【机械行业标准(JB)】 热喷涂陶瓷涂层 技术条件

A29
JB
中华人民共和国机械行业标准
JB/T 7703-95
热喷涂陶瓷涂层技术条件
1995-06-20发布
中华人民共和国机械工业部
发布
1996-01-01实施
中华人民共和国机械行业标准
热喷涂陶瓷涂层技术条件
1主题内容与适用范围
JB/T 7703—95
本标准规定了热喷涂陶瓷粉末材料、工艺及涂层设计表示方法，陶瓷涂层质量检验，喷涂陶瓷涂层制品的包装与运输及喷涂安全操作规则。给出了热喷涂陶瓷涂层工艺流程的通用技术条件的指南。本标准适用于等离子喷涂工艺喷涂陶瓷粉末材料，制备耐蚀、耐磨、耐热、绝热、热障、绝缘、辐射等表面功能涂层，以改善制品的性能。本标准对火焰喷涂、超音速火焰喷涂及爆炸喷涂制备陶瓷涂层，亦有指导作用。
2引用标准
GB6462
GB8642
GB9790
GB11373
GB 11374
GB11375
GB12607
GB 12608
金属和氧化物覆盖层横断面厚度显微镜测量方法热喷涂层结合强度的测定
金属覆盖层及其他有关覆盖层维氏和努氏显微硬度试验热喷涂金属件表面预处理通则
热喷涂涂层厚度的无损测量方法热喷涂操作安全
热喷涂涂层设计命名方法
热喷涂涂层材料命名方法
3热喷涂陶瓷材料、工艺及涂层设计表示方法3.1热喷涂常用陶瓷涂层材料
根据GB12608的规定，热陶瓷粉末材料以拉伯数字为分类代号，后两位阿拉伯数字为顺序号。P7×××表示，7为陶瓷涂层大类代号，第二位阿常用的热喷涂陶瓷粉末材料的牌号、成分及性能列于附录A（补充件)表A1。3.2热喷涂陶瓷涂层的工艺方法
适用于陶瓷粉未材料的热喷涂工艺有六类，按GB12607的规定，其标记列于附录B表B1。3.3热喷涂陶瓷涂层设计表示方法热喷涂陶瓷涂层系统的设计与表示方法，按GB12607的规定执行。以钢质基体上等离子喷涂A10+13%TiOz陶瓷复合粉末（P7112）.喷砂预处理，NiCr合金粉末（P1501)打底，封孔，磨削精加工的热喷涂涂层系统为例，其涂层设计表示方法如下：机械工业部.1995-06-20批准
1996-01-01实施
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TS2·P1501/.71121/3
4热喷涂陶瓷涂层工艺通则
涂层精加工，磨削
涂层后处理，封孔
面层陶瓷涂层材料
粘结底层材料
气稳等离子喷涂
喷砂预处理
热喷涂代号
热喷涂陶瓷涂层是一个工艺流程系统。首先，应根据制品的服役条件或失效分析，确定对涂层的性能要求，据以选择恰当的热喷涂材料、设备及工艺。然后，实施热喷涂工序施工，包括：基体的表面预处理，热喷涂工艺，涂层封孔及精加工，涂层质量检验。每道工序都必须严格按操作规程进行，检验合格，方能进行下一道工序。
本标准只提供热喷涂陶瓷涂层的工艺通则。特定制品、特定涂层、特定工艺，其具体指标参数应由专项标准确定。
4.1涂层系统设计
4.1.1确定对涂层的功能要求
应确切了解欲喷涂制品的服役条件，或制品在使用过程中的失效原因，确定对涂层的功能要求。4.1.2涂层材料的选择
只有熟悉并掌握丰富、全面的材料科学知识，才能做到正确合理地进行涂层系统设计，选择涂层材料。有关这方面的资料.可参考“机械制造工艺材料技术手册”第九篇“热喷涂材料技术手册”（机械工业出版社，1993，第一版）。
