飞刷涂抹装置设计原理

A. 自动化擦黑板机论文

自动化擦黑板机论文

擦拭黑板产生的粉尘“满天飞舞”，而且漂浮在空中的时间长，落得满地都是，尤其是黑板下面的凸台，经常堆满了粉尘也无人清除，严重污染了环境。以下是我整理好的自动化擦黑板机论文，欢迎大家阅读参考！

摘要： 粉笔和黑板为人类教育事业做出了重大贡献，然而传统的清洁方式污染教室环境，加速现代教学仪器和设备的老化，危害到师生的身心健康。利用自动化技术研究新的黑板清洁方案，提高黑板清洁的自动化程度，既保留了传统的粉笔和黑板的优势，又避免了环境污染，延长了现代化教学仪器和设备的使用寿命，确保了师生的身心健康。

关键词： 粉笔；黑板；粉尘；自动化技术；黑板清洁方案 文献标识码：A

1 粉笔的“功”与“过”

粉笔和黑板是从小学课堂到大学课堂的必备教学工具，它从诞生之日起就为人类教育事业的发展做出了巨大贡献，尽管现在出现了各种各样的现代化的教学工具和设备，但是粉笔和黑板仍然是不可替代的。

当然，粉笔和黑板给人类教育事业做出巨大贡献的同时，也给教室环境、师生的身心健康等方面带来了巨大的危害，主要原因是传统的黑板擦和擦黑板的方法存在诸多不足：

1.1 效率低

传统黑板擦虽然小巧、使用方便灵活，然而正因为其占地面积小，导致擦拭整个黑板所需要的时间长，效率低下。

1.2 劳动强度大

黑板使用时间一长，黑板的擦拭效果就会越来越差，如果写在黑板上的字迹不及时擦除，粉尘就会沉积在黑板表面，导致很难擦除，经常需要使用较大的力度去擦除陈旧的字迹，很消耗体力。

1.3 擦不干净

黑板擦使用时间一长，毛刷表面就会沉积很多粉尘，导致擦拭黑板的时候，虽然把字迹擦除掉了，但是却留下很多粉尘在黑板表面，导致黑板出现“大花脸”现象，从而影响书写效果和观看效果。

1.4 污染环境

擦拭黑板产生的粉尘“满天飞舞”，而且漂浮在空中的时间长，落得满地都是，尤其是黑板下面的凸台，经常堆满了粉尘也无人清除，严重污染了环境。

1.5 影响设备使用寿命

粉尘像空气一样，无孔不入，它沉积在电脑、投影仪及其他教学设备和实验仪器上，严重影响了这些设备和仪器的使用寿命。

1.6 影响师生的身心健康

教师在擦拭黑板的过程中，手上、手臂上、身上都沾满了粉尘，整个人都“笼罩”在粉尘当中，极易引起尘肺以及其他慢性呼吸道疾病，就是我们所熟知的“职业病”。除了教师之外，坐在靠前排的学生也深受其害。

2 黑板清洁方案现状

为了缓解上述矛盾，部分同学在老师的.指导下进行了黑板清洁方案的研究，主要包含两个方面：

2.1 对无尘黑板的探索

武昌工学院的夏凡等同学、内蒙古工业大学的彭亚洲等同学将原来的硬板黑板设计成软体黑板，在书写过后，可以将软体黑板有字的一面转到另一边清除粉尘，清除完毕后再转回原位使用。江南大学的熊雪梅等同学设计了箱式无尘黑板，黑板书写以后，整个粉尘的清除过程在密闭的箱体里面完成，以此来减少粉尘污染问题。除此之外，还有其他一些类似的处理方案。无尘黑板的设计考虑到了擦拭黑板这一最主要功能，也防止了粉尘的“漫天飞舞”，但是这些设计方案都是需要黑板本身发生运动，且结构类似于一个箱体，因此体积较大，如果装在墙上，会显得比较突出，将会占据教室相对较大的空间，可能不太美^。

2.2 对黑板擦的创新

贵州理工学院的林栋同学依据吸尘器的原理设计了一种可以擦拭黑板并吸收粉尘的黑板擦。南京科技职业学院的杨伟伟设计了一款擦拭黑板和吸收粉尘的自动黑板擦清理器的基本结构。西南科技大学的王佳佳等同学设计了一种智能吸尘黑板刷，可以通过遥控使得黑板刷在黑板上自由游走，从而擦拭黑板并吸收粉尘。这些关于黑板清洁方案的研究都涉及到了擦拭黑板和吸收粉尘两个主要功能，但是有的仅停留在设计阶段，有的付之实施，但是效果还未可知。

总的来说，市场上暂未见上述处理方案的产品出现，说明这些方案还不成熟，还需要继续深入研究，从而为黑板清洁提出一个切实可行的解决方案，彻底改变目前教学条件的现状，为师生创造一个清新的学习环境。

