火焰喷涂

表面工程与热喷涂

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第四节 火焰类喷涂 一、火焰喷涂定义：火焰喷涂---利用火焰为热源，将金属与非金属材料加热到熔融 状态，在高速气流的推动下形成雾流，喷射到基体上，喷射的微小 熔融颗粒撞击在基体上时，产生塑性变形，成为片状叠加沉积涂层， 这一过程称为火焰喷涂。 线材火焰喷涂

粉末火焰喷涂LEE MAN (SCETC)

表面工程与热喷涂 火焰喷涂的特点：

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优点：适用范围广一般金属、非金属基体均可喷涂，对基体的形状和尺寸通常也 不受限制，但小孔目前尚不能喷涂

涂层材料广泛

涂层材料广泛，金属、合金、陶瓷、复合材料均可为涂层材 料，可使表面具有各种性能，如耐腐蚀、耐磨；耐高温、隔 热等。涂层的多孔性组织有储油润滑和减摩性能，含 有硬质相的喷涂层宏观硬度可达450HB,喷焊层 可达65HRC

涂层有储油润滑和减摩性能

火焰喷涂对基体影响小

火焰喷涂对基体影响小，基体表面受热温度为 200~250℃,整体温度约70℃~80℃,故基体变 形小，材料组织不发生变化。

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表面工程与热喷涂 火焰喷涂的特点：

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缺点：喷涂层与基体结合强度较低，不能承受交变载荷和冲击载荷 基体表面制备要求高 火焰喷涂工艺受多种条件影响，涂层质量尚无有效检测方法

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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(一)线材火焰喷涂法线材火焰喷涂---把金属线材以一定的速度送进喷枪里，使端部 在高温火焰中熔化，随即用压缩空气把其雾化并吹走，沉积在经预 处理过的工件表面上。

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表面工程与热喷涂 在线材火焰喷枪中，燃 气一般采用乙炔，火焰 主要用于线材的熔化， 适宜于喷涂的金属丝直 径一般为1.8~4.8mm。 但有时直径较大的棒材， 甚至一些带材也可喷涂， 不过此时须配以特定的 喷枪。目前国内常用的 线材火焰喷枪是 SQP-1 型射吸式， 如图所示。

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SQP-1型线材火焰喷枪外形图 1—混合头部分 2—送丝滚轮 3—导丝管 4— 阀杆旋钮 5—调速旋盘 6—机动部分 7—手柄

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线材火焰喷涂的典型装置示意图LEE MAN (SCETC)

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(二)粉末火焰喷涂法线材火焰喷涂---以氧气、乙炔(丙烷)火焰为热源，将粉末材料熔 融后喷射在加工物表面形成涂层的热喷涂法，以自熔合金为材料的 粉末火焰喷涂法称为粉末喷涂。

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表面工程与热喷涂喷枪通过气阀引入

氧气和燃料气，氧 气和燃料气混合后在环形或梅花形喷 嘴出口处产生燃烧火焰。喷枪上设有 粉斗或进粉管，利用送粉气流产生的 负压抽吸粉末，使粉末随气流进人火 焰中，粉末被加热熔化或软化，气流 及焰流将熔粒喷射到基体表面形成涂 层。粉粒在被加热过程中，均由表层 向心部逐渐熔化，熔融的表层在表面 张力作用下趋于球状，因此粉末喷涂 过程中不存在线材喷涂的破碎和雾化 过程。粉末粒度便决定了涂层中颗粒 的大小和涂层的表面粗糙度。另外， 进入火焰及随后飞行中的粉末，由 于处在火焰中的位置不同，被加热的 程度存在很大差异，导致部分粉末未 熔融、部分粉末仅被软化，从而造成 涂层的结合强度与致密性一般不及线 材火焰喷涂。

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射吸式大型喷枪结构图 1- 喷嘴 2-粉斗 3-送粉器开关 4-送粉开关 5-氧气开关 6- 辅助关粉气开关 7- 氧气进口 8-乙炔进口 9- 安全阀 10- 乙炔开关

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粉末火焰喷涂一般采用氧乙炔火焰，这种方法具有设备简单、便宜、 工艺操作简便、应用广泛灵活、适应性强、噪声小等特点，因而是 目前热喷涂技术中应用最广泛的一种。

粉末火焰喷涂的典型装置LEE MAN (SCETC)

