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第第六章六章热喷涂及技术热喷涂及技术o热喷涂热喷涂造纸烘缸喷涂造纸烘缸喷涂o喷锌喷锌o船舶轴承修复船舶轴承修复o热喷涂材料热喷涂材料定义定义o热喷涂技术：是使用某种方式的热源，使热喷涂技术：是使用某种方式的热源，使喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，用高喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，用高压气流将其雾化，并以一定速度喷射到经压气流将其雾化，并以一定速度喷射到经过预处理的零件表面，从而形成涂层的表过预处理的零件表面，从而形成涂层的表面加工技术。面加工技术。1热喷涂种类与特点热喷涂种类与特点o热喷涂技术主要根据热源分类，目前热源有五热喷涂技术主要根据热源分类，目前热源有五种类型。采用这些热源加热熔化不同形态的喷种类型。采用这些热源加热熔化不同形态的喷涂材料，即形成了不同热喷涂方法，涂材料，即形成了不同热喷涂方法，热喷涂方法热喷涂方法气体燃烧热源气体燃烧热源线材、棒材、粉末火焰喷涂线材、棒材、粉末火焰喷涂超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂气体放电热源气体放电热源电热热源电热热源电弧喷涂电弧喷涂等离子喷涂等离子喷涂电弧喷焊电弧喷焊爆炸热源爆炸热源激光热源激光热源电容放电、感应加热喷涂电容放电、感应加热喷涂燃气重复爆炸。线材电爆喷涂燃气重复爆炸。线材电爆喷涂激光喷涂，激光喷焊激光喷涂，激光喷焊v热喷涂的特点热喷涂的特点(1)热喷涂方法多热喷涂具体方法有十几种，热喷涂方法多热喷涂具体方法有十几种，可以选择合适的方法对零件进行热喷涂。可以选择合适的方法对零件进行热喷涂。(2)热喷涂材料种类广泛金属及其合金、陶瓷、热喷涂材料种类广泛金属及其合金、陶瓷、塑料、尼龙以及它们的复合材料等都可以塑料、尼龙以及它们的复合材料等都可以作为喷涂材料。作为喷涂材料。(3)基体材料使用范围广几乎所有的固体材料基体材料使用范围广几乎所有的固体材料表面都可以热喷涂，一般也不受零件尺寸表面都可以热喷涂，一般也不受零件尺寸及场地限制，既可以大面积喷涂，也可以及场地限制，既可以大面积喷涂，也可以进行局部喷涂。进行局部喷涂。(4)(4)基体基体材料受影响小材料受影响小 喷涂时可使基体控制喷涂时可使基体控制在较低温度，所以基体变形在较低温度，所以基体变形(5)涂层厚度可以控制涂层厚度可以控制 涂层厚度从几十微米涂层厚度从几十微米到几微米，可以根据要求确定。到几微米，可以根据要求确定。(6)操作环境较差存在粉尘、烟雾和噪声等问操作环境较差存在粉尘、烟雾和噪声等问题，因此需要加强防护措施。题，因此需要加强防护措施。2热喷涂原理热喷涂原理o热喷涂原理：热喷涂原理：热喷涂技术利用热源将喷热喷涂技术利用热源将喷涂材料融化或软化，借助热源本身动力或涂材料融化或软化，借助热源本身动力或外加的压缩空气流，将喷涂材料雾化成微外加的压缩空气流，将喷涂材料雾化成微粒形成快速的离子流，然后喷射到基材表粒形成快速的离子流，然后喷射到基材表面获得表面涂层。尽管热喷涂技术方法很面获得表面涂层。尽管热喷涂技术方法很多，但是喷涂过程、涂层形成和涂层结构多，但是喷涂过程、涂层形成和涂层结构基本相同。基本相同。o喷涂过程喷涂过程热喷涂过程如图热喷涂过程如图7-4所示，喷涂材料从进入热源到所示，喷涂材料从进入热源到形成涂层可以划分为以下四个阶段：形成涂层可以划分为以下四个阶段：(1)喷涂材料的熔化粉末喷涂材料进入热源高温喷涂材料的熔化粉末喷涂材料进入热源高温区域，被加热到熔化态或软化态；线材喷涂材料区域，被加热到熔化态或软化态；线材喷涂材料的端部在热源高温区加热熔化，熔化的材料以熔的端部在热源高温区加热熔化，熔化的材料以熔滴形式存在于线材端部。滴形式存在于线材端部。(2)熔化的喷涂材料的雾化对于线材喷涂时，熔化的喷涂材料的雾化对于线材喷涂时，端部的熔滴在外加压缩气流或热源自身射流的端部的熔滴在外加压缩气流或热源自身射流的作用下脱离线材端部，并雾化成细小熔滴向前作用下脱离线材端部，并雾化成细小熔滴向前喷射；在粉未喷涂时，不存在粉末的细化和雾喷射；在粉未喷涂时，不存在粉末的细化和雾化过程，直接在压缩气流或热源射流推动下发化过程，直接在压缩气流或热源射流推动下发生喷射。