4.1.2.1陶瓷涂层材料的选择：某一特定用途的陶瓷涂层材料的选择，应根据涂层的服役条件所确定的对涂层功能的要求，综合考虑不同陶瓷材料的多种性能，如硬度、熔点、热导率、耐蚀性、耐磨性及电学性能等，加以比较选择。常用的热喷涂陶瓷材料见附录A表A1。4.1.2.2打底涂层材料的选择：当被喷涂的基体材料与陶瓷涂层材料的粘附性能不好时，常用打底涂层来改善基体与涂层的结合性能，打底涂层材料具有下述一个或多个特性：a。“自粘结”效应一一在热喷涂火焰的高温下，涂层材料不同组分能发生放热化学反应，使涂层与基体形成微区冶金结合。最典型和应用最广的“自粘结”打底涂层材料是镍铝复合粉未。b、“粗化”效应一一粘结底层的表面比喷砂粗化处理的基体表面列不规则，因而陶瓷涂层能与之形成更强的机械嵌合。
c．“帘栅屏蔽效应一一打底涂层具有比基体材料更好的抗氧化能力和耐蚀性能，在陶瓷涂层与基体之间起屏蔽帘栅作用，能将热喷涂陶瓷涂层固有的孔隙引起的基体氧化或腐蚀降至最小。d。“缓冲效应一一打底涂层的热胀系数，介于基体和陶瓷涂层之间，且在机械及热负荷下具有足够的韧性，能对因基体与陶瓷涂层的膨胀系数不同而产生的应力起“缓冲”作用。常用的\自粘结”打底涂层材料是Ni一Al复合粉末.此外，还有NiCrAl、NiCrAIY、CoCrAIY复台粉末。其他打底涂层材料有Mo（不适用于400℃以上氧化性气氛中工作）.NiCr合金（在1000℃高温下满意地用作陶瓷涂层的粘结底层）。在塑料之类的低熔点材料上喷涂陶瓷涂层，常采用锡、锌、铝、铜作打底涂层材料。
4.1.2.3阶梯涂层：当金属基体与陶瓷涂层界面间的物理性能.如韧性、热膨胀性及晶体结构等的差异2
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很大时，可能导致陶瓷涂层的内应力增大，与基体的粘附性很差，引起涂层失效。解决这类难题的办法是采用阶梯涂层结构，以实现基体与面层陶瓷涂层间的分配比及性能的逐渐过渡。阶梯涂层系统示例如下：
a．约0.1mm厚的打底涂层；
b.按65/35比例，喷涂打底涂层材料/面层陶瓷材料的混合物，涂层厚度约0.1mmzc.按35/65比例，喷涂打底涂层材料/面层陶瓷材料的混合物，涂层厚度约0.1mm元d．0.1mm厚的面层陶瓷涂层。
此阶梯涂层系统亦可用三层来改进，采用50/50混合物涂层作中间层。1.1.3基体材料选择
作为热喷涂陶瓷涂层的基体材料，通常是金属基材料，如钢、铝、钛，铜、青铜及难熔金属等。然而，其他无机材料如陶瓷、金属陶瓷、甚至有机材料.简言之，几乎所有的固体材料都可作为基体，其性能均可通过喷涂陶瓷涂层加以改善。
4.1.4热喷涂工艺及设备的选择
4.1.4.1热喷涂工艺选择：适合于喷涂陶瓷涂层的热喷涂工艺有六种，如附录B表B1所示。喷涂工艺的确定，应根据陶瓷涂层材料的熔点、热导率、耐热震性及涂层与基体的结合强度要求，结合生产效率、成本等综合考虑。
气稳等离子喷涂工艺是喷涂各种陶瓷涂层最常用的工艺。粉未火焰喷涂工艺广泛用于零部件维修和少量产品生产。超音速火焰喷涂是正在兴起、发展迅速的工艺。4.1.4.2热喷涂设备的选择：根据对陶瓷涂层的功能要求，涂层材料及喷涂工艺选择，选定相应的热喷涂设备。设备的调节和操作须严格按照制造厂家的各项说明进行。4.2喷涂陶瓷的基本程序
以等离子喷涂瓷涂层为例，其操作基本程序列于表1。表1喷涂陶瓷的基本程序
骤一
1
2
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
操
作
清洁工件
避遮盖工件
基体表面预处理
陶瓷材料选择
工装
装喷枪
调节水源系统
调节气源系统
装料
启动电气系统
点枪、调枪
喷涂
封孔处理
精饰
说
明
基体表面粗化处理前，根据要求，采用溶剂清洗、脱脂、加热等方式，除去待喷涂表面上的所有污物
