材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（3 3）新设备）新设备 Multicoat 型等离子喷涂设备型等离子喷涂设备 Multicoat为全球最大的热喷涂公司为全球最大的热喷涂公司瑞士瑞士SulzerMetco公司研制的最新型的等离子喷涂设备。公司研制的最新型的等离子喷涂设备。Multicoat的设计基于的设计基于“平台平台”概念，即使用相同概念，即使用相同的主平台，配备不同的软硬件及相应组件，可以实的主平台，配备不同的软硬件及相应组件，可以实现不同的喷涂工艺。现不同的喷涂工艺。等离子喷涂的新进展等离子

26、喷涂的新进展材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（3 3）新设备）新设备 Multicoat 型等离子喷涂设备型等离子喷涂设备 Multicoat可以进行大气等离子喷涂（可以进行大气等离子喷涂（APS）、）、真空等离子喷涂（真空等离子喷涂（VPS）和超音速火焰喷涂和超音速火焰喷涂（HVOF）。）。与以前的等离子喷涂设备相比，与以前的等离子喷涂设备相比，Multicoat将气体部分独立出来，这样既可以避免将气体部分独立出来，这样既可以避免其他电路对质量流量计的干扰，又可以避免氢气泄其他电路对质量流量计的干扰，又可以避免氢气泄漏发生危险，提高了系统的安全性。漏发生危险，提高了系统的安全

27、性。等离子喷涂的新进展等离子喷涂的新进展材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（3 3）新设备）新设备 5500-2000型等离子喷涂设备型等离子喷涂设备 美国美国PRAXAIR-TAFA公司开发的等离子喷涂系统。公司开发的等离子喷涂系统。采用专有软件实时控制和监测等离子弧的实际能量，采用专有软件实时控制和监测等离子弧的实际能量，即净能量。即净能量。操作者键入优化参数后，控制模块控制整个工艺操作者键入优化参数后，控制模块控制整个工艺过程，监测和实时显示喷枪效率，使系统参数根据过程，监测和实时显示喷枪效率，使系统参数根据喷枪条件而反应，并作出相应调节以维护目标等离喷枪条件而反应，并作出

28、相应调节以维护目标等离子体能量，提供稳定的能量输出水平。子体能量，提供稳定的能量输出水平。等离子喷涂的新进展等离子喷涂的新进展材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（3 3）新设备）新设备 5500-2000型等离子喷涂设备型等离子喷涂设备 PRAXAIR-TAFA公司还开发出了类似公司还开发出了类似Multicoat的多功能喷涂系统的多功能喷涂系统GTS和大功率等离子喷涂系统和大功率等离子喷涂系统PlazJet（喷涂功率可以达到喷涂功率可以达到200kW），），其中其中GTS可以进行等离子喷涂、超音速火焰喷涂和电弧喷涂可以进行等离子喷涂、超音速火焰喷涂和电弧喷涂。PlazJet在国

29、内已有数家用户。在国内已有数家用户。等离子喷涂的新进展等离子喷涂的新进展材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（3 3）新设备）新设备 水稳等离子喷涂水稳等离子喷涂 水稳等离子喷涂是一种高功率和高速等离子喷水稳等离子喷涂是一种高功率和高速等离子喷涂方法涂方法,它是在由高速旋转的水形成的隧道里产生它是在由高速旋转的水形成的隧道里产生的弧中的弧中,水蒸气分解形成水蒸气分解形成O2 和和 H2 的等离子工作的等离子工作气的喷涂方法。与气体等离子喷涂方法相比气的喷涂方法。与气体等离子喷涂方法相比,其焰其焰流温度更高体积更大更长流温度更高体积更大更长,特别是能量更高特别是能量更高,因而因而特别

30、适合于高熔点氧化物陶瓷的大量喷涂。特别适合于高熔点氧化物陶瓷的大量喷涂。等离子喷涂的新进展等离子喷涂的新进展材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（3 3）新设备）新设备 水稳等离子喷涂水稳等离子喷涂优点：输出功率大优点：输出功率大(150-200 kw),涂层结合强涂层结合强度是气体等离子喷涂涂层的度是气体等离子喷涂涂层的2-3 倍倍,并且涂层致并且涂层致密密,其硬度、耐磨性和耐热冲击性能也有很大提高其硬度、耐磨性和耐热冲击性能也有很大提高；喷涂效率高喷涂效率高,喷涂能力最大为喷涂能力最大为50 kg/h；涂层涂层厚度可达厚度可达20 mm；只需水和空气；只需水和空气,运行成本低运