生喷射。(3)粒子的飞行阶段熔化或软化的微细颗粒首粒子的飞行阶段熔化或软化的微细颗粒首先被气流或射流加速，当飞行一定距离后速度先被气流或射流加速，当飞行一定距离后速度又减小。又减小。(4)粒子的喷涂阶段具有一定速度和温度的微粒子的喷涂阶段具有一定速度和温度的微细粒子到达基材表面，发生强烈的碰撞。细粒子到达基材表面，发生强烈的碰撞。涂层的形成涂层的形成o粒子在碰撞基体表面或撞击已经形成的涂层的粒子在碰撞基体表面或撞击已经形成的涂层的瞬间，把动能转化为热能后传给基体，同时粒瞬间，把动能转化为热能后传给基体，同时粒子在凹凸不乎的表面发生变形，形成扁平状粒子在凹凸不乎的表面发生变形，形成扁平状粒子，并且迅速凝固成涂层。喷涂的粒子不断飞子，并且迅速凝固成涂层。喷涂的粒子不断飞向基材表面，产生碰撞一变形冷凝的过程，向基材表面，产生碰撞一变形冷凝的过程，变形粒子与基材之问及粒子与粒子之问相互交变形粒子与基材之问及粒子与粒子之问相互交叠在一起，形成涂层，涂层形成如图所示。叠在一起，形成涂层，涂层形成如图所示。涂层结合机理涂层结合机理o涂层的结合包括涂层与基材的结合及涂层之间涂层的结合包括涂层与基材的结合及涂层之间的结合。前者的结合强度称为结合力，后者的的结合。前者的结合强度称为结合力，后者的结合强度称为内聚力。涂层与基体问的结合机结合强度称为内聚力。涂层与基体问的结合机理理 目前尚未存在统一的定论，已经提出以下几目前尚未存在统一的定论，已经提出以下几种类型：种类型：o 1)机械结合机械结合。熔融态的粒子撞击到基材表面后。熔融态的粒子撞击到基材表面后铺展成扁平状的液态薄层，嵌合在起伏不平的铺展成扁平状的液态薄层，嵌合在起伏不平的表面形成机械结合，又称为抛锚效应。表面形成机械结合，又称为抛锚效应。o2)物理结合物理结合。当高速运动的熔融粒子撞击基体。当高速运动的熔融粒子撞击基体表面后，若界面两侧紧密接触的距离达到原子表面后，若界面两侧紧密接触的距离达到原子品格常数范围内时，产生范德华力，提高基体品格常数范围内时，产生范德华力，提高基体与涂层间的结合强度。与涂层间的结合强度。o3)3)扩散结合。当熔融的喷涂粒子高速撞击基体扩散结合。当熔融的喷涂粒子高速撞击基体表面形成紧密接触时，由于变形和高温的作用，表面形成紧密接触时，由于变形和高温的作用，基体表面的原子得到足够的能量，使涂层与基基体表面的原子得到足够的能量，使涂层与基体之间产生原子扩散，形成扩散结合。扩散的体之间产生原子扩散，形成扩散结合。扩散的结果使在界面两侧微小范围内形成一层同溶体结果使在界面两侧微小范围内形成一层同溶体或金属间化合物，增加了涂层与基体之间的结或金属间化合物，增加了涂层与基体之间的结合强度。合强度。o4)4)冶金结合。当基体预热，或喷涂粒子有高的冶金结合。当基体预热，或喷涂粒子有高的熔化潜热，或喷涂粒子本身发生放热化学反应熔化潜热，或喷涂粒子本身发生放热化学反应如如NiAlNiAl，熔融态的粒子与局部熔化的基体之间，熔融态的粒子与局部熔化的基体之间发生发生“焊合焊合”现象，产生现象，产生“焊点焊点”，形成微区，形成微区冶金结合。冶金结合。o下面介绍几种热喷涂设备及其相关工艺下面介绍几种热喷涂设备及其相关工艺1等离子喷涂等离子喷涂等离子喷涂技术在耐磨、耐蚀涂等离子喷涂技术在耐磨、耐蚀涂层应用已较为广泛层应用已较为广泛,从从5050年代至年代至今今,其应用领域由航空、航天扩其应用领域由航空、航天扩展到了汽车制造、石油化工、纺展到了汽车制造、石油化工、纺织机械、船舶等领域织机械、船舶等领域,应用市场应用市场规模也随之不断增长。近年来规模也随之不断增长。近年来,高温等离子喷涂在金刚石膜、生高温等离子喷涂在金刚石膜、生物陶瓷涂层物陶瓷涂层,超细微材料、红外超细微材料、红外涂层等方面的应用研究也获得较涂层等方面的应用研究也获得较大进展大进展,显示了良好应用前景。显示了良好应用前景。2000年美国热喷涂市场年美国热喷涂市场AW 电弧丝材喷涂，CW火焰丝材喷涂HOVF 超音速火焰喷涂；CP火焰粉末喷涂PS PS 等离子喷涂等离子喷涂v等离子态的特性就是电离气体的正离子、负离子(常常是电子)所造成的，是和其它三态是不同的。