3 黑板清洁方案功能需求分析

根据前述目前黑板清洁方式带来的危害性及亲身经历，针对黑板的自动清洁方案应该至少包含以下三个方面的功能：

3.1 黑板擦拭功能

在课堂上，黑板书写以后，如何快速干净地擦掉粉尘，以供老师再次板书，是最为基本最为重要的功能，因此必须将黑板擦拭功能放在首位考虑，确保能够快速干净地清除粉尘。

3.2 粉尘收集功能

正如上述分析，擦拭黑板的过程必然造成粉尘的“漫天飞舞”现象，这也是危害根源。因此，在擦拭黑板的同时，必须考虑如何将粉尘限定在一个封闭的区域内，并收集到一个容器当中，防止出现粉尘“漫天飞舞”的场面，确保教室有一个清新的环境。

3.3 黑板清洗功能

在黑板实际的使用过程中发现，经过长期书写的黑板会出现粉尘沉积难以清除的现象，从而导致黑板出现“大花脸”。因此为进一步强化粉尘清除的力度，确保黑板一直处于最佳的使用状态，可以设计一个自动清洗功能。该功能只在晚上、周末等相对较长时间不使用黑板的时候开启，用水将黑板彻底清洗干净，尽量延长黑板的使用寿命，提高使用效果。

4 黑板清洁方案设计

根据上述功能需求分析，并综合考虑黑板本身的结构尺寸和安装方式等因素，项目组初步确定了基于自动化技术的黑板清洁方案：设计一种黑板擦拭机器人实现黑板清洁过程中的三大主要功能，并对该装置的总体结构、机械系统和控制系统等三大主要功能模块分别进行了设计。

4.1 总体结构设计

总体结构设计及安装如图1所示。以黑板纵向尺寸为基本设计尺寸，将黑板擦拭机器人设计成一个长方体结构。擦拭黑板、收集粉尘、清洗黑板等主要功能都集成在这里面。整个系统由机械系统和控制系统两大部分组成。 4.2 机械系统设计

机械系统主要由行走机构、擦拭机构、粉尘收集机构、清洗机构等部分组成。

行走机构由齿轮齿条传动、由步进电机驱动，完成黑板擦拭机器人的左右来回行走动作；擦拭机构采用三角柱体结构，三角柱体三面均安装有可拆卸的毛刷，可以实现转位擦拭，也由步进电机驱动。毛刷可以清洗也可以更换；确保毛刷本身不沉积粉尘，从而保证擦拭黑板的效果；粉尘收集机构采用轴流风扇配过滤袋的方式，擦拭时自动开启风扇吸收粉尘，并将粉尘输送到容器中存储起来，以防粉尘随风漂流，污染环境；清洗机构采用水箱储水、水泵供水，毛刷刷洗的结构。但上课时间不用，以防黑板不能及时晾干，影响书写而出现“大花脸”的现象。只有在周末等较长时间不使用黑板时，才进行喷水彻底清洗，并留够充足的时间让黑板自行晾干，以尽可能保证黑板的使用效果。

4.3 控制系统设计

控制系统主体采用PLC的控制方式。其中操作界面采用电容式彩色触摸屏，并搭配急停开关等按钮的控制模式；控制软件采用PLC梯形图的方式，整个系统稳定可靠、操作简单。

5 结语

该项目是一个典型的机电一体化系统，既可以作为高职院校机电一体化技术专业、机器人专业项目化教学的实施案例，又可以解决教学中的实际问题。研制出的样机经过测试合格后可以批量生产而应用于实践当中，从而实现产业化产生经济效益和社会效益。从目前各类学校对黑板的使用情况可知，全国大、中、小学以及其他培训场所使用的粉笔和黑板的数量是非常可观的，若全部配上自动擦拭黑板的机器人，将产生极大的经济效益。除此之外，擦拭黑板的机器人本身是为了解决粉尘污染环境、影响教学设备及仪器的使用寿命、伤害师生身心健康的问题而开发的，这些价值也至关重要，而且是用金钱无法购买的。

参考文献

[1] 夏凡，李铭，张融，等.自动无尘黑板关键技术的研 究[J].机械工程与自动化，2015，（5）.

[2] 彭亚洲，刘庆，王亚茹，等.自动清理无尘黑板的设 计研究[J].中小企业管理与科技，2016，（21）.

[3] 熊雪梅，许兴竹，朱立佳，等.箱式无尘黑板[J].机 械工程师，2014，（10）.

[4] 林.一种无尘黑板擦的设计研究[J].科技传播， 2016，1（下）.

[5] 杨伟伟.基于UG软件的自动黑板擦清理器设计方案 探讨[J].中国新技术新产品，2016，2（下）.

[6] 王佳佳，唐雪梅，高远.一种新型智能吸尘黑板刷 [J].机械，2014，（8）.

