第二章 热喷涂 - 图文(3)

涂层的硬度是涂层性能的一个重要指标，在一定程度上，显微硬度值的大小代表涂层的耐磨程度，也反映了涂层的内部组织结构及其致密性。涂层的硬度随喷涂距离变化的趋势与孔隙率变化的趋势正好相反，孔隙率越低硬度值越高。在喷涂距离为100mm时，显微硬度最高达1 200 HV。 4）喷涂距离对涂层抗拉强度的影响

涂层的抗拉强度是衡量涂层性能的一个最重要的指标，陶瓷火焰喷涂时，喷涂距离对涂层抗拉强度的影响最为敏感，喷涂距离过远或过近时，抗拉强度都非常低，喷涂距离在100mm时，抗拉强度能达到22 MPa。喷涂距离过近时，涂层中的部分粒子会产生“过烧”现象，使涂层内部或涂层与基体金属问形成微裂纹，距离过远时，涂层中的部分粒子会产生“夹生”现象，使涂层结构疏松且低附着力，多孔隙，所以喷涂距离过近或过远时，涂层中的粒子与粒子之间的粘结程度都很低，比较松散，致密度低，孔隙率高，从而导致涂层的抗拉强度变低。

2-1 粉末火焰喷涂法

2.1.1 工作原理

1）它与丝材火焰喷涂的不同之处是喷涂材料不是丝材而是粉末，粉末在火焰中熔化，形成微小颗粒，在气体带动冲击到基材表面并快速固化形成涂层。

2）在火焰喷涂中通常使用乙炔和氧组合燃烧而提供热量，也可以用甲基乙炔,丙二烯（MPS）,丙烷，氢气或天然气。

3）火焰喷涂可喷涂金属，陶瓷，塑料等材料，应用非常灵活，喷涂设备轻便简单，可移动，价格低于其他喷涂设备，经济型好，是目前喷涂技术中使用较广泛的一种方法。

4）但是，火焰喷涂也存在明显的不足。如喷出的颗粒速度较小，火焰温度较低，涂层的粘结强度及涂层本身的综合强度都比较低，且比其他方法得到的气孔率都。此外，火焰中心为氧化气氛，所以对高熔点材料和易氧化材料，使用时应注意。

5）为了改善火焰喷涂的不足，提高结合强度及涂层密度，可采用将压缩空气或气流加速装置来提高颗粒速度；也可以采用将压缩气流由空气改为惰性气体的办法来降低氧化程度，但这同时也提高了成本。

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第三节 电弧喷涂

(Arc Spraying - Electric Arc Wire Thermal Spray)

3.1 电弧喷涂原理

电弧喷涂在两根连续送进的金属丝之间产生电弧，因电弧产生的热使金属焊丝逐渐熔化，熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成涂层。通过电弧喷涂的典型材料包括不锈钢、HASTELLOY耐蚀性镍合金、镍铝、锌、铝和铜。 电弧喷涂按电弧电源可分为直流电弧喷涂和交流电弧喷涂。直流：操作稳定，涂层组织致密，效率高。交流：噪音大。电弧产生的温度与电弧气体介质、电极材料种类及电流有关（如FE料，电流280安，电弧温度为6100K）。但一般来说，电弧喷涂比火焰喷涂粉末粒子含热量更大一些，粒子飞行速度也较快，因此，熔融粒子打到基体上时，形成局部微冶金结合的可能性要大的多。所以，涂层与基体结合强度较火焰喷涂高1.5～2.0倍，喷涂效率也较高。电弧喷涂还可方便地制造合金涂层或“伪合金”涂层。通过使用两根不同成分的丝材和使用不同进给速度，即可得到不同的合金成分。电弧喷涂与火焰喷涂设备相似，同样具有成本低，一次性投资少，电弧喷涂适用于野外施工，相当经济且施工方便。对于给定材料，低粒子粘度能使之获得最高的涂层厚度。但是，电弧喷涂的明显不足，喷涂材料必须是导电的焊丝，因此只能使用金属，而不能使用陶瓷，限制了电弧喷涂的应用范围。近些年来，为了进一步提高电弧喷涂涂层的性能，国外对设备和工艺进行了较大的改进，公布了不少专利。例如，将甲烷等加入到压缩空气中作为雾化气体，以降低涂层的含氧量。日本还将传统的圆形丝材改成方形，以改善喷涂速率，提高了涂层的结合强度。

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3.2 电弧喷涂材料

适用于电弧喷涂的丝材（线材）以金属和合金为主要构成元素的丝材，其涂层功能多是抗大气、盐雾、海水或化学介质腐蚀，以及恢复尺寸或抗磨损等，后来发展了一些特殊合金材料，用于抗高温及气体腐蚀等工作环境，但能够抵抗严重腐蚀的涂层材料，仍不如愿。