o等离子体武器等离子体武器气稳等离子喷涂气稳等离子喷涂o温度：温度：10000K-20000Ko粒子速度：粒子速度：240m/so适应材料：适应材料：金属及合金粉末，陶瓷，金属陶瓷粉末，塑金属及合金粉末，陶瓷，金属陶瓷粉末，塑金属及合金粉末，陶瓷，金属陶瓷粉末，塑金属及合金粉末，陶瓷，金属陶瓷粉末，塑料粉末料粉末料粉末料粉末o涂层基体结合：较高涂层基体结合：较高20-50MPao涂层孔隙率：涂层孔隙率：2-5%o涂层氧化物含量：涂层氧化物含量：0.5-1%o耗用功率：耗用功率：30-80kWo操作性能：噪声操作性能：噪声125dB，需要在隔音车间工作，需要在隔音车间工作o厚度限制：小于厚度限制：小于1mmo一次性投资成本：一次投资成本高，综合成本高一次性投资成本：一次投资成本高，综合成本高高能等离子喷涂高能等离子喷涂o温度：10000K-30000Ko粒子速度：240-1220m/so适应材料：陶瓷，金属陶瓷粉末陶瓷，金属陶瓷粉末o涂层基体结合：非常高30-90MPao涂层孔隙率：小于2%o涂层氧化物含量：约0.1%o耗用功率：100-250kWo操作性能：噪声125-130dB，需要在隔音车间工作o厚度限制：小于1mm，最厚可达20mmo一次性投资成本：一次投资成本很高，综合成本较高真空等离子喷涂真空等离子喷涂o温度：10000K-30000Ko粒子速度：240-610m/so适应材料：易氧化的金属和合金粉末易氧化的金属和合金粉末o涂层基体结合：高，50-70MPao涂层孔隙率：小于1%o涂层氧化物含量：最低o耗用功率：50-100kWo操作性能：只能在特定的真空舱中进行o厚度限制：小于2.0mmo一次性投资成本：一次投资成本特高，综合成本很高等离子喷涂设备图等离子喷涂设备图o 等离子喷涂的应用等离子喷涂的应用 轴类零件，钴碳化钨 辊套，氧化铝 氧化铝薄板上喷涂氧化锆 内孔专用等离子喷涂设备内孔专用等离子喷涂设备 等离子喷涂涂层等离子喷涂涂层 Cr2O3涂层Al2O3+13TiO22.超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂(HVOF)o1981年美国的年美国的J.A.Browning发明了告诉氧发明了告诉氧-燃气火焰喷枪燃气火焰喷枪(Highvelocityoxygenfuelsystem,HVOF)。使传统的氧。使传统的氧-乙炔火乙炔火焰喷涂发生深刻变化，成为当代热喷涂工艺领焰喷涂发生深刻变化，成为当代热喷涂工艺领域最重要的技术手段之一。域最重要的技术手段之一。超音速喷涂特点超音速喷涂特点o与等离子喷涂相比，具有设备简单、一次投资少、与等离子喷涂相比，具有设备简单、一次投资少、喷涂粒子速度高、可以现场喷涂、使用气源广等喷涂粒子速度高、可以现场喷涂、使用气源广等优点优点o焰流速度高，焰流速度高，1500-2200m/s，颗粒速度为气流速，颗粒速度为气流速度的度的20-40%，可达到，可达到900m/so涂层结合强度高，喷涂涂层结合强度高，喷涂Co-WC涂层可达涂层可达70-90MPao涂层致密，孔隙率小于涂层致密，孔隙率小于1%o粉末的氧化烧损小，特别适合于喷涂碳化物等易粉末的氧化烧损小，特别适合于喷涂碳化物等易氧化的材料氧化的材料超音速喷涂特点超音速喷涂特点o涂层应力为压应力，残余应力低，可喷厚涂层涂层应力为压应力，残余应力低，可喷厚涂层o由于火焰温度较低，且粉末在火焰中飞行时间短，由于火焰温度较低，且粉末在火焰中飞行时间短，无法熔融高熔点陶瓷粉末材料无法熔融高熔点陶瓷粉末材料o一般适宜喷涂细粉末。若喷涂金属或合金粉末，一般适宜喷涂细粉末。若喷涂金属或合金粉末，成本太高，体现不出优越性。成本太高，体现不出优越性。o热效率低，成本高。热效率低，成本高。o供气系统庞大，操作不方便。供气系统庞大，操作不方便。