B. 涂布机的工作原理

涂布机工作原理及特点：
涂布机用于BOPP封箱胶粘带的涂布生产。将成卷的基材涂上一层特定功能的胶、涂料或油墨等，并烘干后收卷。它采用专用的高速涂布头，能有效降低气泡的产生，涂布机的收放卷均配置全速自动接膜机构，张力闭环自动控制。
涂布机的工作流程：将成卷的基材，如：纸张、布匹、皮革、铝箔、塑料薄膜等，涂上一层特定功能的胶、涂料或油墨等，并烘干后收卷。
涂布机
涂布机自动涂布机的工作原理：用于网印制版的自动涂布机的工作原理是相同的，但其性能根据不同的机型及不同的生产厂家而不同。丝网涂布机在垂直的机架上都设有能夹紧网框的装置。丝网区的前后是水平的涂布机构，这个涂布机构由涂布槽，以及控制涂布槽角度和压力的机械部件或气动部件组成。
涂布机构两端装在涂布机的垂直支撑臂上，通过皮带、链条或电缆的传动，使涂布机构上下运动，沿丝网的表面涂布。传动机构连接在伺服或变频电机上，使其操作平稳，并能够精确控制涂布机构的位置。
涂布前，将清洁的，绷好网的网版从涂布机前面装入，有的机型也可从侧面装入网版。在为大幅面网框设计的机型中，侧面装版更为常见，因为网框大且笨重，侧面装版，可使抬升量和搬动量小一些。在自动丝网涂布机与其他自动丝网处理设备（如清洁设备、再生设备、干燥装置和显影机）联机运行时，从侧面装版更为便利。不管网版是如何装上的，一旦网版处于正确的位置，气动夹紧装置或机械式夹紧装置即闭合，将网版锁定。为了操作更为方便，许多机型都有脚踏板控制版夹动作，操作人员可以腾出双手来控制网版。安装完网版，向自动涂布机灌入相应的感光乳剂后，即可开始涂布。根据控制系统和设备所具有的功能，设备可同时对丝网的两面进行涂布。涂布方式有两种，一是通过多次湿压湿的操作在丝网上涂布感光乳剂；或是在每次涂布之后加上干燥的过程。在材料表面上定量涂布粘合剂或涂料等液体（或熔体）高分子材料的机械。
适用于PVC/PE膜等软性基材的生产
简单的说就是把胶涂在薄膜上。具体的包括涂胶、烘干、收卷和张力的控制。薄膜可以是PVC,PE,PET...也可以是一些纸张，例如再离型纸上涂上热熔胶涂布机是为适应货物集装化储存、运输及机械化装卸作业的包装要求，设计制造了托盘式涂布机、压顶式阻拉型涂布机、预拉型自动薄膜涂布机系列产品，广泛使用与外贸出口、食品饮料、制灌、造纸、染料、塑胶化工、玻璃陶瓷、机电铸件等产品的集装成本，提高生产效率，又能防止货物在搬运过程的损坏，并起到防尘，防潮及保洁作用。涂布机械工作原理是将被缠绕物体放置于转盘中央，启动转盘电机转动，自然地带动转盘转动，使物体实现了外围的缠绕膜机。与此同时升降机电机也启动，带动缠绕捆扎机整个组合体做上下运动，达到物体高度方向的缠绕，这就实现了物体整个外表的缠绕包装。这样
不仅有利于货物储存、运输及机械化装卸作业的包装要求，又能防止货物在搬运过程的损坏，起到防尘，防潮及保洁作用，也降低了生产成本，提高了生产效率。在缠绕过程中主要的是对薄膜拉紧力的调整以及穿膜。一般通过调整转盘转速和调节电机的转速就能达到薄膜张紧程度。只要知道转盘转速越快，电机转动越慢，膜就会越紧，反之越松这个原理就不难操作了。
涂布机的用途：
适用于鞋材、电子行业、海棉、EVA、PE、布料等涂胶。

C. 除尘黑板擦该怎样制作

实用无尘黑板擦沿壳体四个内侧面附设柔质弹性滤尘片，在壳体内中间位置设置柔体材料，即柔体材料四周与壳体四个内侧面有槽隔开，擦黑板时，柔体材料在黑板上擦动，擦掉的粉笔尘被滤尘片阻挡后落在槽里，待擦完黑板后，再把槽里的粉笔尘倒在垃圾桶里，从而达到控制粉笔尘到处飞扬和垂地而下，净化了教室空气和保持地面清洁的目的。实用无尘黑板擦的结构与现有的黑板擦的结构大致相似，原材料基本相同，

收尘式黑板擦属于教学用具。在注塑壳体的内侧，与壳体两边平行铸有两棱骨、四块限位挡板，壳体上端面开有通孔，注塑的板擦固定架的螺杆上端车有螺纹，板擦体镶嵌在固定架下端面凹槽内，固定架位于限位挡板中间，螺杆穿过壳体的通孔与镶有弹簧的上压盖以螺纹连接，毛刷安装在棱骨的凹槽内，收尘片安装在壳体无棱骨对应的一边上。优点是防止粉尘飞扬，保持环境清洁，将粉尘随擦随着收集起来。

设计了一种适用于我国教育系统黑板-黑板擦-粉笔构架的负压式黑板擦吸尘器,该黑板擦吸尘器由外壳、清灰装置、过滤袋总成、气流分布装置、连接风管、引风机、风机电机、排气管、电源开关组成.清灰装置、过滤袋总成及气流分布装置支承于外壳的内凸台上,引风机与风机电机支承于外壳的底部,连接风管连接引风机的出风口与气流分布装置的进风口,排气管与电源开关安装在外壳的侧壁上.本文所设计的黑板擦吸尘器具有重力沉降与气流过滤双重收尘机制、收尘效率高、结构简单、清灰方便、成本低、可靠性高等特点.