31、行成本低,比比其他喷涂方法经济。其他喷涂方法经济。缺点：焰流为氧化焰缺点：焰流为氧化焰,不适不适喷涂容易氧化的材料。此外喷涂容易氧化的材料。此外,喷涂枪体积较大喷涂枪体积较大,比比较笨重。较笨重。等离子喷涂的新进展等离子喷涂的新进展材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术 60年代年代-美国美国Browining-Jet Kote法法 1983年年-美国专利美国专利 在设备工艺上必须提供足够高的气体压力，在设备工艺上必须提供足够高的气体压力，以产生高达以产生高达5倍于音速的焰流（倍于音速的焰流（1830ms）。）。气体的消耗量也很大，所以需要庞大的供气系气体的消耗量也很大，所以需要庞大

32、的供气系统，就氧气而言，通常是一般火焰喷涂的统，就氧气而言，通常是一般火焰喷涂的10倍。倍。超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂HVOF材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（一）超音速火焰喷涂原理（一）超音速火焰喷涂原理 超音速喷涂是通过一个喷嘴实现的，超音速喷涂是通过一个喷嘴实现的，这个喷嘴是按流体动力学的原理设计的这个喷嘴是按流体动力学的原理设计的。喷嘴的流道是由细的喉管和逐渐加粗。喷嘴的流道是由细的喉管和逐渐加粗到某一尺寸的锥形管组成，这种结构被到某一尺寸的锥形管组成，这种结构被称为称为Laval喷嘴。喷嘴。超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术

33、（一）超音速火焰喷涂原理（一）超音速火焰喷涂原理 喷涂时，燃料气体和助燃剂（喷涂时，燃料气体和助燃剂（O2）以一）以一定的比例导入燃烧室内混合，爆炸式燃烧，高定的比例导入燃烧室内混合，爆炸式燃烧，高温燃气经燃烧室上部燃烧头内的四根倾斜喷管温燃气经燃烧室上部燃烧头内的四根倾斜喷管进入铜喷嘴，粉末由送粉气（进入铜喷嘴，粉末由送粉气（Ar或或N2）定量）定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送人高温燃气中。沿燃烧头内碳化钨中心套管送人高温燃气中。由高温高速燃气带出喷嘴，直接喷在件上。整由高温高速燃气带出喷嘴，直接喷在件上。整个喷枪由循环水冷却。个喷枪由循环水冷却。超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂材料科学与工程学院

34、材料科学与工程学院表面改性技术（二）超音速喷涂的特点（二）超音速喷涂的特点（1）粉粒温度较低，氧化较轻，但只适于喷涂金属）粉粒温度较低，氧化较轻，但只适于喷涂金属粉末、粉末、CoWC粉末以及低熔点粉末以及低熔点TiO2陶瓷粉末。陶瓷粉末。（2）粉粒运动速度高，喷涂效率高，涂层表面粗糙）粉粒运动速度高，喷涂效率高，涂层表面粗糙度低。度低。（3）粉粒尺寸小（）粉粒尺寸小（1053m）、分布范围窄，否则）、分布范围窄，否则不能熔化。不能熔化。（4）涂层结合强度、致密度高，无分层现象。）涂层结合强度、致密度高，无分层现象。（5）喷涂距离可在较大范围内变动，而不影响喷涂质量。喷涂距离可在较大范围内变动，

35、而不影响喷涂质量。（6）噪音大（）噪音大（120dB），需有隔音和防护装置。），需有隔音和防护装置。超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（三）涂层性能及应用（三）涂层性能及应用 粉粒速度高，温度低，因而涂层的质量明显优粉粒速度高，温度低，因而涂层的质量明显优于常用的等离子涂层。于常用的等离子涂层。美国最大的喷涂公司美国最大的喷涂公司Akron公司自公司自1982年以来年以来一直用一直用JetKote法为美国各火力发电站的过热蒸法为美国各火力发电站的过热蒸气发生器管路系统涂气发生器管路系统涂316、420不锈钢防腐涂层，不锈钢防腐涂层，取得很好的经济效益。