超音速喷涂示意图超音速喷涂示意图图图1 1 高速燃气喷涂设备高速燃气喷涂设备1-1-喷涂枪喷涂枪 2-2-冷却水冷却水 3-3-控制箱控制箱 4-4-送粉器送粉器 5-5-气体供给气体供给超音速喷涂设备图超音速喷涂设备图HVAF超音速喷涂装置HVOF超音速喷涂装置高速空气燃料喷涂超音速喷涂中喷涂WCNiCr金属陶瓷的辊筒(寿命为高质量电镀Cr的5倍)上海新业喷涂机械有限公司产品上海新业喷涂机械有限公司产品涂层致密度99.5%以上WC-Co涂层硬度（DPH300g）10001500涂层结合力700kgf/cm22000kgf/cm2可喷涂最大厚度10mm以上涂层与工件结合应力压应力喷涂速率12kg/h可喷涂工件表面平面、外圆喷枪采用燃料煤油喷枪最高温度3200超音速火焰喷涂设备超音速火焰喷涂设备3.爆炸喷涂爆炸喷涂o爆炸喷涂是利用混合气体爆炸的能量将具各种爆炸喷涂是利用混合气体爆炸的能量将具各种功能的粉末材料加热并加速轰击到工件表面上，功能的粉末材料加热并加速轰击到工件表面上，使之形成坚固涂层，由于气体的爆炸燃烧可产使之形成坚固涂层，由于气体的爆炸燃烧可产生超过音速生超过音速3 3倍的超音速高能气流，其冲击波传倍的超音速高能气流，其冲击波传播速度可达播速度可达30003000米米/秒，中心温度可达秒，中心温度可达34503450，因此，爆炸喷涂所产生的膜层具有极强的结合因此，爆炸喷涂所产生的膜层具有极强的结合力。力。爆炸喷涂设备爆炸喷涂设备第聂泊3”型爆炸喷涂设备5.00万美元辅助设施 o隔音间（必须装有监测爆炸气体浓度和通风系统的设施，排风系统应有防爆装置，并设有（必须装有监测爆炸气体浓度和通风系统的设施，排风系统应有防爆装置，并设有保护系统）保护系统）o操作间 o供气（燃料气体室燃料气体室，氧气室）氧气室）o通风（排风机必需考虑防爆措施排风机必需考虑防爆措施）o冷却水系统 o转架o喷砂设备及喷砂间 性能及特点o涂层结合强度高，致密性好 o工件受热小，不变形 o功能性强，应用范围广（可对单一金属、合金、氧化物或混合氧化物，硬质合可对单一金属、合金、氧化物或混合氧化物，硬质合金，以碳化钨或碳化钛为基体的金属陶瓷及各种复合材料等进行喷涂金，以碳化钨或碳化钛为基体的金属陶瓷及各种复合材料等进行喷涂）o适用于大尺寸工件的喷涂 o原料丰富，价格低廉 性能及特点o噪声极高达到噪声极高达到140-150dBo喷涂速率低，喷涂喷涂速率低，喷涂Al2O3时为时为2kg/h,WC-Co时时8kg/ho非连续性的脉冲式喷涂使喷涂速率降低。但使非连续性的脉冲式喷涂使喷涂速率降低。但使基体受热程度降低，又是一个优点。基体受热程度降低，又是一个优点。o成本高成本高通用热喷涂设备参考价格通用热喷涂设备参考价格火焰喷枪火焰喷枪及气瓶及气瓶超音速喷超音速喷涂装置涂装置（套）（套）爆炸喷涂爆炸喷涂装置（套）装置（套）电弧喷涂电弧喷涂装置（套）装置（套）气稳等离气稳等离子喷涂装子喷涂装置（套）置（套）水稳等离水稳等离子喷涂装子喷涂装置（套）置（套）真空等离真空等离子喷涂装子喷涂装置（套）置（套）国产价格国产价格/万元万元11015305031030进口价格进口价格/万元万元（美元）（美元）0.61.051010152315305060100热喷涂施工中的安全与防护热喷涂施工中的安全与防护o爆炸危险及有害气体爆炸危险及有害气体爆炸危险：爆炸喷涂、超音速火焰喷涂等都使用易燃气爆炸危险：爆炸喷涂、超音速火焰喷涂等都使用易燃气体作燃料，等离子喷涂中也用氢气作等离子辅助气体。体作燃料，等离子喷涂中也用氢气作等离子辅助气体。有害气体：有害气体：Ar，He，N2可以导致窒息。高温下可以导致窒息。高温下N2+O2生产氮氧化合物。生产氮氧化合物。o粉尘粉尘活性材料粉尘如活性材料粉尘如Al，Mg等；微细颗粒对呼吸系统有害；等；微细颗粒对呼吸系统有害；有粉尘爆炸危险（水洗型湿式除尘系统）有粉尘爆炸危险（水洗型湿式除尘系统）热喷涂施工中的安全与防护热喷涂施工中的安全与防护o噪声影响人的神经、听力、反应灵敏性o弧光和辐射等离子喷涂时紫外线的强度为点焊时的33-50倍，能穿透普通布质衣服而使人体灼伤。热喷涂操作人员必须经国家指定的有关部门培训，并取得合格证书，热喷涂操作人员必须经国家指定的有关部门培训，并取得合格证书，方可进行操作方可进行操作。