无尘粉笔的配方：是将原料钙盐，钡盐与水按比例混合、搅拌、成型、烘干即得成品
CaSo4，Baso4，H2O＝36．2％，37．6％，26．2％，并加入适量粘结剂。

材料：喷雾剂用的空瓶子；普通板擦的石棉材料
做法：给瓶子灌上清水，然后把石棉材料贴在瓶体上 就OK了!
用法:先用喷嘴给黑板上喷点水雾,不要太多!然后用石棉擦就可以了
原理:因为喷出来的是水雾,所以不会把粉尘弄成糨糊,同时又避免粉尘扬起.
声明:专利保护,批量生产的话 要给我交税!谢谢

黑板擦是那种可以在包一层布的类型的话，那么建议你在黑板擦外面包一块涤纶面料（裁剪时注意大小适中）。试试看，因为这种材料应该是比较容易产生静电。

吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成，一般包括串激整流子电动机、离心式风机、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸尘器的功率为400-1000W或更高，便携式吸尘器的功率一般为250W及其以下。

吸尘器能除尘，主要在于它的“头部”装有一个电动抽风机。抽风机的转轴上有风叶轮，通电后，抽风机会以每秒500圈的转速产生极强的吸力和压力，在吸力和压力的作用下，空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气，致使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，吸入含灰尘的空气。灰尘等杂物依次通过地毯或地板刷、长接管、弯管、软管、软管接头进入滤尘袋，灰尘等杂物滞留在滤尘袋内，空气经过滤片净化后，由机体尾部排出。因气体经过电机时被加热，所以吸尘器尾部排出的气体是热的。

吸尘器的吸尘桶内装有一个收集灰尘的盒子，尘垢便留在集尘盒里，盒子装满后，可取出用水刷洗清理。吸尘器配上不同的部件，可以完成不同的清洁工作，如配上地板刷可清洁地面，配上扁毛刷可清洁沙发面、床单、窗帘等，配上小吸嘴可清除小角落的尘埃和一些家庭器具内的尘垢。

D. 电动车控制器防飞车保护装置及原理

这个装置用来控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件，就像是电动车的大脑，是电动车上重要的部件。

其原理是在一块集成片上把存贮器、有变换信号语言的译码器、锯齿波发生器和脉宽调制功能电路以及能使开关电路功率管导通或截止、通过方波控制功率管的的导通时间以控制电机转速的驱动电路、输入输出端口等集成在一起。

(4)飞刷涂抹装置设计原理扩展阅读

失效原因：

1、功率器件损坏；

功率器件的损坏，一般有以下几种可能：电机损坏引起的；功率器本身的质量差或选用等级不够引起的；器件安装或振动松动引起的；电机过载引起的；功率器件驱动电路损坏或参数设计不合理引起的。