使用橡胶、钢、遮蔽带等合适的遮蔽方法，保护所有不需表面预处理的部位使用清洁、锐利的适当磨料进行喷砂，达到要求的粗糙度。根据需要.亦可续喷粘结底层
根据对涂层的功能要求，选定陶瓷涂层材料（参考附录A中表A1），确定合适的粒度及粒度分布
根据基体的形状和尺寸，选用夹具、机械转台及移动装置根据需要选用直枪头、带角枪头或加长枪头，选用旋转或可移动式喷枪支架按设备使用说明书要求，调节水源及玲却系统。喷枪出口水温以不高于15℃为宜按程序打开主气，辅气及送粉气源，调节至需要参数将粉末装入送粉器粉斗或喷斗中启动电源，开动抽风机，调节各项电参数按规程点枪、起弧、调节各项参数，达到射束稳定、集中，获得最佳焰流，使陶瓷粒子处于充分熔融或至少充分软化状态，具有最佳的粒子速度，形成最佳涂层质量尽可能保证喷枪行走速度均匀，保持喷徐距离不变。根据基体的热敏性、涂层特性及厚度，选择喷枪的行走速度和喷距，选择最佳送粉速率对于耐蚀、绝缘之类涂层，喷涂后应即时进行封孔处理如需要，可进行磨削加工，磨削加工前亦常进行封孔处理3
4.3基体表面和制备与预处理
4.3.1基体表面和加工要求
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具体制品对基体表面的设计加工要求（如表面粗糙度、形位公差、倒角、下切等），由特定制品的专项标推规定执行。
4.3.2基体表面的预处理
基体表面预处理的质量，直接影响涂层与基体的结合性能，是整个热喷涂工艺过程成功的关键环节之一，应予高度重视。需要特别强调指出，喷砂及喷涂用压缩空气，必须是干燥、无油的；喷砂用磨料应是清洁、锐利的.以保证基体表面达到清洁、充分粗化，新鲜活化。预处理后表面不充许再被污染基体表面预处理按GB11373的规定执行。欲喷涂陶瓷涂层的钢铁制件基体表面喷砂预处理，应达到最高级\出白”，即Sa3级。
4.4热喷涂工艺
正确的热喷涂工艺.应使被喷涂的陶瓷粉末颗粒呈熔化或很软的状态高速喷射到经预处理的基体表面上，形成优质涂层。
影响热喷涂工艺的因素很多，主要包括涂层材料方面（陶瓷材料的熔点、热容、热导率及粉末的粒度与粒度分布）；热源方面（焰流的温度与温度分布、焰流速度及速度分布、焰流对陶瓷粒子的传热速率、粒子速度及粒子在焰流中的停留时间）：基体方面（基体的性质及几何尺寸.要求的涂层厚度）及涂层性能方面（涂层孔隙率要求等），应综合考虑。4.4.1基体的遮蔽及温度控制
4.4.1.1基体的遮蔽：喷涂前，应对与喷涂部位接的区域进行遮蔽防护，以避免这些部位粘附喷涂粒子。
常用的遮蔽材料有钢带、铜带、热喷涂专用工程带或其他等效材料。在产品生产中，使用永久性的遮蔽件（如护罩）更经济。也可使用水基防粘遮蔽涂料均匀涂覆在不需喷涂的部位。4.4.1.2基体的预热：在喷涂前，可对基体均匀预热至不小于120℃，以除去湿气。但必须细心控制基体温度，不得超过250℃，否则易导致基体表面的氧化面降低粘结性能。4.4.1.3基体过热的控制：在薄壁制件或易产生变形及组织变化的基体（如某些铝合金）上喷涂陶瓷涂层时.应小心避免基体过热。
当喷涂厚陶瓷涂层时，由于已喷涂涂层的隔热效应和涂层积集的温度梯度，都可能使涂层产生问题。
工件过热可能使其在冷却至室温后涂层产生层状裂纹或分层剥落。调整喷枪至基体的距离，调节喷枪的移动速度及工件的线速度，使基体充分散热和冷却，有利于防止因基体过热而产生的失效出现。也可提供辅助的冷却空气以防止工件过热。4.4.2热喷涂工艺参数控制