设备供应商信息设备供应商信息o中中国国农农业业机机械械化化科科学学研研究究院院表表面面工工程程技技术术研研究究所所 地地 址址：北北京京德德胜胜门门外外北北沙滩一号沙滩一号 邮邮 编：编：100083100083o电电 话：话：/2554/2554 传传 真：真：E-mail:E-mail:o代代理理FSTFST火火焰焰喷喷涂涂技技术术公公司司（荷荷、英英、意意国国际际集集团团公公司司）的的MP-100-MP-100-APS/HVOFAPS/HVOF等等离离子子/超超音音速速喷喷涂涂系系统统、第第二二代代HV-HV-空空气气-燃燃料料（HV-AFHV-AF）喷喷涂涂系系统统、HV-PWHV-PW高高速速粉粉末末/线线材材喷喷涂涂系系统统、M-APS M-APS 4545等等离离子子喷喷涂涂设设备备、M-APS M-APS 1515等等离离子子喷喷涂涂设设备备、FWS-20FWS-20火火焰焰线线材材喷喷涂涂设设备备、超超音音速速火火焰焰喷喷涂涂（HVOFHVOF）设设备备、电电弧弧喷喷涂涂设设备备、喷喷涂涂机机器器人人、等等离离子子和和HVOFHVOF喷喷涂涂系系统统控控制制装装置置、喷喷涂涂辅辅助助设设备备、交交钥钥匙匙工工程程等等以以及及各各类类粉粉末末、线线材材等等热热喷喷涂涂材材料料；还还可可提提供供该该公公司司独独立立开开发发的的在在冶冶金金、能能源源、阀阀门门、造造纸纸、纺纺织织、石石油油、化化工工、航航空空、航天等许多行业应用的涂层成套技术航天等许多行业应用的涂层成套技术o代理国内外先进的保养焊接及表面工程设备，如超音速火焰喷涂代理国内外先进的保养焊接及表面工程设备，如超音速火焰喷涂（HVOF）设备、等离子喷涂设备、等离子喷焊设备、火焰线材喷涂设备、）设备、等离子喷涂设备、等离子喷焊设备、火焰线材喷涂设备、电弧喷涂设备、火焰喷涂喷焊设备等以及各种保养焊接设备电弧喷涂设备、火焰喷涂喷焊设备等以及各种保养焊接设备o九江等离子喷涂厂o本厂位于江西省九江市西郊本厂位于江西省九江市西郊6 6公里处，现有职工公里处，现有职工31003100余人，专业技术人员余人，专业技术人员1717人，具备较为完善的机械、电机电器制造，测试能力，专业生产等离人，具备较为完善的机械、电机电器制造，测试能力，专业生产等离子喷涂、喷焊设备，并对外承揽喷涂、喷焊加工业务。子喷涂、喷焊设备，并对外承揽喷涂、喷焊加工业务。本厂产品具有输出功率大，高渔高炝，自动化程度高的特点，可本厂产品具有输出功率大，高渔高炝，自动化程度高的特点，可用于各种材料的喷涂、喷焊工艺，能在工件表面制备出物理、化学性质用于各种材料的喷涂、喷焊工艺，能在工件表面制备出物理、化学性质优良，与基体结合良好，并可进行机械加工的表面工作厚，使工件的运优良，与基体结合良好，并可进行机械加工的表面工作厚，使工件的运行寿命大幅度提高。行寿命大幅度提高。主要产品型号：主要产品型号：1 1、LP60ZLP60Z型等离子喷涂设备；型等离子喷涂设备；2 2、GP80GP80型等离子喷涂设备；型等离子喷涂设备；3 3、LUP100PCLUP100PC型等离子喷焊设备（配内燃机气门喷焊专用机床）；型等离子喷焊设备（配内燃机气门喷焊专用机床）；4 4、L4400PCL4400PC型等离子喷焊设备（配通甲喷焊机床）。型等离子喷焊设备（配通甲喷焊机床）。本厂可以提供生产喷涂、喷焊用粉末和厂家名录。本厂可以提供生产喷涂、喷焊用粉末和厂家名录。如需了解详，如需了解详，函电我厂或来人均可。函电我厂或来人均可。o地地 址址：江江 西西 九九 江江 市市 闫闫 家家 渡渡 邮邮 编编：332103332103电话：（电话：（07920792）6843111 6843111 传真：（传真：（07920792）部分相关网站部分相关网站o o o 冷喷涂及其应用1 起源o2001年 11月，在 德 国 慕 尼 黑 附 近 的ERDING所举行的HVOF专题会议上，来自24个国家390名与会代表，一致接纳热喷涂家族中一位新成员冷喷涂。o冷喷涂工艺原称冷气动力喷涂法（冷喷涂工艺原称冷气动力喷涂法（CGSM：Cold gas-dynamic spray Method）。它的发现，源于）。它的发现，源于一次偶然机会。上个世纪一次偶然机会。