2、控制器内部供电电源损坏；

控制器内部电源的损坏，一般有以下几种可能：控制器内部电路短路；外围控制部件短路；外部引线短路。

E. 简述热喷涂技术的原理，种类和技术特点以及主要的应用领域

1
热喷涂技术概述
众所周知, 除少数贵金属外,金属材料会与周围介质发生化学反应和电
化学反应而遭受腐蚀. 此外,金属表面受各种机械作用而引起的磨损也极为
严重.大量的金属构件因腐蚀和磨损而失效, 造成极大的浪费和损失. 据一些
工业发达国家统计, 每年钢材因腐蚀和磨损而造成的损失约占钢材总产量的
10 %, 损失金额约占国民经济总产值的2 - 4 %. 如果将因金属腐蚀和磨损
而造成的停工、停产和相应引起的工伤、失火、爆炸事故等损失统计在内的
话, 其数值更加惊人. 因此, 发展金属表面防护和强化技术, 是各国普遍关
心的重大课题.
随着尖端科学和现代工业的发展,各工业部门越来越多地要求机械设备
能在高参数(高温、高压、高速度和高度自动化)和恶劣的工况条件(如严重的
磨损和腐蚀)下长期稳定的运行.因此,对材料的性能也提出更高要求. 采用
高性能的高级材料制造整体设备及零件以获得表面防护和强化的效果, 显然
是不经济的,有时甚至是不可能的。所以, 研究和发展材料的表面处理技术就
具有重大的技术和经济意义。而表面处理技术也在这种需求的推动下获得了
飞速的发展和提高.
热喷涂技术就是这种表面防护和强化的技术之一, 是表面工程中一门重
要的学科. 所谓热喷涂, 就是利用某种热源, 如电弧、等离子弧、燃烧火焰
等将粉末状或丝状的金属和非金 属涂层材料加热到熔融或半熔融状态, 然
后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预
处理的基体材料表面, 与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层
的一种技术。
一. 热喷涂技术的分类
根据热源的种类热喷涂技术主要分类为：
热 源 温 度 ℃ 喷 涂 方 法
粉末火焰喷涂(焊)
火 丝材火焰喷涂
约3000 陶瓷棒材火焰喷涂
焰 高速火焰喷涂(HVOF)
爆炸喷涂(D - GUN)
电 弧 约5000 电弧喷涂
大气等离子喷涂(APS)
等离子弧 10000 以上 低压等离子喷涂(LPPS)
水稳等离子喷涂
2
各种热喷涂方法的热源温度和流速
二. 热喷涂设备
虽然因热喷涂的方法不同其设备也各有差异, 但依据热喷涂技术的原理,
其设备都主要由喷枪、热源、涂层材料供给装置以及控制系统和冷却系统组
成.下图为等离子喷涂的设备配置图.
三. 热喷涂工艺
热喷工艺过程如下：
工件表面预处理 → 工件预热 → 喷涂 → 涂层后处理
1. 表面预处理
为了使涂层与基体材料很好地结合,基材表面必须清洁及粗糙, 净化和
粗化表面的方法很多, 方法的选择要根据涂层的设计要求及基材的材质、形
状、厚薄、表面原始状况以及施工条件等因素而定.
净化处理的目的是除去工件表面的所有污垢,如氧化皮、油渍、油漆及
低速火焰喷涂
250 500 750 1000 m/s
2500 5000 7500 10000 oC
0
0
电弧喷涂
等离子喷涂
高速火焰喷涂
温度
速度
3
其他污物, 关键是除去工件表面和渗入其中的油脂. 净化处理的方法有, 溶
剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法等.
粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接触面, 增大涂层与基材的机械
咬合力, 使净化处理过的表面更加活化,以提高涂层与基材的结合强度. 同时
基材表面粗化还改变涂层中的残余应力分布,对提高涂层的结合强度也是有
利的. 粗化处理的方法有喷砂、机械加工法(如车螺纹、滚花)、电拉毛等。
其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法，常用的喷砂介质有氧化铝、碳化硅
和冷硬铸铁等。喷砂时，喷砂介质的种类和粒度、喷砂时风压的大小等条件
必须根据工件材质的硬度、工件的形状和尺寸等进行合理的选择。对于各种
金属基体，推荐采用的砂粒粒度约为16－60 号砂，粗砂用于坚固件和重型件
的喷砂，喷砂压力为0.5－0.7Mpa，薄工件易于变形，喷砂压力为0.3－0.4
Mpa。特别值得注意的一点是，用于喷砂的压缩空气一定要是无水无油的，
否则会严重影响涂层的质量。喷涂前工件表面的粗化程度对大多数金属材料
来说2.5－13 μmRa 就够了。随着表面粗糙度的增加涂层与基体材料的结合
增强，但是当表面粗糙度超过10μmRa 后，涂层结合强度的提高程度便会减
低。
对于一些与基材粘结不好的涂层材料, 还应选择一种与基体材料粘结好
的材料喷涂一层过渡层,称为粘结底层,常用作粘结底层的材料有Mo、NiAl、
NiCr 及铝青铜等.粘结底层的厚度一般为0.08－0.18μm。
2.预热
预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气, 提高喷涂粒子与工件接
触时的界面温度, 以提高涂层与基体的结合强度；减少因基材与涂层材料的
热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂. 预热温度取决于工件的大小、形