4.4.2.1喷涂设备：不同的热喷涂设备所产生的焰流的温度和速度不同：不同的喷枪结构甚至喷嘴型号.亦影响焰流的特特。因此，应根据选定的陶瓷涂层材料.选定相应的喷涂设备、喷枪及喷嘴结构。4.4.2.2电源功率：等离子喷涂工艺的电功率直接影响等离子焰流的温度和速度，从而影响陶瓷粒子的熔化状态和粒子速度。调节主气及辅气的流量和压力，保证等离子体的电功率最佳化，对获得优质涂层至关重要。
4.4.2.3喷涂距离：当喷射焰流中的陶瓷粒子处于最大速度时撞击到基体表面，此时喷嘴口与基体间的距离为最佳喷涂距离。等离子喷涂工艺的喷涂距离变化在6～20cm之间。喷距小，涂层致密，结合强度好.但基体易过热：喷距大.涂层孔隙率增加，结合强度下降。最佳喷涂距离，应经试验确定并保持。尽可能采用机械装置进行喷涂，固定安装喷枪，有利于减少人为的影响，保持喷涂距离不变，喷枪移动速度均勾。
4.4.2.4喷枪移动速度与工件线速度：喷枪移动速度与工件运动线速度的合理匹配，对地每道涂层的A
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厚度，涂层的均匀性及基体的受热情况，有重要影响，应通过试验确定并保持。4.4.2.5送粉速率与涂层厚度控制：送粉速率应根据陶瓷粉末材料的密度、熔点、热容、热导率、粒度等因素而适当调整，总之，应以能使几乎所有的陶瓷颗粒能在等离子焰流中熔化的最大送粉量为宜。送粉速率过大，会产生一些未熔化的“生粒”，影响涂层质量：送粉速率过小，则降低沉积速率并易使基体过热。最佳送粉速率应由试验确定并保持。离子喷涂陶瓷涂层表面的厚度可在儿十微米至数毫米之间调节。水稳等离子喷涂陶瓷涂层的厚度可达20mm。喷枪在基本表面走一单道一般以沉积0.025mm左右为宜，而要保证完全覆盖基体，最小平均厚度通常约为0.075mml。对特定陶瓷涂层的厚度要求，应根据服役条件的要求由试验确定。4.4.2.6操作人员的经验：除了现代化的计算机控制的等离子喷涂机器人之外，热喷涂工艺还在很大程序上受操作人员的经验和技能的影响，而且陶瓷材料的热喷涂遇到的问题与传统的金属喷涂不同。因此应对有关人员进行比较系统的培训，充分熟悉工艺规程，方能上岗实际操作。4.5陶瓷涂层的封孔处理和粗加工4.5.1封孔处理
所有热喷涂陶瓷涂层都多少有点气孔。气孔率的变化范围很大，爆炸喷涂和超音速火焰喷涂的气孔率仅占涂层体积的1%，而特种多孔陶瓷涂层，气孔率可高达30%。这些孔隙的大多数是相互贯通的。因此涂层对液体和气体是可渗透的。要防止液体和气体对基体可能产生的渗透或腐蚀，就必须封闭这些孔隙。封孔剂的选择应根据涂层的使用条件（耐蚀、绝缘、耐热等)来确定
对于不同服役温度的耐蚀涂层，有一系列封孔材料可供选择：低于60℃的工况，可使用微晶石蜡封孔；60～250℃的使用工况，一些树脂基封孔剂是有效的，某些硅酮基树脂封孔剂，能在450℃长期使用。温度超过450℃，可试验用无机耐高温涂料封孔。要正确选择适于特定条件的封孔剂，最好向有关制造厂家咨询，获得所有相关的理化性能涂敷封孔剂的方法有真空浸渍法、喷涂法和刷涂法等。对于热喷涂陶瓷涂层中的孔隙，通常用喷涂和刷涂法即能有效地封闭。
4.5.2精加工
热喷涂陶瓷涂层的表面粗糙度R。值，一般超过3.75um。而许多应用要求更小的表面粗糙度，这可采用磨削精饰来达到。陶瓷涂层的磨削精饰，是喷涂陶瓷涂层制品工艺流程的最终关键环节，处理不当，就会前功尽弃。