上个世纪80年代中期，俄罗斯科年代中期，俄罗斯科学院设在西伯利亚诺沃西比尔斯克市的学院设在西伯利亚诺沃西比尔斯克市的理论与应理论与应用力学研究所用力学研究所，在进行超音速风道负载颗粒流的，在进行超音速风道负载颗粒流的实验时，对宇宙飞船侵蚀所进行的观测中，主持实验时，对宇宙飞船侵蚀所进行的观测中，主持该项工作的该项工作的A.N.PAPYRIN教授得出一个惊人的教授得出一个惊人的发现：发现：当颗粒速度超过某一定值时，颗粒的磨损当颗粒速度超过某一定值时，颗粒的磨损效应会转化成很强的粘附力效应会转化成很强的粘附力。o带着这一认识，A.N.PAPARIN移居美国，并接受一家汽车制造财团的支持。1994年底申报专利并在一次热喷涂会议上首次提出冷喷涂。在这位俄国教授日后的工作中，有两位人物起了关键作用：一位是德国林德（LINDE）气体公司的P.Heinrich，他是德国热喷涂协会的一名执委；另一位是汉堡的Kreye教授。由于他们的参与，促成建立了“热喷涂主管中心”，成为该大学与气体公司的联合项目。在此后的二年中，对这项新工艺的优势及潜在特点在汉堡及慕尼黑采用相同的设备做了系统的研究。2000年末，冷喷涂首次获得工业应用，近期又建立了冷气工艺有限公司，成为一家持有执照的冷喷涂装置的供应商。至此，冷喷涂登上了市场舞台。2 速度增强而热能减弱热喷涂技术演进的一种趋势o常规的热喷涂过程是：采用电、化学或机械能，常规的热喷涂过程是：采用电、化学或机械能，产生一种产生一种高速焰流高速焰流，粉末被导入焰流，二者相互，粉末被导入焰流，二者相互作用，作用，热量与动量热量与动量从焰流传送到颗粒，后者得到从焰流传送到颗粒，后者得到升温与加速。在与基体表面碰撞时，颗粒的热能升温与加速。在与基体表面碰撞时，颗粒的热能与动能使颗粒产生溅落，被粘附于基体表面，形与动能使颗粒产生溅落，被粘附于基体表面，形成涂层。在诸如燃烧火焰或等离子焰这类高温过成涂层。在诸如燃烧火焰或等离子焰这类高温过程中，颗粒被熔化，以液滴形态撞击到基体表面，程中，颗粒被熔化，以液滴形态撞击到基体表面，继而溅落并骤冷，形成涂层。继而溅落并骤冷，形成涂层。o在热喷涂过程中，在热喷涂过程中，热能热能和和速度速度是相辅相成的两个是相辅相成的两个非常重要的要素，它们的每一步飞跃都促成了热非常重要的要素，它们的每一步飞跃都促成了热喷涂技术的进展。等离子喷涂工艺的出现，推动喷涂技术的进展。等离子喷涂工艺的出现，推动了热喷涂技术产生了巨大的飞跃。这是热能（温了热喷涂技术产生了巨大的飞跃。这是热能（温度）的一次跨跃；而度）的一次跨跃；而HVOF的登场，则是速度的的登场，则是速度的较量。较量。o尽管等离子喷涂工艺至今仍然占据着热喷涂中的老大地位，但不得否认，HVOF问世以来，它的传统优势正面临挑战。一个明显的问题是，过程的高温会使一些材料发生相变、分解或C、B等元素的损失，影响涂层性能，从而使一些重要的喷涂材料，如WC-Co核NiCr-Cr3C2等，正在成为HVOF最佳的选取对象，更何况，涉及到一些涂层的重要性能方面，如涂层的结合强度、内聚强度和致密度等，等离子喷涂已失去固有的优势，让位于HVOF工艺。o与等离子喷涂相比，HVOF（或HVAF）喷涂过程，颗粒的受热减弱而飞行速度得到加强，在到达基体表面时，增强的动能转化为热能，使颗粒熔化并导致溅落，热能的不足被增强的动能所补偿。然而，人们发现，这一过程仍存在着氧化问题。事实上，HVOF喷涂颗粒被撞击到基体表面之后，以及在从高温降到常温的过程中，都伴随着氧化，也会出现分解，冷喷涂正是在这种趋势及要求的背景下产生出来。3 冷喷涂过程o冷喷涂过程不采用任何高温火焰，不需冷喷涂过程不采用任何高温火焰，不需加热与熔化粉末，涂层的形成完全靠固体加热与熔化粉末，涂层的形成完全靠固体颗粒的颗粒的高能撞击高能撞击所产生的所产生的变形变形而生成。而生成。o冷喷涂系统的基本配置见图冷喷涂系统的基本配置见图 冷喷涂系统的基本配置o全部系统包括：全部系统包括：o1.1.高压源（气高压源（气体加压装置）体加压装置）o2.2.高压送粉器高压送粉器 o3.3.加热器加热器o4.4.喷枪喷枪 o高压源使气体产生高压，推动工作气及送粉载气加速；加热器设有两套，分别使载气及工作气预热到一定的温度；送粉器是在带压的状态下将粉末送入喷枪内，喷枪后部是腔膛，在此处粉末与工作气混合，经喉管进入喷咀。工作气是产生高速的介质，在进入枪膛前在加热器预热到100-600C，以加大颗粒流速。载气在另一加热器受热后，经送粉器成轴向将粉末送入喷枪.o喷嘴结构为收敛扩散型拉乌尔喷咀，以使气体得到加速，见图.