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(三)火焰喷涂工艺火焰喷涂工艺流程为： 工件表面准备→预热→喷涂打底层→喷涂工作层→涂后 处理。 1.表面预处理表面清理表面清理是指脱脂、去污、除锈等，使工件表面呈现金属光泽。 一般采用酸洗或喷砂除锈，去除氧化皮。采用有机溶剂或碱水脱 脂。如果是修复旧件，还要加热到260-530℃,保温3-5 h,去 除毛细孔内的油脂。 表面粗糙化是对预喷涂表面进行加工，目的是进一步保证表 面质量，提高结合强度和预留涂层厚度。对于由打底层和工 作层构成的涂层，打底层厚度一般为0.1~0.15mm,工作层 最低厚度为0.2mm。表面粗糙化一般采用车削、磨削、喷砂 等方法。

表面粗糙化

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2.预热预热的作用：提高接触温度提高工件表面与熔粒的接触温度，有利于熔粒 的变形和相互咬合以及提高沉积率 使基体产生适当的热膨胀，在喷涂后随涂层一 起冷却,减少两者收缩量的差别，降低涂层的内 应力 预热温度不宜过高，对于普通钢材一般控制在100~ 150℃为宜。可直接用喷枪预热，但要使用中性焰或轻 微碳化焰，也可采用电阻炉预热，工件温度均匀、表 面不产生水汽。

降低涂层的内应力

去除工件表面的水分

工件预热是安排在表面准备工艺之前还是之后对涂层的结合强度也有 很大影响。条件允许时，最好将预热安排在表面准备之

前，防止预热不 当表面产生氧化膜导致涂层结合强度降低。LEE MAN (SCETC)

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3.喷涂工件表面处理好之后要在尽可能短的时间内进行喷涂。 为增加涂层与基体的结合强度，一般在喷涂工作之前，先喷 涂一层厚度约0.10~0.15 mm的放热型的镍包铝或铝包镍粉 末作为打底层，打底层不宜过厚，如超过0.2 mm不但不经 济，而且结合强度下降。 喷涂镍铝复合粉末时应使用中性焰或轻微碳化焰，另外选 用的粉末粒度号在180~250为宜，以避免产生大量烟雾导 致结合强度下降。

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4.喷后处理喷后处理的目的： 密封火焰喷涂层的孔结构，防止腐蚀性介质渗入 涂层,从而对基体造成腐蚀，对在腐蚀条件下工作的 涂层和防腐涂层的性能产生不利影响。 喷后处理的方法：采用封孔剂封孔 常用的封孔剂有石蜡、酚醛树脂和环氧树脂等。密封石 蜡应使用有明显熔点的微结晶石蜡，而不是没有明显熔点 的普通石蜡。酚醛树脂封孔剂适用于密封金属及陶瓷涂层 的孔隙，这种封孔剂具有良好的耐热性，在200℃以下可连 续工作，且除强碱外，能耐大多数有机化学试剂的腐蚀。LEE MAN (SCETC)

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(四)水闸门火焰喷涂工艺实例

闸门是水电站、水库、水闸、船闸等水利工程控 制水位的主要钢铁构件，它有一部分长期浸在水 中。在开闭和涨潮或退潮时，表面经受干湿交替， 特别在水线部分，受到水、气体、日光和微生物 的侵蚀较严重，钢材很容易锈蚀，严重威胁水利 工程的安全。原来用油漆涂料保护，一般使用周 期为3~5年。而采用线材喷涂锌和涂2层氯化橡 胶铝粉漆作为封闭剂，大大提高了钢制闸门的耐 腐蚀性能，使用寿命可达20~30年，比原用油漆 涂层寿命延长6~10倍。LEE MAN (SCETC)

表面工程与热喷涂 水闸门喷涂锌的工艺：表面预处理采用粒径为0.5~2MM的硅砂对水闸门的喷涂表面进行喷砂 处理、去污、防锈，并且粗化水闸门表面。 喷涂时使用SQP-1型火焰喷枪，用锌丝喷涂材料。为保证涂层 质量及其与结构的结合强度，喷涂过程中，应严格控制氧和乙 炔的比例和压力，使火焰为中性焰或稍偏碳化焰。