电弧喷涂材料可分为实芯丝材和粉芯丝材两种。电弧喷涂的丝材（线材）主要有锌丝、铝丝、巴氏合金、青铜、高碳钢 、80/20NiCr丝、钼丝及蒙乃尔丝。 国外早在上世纪70年代开始开发与基体结合强度好的耐高温冲蚀磨损电弧涂层材料，例如美国TAFA公司与70年代末研制出的45CT电弧喷涂丝材，在英国80年代开发出了电弧喷涂NiCr等系列抗高温冲蚀涂层。随着合金丝材的不断出现大大提高了涂层的性能，特别是金属粉芯丝材，外皮常为易拉拔的较软低碳钢或其它有色金属如镍铝等，芯部填充材料因涂层功能不同而异，如可填充Cr、Al等形成耐腐蚀涂层还可以填充其它粉末形成特殊涂层。粉芯丝材的出现大大地拓宽了电弧喷涂材料的应用范围，既克服了高合金成分带来的难以拉拔的困难同时还使一些不能导电的颗粒材料在电弧喷涂上得以应用。具有丝材和粉末的优点，能够进行柔性加工制造，拓宽了涂层材料的成分范围，并可制造特殊的合金涂层和金属陶瓷复合材料涂层。自从八十年代Drzeniek等成功将其应用于电弧喷涂以来，发展迅速，是一种非常有前途的热喷涂材料。随后德国Steffens等用电弧喷涂粉芯丝材制备了耐磨涂层，认为采用粉芯丝材电弧喷涂能获得与等离子喷涂层相当的耐磨涂层。美国等国也相继开展了粉芯丝材的研究并且取得了成功。如美国Metalspray公司于90年代成功研发出用超音速电弧喷涂75Cr3C2/25NiCr粉芯丝材，大大简化了实际操作过程并减少了成本，展现了电弧喷涂耐高温冲蚀磨损涂层在实际应用中的优势。北京有色研究总院及北京工业大学等单位在热喷涂粉芯丝材的研究工作上做了大量的工作，全军装备维修表面工程研究中心应用粉芯丝材进行电弧喷涂并取得了良好效果。 1.2.3 电弧喷涂耐高温冲蚀磨损粉芯丝材发展现状与趋势

电弧喷涂耐高温冲蚀磨损粉芯丝材经过近20年的发展，形成了不少具有专项用途的系列，下面将一一介绍。

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1.2.3.1 高温合金粉芯材料

MCrAlY（M为Fe、Ni、Co或Ni-Co；Y为对氧反应活性元素如Y、Si等）合金涂层为70年代研究出的一种理想的高温防护涂层，经过20多年发展，已经较为成熟，它不仅有较好的抗高温氧化和冲蚀性，而且有较好的韧性，还可以根据不同工作环境和基体选择合适的合金成分。这种材料主要在高温时形成β相Al2O3以及某些过渡期氧化物（如SiO、NiO）等连续氧化膜来护涂层和基体，还能形成β-NiAl和β-CoAl等强化相。Cr不仅在高温下能形成保护性Cr2O3还能有效改善Al2O3的粘附性并决定涂层抗热腐蚀性能。常用的Ni基、Ni-Co基耐高温冲蚀材料有NiCrAlY（10%～30%C，10%～20%Al,0.5%～1.0%Y,Ni余）；NiCoCrAlY（20%Co20%Cr,8%～12%Al,<1%Y，Ni余）等。但由于对于高温防护性能要求的进一步提高，这类材料渐渐体现出了耐高温能力有限、特别是耐冲蚀性磨损性和内聚强度不足等缺陷。 1.2.3.2 金属间化合物/陶瓷粉芯材料

金属间化合物具有金属键和共价键，比普通金属材料原子结合力强、弹性模量大、密度低。原子排列在高温下具有短程无序但长程有序的特殊结构。在常温下其材质比一般金属显得硬而脆，具有陶瓷的特点。但相对于完全由离子键和共价键构成的陶瓷而言，其又具有一定的塑性和韧性。且随着温度升高，金属间化合物所特有的在一定温度范围内强度随温度升高的特性，使其可以作为使用温度介于高温合金和陶瓷之间一类重要的结构和功能材料。其高温强度、高温蠕变和抗氧化、耐腐蚀性能优于大部分高温合金，韧性优于陶瓷材料。是当今耐高温冲蚀磨损喷涂材料发展的前端。

电弧喷涂金属间化合物涂层主是指利用喷涂过程中Ni、Fe、Ti、Cr等金属元素与Al元素之间发生强烈的放热反应而形成的一类重要的、有着共同特点的金属间化合物。常见的有NiAl、Ni3Al、FeAl、Fe3Al、TiAl、Ti3Al等。 由于对于高温涂层耐冲蚀性能要求的不断提高，当今国内外对于耐高温冲蚀磨损喷涂材料发展主要集中在以下几个方面：

1.由金属间化合物和陶瓷材料复合的复合涂层在材料设计中具有优势。 2.在喷涂过程中能够形成具有特殊结构（特殊金属间化合物结构或非晶结构）的复合涂层。

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