36、取得很好的经济效益。超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（三）涂层性能及应用（三）涂层性能及应用 美国通用飞机公司对喷气发动机易受磨粒磨损、美国通用飞机公司对喷气发动机易受磨粒磨损、粘着磨损和冲蚀磨损的主要部件用粘着磨损和冲蚀磨损的主要部件用JetKote法和法和等离子法喷涂钴基耐磨合金后的涂层进行了系统的等离子法喷涂钴基耐磨合金后的涂层进行了系统的对比研究，结果表明：对比研究，结果表明：JetKote法所得涂层性能法所得涂层性能明显优于等离子涂层，而且涂层的结合强度，氧化明显优于等离子涂层，而且涂层的结合强度，氧化物含量少。物含量少。超音速火焰喷涂超音

37、速火焰喷涂材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（一）爆炸喷涂的工作原理（一）爆炸喷涂的工作原理 美国联合碳化物公司的专利，其设备及工艺参数美国联合碳化物公司的专利，其设备及工艺参数至今仍然保密。（至今仍然保密。（1955年）年）原苏联乌克兰科学院材料问题研究所原苏联乌克兰科学院材料问题研究所-其喷涂性能其喷涂性能与美国联合碳化物公司有差距（与美国联合碳化物公司有差距（1968年）。年）。我国于我国于1985年左右年左右,由中国航天工业部航空材料研由中国航天工业部航空材料研究所研制成功爆炸喷涂设备究所研制成功爆炸喷涂设备,就就Co/WC涂层性能来看，涂层性能来看，喷涂性能与美国联合碳

38、化物公司的水平接近。喷涂性能与美国联合碳化物公司的水平接近。Detonation Flame Spraying材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（二）爆炸喷涂涂层的特点（二）爆炸喷涂涂层的特点（1）结合强度高，）结合强度高，Co-WC粉末，涂层结合强粉末，涂层结合强度可达度可达100MPa以上，而等离子喷涂以上，而等离子喷涂30MPa。可以喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷材料。可以喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷材料。（2）涂层致密，气孔率很低（）涂层致密，气孔率很低（1%2%），），表面平整；涂层表面加工后粗糙度低，工件表表面平整；涂层表面加工后粗糙度低，工件表面温度低。面温度低。（3）设备价

39、格高、噪音大；设备价格高、噪音大；氧化性气氛等原因，国内外使用还不氧化性气氛等原因，国内外使用还不 广泛。广泛。Detonation Flame Spraying材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（三）爆炸喷涂的应用（三）爆炸喷涂的应用 在零件的磨损面上用爆炸喷涂工艺喷上耐磨涂层可在零件的磨损面上用爆炸喷涂工艺喷上耐磨涂层可使零件耐磨寿命延长数倍至数十倍。使零件耐磨寿命延长数倍至数十倍。例如在航空发动机的一、二级钛合金风扇叶片的中例如在航空发动机的一、二级钛合金风扇叶片的中间阻尼台上，用爆炸喷涂涂上一层间阻尼台上，用爆炸喷涂涂上一层0.25mm厚的厚的WC层，寿命可以从层，寿命可

40、以从100h延长到延长到10000h。在燃烧室的定在燃烧室的定位卡环上喷上一层位卡环上喷上一层0.12mm厚的厚的Cr3C2涂层。零件的涂层。零件的寿命可从寿命可从4000h延长到延长到28000h以上。以上。在国外、爆炸喷涂已成功地应用于在国外、爆炸喷涂已成功地应用于50多种航空产多种航空产品的零件上。如低压压气机叶片、涡轮叶片。轮壳封品的零件上。如低压压气机叶片、涡轮叶片。轮壳封严增、齿轮轴、火焰筒外壁、衬套、副翼、制动装置严增、齿轮轴、火焰筒外壁、衬套、副翼、制动装置等。等。Detonation Flame Spraying材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术航空发动机叶片喷