喷嘴有不同的几何形式，喷涂气流随喷咀的不同而呈不同的截面。o工作气从喷嘴进口处1.53.5Mpa的压力膨胀到常压，造成一种超音速气流，随喷咀形状、工作气类别、进气压力与温度、颗粒大小与密度等因素的不同，颗粒速度波动于500-1000米/秒。工作气的预热，有利于颗粒速度的提升，又会使颗粒受热，便于撞击时变形，但气体温度明显低于材料的熔点。这就是说，伴随熔化所出现的氧化或相变不会发生。4 喷涂材料及喷涂特性o喷涂材料呈粉末态。最适宜喷涂的粉末喷涂材料呈粉末态。最适宜喷涂的粉末是是对温度敏感、易相变、对氧敏感对温度敏感、易相变、对氧敏感的一些的一些材料。对温度敏感的如非晶态类，易相变材料。对温度敏感的如非晶态类，易相变的如碳化物类，氧敏感材料如铜和钛等。的如碳化物类，氧敏感材料如铜和钛等。这些材料在冷喷时不受热，即使这些材料在冷喷时不受热，即使散落的粉散落的粉末也可收集再用末也可收集再用。冷喷材料从低熔点的锌。冷喷材料从低熔点的锌到高熔点的钛和铌。到高熔点的钛和铌。o涂层的最大特点是含氧量很低，例如，涂层的最大特点是含氧量很低，例如，喷涂铜的涂层与粉末的含氧量相同，喷涂喷涂铜的涂层与粉末的含氧量相同，喷涂过程不增氧，涂层的导电率可达纯铜的过程不增氧，涂层的导电率可达纯铜的90%90%，涂层致密与固态铜十分相近，能达，涂层致密与固态铜十分相近，能达到高真空元件要求。到高真空元件要求。5 冷喷涂实例o铜的冷喷：喷嘴进口处工作气压力为2.5Mpa，温度380C，铜粉为-25+5m，喷涂距离20-50mm，工作气加热到800C,增压至3.5Mpa。喷咀喉颈直径2.7mm，出口直径8.6mm。采用N2为工作气，N2流量为28-58米3/时，基体为铝管，颗粒撞击基体时的速度和温度分别为370-630米/秒与60-120C。o喷涂结果为：沉积效率60%左右，涂层厚度达5mm，粉末及涂层含氧量均为0.2%，涂层硬度HV0.3140-150,结合强度为35Mpa。喷枪喷枪6 应用前景o对工件的热负载达到最小，很低的热输出不会对工件的热负载达到最小，很低的热输出不会产生热应力。因此，涂层厚度可达数毫米或更产生热应力。因此，涂层厚度可达数毫米或更多。多。o选用不同喷嘴，造成不同喷射界面，能形成一选用不同喷嘴，造成不同喷射界面，能形成一种自由结构，例如，汽车制造业的发动机和底种自由结构，例如，汽车制造业的发动机和底盘，可以自如的喷涂而无需进行任何后处理盘，可以自如的喷涂而无需进行任何后处理 o喷涂射流非常集中，只有数毫米，可灵活的喷涂任何复杂工件，也不许进行喷前遮盖，噪音不大 o钛涂层有一系列优良性能，特别是它的抗腐蚀性。为了制取纯钛涂层，以往采用昂贵而又繁杂的低压等离子喷涂，而冷喷钛涂层则明显占优势；同样，铜涂层可以在电子行业显其伸手。可以预期，冷喷涂工艺将会使热喷涂技术扩展新的应用领域。超音速微粒轰击超音速微粒轰击(SFPB)(SFPB)金属金属材料表面纳米化原理材料表面纳米化原理o超音速微粒轰击技术是利用气超音速微粒轰击技术是利用气-固双相流固双相流的基本原理以超音速气流作为载体，携带的基本原理以超音速气流作为载体，携带硬质固体微粒以极高的动能轰击金属表面，硬质固体微粒以极高的动能轰击金属表面，微粒数目十分巨大，并且重复轰击，使金微粒数目十分巨大，并且重复轰击，使金属表面发生强烈塑性变形，晶粒细化直至属表面发生强烈塑性变形，晶粒细化直至纳米量级。其过程大致如图所示。纳米量级。其过程大致如图所示。超音速单个微粒轰击金属表面塑性形变示意图超音速单个微粒轰击金属表面塑性形变示意图当单个具有很高动能当单个具有很高动能的微粒轰击到金属表的微粒轰击到金属表面时，轰击部位发生面时，轰击部位发生辐射状流变，当轰击辐射状流变，当轰击力力(P)超过金属的屈超过金属的屈服极限服极限(0.2)时形成时形成不可逆的永久性微凹不可逆的永久性微凹坑，其下形成塑性变坑，其下形成塑性变形层。形层。金属在临界切应金属在临界切应力作用下，易滑力作用下，易滑移面移面(即原子密排即原子密排面面)之间产生之间产生滑移滑移。其微观机制则是其微观机制则是由由位错运动位错运动来完来完成的。在弹塑性成的。在弹塑性变形时位错密度变形时位错密度增加增加.