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熱噴塗方法分類及工藝原理簡介

發布日期:2010/3/8 15:53:06

   熱噴塗分類方法

  作為新型的實用工程技術目前尚無标準的分類方法,一般按照熱源的種類,噴塗材料的形态及塗層的功能來分。如按塗層的功能分為耐腐,耐磨,隔熱等塗層,按加熱和結合方式可分為噴塗和噴熔:前者是機體不熔化,塗層與基體形成機械結合;後者則是塗層再加熱重熔,塗層與基體互溶并擴散形成冶金結合。

  平常接觸較多的一種分類方法是按照加熱噴塗材料的熱源種類來分的,按此可分為:火焰類,包括火焰噴塗、爆炸噴塗、超音速噴塗;電弧類,包括電弧噴塗和等離子噴塗;電熱法,包括電爆噴塗、感應加熱噴塗和電容放電噴塗;激光類:激光噴塗。

   火焰類噴塗

  1、火焰噴塗:火焰噴塗包括線材火焰噴塗和粉末火焰噴塗。

  <1>線材火焰噴塗法:是最早發明的噴塗法。它是把金屬線以一定的速度送進噴槍裡,使端部在高溫火焰中熔化,随即用壓縮空氣把其霧化并吹走,沉積在預處理過的工件表面上。

  圖1 絲材火焰噴吐的裝置示意圖

  圖2 絲材火焰噴塗的原理示意圖

  圖1表示絲材火焰噴塗的裝置。圖2則是絲材火焰噴塗槍的剖面圖,它示出了絲材火焰噴塗的基本原理。噴塗源為噴嘴,金屬絲穿過噴嘴中心,通過圍繞噴嘴和氣罩形成的環形火焰中,金屬絲的尖端連續地被加熱到其熔點。然後,由通過氣罩的壓縮空氣将其霧化成噴射粒子,依靠空氣流加速噴射到基體上,從而熔融的粒子冷卻到塑性或半熔化狀态,也發生一定程度的氧化。粒子與基體撞擊時變平并粘結到基體表面上,随後而來的與基體撞擊的粒子也變平并粘結到先前已粘結到基體的粒子上,從而堆積成塗層。

  絲材的傳送靠噴槍中空氣渦輪或電動馬達旋轉,其轉速可以調節,以控制送絲速度。采用空氣渦輪的噴槍,送絲速度的微調比較困難,而且其速度受壓縮空氣的影響而難以恒定,但噴槍的質量輕,适用于手工操作;采用電動馬達傳送絲材的噴塗設備,雖然送絲速度容易調節,也能保持恒定,噴塗自動化程度高,但噴槍笨重,隻适用于機械噴塗。在絲材火焰噴槍中,燃氣火焰主要用于線材的熔化,适宜于噴塗的金屬絲直徑一般為1.84.8mm。但有時直徑較大的棒材,甚至一些帶材亦可噴塗,不過此時須配以特定的噴槍。

  <2>粉末火焰噴塗法:它與絲材火焰噴塗的不同之處是噴塗材料不是絲材而是粉末。圖3和圖4分别為為粉末火焰噴塗裝置和原理示意圖。

  圖3 粉末火焰噴塗的典型裝置

  圖4 粉末火焰噴塗的原理示意圖

  在火焰噴塗中通常使用乙炔和氧組合燃燒而提供熱量,也可以用甲基乙炔,丙二烯(MPS,丙烷,氫氣或天然氣。火焰噴塗可噴塗金屬,陶瓷,塑料等材料,應用非常靈活,噴塗設備輕便簡單,可移動,價格低于其他噴塗設備,經濟型好,是目前噴塗技術中使用較廣泛的一種方法。但是,火焰噴塗也存在明顯的不足。如噴出的顆粒速度較小,火焰溫度較低,塗層的粘結強度及塗層本身的綜合強度都比較低,且比其他方法得到的氣孔率都。此外,火焰中心為氧化氣氛,所以對高熔點材料和易氧化材料,使用時應注意。為了改善火焰噴塗的不足,提高結合強度及塗層密度,可采用将壓縮空氣或氣流加速裝置來提高顆粒速度;也可以采用将壓縮氣流由空氣改為惰性氣體的辦法來降低氧化程度,但這同時也提高了成本。

