热喷涂技术

   热喷涂技术起始于上世纪初，一九一三年，瑞士人 M.U. Schoop发明。起初，只是将熔化的金属用压缩空气形成液流，喷到被涂敷的基体表面上，形成一层膜状组织。其喷涂温度、熔滴对基体表面的冲击速度及形成涂层的材料的性能构成了喷涂技术的核心。热喷涂技术的整个发展，基本上是沿着这三支主导线向前推进的。温度和速度取决于不同的热源和设备结构。从某种意义上说，温度越高、速度越快，越有利于形成优异的涂层，这就导致了温度和速度两种要素在整个技术发展过程中的竞争与协调的局面。繁多的喷涂材料的可选择性，是热喷涂指数的另一种优势，它可以使不同设备的工作面被“点铁成金、戴盔穿甲”。正是这三种要素，使热喷涂成为具有叠加效果的独特技术，它可以设计出所需的各种各样性能的表面，获得从一般机械维修，直到航天和生物工程等高技术领域广泛的应用。
 1 定义
   热喷涂是这样的一系列过程：以某种形式的热源将喷涂材料加热，受热的材料形成熔融或半熔融状态的微粒，这些微粒以一定的速度冲击并沉积在基体表面上，形成具有一定特性的喷涂层。
 2 喷涂材料
   喷涂材料有粉、线、带和棒等不同形态，它们的成分是金属、合金、陶瓷、金属陶瓷及塑料等。粉末材料居重要地位，种类逾百种。线材与带材多为金属或合金（复合线材尚含有陶瓷或塑料）；棒材只有十几种，多为氧化物陶瓷。
 3 喷涂方法
   以提供热源的不同，可分为燃烧法及电热法。前者包括燃烧火焰喷涂、爆炸喷涂及高速火焰喷涂(HVOF);后者包括电弧喷涂及等离子喷涂（又分常压等离子喷 涂与水稳等离子喷涂）。 喷涂工艺对涂层产生重要影响的是喷涂湿度（严格地说，是熔滴冲击基体表面时的温度）和熔滴冲击表面的速度。
 4 涂层的形成及其评价
   喷涂材料经过具有某种热源形式的喷涂设备喷射之后，在到达被喷涂的基体表面之前，其飞行时间只有几千分之一秒或更少。在如此之短的时间内，它被加热、熔化 或半熔化，形成细小而分散的熔滴，冲向基体表面，被击成扁平的叠状小片，先前生成的扁片又被后来者所覆盖，很快就形成由很多扁平罗叠而成的覆盖层，即为涂层。热源湿度越高，熔滴冲击速度越大，形成的涂层越致密。涂层性能与诸多因素有关。
 5. 涂层功能与分类
   当某一个工程问题提出后，首先应明确接受施工的工件被喷涂的部位（通常是设备或设施的工作表面）处于什么样的工况条件，而涂层功能则是确定喷涂工艺及材料的主要依据，同时还要考虑在经济上是否允许。涂层的多样性源于喷涂材料的多种选择、工艺参数的可控及喷涂方法的可变。喷涂粉末材质逾百种，线材和棒材也有数十种，不同的喷涂方法和工艺参数的变化，能 使同一材质形成不尽相同的涂层。如此，这些变数的组合就可获得一组“菜单式”的涂层系列，当你需要具有某种特性的涂层时，只需从中择取即是。
   喷涂材料喷涂而成的涂层依据它们的成份可以分为10个系列；（1）铁、镍和钴基涂层；（2）自熔合金涂层；（3）有色金属涂层；（4）氧化物陶瓷涂层； （5）碳化钨涂层；(6)碳化铬和其他碳化物涂层；（7）难熔金属涂层；（8）氧化物陶瓷涂层；（9）塑料基涂层；（10）金属陶瓷涂层。
   涂层按其应用中的功能可分为：
 1） 耐磨损涂层。包括抗粘着磨损、表面疲劳磨损涂层和耐冲蚀涂层。其中有些情况还有抗低温（<538c）磨损和抗高温（538～843c）磨损涂层之分。
<538c）磨损和抗高温（538～843c）磨损涂层之分。
<538c）磨损和抗高温（538～843c）磨损涂层之分。
<538c）磨损和抗高温（538～843c）磨损涂层之分。
<538c）磨损和抗高温（538～843c）磨损涂层之分。
<538c）磨损和抗高温（538～843c）磨损涂层之分。
<538c）磨损和抗高温（538～843c）磨损涂层之分。
 2） 耐热抗氧化涂层。该种涂层包括高温过程（其中有氧化气氛、腐蚀性气体、高于843℃的冲蚀及热障）和熔融金属过程（其中有熔融锌、熔融铝、熔融铁和钢、熔融铜）所应用的涂层。
 3） 抗大气和浸渍腐蚀涂层。大气腐蚀包括工业气氛、盐性气氛、田野气氛等造成的腐蚀；浸渍腐蚀包括饮用淡水、非饮用淡水、热淡水、盐水、化学和食品加工等造成的腐蚀。
 4） 电导和电阻涂层。该种涂层用于电导、电阻和屏蔽。
 5） 恢复尺寸涂层。该种涂层用于铁基（可切削与可磨削的碳钢和耐蚀钢）和有色金属（镍、钴、铜、铝、钛及他们的合金）制品。
 6） 机械部件间隙控制涂层。该种涂层可磨。
 7） 耐化学腐蚀涂层。化学腐蚀包括各种酸、碱、盐，各种无机物和各种有机化学介质的腐蚀。
 8）个性功能涂层。如电子行业减  热喷涂技术的核心是对热喷涂材料进行加热使之熔化或半熔化并加速沉积到经过预处理的工件表面形成涂层。因此热源的应用和控制对热喷涂过程至关重要。目前热喷涂采用的热源主要有气（液）体燃烧火焰、电弧和等离子弧等。
一、燃烧火焰
1．燃烧原理
将燃料气体或液体与助燃气体按一定比例混合燃烧而产生热量。常用的燃料气体或液体有：乙炔、丙烷、丙烯、天然气、煤油等。由于乙炔和氧气燃烧可产生较高的燃烧温度和火焰速度，因此在火焰喷涂方法中氧-乙炔火焰常用。

