歐瑞康美科Oerlikon Metco表面技術(shù)（上海）有限公司劉函宇熱噴涂材料經(jīng)理作客廣州三鑫與員工交流

時間：2018-09-03作者：廣州三鑫金屬科技有限公司瀏覽：107

2018年1月17日歐瑞康美科Oerlikon Metco表面技術(shù)（上海）有限公司熱噴涂材料經(jīng)理劉函宇作客廣州三鑫與員工交流熱噴涂技術(shù)。以下為會議交流簡介：

熱噴涂工藝
熱噴工藝過程如下：

工件表面預(yù)處理?  工件預(yù)熱 ?  噴涂 ?  涂層后處理

1. 表面預(yù)處理

 為了使涂層與基體材料很好地結(jié)合,基材表面必須清潔及粗糙, 凈化和粗化表面的方法很多, 方法的選擇要根據(jù)涂層的設(shè)計要求及基材的材質(zhì)、形狀、厚薄、表面原始狀況以及施工條件等因素而定.

凈化處理的目的是除去工件表面的所有污垢,如氧化皮、油漬、油漆及其他污物, 關(guān)鍵是除去工件表面和滲入其中的油脂. 凈化處理的方法有, 溶劑清洗法、蒸汽清洗法、堿洗法及加熱脫脂法等
 
粗化處理的目的是增加涂層與基材間的接觸面, 增大涂層與基材的機械咬合力, 使凈化處理過的表面較加活化,以提高涂層與基材的結(jié)合強度. 同時基材表面粗化還改變涂層中的殘余應(yīng)力分布,對提高涂層的結(jié)合強度也是有利的. 粗化處理的方法有噴砂、機械加工法(如車螺紋、滾花)、電拉毛等。其中噴砂處理是較常用的粗化處理方法，常用的噴砂介質(zhì)有氧化鋁、碳化硅和冷硬鑄鐵等。噴砂時，噴砂介質(zhì)的種類和粒度、噴砂時風(fēng)壓的大小等條件必須根據(jù)工件材質(zhì)的硬度、工件的形狀和尺寸等進行合理的選擇。對于各種金屬基體，推薦采用的砂粒粒度約為16－60號砂，粗砂用于堅固件和重型件的噴砂，噴砂壓力為0.5－0.7Mpa，薄工件易于變形，噴砂壓力為0.3－0.4 Mpa。特別值得注意的一點是，用于噴砂的壓縮空氣一定要是無水無油的，否則會嚴(yán)重影響涂層的質(zhì)量。噴涂前工件表面的粗化程度對大多數(shù)金屬材料來說2.5－13mmRa就夠了。隨著表面粗糙度的增加涂層與基體材料的結(jié)合增強，但是當(dāng)表面粗糙度**過10mmRa后，涂層結(jié)合強度的提高程度便會減低。

對于一些與基材粘結(jié)不好的涂層材料, 還應(yīng)選擇一種與基體材料粘結(jié)好的材料噴涂一層過渡層,稱為粘結(jié)底層,常用作粘結(jié)底層的材料有Mo、NiAl、NiCr及鋁青銅等.粘結(jié)底層的厚度一般為0.08－0.18mm。

2.預(yù)熱

預(yù)熱的目的是為了消除工件表面的水分和濕氣, 提高噴涂粒子與工件接觸時的界面溫度, 以提高涂層與基體的結(jié)合強度；減少因基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的應(yīng)力而導(dǎo)致的涂層開裂. 預(yù)熱溫度取決于工件的大小、形狀和材質(zhì),以及基材和涂層材料的熱膨脹系數(shù)等因素,一般情況下預(yù)熱溫度控制在60 - 120 ℃之間.

3.噴涂

采用何種噴涂方法進行噴涂主要取決于選用的噴涂材料、工件的工況及對涂層質(zhì)量的要求。例如，如果是陶瓷涂層，則較好選用等離子噴涂；如果是碳化物金屬陶瓷涂層則較好采用高速火焰噴涂；若是噴涂塑料則只能采用火焰噴涂；而若要在戶外進行大面積防腐工程的噴涂的話，那就非靈活高效的電弧噴涂或絲材火焰噴涂莫屬了?？傊?，噴涂方法的選擇一般來說是多樣的，但對某種應(yīng)用來說總有一種方法是較好的。

預(yù)處理好的工件要在盡可能短的時間內(nèi)進行噴涂,噴涂參數(shù)要根據(jù)涂層材料、噴槍性能和工件的具體情況而定, 優(yōu)化的噴涂條件可以提高噴涂效率、并獲得致密度高、結(jié)合強度高的高質(zhì)量涂層.