状和材质,以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素,一般情况下预热温度控
制在60 - 120 ℃之间.
3.喷涂
采用何种喷涂方法进行喷涂主要取决于选用的喷涂材料、工件的工况
及对涂层质量的要求。例如，如果是陶瓷涂层，则最好选用等离子喷涂；如
果是碳化物金属陶瓷涂层则最好采用高速火焰喷涂；若是喷涂塑料则只能采
用火焰喷涂；而若要在户外进行大面积防腐工程的喷涂的话，那就非灵活高
效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂莫属了。总之，喷涂方法的选择一般来说是多
样的，但对某种应用来说总有一种方法是最好的。
预处理好的工件要在尽可能短的时间内进行喷涂,喷涂参数要根据涂层
材料、喷枪性能和工件的具体情况而定, 优化的喷涂条件可以提高喷涂效率、
并获得致密度高、结合强度高的高质量涂层.
4.涂层后处理
喷涂所得涂层有时不能直接使用, 必须进行一系列的后处理.
4
用于防腐蚀的涂层,为了防止腐蚀介质透过涂层的孔隙到达基材引起基
材的腐蚀,必须对涂层进行封孔处理. 用作封孔剂的材料很多,有石腊、环氧
树脂、硅树脂等有机材料及氧 化物等无机材料, 如何选择合适的封孔剂, 要
根据工件的工作介质、环境、温度及成本等多种因素进行考虑.
对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件,为了提高涂层的结合强度,要对
喷涂层进行重熔处理(如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等静压等), 使
多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致密涂层.
有尺寸精度要求的,要对涂层进行机械加工. 由于喷涂涂层具有与一般的
金属及陶瓷材料不同的特点, 如涂层有微孔,不利于散热；涂层本身的强度较
低,不能承受很大的切削力；涂层中有很多硬的质点,对刀具的磨损很快等,
因而形成了喷涂涂层不同于一般材料的难于加工的特点.所以必须选用合理
的加工方法和相应的工艺参数才能保证喷涂层机械加工的顺利进行和保证达
到所要求的尺寸精度.
四. 热喷涂技术的特点
从热喷涂技术的原理及工艺过程分析,热喷涂技术具有以下一些特点.
1. 由于热源的温度范围很宽,因而可喷涂的涂层材料几乎包括所有固态
工程材料,如金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料以及由它们组成的复合物等.
因而能赋予基体以各种功能(如耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、绝缘、隔热、
生物相容、红外吸收等)的表面.
2. 喷涂过程中基体表面受热的程度较小而且可以控制,因此可以在各种
材料上进行喷涂(如金属、陶瓷、玻璃、布疋、纸张、塑料等),并且对基材的
组织和性能几乎没有影响,工件变形也小.
3.设备简单、操作灵活, 既可对大型构件进行大面积喷涂,也可在指定的
局部进行喷涂；既可在工厂室内进行喷涂也可在室外现场进行施工.
4.喷涂操作的程序较少,施工时间较短,效率高,比较经济.
随着热喷涂应用要求的提高和领域的扩大, 特别是喷涂技术本身的进步,
如喷涂设备的日益高能和精良,涂层材料品种的逐渐增多、性能逐渐提高, 热
喷涂技术近十年来获得了飞速的发展, 不但应用领域大为扩展, 而且该技术
已由早期的制备一般的防护涂层发展到制备各种功能涂层；由单个工件的维
修发展到大批的产品制造；由单一的涂层制备发展到包括产品失效分析、表
面预处理、 涂层材料和设备的研制、选择, 涂层系统设计和涂层后加工在内
的喷涂系统工程；成为材料表面科学领域中一个十分活跃的学科。并且在现
代工业中逐渐形成 象铸、锻、焊和热处理那样的独立的材料加工技术。成为
工业部门节约贵重材料、节约能源、提高产品质量、延长产品使用寿命、降
低成本、提高工效的重要的工艺手段, 在国民经济的各个领域内得到越来越
广泛的应用。
5
五. 各种热喷涂方法概述
1. 氧乙炔火焰喷涂(焊)
是最早的一种喷涂方法。它是利用氧和乙炔的燃烧火焰将粉末状或丝
状、棒状的涂层材料加热到熔融或半熔融状态后喷向基体表面而形成涂层的
一种方法。它具有设备简单、工艺成熟、操作灵活、投资少、见效快的特点。
它可制备各种金属、合金、陶瓷及塑料涂层, 是目前国内最常用的喷涂方法
之一。但是, 由该方法制备的涂层孔隙度较大, 与基体材料的结合强度也较
低。但是, 对于自熔合金而言,如若采用燃烧火焰将其一次喷融或将喷涂层进
行 二次重熔(有火焰重熔、感应重熔和炉熔等)的方法则称为喷焊, 喷焊涂层
由于与基体材料呈冶金结合状态, 因而与基体材料的结合强度大大提高,可
以应用于冲击大、负荷重的工况下,如连续铸造拉矫辊、热轧矫直辊表面采用
镍基自熔合金喷焊涂层进行强化, 均获得了十分良好的耐蚀、耐磨和抗热疲
劳的强化效果.
2. 爆炸喷涂(D - GUN)
本方法是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。气体燃烧和爆炸的结果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1200
m / s。因而爆炸喷涂层涂层致密, 与基体的结合强度高, 最高可达24 kg /