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喷后处理氧气压力 /MPa

喷涂层质量经检验合格后，进行喷后处理。如果涂层中有气孔， 一般选用沥青漆进行涂漆封孔处理。 压缩空气压力 /MPa 0.392~0.49 乙炔压力 /MPa 0.49~0.637 喷涂距离 /mm 150~200 喷涂角度 /(°) 25~30

喷涂材料 锌

O.392~O.49

喷涂时应采取多次喷涂法，使涂层累计总厚度达到0.3mm,以防止 涂层在喷涂过程中翘起脱落。LEE MAN (SCETC)

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二、爆炸喷涂定义：爆炸喷涂---是火焰喷涂技术中最复杂的一种，利用氧和可燃性 气体的混合气，经点火后在喷枪中爆炸，利用脉冲式气体爆炸的能 量，将被喷涂的粉末材料加热、加速轰击到工件表面而形成涂层。 气体燃烧和爆炸可产生 超音速高能气流，爆炸波 的传播速度高达3000 m / s, 其中心温度可达 3450℃,粉末粒子的飞 行速度可达1200m / s。 因此，爆炸喷涂所产生的 涂层致密，与基体具有极 强的结合力。LEE MAN (SCETC)

表面工程与热喷涂 爆炸喷涂的特点：

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优点：涂层和基体的结合强度高喷涂陶瓷粉末时可达70MPa,喷涂金属陶瓷粉 末时可达175MPa。

涂层致密，气孔率很低，可达2% 以下。 爆炸喷涂时，工作表面温度低，残留应力小爆炸喷涂是脉冲式喷涂，热气流 对工件表面作用时间短，因此工 件表面温度低，温升不超过 200℃。

涂层均匀，厚度容易控制

涂层均匀，厚度容易控制，爆炸喷涂的涂层厚度一 般为0.025~0.3mm,涂层粗糙度可小于Ra1.60,经 磨削后可达Ra0.025。

缺点：爆炸喷涂设备价格高，噪音大，必须在隔音间内进行。LEE MAN (SCETC)

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目前世界上应用最成功的爆炸喷涂是美国联合碳 化物公司林德分公司1955年取得的专利，其设备 及工艺参数至今仍然保密，从不对外出售技术和 设备， 只在其服务公司内为用户进行喷涂加工, 主要喷涂陶瓷和金属陶瓷， 进行航空发动机的维 修。 到上世纪60年代，前苏联乌克兰科学院材料研究 所和焊接研究所开始研究爆炸喷涂技术，并研制 出一系列的爆炸喷涂设备。我国于1985年左右,由 中国航天工业部航空材料研究所研制成功爆炸喷 涂设备,就Co -WC涂层性能来看，喷涂性能与美 国联合碳化物公司的水平接近。目前约有近10台 爆炸喷涂设备在国内开始使用。LEE MAN (SCETC)

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一般认为，爆炸喷涂是当前热喷涂领域内最高的 技术。最初一直应用于航天和核工业等军事领域， 并逐渐向民用品发展，目前已应用到钢铁工业、 能源工业、汽车工业等部门。 爆炸喷涂可喷涂 金属、金属陶瓷及陶瓷材料。目前较成功的爆炸 涂层主要有耐磨涂层和热障涂层。常用的耐磨涂 层主要有碳化钨涂层、碳化铬涂层、氧化铝涂层、 碳化钛涂层等；而氧化锆涂层是典型的热障涂层。

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爆炸喷涂后的零件使用效果是十分明显的， 在航空发动机一、二级钛合金风扇叶片的 中间阻尼台上，爆炸喷涂一层0.25mm厚 的碳化钨涂层后，其使用寿命可从l00h延 长到1000h 以上。在燃烧室的定位卡环上 喷涂一层0.12mm厚的碳化钨涂层

后，零 件寿命从4000h延长到28000h以上。

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三、高速火焰喷涂定义：高速火焰喷涂---也称超声速火焰喷涂，是一种通过增加喷枪燃 烧室的压力，产生类似爆炸火焰的高速火焰，将粉末材料送至火 焰射流的中心使其熔融或半熔融，然后进行高速连续喷射的热喷 涂法。

最早出现于20世纪60年代初期，由美国人J.Browning 发明，称之为“Jet-Kote”,并于1983年获得美国专利。 它的开发是继等离子喷涂之后热喷涂工业最具创造性的 进展。

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