4.涂層后處理

噴涂所得涂層有時不能直接使用, 必須進行一系列的后處理. 

用于防腐蝕的涂層,為了防止腐蝕介質(zhì)透過涂層的孔隙到達基材引起基材的腐蝕,必須對涂層進行封孔處理. 用作封孔劑的材料很多,有石臘、環(huán)氧樹脂、硅樹脂等**材料及氧 化物等無機材料, 如何選擇合適的封孔劑, 要根據(jù)工件的工作介質(zhì)、環(huán)境、溫度及成本等多種因素進行考慮.

對于承受高應(yīng)力載荷或沖擊磨損的工件,為了提高涂層的結(jié)合強度,要對噴涂層進行重熔處理(如火焰重熔、感應(yīng)重熔、激光重熔以及熱等靜壓等), 使多孔的且與基體僅以機械結(jié)合的涂層變?yōu)榕c基材呈冶金結(jié)合的致密涂層.

有尺寸精度要求的,要對涂層進行機械加工. 由于噴涂涂層具有與一般的金屬及陶瓷材料不同的特點, 如涂層有微孔,不利于散熱；涂層本身的強度較低,不能承受很大的切削力；涂層中有很多硬的質(zhì)點,對刀具的磨損很快等,因而形成了噴涂涂層不同于一般材料的難于加工的特點.所以必須選用合理的加工方法和相應(yīng)的工藝參數(shù)才能保證噴涂層機械加工的順利進行和保證達到所要求的尺寸精度.

四. 熱噴涂技術(shù)的特點
從熱噴涂技術(shù)的原理及工藝過程分析,熱噴涂技術(shù)具有以下一些特點. 

1. 由于熱源的溫度范圍很寬,因而可噴涂的涂層材料幾乎包括所有固態(tài)工程材料,如金屬、合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料以及由它們組成的復(fù)合物等. 因而能賦予基體以各種功能(如耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、絕緣、隔熱、生物相容、紅外吸收等)的表面.

2. 噴涂過程中基體表面受熱的程度較小而且可以控制,因此可以在各種材料上進行噴涂(如金屬、陶瓷、玻璃、布疋、紙張、塑料等),并且對基材的組織和性能幾乎沒有影響,工件變形也小.

3.設(shè)備簡單、操作靈活, 既可對大型構(gòu)件進行大面積噴涂,也可在*的局部進行噴涂；既可在工廠室內(nèi)進行噴涂也可在室外現(xiàn)場進行施工.

4.噴涂操作的程序較少,施工時間較短,效率高,比較經(jīng)濟.

隨著熱噴涂應(yīng)用要求的提高和領(lǐng)域的擴大, 特別是噴涂技術(shù)本身的進步, 如噴涂設(shè)備的日益高能和精良,涂層材料品種的逐漸增多、性能逐漸提高, 熱噴涂技術(shù)近十年來獲得了飛速的發(fā)展, 不但應(yīng)用領(lǐng)域大為擴展, 而且該技術(shù)已由早期的制備一般的防護涂層發(fā)展到制備各種功能涂層；由單個工件的維修發(fā)展到大批的產(chǎn)品制造；由單一的涂層制備發(fā)展到包括產(chǎn)品失效分析、表面預(yù)處理、 涂層材料和設(shè)備的研制、選擇, 涂層系統(tǒng)設(shè)計和涂層后加工在內(nèi)的噴涂系統(tǒng)工程；成為材料表面科學(xué)領(lǐng)域中一個十分活躍的學(xué)科。并且在現(xiàn)代工業(yè)中逐漸形成 象鑄、鍛、焊和熱處理那樣的獨立的材料加工技術(shù)。成為工業(yè)部門節(jié)約貴重材料、節(jié)約能源、提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長產(chǎn)品使用壽命、降低成本、提高工效的重要的工藝手段, 在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域內(nèi)得到越來越廣泛的應(yīng)用。


五.  各種熱噴涂方法概述
1. 氧乙炔火焰噴涂(焊)