由于陶瓷涂层具有质脆、与基体的结合强度较低、涂层薄、涂层含有一定的气孔等特点，因此，陶瓷涂层的磨削与整体材料的磨削有显著的区别：4.5.2.1磨削设备：传统的磨床都可用于陶瓷涂层的磨削，但更要求磨床刚性好，囊动小。4.5.2.2磨料磨具：为了达到最佳磨削效率和经济性，最好采用金刚石砂轮粗磨，再用细绿碳化硅砂轮精磨。砂轮用磨料粒度、粘结剂，应根据具体用途选择。4.5.2.3磨削液：陶瓷涂层磨削时，为防止任何局部过热，应使用大流量的冷却液。最好选用含缓蚀剂的水作冷却液，不要使用水基乳化油冷却液，后者易使涂层污染变色。4.5.2.4磨削工艺参数：磨削陶瓷涂层时，应避免出现砂轮挤压涂层而产生微裂纹或发裂。因此，砂轮线速度和进给量都以较小为宜。具体参数应通过试验确定。5陶瓷涂层质量检验
5.1检验项目及检验方法
5.1.1　外观　
目检有效表面，应色调均一，不允许有龟裂、疙瘩、结合力不牢以及异物的附着或其他对使用上有害的缺陷。
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5.1.2厚度
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采用量具直接测量涂层的厚度，或用金相法测量涂层横断面的厚度，或用无损测厚仪测量。按GB6467或GB11374的规定执行。厚度应满足协议要求。5.1.3结合强度
涂层与基体的结合强度，按GB8642进行测试.应达到协议要求。5.1.4硬度
耐磨用陶瓷涂层的硬度，按GB9790的规定测量，应符合协议要求。5.1.5孔隙率
耐腐蚀涂层经封孔后的涂层孔隙率，按铁试剂法进行检查，涂层表面应没有通向基体的气孔。5.1.6热囊性
耐热涂层的抗热震性，按下述方法试验，涂层不允许有龟裂、剥离或翘起。试验方法：用制品为试样，或采用同等材质，与制品同等条件制备试样。基体尺寸为长50mml、宽50mm、厚5～6mnl。调好试验温度，即氧化铝为800℃，氧化锆为900℃。然后，将试样和托架一起放入加热炉中加热，到温后保温10min取出.再一起放入常温的清水中激冷。观察试样表面涂层有无裂纹，剥离或翘起。加热炉用电阻炉，温度波动范围士5℃。托架最好用不锈钢作支架并用不锈钢丝网作支撑面。
5.1.7其他性能
陶瓷涂层的其他性能，如摩擦系数、辐射率、介电系数、对显微组织的要求等，可按协议规定的方法进行检测。
5.2要求检验的项目
所有的陶瓷涂涂层，除外观必须符合5.1.1条的要求外，依其应用的不同，建议按协议检验如下的有关项目。
5.2.1用于耐磨的陶瓷涂层
要求检验厚度、结合强度和硬度。分别按5.1.2、5.1.3和5.1.4条的规定进行.并满足要求。5.2.2用于耐腐蚀的陶瓷涂层
要求检验厚度、结合强度和孔隙率。分别按5.1.2.5.1.3和5.1.5条的规定进行，并满足要求。5.2.3用于耐热的陶瓷涂层
要求检验厚度和耐热震性。分别按5.1.2和5.1.6条的规定进行，并满足要求。6热喷涂陶瓷涂层的操作安全
热喷涂陶瓷涂层是采用可燃气体或情性气体进行高温喷涂作业的，必须严格按照高压、易燃、易爆气体的有关规定，储存、运输和使用。操作人员必须熟悉并掌握有关热喷涂设备、工艺的安全操作规程。取得合格证，方能实施作业。喷涂陶瓷涂层的安全作业按GB11375的规定执行。7热喷涂陶瓷涂层制品的标志、包装与储运7.1标志　
热喷涂陶瓷涂层制品，应有标志牌，至少有如下内容：制品名称、涂层设计代号、生产日期、生产批号、检验合格证、生产厂家。
7.2包装与储运
热喷涂陶瓷涂层制品，应采用防震泡沫塑料等单件分隔包装，用木箱或集装箱运输。严禁摔打。包装箱上应有“易碎”品标志。
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