41、涂航空发动机叶片喷涂0.25mm的氧化锆的氧化锆-氧化钇涂层，耐氧化钇涂层，耐高温、高速、燃气腐蚀的寿命提高了高温、高速、燃气腐蚀的寿命提高了4倍，冷却空气减少倍，冷却空气减少50%。Detonation Flame Spraying涡轮发动机内温度要达到涡轮发动机内温度要达到1400-1500，高温合金的极限，高温合金的极限1200多度，可热喷涂抗氧化合金底层和熔点高、导热低多度，可热喷涂抗氧化合金底层和熔点高、导热低的氧化锆陶瓷热障涂层，外壁温度明显降低。的氧化锆陶瓷热障涂层，外壁温度明显降低。钢铁工业的铸造模一直采用镀铬处理，但表面强度下降钢铁工业的铸造模一直采用镀铬处理，但表面强度下降

42、很快，采用喷涂高温强度下降不显著的镍合金，增强基很快，采用喷涂高温强度下降不显著的镍合金，增强基体结合的同时提高寿命，冷轧辊体结合的同时提高寿命，冷轧辊WC-Co涂层。涂层。材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术人工关节、人工骨：不锈钢中人工关节、人工骨：不锈钢中Cr、Ni元素表面喷涂元素表面喷涂Ti和和羟基磷灰石涂层，可提高抗腐蚀、增加相容性。羟基磷灰石涂层，可提高抗腐蚀、增加相容性。Detonation Flame Spraying 释放热量，红外辐射涂层释放热量，红外辐射涂层 发动机活塞：氧化铝、氧化锆涂层发动机活塞：氧化铝、氧化锆涂层材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改

43、性技术 其工艺过程是把高强度能量的激光束朝着接其工艺过程是把高强度能量的激光束朝着接近于零件基体表面的方向直射，基体同时被一近于零件基体表面的方向直射，基体同时被一个辅助的激光加热器加热，这时细微的粉末以个辅助的激光加热器加热，这时细微的粉末以倾斜的角度被吹送到激光束中熔化粘结到基体倾斜的角度被吹送到激光束中熔化粘结到基体表面，形成了一层薄的表面涂层，与基体之间表面，形成了一层薄的表面涂层，与基体之间形成良好的结合。喷涂环境的气氛可以选择在形成良好的结合。喷涂环境的气氛可以选择在大气气氛下也可在惰性气氛或真空状态下进行大气气氛下也可在惰性气氛或真空状态下进行喷涂。喷涂。Laser Sprayi

44、ng材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术 激光喷涂的特点是：喷涂所获得的涂激光喷涂的特点是：喷涂所获得的涂层结构与原始粉末相同；可以喷涂大多数层结构与原始粉末相同；可以喷涂大多数材料，范围从低熔点的涂层材料到超高熔材料，范围从低熔点的涂层材料到超高熔点的涂层材料，如制备固体氧化物燃料电点的涂层材料，如制备固体氧化物燃料电池陶瓷涂层、制备高超导薄膜等。池陶瓷涂层、制备高超导薄膜等。Laser Spraying材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（1）热喷涂涂）热喷涂涂层的结构特点层的结构特点呈层状呈层状氧化物夹杂氧化物夹杂孔隙或气孔孔隙或气孔热喷涂的组织结构热喷涂的组织结

45、构材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术（2）热喷涂涂层的结合机理热喷涂涂层的结合机理涂层与基体的结合涂层与基体的结合 涂层内部的结合涂层内部的结合 涂层与基体表面的粘结力称为结合力涂层与基体表面的粘结力称为结合力 涂层内部的粘结力称为内聚力。涂层内部的粘结力称为内聚力。（a）机械结合）机械结合 颗粒和凹凸不平的表面相互嵌合，以及以颗粒的机颗粒和凹凸不平的表面相互嵌合，以及以颗粒的机械联锁而形成的结合（抛锚效应），一般来说，涂层械联锁而形成的结合（抛锚效应），一般来说，涂层与基体的结合以机械结合为主。与基体的结合以机械结合为主。热喷涂的组织结构热喷涂的组织结构材料科学与工程学院材料科