 是較早的一種噴涂方法。它是利用氧和乙炔的燃燒火焰將粉末狀或絲狀、棒狀的涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)后噴向基體表面而形成涂層的一種方法。它具有設(shè)備簡單、工藝成熟、操作靈活、投資少、見效快的特點。它可制備各種金屬、合金、陶瓷及塑料涂層, 是目前國內(nèi)較常用的噴涂方法之一。但是, 由該方法制備的涂層孔隙度較大, 與基體材料的結(jié)合強度也較低。但是, 對于自熔合金而言,如若采用燃燒火焰將其一次噴融或?qū)娡繉舆M行 二次重熔(有火焰重熔、感應(yīng)重熔和爐熔等)的方法則稱為噴焊, 噴焊涂層由于與基體材料呈冶金結(jié)合狀態(tài), 因而與基體材料的結(jié)合強度大大提高,可以應(yīng)用于沖擊大、負(fù)荷重的工況下,如連續(xù)鑄造拉矯輥、熱軋矯直輥表面采用鎳基自熔合金噴焊涂層進行強化, 均獲得了十分良好的耐蝕、耐磨和抗熱疲勞的強化效果.

2. 爆炸噴涂(D - GUN)

本方法是利用氧和可燃性氣體的混合氣，經(jīng)點火后在噴槍中爆炸, 利用脈沖式氣體爆炸的能量, 將被噴涂的粉末材料加熱、加速轟擊到工件表面而形成涂層。氣體燃燒和爆炸的結(jié)果可產(chǎn)生**音速高能氣流, 爆炸波的傳播速度高達3000 m / s, 其中心溫度可達3450℃, 粉末粒子的飛行速度可達1200 m / s。因而爆炸噴涂層涂層致密, 與基體的結(jié)合強度高, 較高可達24 kg / mm2. 該法的缺點是噪音大, 而且爆炸是不連續(xù)的, 因而效率較低。爆炸噴涂是20世紀(jì)50年代由美國聯(lián)合碳化物公司發(fā)明,但問世后許多年都由該公司所壟斷, 不對外出售技術(shù)和設(shè)備, 只在其服務(wù)公司內(nèi)為用戶進行噴涂加工, 主要噴涂陶瓷和金屬陶瓷, 進行航空發(fā)動機的維修.

3. 高速火焰噴涂(HVOF)

高速火焰噴涂（或稱**音速火焰噴涂）是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種高能噴涂方法, 它的開發(fā)是繼等離子噴涂之后熱噴涂工業(yè)較具創(chuàng)造性的進展。雖然高速火焰噴涂方法可噴涂的材料很多, 但由于其火焰含氧少溫度適中,焰流速度很高,能有效地防止粉末涂層材料的氧化和分解, 故特別適合碳化物類涂層的噴涂。該設(shè)備發(fā)展到*三代, 性能有了大幅度的提高, 例如JP-5000、DJ - 2700等設(shè)備其室壓達到8 -12 bar,功率達到100 -120 kw, 噴涂效率可達10 kg / h ( WC -Co), 涂層厚度可達數(shù)mm, 涂層性能已能達到爆炸噴涂的水平。在許多工業(yè)部門獲得廣泛的應(yīng)用.如航空發(fā)動中的耐磨涂層、造紙機械用的鏡面涂層等.近年來,由于電鍍鉻工藝的環(huán)境污染問題,電鍍鉻工業(yè)在一些工業(yè)發(fā)達國家受到嚴(yán)格的限制,并逐漸被淘汰, 采用高速火焰噴涂涂層代替鍍鉻層的應(yīng)用越來越受到工業(yè)界的關(guān)注和重視. 

4. 電弧噴涂

電弧噴涂是在兩根絲狀的金屬材料之間產(chǎn)生電弧, 電弧產(chǎn)生的熱使金屬絲熔化, 熔化部分由壓縮空氣氣流霧化并噴向基體表面而形成涂層。該工藝也具有設(shè)備一次投資少, 使用方便、效率高等特點, 但噴涂材料必須是導(dǎo)電的金屬及合金絲, 因而其應(yīng)用受到了一定的限制, 但它的高效率使得它在噴涂Al、Zn及不銹鋼等大面積防腐應(yīng)用方面成為可以選擇工藝


5.  等離子噴涂(APS)

當(dāng)某種氣體如氮、氬、氫及氦等通過一壓縮電弧時產(chǎn)生電離而形成電中性的等離子體(是物質(zhì)除氣、液、固態(tài)外的*四態(tài)).等離子弧的能量集中溫度很高, 其焰流的溫度在萬度以上, 可以將所有固態(tài)工程材料熔化. 以這種高溫等離子體作熱源將涂層材料熔化制備涂層的工藝就是等離子噴涂。國內(nèi)外已有數(shù)百種材料用于等離子噴涂, 是應(yīng)用較普遍的噴涂方法。

等離子噴涂涂層的致密度及與基體材料的結(jié)合強度均比火焰噴涂涂層和電弧噴涂涂層的高,而且也是制備陶瓷涂層的較佳工藝.     

