热喷涂工艺机理及涂层重熔处理
李流芳
新工艺新技术
引：本文通过综述介绍了热喷涂工艺的机理及应用现状，并进一步提出了热喷涂完善工艺一涂层的重熔处理。
热喷涂法是在修复的零件已磨损表面涂上金属涂层的一种方法。喷涂过程的实质是用高速压缩气流把熔融金属喷涂到需处理的零件表面上，喷成雾状大小的金属颗粒以塑性状态并具有很大的飞行速度到达金属表面，在撞击到零件时这些颗粒产生变形并深人到零件表面的细孔和粗糙不平处形成涂层。除具有重熔处理的喷涂外，被喷涂的金属颗粒与零件表面的连接相互之间主要靠机械性能来支承，仅在个别点是被喷涂金属与母体金属的焊接。
用热喷涂方法修复零件的主要优点是:生产效率高，工艺过程和使用设备简单，涂层具有较高的耐磨损性，涂层厚度为0.1~10mm，涂层的材料几乎可以由任何金属或合金构成。喷涂法的主要缺点是涂层的机械强度较低，涂层与母体金属的结合强度也不高。
热喷涂方法及机理根据喷涂设备使用的热能形式的不同，喷涂可分为:气体火焰喷涂、电弧喷涂、高频热喷涂、等离子喷涂四种基本喷涂方法。在这些喷涂方法中，等离子喷涂是一种比较先进的喷涂方法。等离子喷涂时，金属熔化并转移到零件表面上是利用等离子射流的热能和动力性质。作为等离子工作气体，可以使用氮、氢、氦等惰性气体。由于氮的等离子气体具有比较不算太高的温度，但具有很高的熔(单位质量的热含量)。氮的等离子所以具有很高的熔，可以用其两个形成过程来说明:分离阶段和离子化阶段，这两个阶段的进行都要吸收热能，而氢气的等离子的获得却仅有一个离子化阶段。这样，氮离子就成为大量热能的载体。正由于氮等离子流具有很高的熔且成本也较低，所以应广泛使用氮气作为等离子发生气。
进人到等离子发生器喷嘴的原材料可以是金属丝或者颗粒状粉料。金属丝用的比较少，因为使用它获得的涂层的结构是粗晶粒的，所以一般在等离子喷涂时主要使用的是颗粒尺寸从50到150um的粉料。使用热喷涂粉末材料时，热喷涂粉末从配料器送到等离子发生器喷嘴是借助于传送气体(氮气)来实现的。配料器中热喷涂粉末的消耗量即决定了喷涂过程的生产率，热喷涂粉末的消耗量一般可控制在3一12kg/h范围内均匀调节。
熔化的金属热喷涂粉末被等离子流带到零件的表面形成涂层。涂层的性质取决于热喷涂粉末在与零件表面相遇时热喷涂粉末的加热温度和它的飞行速度。金属热喷涂粉末的飞行速度由射流的力和等离子发生器气体的耗量决定.根据这些因素，热喷涂粉末的速度可以达到150~200m/s，在距等离子发生器50一80mm的距离处熔化的金属末达到最大速度。等离子喷涂正是由于它与零件相遇瞬间具有很高的飞行速度和加热温度才使得它比其它喷涂方法获得的涂层具有更高的机械性能和与零件表面更大的结合强度。
喷涂的经济效果和生产率取决于喷涂系数，等离子喷涂条件下的喷涂系数高于其它喷涂方法。喷涂系数与热喷涂粉末的材料，被喷涂零件的直径及工况的基本参数等因素有关。例如，把苏尔玛铬镍硅锰钢的热喷涂粉末喷涂到直径为26mm的零件上，在合理的工况条件下喷涂系数不超过65一70%，而往直径大于50mm的零件上喷涂镍合金的热喷涂粉末时喷涂系数能达到90~95%。涂层的重熔处理
1.重烙工艺与参数
等离子喷涂得到的覆盖层(涂层)的物理一机械性能虽然高于其它喷涂方法，但却远低于堆焊所得到的机械性能。为了改善涂层的性质，在喷涂工艺中引进一个比较简单的工序一涂层的重熔处理。在涂层熔化时，熔化的只是其合金中最易熔化的成分，由于液相有助于扩散过程更强化的渗透，熔化的结果大大提高了涂层和零件的连接强度，增加了机械强度，孔隙消失了，涂层与其结合零件的耐磨性也提高了。
涂层的熔化可以用氧一乙炔火焰、等离子射流或高频电流进行。高频电流为重熔提供最佳效果，因为在这种情况下既保证了局部加热，又不影响整个零件的处理。
对进行熔化的合金提出下列要求:易熔成分的熔化温度应该不超过1000~1100°C，正熔化状态它们能很好地浸湿零件的被加热过的表面并具有自熔性，即含有助熔元素。实际上这些要求完全可以得到满足，例如以镍为基础的热喷涂粉末合金就具有980~1050℃的熔化温度并含有助元素(硼和硅)。