  2、爆炸噴塗

  爆炸噴塗:利用氧氣和乙炔氣點火燃燒,造成氣體膨脹而産生爆炸,釋放出熱能和沖擊波,熱能使噴塗粉末熔化,沖擊波則使熔融粉末以700800m/s的速度噴射到工件表面上形成塗層。圖5為爆炸噴槍示意圖。

  圖5 爆炸噴塗原理圖

  爆炸塗層形成的基本特征,一般認為仍然是高速熔融粒子碰撞基體的結果。爆炸噴塗的最大特點是粒子飛行速度高,動能大,所以爆炸噴塗塗層具有:塗層和基體的結合強度高,塗層緻密,氣孔率很低,塗層表面加工後粗糙度低,工件表面溫度低。爆炸噴塗可噴塗金屬,金屬陶瓷及陶瓷材料,但是由于該設備價格高,噪音大,屬氧化性氣氛等原因,國内外應用還不廣泛。目前世界上應用最成功的爆炸噴塗是美國聯合碳化物公司林德分公司1955年取得的專利,其設備及工藝參數至今仍然保密。我國于1985年左右,由中國航天工業部航空材料研究所研制成功爆炸噴塗設備,Co/WC塗層性能來看,噴塗性能與美國聯合碳化物公司的水平接近。

  在爆炸噴塗中,當乙炔含量為45%時,氧-乙炔混合氣可産生3140的自由燃燒溫度,但在爆炸條件下可能超出4200,所以絕大多數粉末能夠熔化。粉末在高速槍中被輸運的長度遠大于等離子槍,這也是其粒子速度高的原因。

  3、超音速噴塗

  為了與美國碳化物公司的爆炸噴塗抗争,上世紀60年代初期,美國人J.Browning發明了超音速火焰噴塗技術,稱之為"Jet-Kote",并于1983年獲得美國專利。近些年來,國外超音速火焰噴塗技術發展迅速,許多新型裝置出現,在不少領域正在取代傳統的等離子噴塗。在國内,武漢材料保護研究所,北京鋼鐵研究總院,北京钛得新工藝材料有限公司等也在進行這方面研究,并生産出有自己特色的超音速噴塗裝置。

  圖6 超音速火焰噴塗槍

  燃料氣體(氫氣,丙烷,丙烯或乙炔-甲烷-丙烷混合氣體等)與助燃劑(O2)以一定的比例導入燃燒室内混合,爆炸式燃燒,因燃燒産生的高溫氣體以高速通過膨脹管獲得超音速。同時通入送粉氣(ArN2),定量沿燃燒頭内碳化鎢中心套管送入高溫燃氣中,一同射出噴塗于工件上形成塗層。

  在噴塗機噴嘴出口處産生的焰流速度一般為音速的4倍,即約1520m/s,最高可高達2400m/s(具體與燃燒氣體種類,混合比例,流量,粉末質量和粉末流量等有關)。粉末撞擊到工件表面的速度估計為550-760m/s,與爆炸噴塗相當。Jet-Kote法之所以能有這麼高的速度,關鍵在于按流體力學的原理合理設計制造了一個噴嘴,稱之為Laval管的膨脹管。

  圖7 Laval

  由流體力學知:對一維可壓縮流體,則有:ds/s=(M²-1)dv/v

  其中: S―管器截面積; M=v/v聲(馬赫數); V-流體速度

  由式中我們看出:當V>v聲,即M>1時,則dvds符号相同,即随管道截面積變大(ds為正),流體速度也增大。當V<v聲,即M<1時,則dvds符号相反,即随管器截面積變小(ds為負)時,流體速度亦增大。所以,隻要管子設計合理,則流體在速度低時,隻要經過足夠壓縮,即可在管器某一截面(AB)達到聲速,過了這一截面後,将獲得超音速。超音速噴塗法具有如下的特點:

  粉粒溫度較低,氧比較輕(這主要是由于粉末顆粒在高溫中停留時間短,在空氣中暴露時間短的緣故,所以塗層中含氧化物量較低,化學成分和相的組成具有較強的穩定性),但隻适于噴塗金屬粉末、Co-Wc粉末以及低熔點TiO2陶瓷粉末;

  粉粒運動速度高。

  粉粒尺寸小(1053>μm)、分布範圍窄,否則不能熔化。

  塗層結合強度、緻密度高,無分層現象。

  塗層表面粗糙度低。

  噴塗距離可在較大範圍内變動,而不影響噴塗質量。

  可得到比爆炸噴塗更厚的塗層,殘餘應力也得到改善。

  噴塗效率高,操作方便。

  噪音大(大于120dB),需有隔音和防護裝置。

   電弧類噴塗

  1、電弧噴塗

  電弧噴塗:在兩根焊絲狀的金屬材料之間産生電弧,因電弧産生的熱使金屬焊絲逐漸熔化,熔化部分被壓縮空氣氣流噴向基體表面而形成塗層。電弧噴塗按電弧電源可分為直流電弧噴塗和交流電弧噴塗。直流:操作穩定,塗層組織緻密,效率高。交流:噪音大。電弧産生的溫度與電弧氣體介質、電極材料種類及電流有關(如Fe料,電流280安,電弧溫度為6100K)。但一般來說,電弧噴塗比火焰噴塗粉末粒子含熱量更大一些,粒子飛行速度也較快,因此,熔融粒子打到基體上時,形成局部微冶金結合的可能性要大的多。所以,塗層與基體結合強度較火焰噴塗高1.52.0倍,噴塗效率也較高。電弧噴塗還可方便地制造合金塗層或僞合金塗層。通過使用兩根不同成分的絲材和使用不同進給速度,即可得到不同的合金成分。電弧噴塗與火焰噴塗設備相似,同樣具有成本低,一次性投資少,使用也方便等優點。但是,電弧噴塗的明顯不足,噴塗材料必須是導電的焊絲,因此隻能使用金屬,而不能使用陶瓷,限制了電弧噴塗的應用範圍。近些年來,為了進一步提高電弧噴塗塗層的性能,國外對設備和工藝進行了較大的改進,公布了不少專利。例如,将甲烷等加入到壓縮空氣中作為霧化氣體,以降低塗層的含氧量。日本還将傳統的圓形絲材改成方形,以改善噴塗速率,提高了塗層的結合強度。

  2、等離子噴塗

  等離子噴塗:包括大氣等離子噴塗,保護氣氛等離子噴塗,真空等離子噴塗和水穩等離子噴塗。等粒子噴塗技術是繼火焰噴塗之後大力發展起來的一種新型多用途的精密噴塗方法,它具有:超高溫特性,便于進行高熔點材料的噴塗。噴射粒子的速度高,塗層緻密,粘結強度高。由于使用惰性氣體作為工作氣體,所以噴塗材料不易氧化。

  <1>等離子的形成(以N2為例)

  圖8 等離子體發生過程示意圖。

  0°k時,N2分子的兩個原子程啞鈴形,僅在x,y,z方向上平動;

  大于10°k時,開始旋轉運動;

  大于10000°k時,原子間産生振動,分子與分子間碰撞,則分子會發生離解變為單原子:

  N2Ud——>NN 其中 Ud為離解能

  溫度再升高,原子會發生電離: NUi——>N++e 其中 Ui為電離能

  氣體電離後,在空間不僅有原子,還有正離子和自由電子,這種狀态就叫等離子體。

  等離子體可分為三大類:高溫高壓等離子體,電離度100%,溫度可達幾億度,用于核聚變的研究;低溫低壓等離子體,電離度不足1%,溫度僅為50250度;高溫低壓等離子體,約有1%以上的氣體被電離,具有幾萬度的溫度。離子、自由電子、未電離的原子的動能接近于熱平衡。熱噴塗所利用的正是這類等離子體。