等離子技術(shù)中引人注目之處是設(shè)備的大容量化和高輸出功率化, 目前氣體等離子噴涂設(shè)備已有200 kw 的設(shè)備出售, 不但大大提高了噴涂效率, 也使涂層質(zhì)量較為改善, 因而可以實現(xiàn)大面積高質(zhì)量涂層的連續(xù)生產(chǎn), 如柔性印刷用網(wǎng)紋輥鏡面陶瓷層以及高分子薄膜電暈處理用陶瓷絕緣涂層的制備等.

6. 低壓等離子噴涂(LPPS)

等離子噴涂可以在不同氣氛和不同壓力下實現(xiàn), 當(dāng)噴涂作業(yè)在氣氛可控的負(fù)壓密封容器內(nèi)進行時就成為低壓等離子噴涂。低壓等離子噴涂的優(yōu)點是：焰流速度高、粒子動能大,形成的涂層致密、結(jié)合強度高； 低壓環(huán)境下可對基體進行預(yù)熱和進行反向轉(zhuǎn)移弧電清理, 進一步提高涂層與基體的結(jié)合強度；由于沒有大氣污染, 涂層材料不氧化成分變化小, 因而可以進行活性金屬如Ti、Ta、Nb等的噴涂；還可使形成等離子體的氣體在噴涂過程中與涂層材料進行反應(yīng),形成特殊化合物涂層。由于具有以上特點, 低壓等離子噴涂主要用于制備航空工業(yè)等高科技領(lǐng)域的涂層, 如飛機渦輪發(fā)動機葉片抗高溫氧化和熱腐蝕的MCrAlY(M = Co、Ni、Fe)涂層,以及制備人體人工植入體用生物功能涂層.

7. 水穩(wěn)等離子噴涂

水穩(wěn)等離子噴涂是一種高功率和高速等離子噴涂方法, 它是在由高速旋轉(zhuǎn)的水形成的隧道里產(chǎn)生的弧中,水蒸氣分解形成O2 和 H2 的等離子工作氣的噴涂方法。與氣體等離子噴涂方法相比, 其焰流溫度較高體積較大較長, 特別是能量較高, 因而特別適合于高熔點氧化物陶瓷的大量噴涂。其主要優(yōu)點是：輸出功率大(150 -200 kw),  涂層結(jié)合強度是氣體等離子噴涂涂層的2 - 3 倍, 并且涂層致密, 其硬度、耐磨性和耐熱沖擊性能也有很大提高； 噴涂效率高, 噴涂能力較大為50 kg / h, 涂層厚度可達20 mm , 而且可以噴涂分散性較大的粉末, 因而特別適合陶瓷部件的噴涂成形； 只需水和空氣, 運行成本低, 比其他噴涂方法經(jīng)濟。  本方法的缺點是焰流為氧化焰, 不適噴涂*氧化的材料。此外, 噴涂槍體積較大, 比較笨重.

六. 熱噴涂原理和涂層性能
? 熱噴涂原理

1. 熱噴涂涂層的形成

熱噴涂時，涂層材料的粒子被熱源加熱到熔融態(tài)或高塑性狀態(tài)，在外加氣體或焰流本身的推力下，霧化并高速噴射向基體表面，涂層材料的粒子與基體發(fā)生猛烈碰撞而變形、展平沉積于基體表面，同時急冷而快速凝固，顆粒這樣遂層沉積而堆積成涂層。　

2．熱噴涂涂層的結(jié)構(gòu)特點

熱噴涂涂層形成過程決定了涂層的結(jié)構(gòu)特點，噴涂層是由無數(shù)變形粒子相互交錯呈波浪式堆疊在一起的層狀組織結(jié)構(gòu)，涂層中顆粒與顆粒之間不可避免地存在一些孔隙和空洞，并伴有氧化物夾雜。涂層剖面典型的結(jié)構(gòu)如下圖，其特點為：