46、学与工程学院表面改性技术（2）热喷涂涂层的结合机理热喷涂涂层的结合机理（b）冶金化学结合）冶金化学结合 涂层和基体表面产主冶金反应，如出现扩散和涂层和基体表面产主冶金反应，如出现扩散和合金化时的一种结合类型。合金化时的一种结合类型。（c）物理结合）物理结合 颗粒与基体表面间由范德华力或次价键形成的颗粒与基体表面间由范德华力或次价键形成的结合。结合。热喷涂的组织结构热喷涂的组织结构材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术热喷涂材料按形状可分为：热喷涂材料按形状可分为：线材：喷涂设备简单，操作方便，耗能少，成本线材：喷涂设备简单，操作方便，耗能少，成本低，工艺因素影响小，涂层质量稳定。低，

47、工艺因素影响小，涂层质量稳定。粉末：不受线材成型工艺的限制，成本低，来源粉末：不受线材成型工艺的限制，成本低，来源广，组元间可按任意比例调配，组成各种组合粉、广，组元间可按任意比例调配，组成各种组合粉、复合粉，从而得到相图上存在或不存在的相组织，复合粉，从而得到相图上存在或不存在的相组织，获得某些特殊性能。获得某些特殊性能。热喷涂用材热喷涂用材材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术一、一、热喷涂线材热喷涂线材 非复合喷涂线材和复合喷涂线材。非复合喷涂线材和复合喷涂线材。（1）非复合线材）非复合线材 只含一种金属或合金的材料制成的线材。这些线只含一种金属或合金的材料制成的线材。这些线材

48、是用普通的拉拔方法制造的，常用的有：材是用普通的拉拔方法制造的，常用的有：Al及及Al合金：一般为纯合金：一般为纯Al或或Al-Si合金线材，主合金线材，主要用于腐蚀保护，抗高温氧化。要用于腐蚀保护，抗高温氧化。Zn及及Zn合金：一般为合金：一般为Zn或或Zn-Al合金线材，主合金线材，主要用于大气及水中的腐蚀防护。要用于大气及水中的腐蚀防护。热喷涂用材热喷涂用材材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术一、一、热喷涂线材热喷涂线材 非复合喷涂线材和复合喷涂线材。非复合喷涂线材和复合喷涂线材。（1）非复合线材）非复合线材Cu及及Cu合金：一般纯合金：一般纯Cu丝用于导电及塑像工丝用于导电

49、及塑像工艺品，黄铜丝主要用于修复、耐磨、装饰艺品，黄铜丝主要用于修复、耐磨、装饰,铝青铜铝青铜用于酸性介质中的耐蚀涂层。用于酸性介质中的耐蚀涂层。Ni及及Ni合金：一般为合金：一般为Ni及及,主要用于耐蚀、耐磨、主要用于耐蚀、耐磨、耐高温氧化。耐高温氧化。热喷涂用材热喷涂用材材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术一、一、热喷涂线材热喷涂线材 非复合喷涂线材和复合喷涂线材。非复合喷涂线材和复合喷涂线材。（1）非复合线材）非复合线材Fe及及Fe合金：普通碳钢丝，低合金钢丝等主要合金：普通碳钢丝，低合金钢丝等主要用于修复和耐磨；不锈钢丝用于防腐蚀，用于修复和耐磨；不锈钢丝用于防腐蚀，Fe-

50、Cr-Al丝主要用于抗高温氧化。丝主要用于抗高温氧化。Pb及及Pb合金：主要用于滑动耐磨涂层和防护涂合金：主要用于滑动耐磨涂层和防护涂层。层。Mo：主要用于打底层和耐浓盐酸涂层。：主要用于打底层和耐浓盐酸涂层。热喷涂用材热喷涂用材材料科学与工程学院材料科学与工程学院表面改性技术一、一、热喷涂线材热喷涂线材 (2)复合喷涂线材复合喷涂线材 复合喷涂线材就是把两种或两种以上的材料复复合喷涂线材就是把两种或两种以上的材料复合而制成的喷涂线材。合而制成的喷涂线材。常用的有：常用的有：Ni-Al复合丝、复合丝、Al-Cr,Al-Ta,Al-B,Al-Ni-WC,Al-Ni-Cr,Al-Ni-Al2O3等