 噴塗原理:

  圖9 等粒子噴塗原理

  等粒子噴塗是利用等離子弧進行的,離子弧是壓縮電弧,與自由電弧項比較,其弧柱細,電流密度大,氣體電離度高,因此具有溫度高,能量集中,弧穩定性好等特點。

  按接電方法不同,等離子弧有三種形式:

  非轉移弧:指在陰極和噴嘴之間所産生的等離子弧。這種情況正極接在噴嘴上,工件不帶電,在陰極和噴嘴的内壁之間産生電弧,工作氣體通過陰極和噴嘴之間的電弧而被加熱,造成全部或部分電離,然後由噴嘴噴出形成等離子火焰(或叫等離子射流)。等粒子噴塗采用的就是這類等離子弧。

  轉移弧:電弧離開噴槍轉移到被加工零件上的等離子弧。這種情況噴嘴不接電源,工件接正極,電弧飛越噴槍的陰極和陽極(工件)之間,工作氣體圍繞着電弧送入,然後從噴嘴噴出。等離子切割,等離子弧焊接,等離子弧冶煉使用的是這類等離子弧。

  聯合弧:非轉移弧引燃轉移弧并加熱金屬粉末,轉移弧加熱工件使其表面産生熔池。這種情況噴嘴,工件均接在正極。等離子噴焊采用這種等離子弧。

  進行等粒子噴塗時,首先在陰極和陽極(噴嘴)之間産生一直流電弧,該電弧把導入的工作氣體加熱電離成高溫等離子體,并從噴嘴噴出,形成等離子焰,等離子焰的溫度很高,其中心溫度可達30000°k,噴嘴出口的溫度可達; 1500020000°k。焰流速度在噴嘴出口處可達10002000m/s,但迅衰減。粉末由送粉氣送入火焰中被熔化,并由焰流加速得到高于150m/s的速度,噴射到基體材料上形成膜。

  圖10 等離子焰流溫度分布

  <3>等粒子噴塗設備:等離子噴塗設備主要包括:

  噴槍:實際上是一個非轉移弧等離子發生器,是最關鍵的部件,其上集中了整個系統的電,氣,粉,水等。

  電源:用以供給噴槍直流電。通常為全波矽整流裝置。

  送粉器:用來貯存噴塗粉末并按工藝要求向噴槍輸送粉末的裝置。

  熱交換器:主要用以使噴槍獲得有效的冷卻,達到使噴嘴延壽的目的。

  供氣系統:包括工作氣和送粉氣的供給系統。

  控制框:用于對水,電、氣、粉的調節和控制。

  <4>等粒子噴塗工藝:

  在等粒子噴塗過程中,影響塗層質量的工藝參數很多,主要有:

  等離子氣體:氣體的選擇原則主要根據是可用性和經濟性,N2氣便宜,且離子焰熱焓高,傳熱快,利于粉末的加熱和熔化,但對于易發生氮化反應的粉末或基體則不可采用。Ar氣電離電位較低,等離子弧穩定且易于引燃,弧焰較短,适于小件或薄件的噴塗,此外Ar氣還有很好的保護作用,但Ar氣的熱焓低,價格昂貴。氣體流量大小直接影響等離子焰流的熱焓和流速,從而影響噴塗效率,塗層氣孔率和結合力等。流量過高,則氣體會從等離子射流中帶走有用的熱,并使噴塗粒子的速度升高,減少了噴塗粒子在等離子火焰中的滞留時間,導緻粒子達不到變形所必要的半熔化或塑性狀态,結果是塗層粘接強度、密度和硬度都較差,沉積速率也會顯著降低;相反,則會使電弧電壓值不适當,并大大降低噴射粒子的速度。極端情況下,會引起噴塗材料過熱,造成噴塗材料過度熔化或汽化,引起熔融的粉末粒子在噴嘴或粉末噴口聚集,然後以較大球狀沉積到塗層中,形成大的空穴。