mm2. 该法的缺点是噪音大, 而且爆炸是不连续的, 因而效率较低。爆炸喷涂
是20 世纪50 年代由美国联合碳化物公司发明,但问世后许多年都由该公司所
垄断, 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.
3. 高速火焰喷涂(HVOF)
高速火焰喷涂（或称超音速火焰喷涂）是20 世纪80 年代出现的一种高
能喷涂方法, 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。
虽然高速火焰喷涂方法可喷涂的材料很多, 但由于其火焰含氧少温度适中,
焰流速度很高,能有效地防止粉末涂层材料的氧化和分解, 故特别适合碳化
物类涂层的喷涂。该设备发展到第三代, 性能有了大幅度的提高, 例如
JP-5000、DJ - 2700 等设备其室压达到8 -12 bar,功率达到100 -120 kw, 喷
涂效率可达10 kg / h ( WC -Co), 涂层厚度可达数mm, 涂层性能已能达到
爆炸喷涂的水平。在许多工业部门获得广泛的应用.如航空发动中的耐磨涂
层、造纸机械用的镜面涂层等.近年来,由于电镀铬工艺的环境污染问题,电镀
铬工业在一些工业发达国家受到严格的限制,并逐渐被淘汰, 采用高速火焰
喷涂涂层代替镀铬层的应用越来越受到工业界的关注和重视.
4. 电弧喷涂
电弧喷涂是在两根丝状的金属材料之间产生电弧, 电弧产生的热使金属
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丝熔化, 熔化部分由压缩空气气流雾化并喷向基体表面而形成涂层。该工艺
也具有设备一次投资少, 使用方便、效率高等特点, 但喷涂材料必须是导电
的金属及合金丝, 因而其应用受到了一定的限制, 但它的高效率使得它在喷
涂Al、Zn 及不锈钢等大面积防腐应用方面成为首选工艺。
5. 等离子喷涂(APS)
当某种气体如氮、氩、氢及氦等通过一压缩电弧时产生电离而形成电中
性的等离子体(是物质除气、液、固态外的第四态).等离子弧的能量集中温度
很高, 其焰流的温度在万度以上, 可以将所有固态工程材料熔化. 以这种高
温等离子体作热源将涂层材料熔化制备涂层的工艺就是等离子喷涂。国内外
已有数百种材料用于等离子喷涂, 是应用较普遍的喷涂方法。
等离子喷涂涂层的致密度及与基体材料的结合强度均比火焰喷涂涂层
和电弧喷涂涂层的高,而且也是制备陶瓷涂层的最佳工艺.
等离子技术中引人注目之处是设备的大容量化和高输出功率化, 目前气
体等离子喷涂设备已有200 kw 的设备出售, 不但大大提高了喷涂效率, 也
使涂层质量更为改善, 因而可以实现大面积高质量涂层的连续生产, 如柔性
印刷用网纹辊镜面陶瓷层以及高分子薄膜电晕处理用陶瓷绝缘涂层的制备
等.
6. 低压等离子喷涂(LPPS)
等离子喷涂可以在不同气氛和不同压力下实现, 当喷涂作业在气氛可控
的负压密封容器内进行时就成为低压等离子喷涂。低压等离子喷涂的优点是：
焰流速度高、粒子动能大,形成的涂层致密、结合强度高； 低压环境下可对
基体进行预热和进行反向转移弧电清理, 进一步提高涂层与基体的结合强
度；由于没有大气污染, 涂层材料不氧化成分变化小, 因而可以进行活性金
属如Ti、Ta、Nb 等的喷涂；还可使形成等离子体的气体在喷涂过程中与涂层
材料进行反应,形成特殊化合物涂层。由于具有以上特点, 低压等离子喷涂主
要用于制备航空工业等高科技领域的涂层, 如飞机涡轮发动机叶片抗高温氧
化和热腐蚀的MCrAlY(M = Co、Ni、Fe)涂层,以及制备人体人工植入体用生
物功能涂层.
7. 水稳等离子喷涂
水稳等离子喷涂是一种高功率和高速等离子喷涂方法, 它是在由高速旋
转的水形成的隧道里产生的弧中,水蒸气分解形成O2 和 H2 的等离子工作气的
喷涂方法。与气体等离子喷涂方法相比, 其焰流温度更高体积更大更长, 特
别是能量更高, 因而特别适合于高熔点氧化物陶瓷的大量喷涂。其主要优点
是：输出功率大(150 -200 kw), 涂层结合强度是气体等离子喷涂涂层的2 -
3 倍, 并且涂层致密, 其硬度、耐磨性和耐热冲击性能也有很大提高； 喷涂
效率高, 喷涂能力最大为50 kg / h, 涂层厚度可达20 mm , 而且可以喷涂
分散性较大的粉末, 因而特别适合陶瓷部件的喷涂成形； 只需水和空气, 运
行成本低, 比其他喷涂方法经济。 本方法的缺点是焰流为氧化焰, 不适喷
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涂容易氧化的材料。此外, 喷涂枪体积较大, 比较笨重.
六. 热喷涂原理和涂层性能
♦热喷涂原理
1. 热喷涂涂层的形成
热喷涂时，涂层材料的粒子被热源加热到熔融态或高塑性状态，在外
加气体或焰流本身的推力下，雾化并高速喷射向基体表面，涂层材料的粒子
与基体发生猛烈碰撞而变形、展平沉积于基体表面，同时急冷而快速凝固，
颗粒这样遂层沉积而堆积成涂层。
2．热喷涂涂层的结构特点
热喷涂涂层形成过程决定了涂层的结构特点，喷涂层是由无数变形粒
子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构，涂层中颗粒与颗粒之间不
可避免地存在一些孔隙和空洞，并伴有氧化物夹杂。涂层剖面典型的结构如
下图，其特点为：
＊ 呈层状
＊ 含有氧化物夹杂
＊ 含有孔隙或气孔
典型的涂层剖面图
3. 热喷涂涂层的结合机理