2．火焰的形貌特点
火焰由焰芯、内焰、外焰三部分组成。通过控制燃料气体与氧气的流量和比例，可改变燃烧火焰的性质和功率。火焰的性质分为中性焰、还原焰（碳化焰）和氧化焰三种。
（1）中性焰。中性焰是氧气-乙炔完全燃烧的状态。焰芯呈蓝白色圆锥形，有明显的轮廓。焰芯外面是淡白色的外焰。
（2）还原焰（碳化焰）。碳化焰是乙炔与氧气的比例相对偏大的燃烧状态。焰芯较长，呈蓝白色，内焰呈淡蓝色，外焰呈橘红色。
（3）氧化焰。氧化焰是氧气与乙炔的比例相对偏大的燃烧状态。焰芯短而尖，呈青白色，内焰难以分辨，外焰呈蓝紫色。
几种主要燃料和氧混合燃烧的火焰特性如表所示。
燃料和氧混合燃烧的火焰特性

波涂层、 站的屏粉末火焰喷涂
粉末火焰喷涂是采用氧-乙炔火焰为热源，喷涂材料为粉末的热喷涂方法。它是继火焰线材喷涂之后出现的一种喷涂方法，由于设备简单，喷涂材料种类多，是目前国内应用普遍的热喷涂工艺。

1．喷涂原理
粉末火焰喷涂是借助粉末火焰喷枪进行的。喷枪通过虹吸气头分别引入氧气和乙炔，二者混合后在喷嘴出口处产生燃烧火焰。喷枪上装有粉斗或进粉口，利用气流产生的负压，抽吸粉斗中的粉末，使粉末随气流从喷嘴中间喷出进入火焰，被加热或软化，焰流推动熔粒以一定速度喷射到工件表面形成涂层。为了提高粒子的飞行速度，有的喷枪配有压缩空气喷嘴，借助压缩空气给粒子以附加的推力。
粉末在被加热的过程中，由表层向芯部熔化，熔融的表层会在表面张力的作用下，趋于球状，不存在粉粒再被破碎的雾化过程。因此粉末颗粒的大小在一定程度上决定了涂层中变形颗粒的大小和表面粗糙度。粉末在被焰流加热和加速的过程中，由于粉末在焰流中所处的位置不同，造成其受热的程度不同，有的熔化或半熔化，有的只是软化或半软化。这与线材火焰喷涂的熔化-雾化过程存在较大区别，使得粉末火焰喷涂涂层的结合强度和致密性一般不及线材火焰喷涂。
2．设备
粉末火焰喷涂设备的构成与线材火焰喷涂类似，也是由氧气-乙炔供给系统、压缩空气供给系统、喷枪等组成。区别主要在喷枪。在喷枪不需要压缩空气时，则不需要压缩空气供给系统。在枪外送粉的情况下，需要增加送粉器。
粉末火焰喷涂枪的种类较多，国产的具有代表性的喷枪有：上海产的QT-E-7/h和QT-E2000-7h型喷枪，成都产的CP-3000型亚音速喷枪，进口的有美国Metco公司的5P和6P型。不同型号的喷枪虽然在结构上存在一定差异，但基本都是由火焰燃烧系统和粉末供给系统两部分组成。
CP-3000型亚音速喷枪是以氧-乙炔火焰为热源，以压缩空气作为送粉气、加速气和冷却气的一种高速粉末喷涂枪。它具有独特的螺旋式混气和射吸式进气结构，能大幅度提高焰流的燃烧效率和功率。该喷枪通过选配不同的喷嘴组件，可分别喷制性能优异的碳化物涂层和氧化铝、氧化锆等高熔点材料涂层。
3．涂层和工艺技术特点
（1）涂层结构特性。氧乙炔火焰粉末喷涂涂层，其组织亦为层状结构，涂层中含有氧化物、孔隙及少量变形不充分的颗粒。涂层与基材间属于机械结合。涂层孔隙率和结合强度受喷涂材料、喷涂工艺的影响比较大，孔隙率一般在5-20%之间，结合强度在10-30MPa之间。
（2）工艺技术特点。氧-乙炔火焰粉末喷涂是应用普遍的一种喷涂工艺，其工艺特点如下：
1）设备简单，操作方便，成本低，现场施工方便。
2）喷涂工艺简单，容易掌握，应用广泛。
3）喷涂材料广泛，可喷涂金属、合金、复合粉末、陶瓷及塑料等多种材料。
4）涂层孔隙率较大，涂层的残余应力小，可喷制厚涂层。
4．主要工艺参数