超音速微粒轰击的绝大超音速微粒轰击的绝大部分动能转变成热能而部分动能转变成热能而耗散，小部分转变为内耗散，小部分转变为内应力并促使位错运动重应力并促使位错运动重排形成小角度晶界、亚排形成小角度晶界、亚晶界晶界 。多次重复这一。多次重复这一过程使金属材料表层纳过程使金属材料表层纳米化，由表及里，随轰米化，由表及里，随轰击力的逐渐减弱，塑性击力的逐渐减弱，塑性变形程度相应变小，晶变形程度相应变小，晶粒纳米化的尺寸相应增粒纳米化的尺寸相应增大。大。超音速微粒轰击金属表面纳超音速微粒轰击金属表面纳米化层中存在一定的压应力，米化层中存在一定的压应力，为一种亚稳结构。为一种亚稳结构。2 2 超音速微粒轰击装置超音速微粒轰击装置o超音速微粒轰击金属表面纳米化装置由超音速微粒轰击金属表面纳米化装置由4 4部分组成：部分组成：o超音速喷枪o操作机械手o载物台o参数监测与自控系统，o超音速微粒轰击的关键部件是喷枪，按拉瓦(Laval)喷嘴原理设计，气流经收缩段进入狭窄喉部到扩展段而获得超音速(为300-1200ms)。气源采用压缩空气或其它高压气体，气体分为两路，一路通向送粉器，携带粉末进入喷枪；另一路接加热器，而后进入喷枪。o颗粒的速度采用激光测速仪和双相流束摄像系统，如图3所示。图3中15为激光观察，气固双相流束的摄像系统，它可快速摄录自喷嘴到工件的束流状况，这对喷嘴的设计和喷涂制度制订有实际与理论意义。图3中616为喷射的粒子速度测量系统，图3中1721为另一种“轨道”法测量粒子速度的方法，两者可共用一个高速摄像仪。激光观察，气激光观察，气固双相流束固双相流束的摄像系统的摄像系统喷射的粒子速度测量系统o利用超音速微粒轰击装置，已成功利用超音速微粒轰击装置，已成功在约在约50mm50mm，长，长500mm500mm的奥氏体不的奥氏体不锈钢管上和锈钢管上和40Cr40Cr钢上分别获得了平钢上分别获得了平均尺寸为均尺寸为14nm14nm左右的纳米层，表层左右的纳米层，表层硬度提高硬度提高2 2倍以上，深度约倍以上，深度约200m200m。3金属表面纳米化的应用前景o金属材料工件自身表面纳米化，可赋予普通金属表层以特殊性能，如显著提高硬度和表层的压应力，这些特性可以应用于下列方面。o提高金属结构件的抗磨损性能，延长工件的使用寿命。由于表面纳米化层硬度高，可以改善切削刀具、冲压模具以及各种转动轴或滑动部件的服役期，如通过表面纳米化提高碳钢硬度两倍以上，表面纳米化可降低低碳钢的摩擦系数，减少了疲劳磨损。o改善焊接接头中包括焊缝、热影响区和基体材料的组织不均匀性，提高焊接接头的性能。o加速渗碳、氮及渗金属过程或改善渗层质量。表面纳米层晶界密度高，晶界作为易扩散快速传质的通道，因此金属工件预表面纳米化处理，可以降低渗制温度或缩短周期。若对渗层进行后表面纳米化处理，预期会改善其性能，文献中称为“复合处理。o改善金属材料抗疲劳性能。已知金属疲劳裂纹源于材料表面，而塑性变形表面纳米化层伴随着压应力，故可有效抑制裂纹萌生，同时内部粗晶组织又可减缓其扩展。o改善金属构件的应力腐蚀性能。由于该技术使材料的表层引入很大的压应力，因此可显著改善金属材料的抗应力腐蚀行为。o改善普通切削加工表面动摩擦的润滑性能或滑动件的密封性能。由于普通切削加工表面存在犁沟，使滑动密封性能降低或润滑剂流失；而超音速微粒轰击的金属表面为微坑结构，微坑直径小于轰击微粒直径(轰击微粒直径在50m以下)，故可以改善滑动密封面的磨损，如汽缸活塞的磨损等。小结o超音速微粒轰击金属材料表面纳米化新技术，超音速微粒轰击金属材料表面纳米化新技术，由于动力源采用压缩气体，携带固体颗粒，以由于动力源采用压缩气体，携带固体颗粒，以与普通热喷涂类似的方式工作，固体微粒可以与普通热喷涂类似的方式工作，固体微粒可以回收重复使用，故成本低廉。设计的特殊结构回收重复使用，故成本低廉。设计的特殊结构喷枪，喷射时噪音低喷枪，喷射时噪音低(大约大约70dB)70dB)无环境污染。无环境污染。表面纳米化效率极高，适合工业化生产，特别表面纳米化效率极高，适合工业化生产，特别是可以处理复杂形状与大面积结构件。是可以处理复杂形状与大面积结构件。
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