＊呈層狀

＊含有氧化物夾雜

＊含有孔隙或氣孔


典型的涂層剖面圖

典型的涂層剖面圖.jpg

3. 熱噴涂涂層的結(jié)合機理

涂層的結(jié)合包括涂層與基體的結(jié)合和涂層內(nèi)部的結(jié)合。涂層與基體表面的粘結(jié)力稱為結(jié)合力，涂層內(nèi)部的粘結(jié)力稱為內(nèi)聚力。涂層中顆粒與基體之間的結(jié)合以及顆粒之間的結(jié)合機理，目前尚無定論，通常認(rèn)為有以下幾種方式。

（1）　機械結(jié)合　

碰撞成扁平狀并隨基體表面起伏的顆粒和凹凸不平的表面相互嵌合，貝以顆粒的機械聯(lián)鎖而形成的結(jié)合（拋錨效應(yīng)），一般來說，涂層與基體的結(jié)合以機械結(jié)合為主。

（2）　冶金－化學(xué)結(jié)合　

這是當(dāng)涂層和基體表面產(chǎn)主冶金反應(yīng)，如出現(xiàn)擴散和合金化時的一種結(jié)合類型。當(dāng)噴涂后進行重熔即噴焊時，噴焊層與基體的結(jié)合主要是冶金結(jié)合。

（3）　物理結(jié)合

顆粒與基體表面間由范德華力或次價鍵形成的結(jié)合?！?

4。涂層的殘余應(yīng)力

　當(dāng)熔融顆粒碰撞基體表面時，在產(chǎn)生變形的同時受到激冷而凝固，從而產(chǎn)生收縮應(yīng)力。涂層的外層受拉應(yīng)力，基體有時也包括涂層的內(nèi)層則產(chǎn)生壓應(yīng)力。涂層中的這種殘余應(yīng)力是由熱噴涂條件及噴涂材料與基體材料的物理性質(zhì)的差異所造成的。它影響涂層的質(zhì)量、限制涂層的厚度。工藝上要采取措施以消除和減少涂層的殘余應(yīng)力。


? 熱噴涂涂層的性能

1. 化學(xué)成分

由于涂層材料在熔化和噴射過程中，在高溫下會與周圍介質(zhì)發(fā)生作用生成氧化物、氮化物，以及在高溫下會發(fā)生分解，　因而涂層的成分與涂層材料的成分是有一定的差異的，并在一定程度上影響涂層的性能。如MCrAlY氧化后會影響其耐蝕性，而WC－Co經(jīng)氧化和高溫分解后其耐磨性會降低。通過噴涂方法的選擇可以避免和減輕這一現(xiàn)象的發(fā)生。如采用低壓等離子噴涂可大大減少涂層材料的氧化，而高速火焰噴涂則可以防止碳化物的高溫分解。

2.  孔隙度

熱噴涂涂層中不可避免地存在著孔隙，孔隙度的大小與顆粒的溫度和速度以及噴涂距離和噴涂角度等噴涂參數(shù)有關(guān)。一般來說，溫度及速度都低的火焰噴涂和電弧噴涂涂層的孔隙度都比較高，一般達到百分之幾，甚至可達百分之十幾。而高溫的等離子噴涂涂層及高速的**音速火焰噴涂涂層則孔隙度較低。較低可達0.5％以下。

3.  硬度

由于熱噴涂涂層在形成時的激冷和高速撞擊，涂層晶粒細(xì)化以及晶格產(chǎn)生畸變使涂層得到強化，因而熱噴涂涂層的硬度比一般材料的硬度要高一些，其大小也會因噴涂方法的不同而有所差異。

4.  結(jié)合強度　

熱噴涂涂層與基體的結(jié)合主要依靠與基體粗糙表面的機械咬合（拋描效應(yīng)）。基材表面的清潔程度、涂層材料的顆粒溫度和顆粒撞擊基體的速度以及涂層中殘余應(yīng)力的大小均會影響涂層與基體的結(jié)合強度，因而涂層的結(jié)合強度也與所采用的噴涂方法有關(guān)。

5.  冷熱疲勞性能

　　　 對于一些在冷熱循環(huán)狀態(tài)下使用的工件，其涂層的抗冷熱疲勞（或稱熱震）性能至關(guān)重要，如若該涂層的抗熱震性能不好，則工件在使用過程中便會很快開裂甚至剝落。涂層抗熱震性能的好壞主要取決于涂層材料與基體材料的熱膨脹系數(shù)差異的大小和涂層與基體材料結(jié)合的強弱。


廣州三鑫金屬科技有限公司專注于碳化鎢噴涂,熱噴鋅,電弧噴涂設(shè)備,**音速火焰噴涂設(shè)備,等離子噴涂設(shè)備等

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