具有重熔涂层等离子喷涂修复零件的工艺过程包括下列工序:1)表面准备:包括清除油锈，为恢复正确几何形状的机加、表面处理及堵油孔等;2)喷涂层;3)在下列规范条件下用高频淬火装置进行涂层的重熔:电流频率为75一100千赫;零件与感应器之间的间隙为5一6mm;轴类零件回转频率为15~20转/分或线速度在30m/s左右;高频电流发生器电流强度为5一SA。最后把零件表面磨削到所需尺寸。
2.重熔后零件表面机械性能
被喷涂的镍基合金重熔涂层的显微硬度与其中确的含量有关。由于重熔涂层结构中存在固态晶体，因而耐磨性显著提高，例如，45钢其硬度低者为淬火硬度的1一2倍，高者可达5一10倍。
重熔后涂层和零件表面的结合强度可提高8~10倍，由于涂层的变硬，其疲劳强度提高20~25%。由此可见，使用涂层重熔的等离子喷涂修复，不仅能够使其恢复到原来新零件的质量，而且在某些方面有所提高。因此，这种工艺可以用来修复在大交变载荷和接触应力条件下工作的零件，如凸轮轴、曲轴等。
3.几个需要注意的问题
1)热喷涂的表面应该具有适当的表面粗糙度热喷涂的表面应该具有适当的表面粗糙度，以便增加粘结到基体金属上颗粒的总面积及提高接触区域的温度。表面粗糙度的大小以喷涂热喷涂粉末的颗粒能够靠紧表面的凹坑为度，零件表面这样的凹坑数量越多，则基础金属与涂层结合得就越牢固。而且喷涂层越厚，则预制的表面就应粗糙一些。表面粗糙度的处理可以采用喷砂、车螺纹或滚花等方法。
为了保证所需要的表面粗糙度，推荐使用喷射一磨蚀加工。在与零件表面接触时，磨料颗粒的一部分进人金属表面切下金属，另一部分对表面起刮削作用，第三部分对金属表面起挤压作用。上述作用的结果形成了新的微观起伏。在喷射一磨蚀加工时金属表面的物理机械性能受到影响，形成0.2~0.4mm或更大的强化层，此时表面层的能量级和扩散渗透性也提高了，但冷作硬化层的导电和层热率却降低了。要注意的是，长时间微冲击会使金属变得疏松，出现裂纹和微粒层状物，这种不可回复的冷作硬化现象必须避免。加工完以后应该用干燥的压缩空气吹净零件表面。
对于在一般载荷条件下工作且硬度不大于HRC40的圆柱形零件，表面的制备可以用车不整齐螺纹的方法进行加工，以获得粗糙度。这可借助把高速钢或硬质合金车刀置于低于中心高并使其外伸70~l00mm一次走刀完成。刀具的端部作成圆形，以便使螺纹的边缘变纯。其刃磨角度为45一60，切削时不要使用冷却液。
2)脱脂处理
脱脂处理也是表面准备的一个重要环节，对于钢制处理的零件用脱脂溶剂把里外冲洗净就可以了，但铸铁零件由于能吸收油脂，在喷涂颗粒与零件表面撞击时从零件的微孔中滋出的油脂会妨碍涂层与基体的结合，因此铸铁零件在喷涂前必须浸人热的溶剂中清洗或在专门的容器里进行煮沸。在清洗中最好把零件吊起来，以便于清洗下来的油脂和溶剂一起流走。洗涤剂可以用10~15kg/m浓度的焙烧过的碱溶液。脱脂以后要用水冲净，然后在烘箱中烘干或者用压缩空气吹去水分。
制备好的零件表面不要再用手去摸，如果表面准备好以后不能马上喷涂，应该考虑到随存放时间的增加涂层结合强度将会下降。因此在房间内存放时间不要超过8小时，露天和在潮湿的天气为0.5小时。对于铝合金制品最好不超过1小时。
3)喷涂件的预热
为了使零件表面活化，清除残留水分，降低内应力和提高涂层与基体的结合强度，在热喷涂前要将零件预热到100一150℃，如果喷涂是在低温环境中进行的话，预热更为重要。理想的预热温度，钢制件为150℃，铜及其合金为50℃，镍及其合金为180℃，铝及其合金为100℃。
热喷涂工作条件
喷涂工作应该具备的基本设备为:零件存放架;零件喷涂前预先加工用的工作台;喷涂室;带有减压阀的贮气槽。从安全技术观点来看，最复杂的是等离子喷涂工作条件，此条件有害的是噪音、空气污染、紫外线和红外线幅射。等离子射流的噪音在等离子发生器的近处能达到115一120分贝。所以应在隔音的专门容器中进行喷涂。
在进行等离子喷涂时，房间的空气能够被金属热喷涂粉末、被加工金属的悬浮微粒和氮的氛化物所污染。为了保护操作者应使用具有局部抽气罩的专门容器。等离子射流是紫外线和红外线辐射的发生源，所以操作者应该戴上有滤光玻璃的防护面罩工作。为了保护操作者的手不受辐射线的伤害，工作时要戴石棉织物手套。
参考文献略
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