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热喷涂技术及应用讲解

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1 什么是热喷涂? ? 热喷涂是利用热源将喷涂材料加热到熔化或 半熔化状态,借助于焰流或外加的推力将熔 滴雾化或推动熔粒成喷射的粒束,以一定速 度喷射到经过制备的基体表面形成某种功能 的涂层。 2 热喷涂原理 Particle or Droplet generation Accelerating Heating Splat formation: Impact, flattening Solidification 3 典型热喷涂系统 4 涂层结构 5 单个粒子表面形貌 530 oC 740 oC 涂层断面形貌(层状结构) 6 热喷涂分类 线材火焰喷涂、棒材火焰喷涂 气体燃烧火焰法 粉末火焰喷涂、爆炸喷涂 超音速火焰喷涂、粉末火焰喷熔 电弧喷涂 大气等离子喷涂 热 真空等离子喷涂 喷 气体放电法 等离子喷涂 保护气体等离子喷涂 涂 水稳等离子喷涂 超音速等离子喷涂 等离子喷熔 电热法:高频喷涂、线材电爆喷涂 激光热源:激光喷涂、激光喷熔 7 几种主要热喷涂方法和设备 8 粉末火焰喷涂 喷枪通过气阀分别引入燃料气(主要采用乙炔)和氧气,经混合后从 喷咀喷出,产生燃烧火焰。合金粉末在高速氧气流的带动下由喷嘴射、、 出,穿过燃烧火焰时被加热到熔化或半熔化状态,并高速撞击在已预处 理的基体表面上,沉积为喷涂层。 3 4 5 2 1 6 8 粉末火焰喷涂原理示意图 1-氧、乙炔混合气;2-送粉气;3-喷涂粉末;4-喷嘴;5-火焰;6-涂层;7-基体 9 火焰喷涂特点及应用 特点: a. 设备简单、轻便、初投资少,操作工艺简单,现场施工方便; b. 适于机械零部件的局部修复和强化,成本低,耗时少,效益高; c. 可以喷涂纯金属粉、合金、陶瓷、金属陶瓷和复合粉末等多种材料; d. 涂层孔隙率较高,涂层结合强度10-30MPa。 应用: 粉末火焰喷涂广泛用于机械部件和化工容器、辊筒表面制备耐蚀、耐磨 涂层。对喷枪喷咀部分作适当变动后,可用于喷涂塑料粉末。 10 等离子喷涂 在阴极和阳极(喷嘴)之间产生一直流电弧。该电弧把导 入的工作气体加热电离成高温等离子体并从喷嘴喷出形成 等离子焰。粉末由送粉气体送入等离子射流后被熔化、加 速、喷射到以预处理的基体材料表面形成涂层。 4 5 3 7 6 2 1 等离子喷涂原理示意图 1-喷涂粉末;2-工作气;3-阴极;4-阳极;5-等离子射流;6-基体;7-喷涂层; 11 冷却水源 主电源 APS设备组成 水冷器 直流电源 预热器 压力计 H2 N2 Ar He 流量计 控制台 工 作 气 等离子枪 载粉气 送粉器 12 APS涂层特点及应用 特点: a. 喷涂材料范围广:制备难熔金属、陶瓷、金属陶 瓷复合材料涂层及其它特殊功能涂层; b. 等离子弧温度高,能量集中,焰流速度高涂层结 合强度高,可达35-70MPa,气孔率可控制到2-5%; c. 惰性气体等离子射流有保护气氛,加氢的射流有 还原气氛,避免或减少了喷涂粒子的氧化; 应用: 制备质量要求高的耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高 温和特殊功能涂层。 13 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,利用其端面产 生的电弧作热源来熔化金属丝材,用压缩空气进行雾化的热喷涂方法。 电弧喷涂原理示意图 1-直流电源;2-金属丝;3-送丝滚轮;4-导电块;5-导电嘴; 6-空气喷嘴;7-电弧;8-喷涂射流;9-涂层;10-基体 14 电弧喷涂设备 15 电弧喷涂典型应用 1) 钢铁构件上制备Zn、Al长效防护涂层; 2) 在钢铁件上喷涂不锈钢或其它耐磨金属,用于耐磨蚀防护; 3) 喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料,用于修复零件 已磨损或尺寸超差的部位; 4) 在电容器上喷涂导电涂层,在塑料制品上喷涂屏蔽涂层等。 16 爆炸喷涂 将一定比例和流量的乙炔和氧气引入内径为25mm 的水冷枪筒内,与同时引入的喷涂粉末混合,通过火 花塞瞬间引爆,枪筒内的温度突然上升到3300℃以上, 气体燃烧的速度超过音速的十倍,形成冲击波, 爆炸的 热能将喷涂粉末加热到熔融或半熔融状态,并使熔粒 加速到2倍音速喷出,撞击到基体表面形成涂层,此后 将氮气引入枪筒内置换,直到下一个爆炸过程开始, 喷涂频率可达每秒4-8次。 17 3 2 1 4 5 7 6 8 爆炸喷涂原理示意图 1-氮气;2-粉末;3-火花塞;4-喷涂射流;5-涂层; 6-基体;7-氧气;8-乙炔 18 爆炸喷涂设备 19 爆炸喷涂特点及应用 1) 涂层结合强度高:它与基材的结合力比等离子喷涂高, 尤其是WC-Co涂层比等离子喷涂高2倍以上; 2) 涂层硬度高:喷涂WC-Co涂层的断面硬度比等离子喷 涂高50%以上; 3) 气孔率低:喷涂WC-Co涂层气孔率一般只有0.5%; 4) 目前爆炸喷涂主要用于制备优质耐磨涂层。 20 超音速火焰喷涂 ? 燃料气体(氢气、丙烷、丙烯或MAPP)和助燃剂(O2) 以一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进入铜喷咀,粉末 由送粉气(Ar或N2)定量沿燃烧头内碳化钨中心套管送 入高温燃气中,由高温高速燃气带出喷咀,高速喷射到工 件上形成涂层,整个喷枪由循环水冷却。 21 1 2 3 54 Jet-Kote超音速粉末火焰枪原理图 1-粉末及送粉气;2-冷却水;3-冷却水;4-氧气;5-燃料气; 22 超音速火焰喷涂设备 23 特点及应用 1) 火焰及喷涂粒子速度极高:燃气流速可达1500-2000m/s,粉 粒撞击到工件表面的速度为550~800 m/s; 2) 粉粒在火焰中加热时间长:喷涂粉末以中心轴式方法供给, 这种供粉方式使粉末在火焰中停留时间长,能均匀地受热熔 融,产生集中的喷射束流; 3) 熔粒与周围大气接触时间短:这可避免碳


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