  電弧的功率:電弧功率太高,電弧溫度升高,更多的氣體将轉變成為等離子體,在大功率、低工作氣體流量的情況下,幾乎全部工作氣體都轉變為活性等粒子流,等粒子火焰溫度也很高,這可能使一些噴塗材料氣化并引起塗層成分改變,噴塗材料的蒸汽在基體與塗層之間或塗層的疊層之間凝聚引起粘接不良。此外還可能使噴嘴和電極燒蝕。而電弧功率太低,則得到部分離子氣體和溫度較低的等離子火焰,又會引起粒子加熱不足,塗層的粘結強度,硬度和沉積效率較低。

  供粉:供粉速度必須與輸入功率相适應,過大,會出現生粉(未熔化),導緻噴塗效率降低;過低,粉末氧化嚴重,并造成基體過熱。送料位置也會影響塗層結構和噴塗效率,一般來說,粉末必須送至焰心才能使粉末獲得最好的加熱和最高的速度。

  噴塗距離和噴塗角:噴槍到工件的距離影響噴塗粒子和基體撞擊時的速度和溫度,塗層的特征和噴塗材料對噴塗距離很敏感。噴塗距離過大,粉粒的溫度和速度均将下降,結合力、氣孔、噴塗效率都會明顯下降;過小,會使基體溫升過高,基體和塗層氧化,影響塗層的結合。在機體溫升允許的情況下,噴距适當小些為好。

  噴塗角:指的是焰流軸線與被噴塗工件表面之間的角度。該角小于45度時,由于陰影效應的影響,塗層結構會惡化形成空穴,導緻塗層疏松。

  噴槍與工件的相對運動速度:噴槍的移動速度應保證塗層平坦,不出線噴塗脊背的痕迹。也就是說,每個行程的寬度之間應充分搭疊,在滿足上述要求前提下,噴塗操作時,一般采用較高的噴槍移動速度,這樣可防止産生局部熱點和表面氧化。

  基體溫度控制:較理想的噴塗工件是在噴塗前把工件預熱到噴塗過程要達到的溫度,然後在噴塗過程中對工件采用噴氣冷卻的措施,使其保持原來的溫度。近幾年來,在等離子噴塗的基礎上又發展了幾種新的等離子噴塗技術,如:

  3、真空等離子噴塗(又叫低壓等離子噴塗)

  真空等離子噴塗是在氣氛可控的,440Kpa的密封室内進行噴塗的技術。因為工作氣體等離子化後,是在低壓氣氛中邊膨脹體積邊噴出的,所以噴流速度是超音速的,而且非常适合于對氧化高度敏感的材料。

  4、水穩等離子噴塗

  前面說的等離子噴塗的工作介質都是氣體,而這種方法的工作介質不是氣而是水,它是一種高功率或高速等離子噴塗的方法,其工作原理是:噴槍内通入高壓水流,并在槍筒内壁形成渦流,這時,在槍體後部的陰極和槍體前部的旋轉陽極間産生直流電弧,使槍筒内壁表面的一部分蒸發、分解,變成等離子态,産生連續的等離子弧。由于旋轉渦流水的聚束作用,其能量密度提高,燃燒穩定,因此,可噴塗高熔點材料,特别是氧化物陶瓷,噴塗效率非常高。

   電熱法

  1、電爆噴塗:在線材兩端通以瞬間大電流,使線材熔化并發生爆炸。此法專用來噴塗氣缸等内表面。

  2、感應加熱噴塗:采用高頻渦流把線材加熱,然後用高壓氣體霧化并加速的噴塗方法。

  3、電容放電加熱:利用電容放電把線材加熱,然後用高壓氣體霧化并加速的噴塗方法。

   激光法

  把高密度能量的激光束朝着接近于零件的基體表面的方向直射,基體同時被一個輔助的激光加熱器加熱,這時,細微的粉末以傾斜的角度被吹送到激光束中。圖11 激光噴塗

  熔化粘結到基體表面,形成了一層薄的表面塗層,與基體之間形成良好的結合(噴塗環境可選擇大氣氣氛或惰性氣體氣氛,或真空下進行)。

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