涂层的结合包括涂层与基体的结合和涂层内部的结合。涂层与基体表
面的粘结力称为结合力，涂层内部的粘结力称为内聚力。涂层中颗粒与基体
之间的结合以及颗粒之间的结合机理，目前尚无定论，通常认为有以下几种
方式。
（1） 机械结合
碰撞成扁平状并随基体表面起伏的颗粒和凹凸不平的表面相互嵌
合，贝以颗粒的机械联锁而形成的结合（抛锚效应），一般来说，涂层与基
体的结合以机械结合为主。
（2） 冶金－化学结合
这是当涂层和基体表面产主冶金反应，如出现扩散和合金化时的
一种结合类型。当喷涂后进行重熔即喷焊时，喷焊层与基体的结合主要是冶
金结合。
基体粗糙度
氧化物加杂 孔隙或孔洞 颗粒间的粘接颗粒基体粗糙度
基体
涂层
对基体的粘接力
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（3） 物理结合
颗粒与基体表面间由范德华力或次价键形成的结合。
4。涂层的残余应力
当熔融颗粒碰撞基体表面时，在产生变形的同时受到激冷而凝固，从
而产生收缩应力。涂层的外层受拉应力，基体有时也包括涂层的内层则产生
压应力。涂层中的这种残余应力是由热喷涂条件及喷涂材料与基体材料的物
理性质的差异所造成的。它影响涂层的质量、限制涂层的厚度。工艺上要采
取措施以消除和减少涂层的残余应力。
♦ 热喷涂涂层的性能
1. 化学成分
由于涂层材料在熔化和喷射过程中，在高温下会与周围介质发生作
用生成氧化物、氮化物，以及在高温下会发生分解， 因而涂层的成分与涂
层材料的成分是有一定的差异的，并在一定程度上影响涂层的性能。如
MCrAlY 氧化后会影响其耐蚀性，而WC－Co 经氧化和高温分解后其耐磨性
会降低。通过喷涂方法的选择可以避免和减轻这一现象的发生。如采用低压
等离子喷涂可大大减少涂层材料的氧化，而高速火焰喷涂则可以防止碳化物
的高温分解。
2. 孔隙度
热喷涂涂层中不可避免地存在着孔隙，孔隙度的大小与颗粒的温度
和速度以及喷涂距离和喷涂角度等喷涂参数有关。一般来说，温度及速度都
低的火焰喷涂和电弧喷涂涂层的孔隙度都比较高，一般达到百分之几，甚至
可达百分之十几。而高温的等离子喷涂涂层及高速的超音速火焰喷涂涂层则
孔隙度较低。最低可达0.5％以下。
3. 硬度
由于热喷涂涂层在形成时的激冷和高速撞击，涂层晶粒细化以及晶
格产生畸变使涂层得到强化，因而热喷涂涂层的硬度比一般材料的硬度要高
一些，其大小也会因喷涂方法的不同而有所差异。
4. 结合强度
热喷涂涂层与基体的结合主要依靠与基体粗糙表面的机械咬合（抛
描效应）。基材表面的清洁程度、涂层材料的颗粒温度和颗粒撞击基体的速
度以及涂层中残余应力的大小均会影响涂层与基体的结合强度，因而涂层的
结合强度也与所采用的喷涂方法有关。
5. 冷热疲劳性能
对于一些在冷热循环状态下使用的工件，其涂层的抗冷热疲劳（或称
热震）性能至关重要，如若该涂层的抗热震性能不好，则工件在使用过程中
便会很快开裂甚至剥落。涂层抗热震性能的好坏主要取决于涂层材料与基体
材料的热膨胀系数差异的大小和涂层与基体材料结合的强弱。
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七．热喷涂材料及涂层功能和应用
􀂋 热喷涂材料
目前实际应用中已实现工业化生产的喷涂材料有金属、合金和陶瓷等, 主
要以粉末、丝材、棒材状态使用, 其中喷涂粉末占喷涂材料总用量的70 %以
上. 用作涂层的材料有：
1. 热喷涂用粉末
纯金属粉末： W，Mo，Al，Cu，Ni，Ti，Ta，Nb 等
合金粉末： Al-Ni，Ni-Cr，Ti-Ni，Ni-Cr-Al，Co-Cr-W，
MCrAlY(M=Co、Ni、Fe)，Co 基、Ni 基、Fe 基自
熔合金等
氧化物陶瓷粉末： Al2O3，ZrO2，Cr2O3，TiO2 等
碳化物粉末： WC，TiC，Cr3C2 等
金属陶瓷粉末： WC-Co，Cr3C2-NiCr 等
塑料粉末： 尼龙， 聚乙烯，聚苯硫醚等
2. 热喷涂用丝材
Al、Cu，Zn，Al-Zn 合金，巴氏合金，不锈钢，Ni-Al 丝等
3. 热喷涂用棒材
Al2O3，Cr2O3，ZrO2 等
􀂋 涂层功能和应用
1. 抗磨损涂层
磨损是造成工业部门设备损坏的主要原因之一, 可能产生磨损的工作条
件包括微振、滑动、冲击、擦伤、侵蚀等.抗磨损涂层应该是坚硬的,而且具
有耐热和耐化学腐蚀的性能.Fe、Ni、Co 基自熔合金以及WC - Co 和Cr3C2-NiCr
等金属陶瓷以及 Al2O3、Cr2O3 等陶瓷材料具有上述这些性能. 采用涂层技术
提高工件表面耐磨性的应用非常广泛, 如活塞环、齿轮同步环喷涂Mo 涂层,
纺织机械中的罗拉、导丝钩等零部件喷涂耐纤维磨损的 Al2O3、 Al2O3 -TiO2
陶瓷涂层, 泵和阀门密封面喷涂Cr2O3、WC-Co 等耐磨涂层, 大马力载重汽车
曲轴及大型磨煤机、排风机轴等采用Fe 基合金材料进行磨损修复和耐磨强化
等。
2. 防腐蚀涂层
长期暴露在户外大气(海洋、工业及城乡大气)和不同介质(海水、河水、
溶剂及油类等)环境中的大型钢铁构件,如输变电铁塔、钢结构桥、海上钻井
平台、煤矿井架以及各种化工容器如储罐等,受到不同程度的环境氧化和侵蚀.
采用Al、Zn、Al - Zn 合金及不锈钢等涂层进行防护,可以获得长达20 年以
上的长期防护效果.一些受到气体腐蚀和化学腐蚀的部件,可以根据具体工况
(如介质、浓度、温度、压力等)选择合适的金属、合金、陶瓷及塑料等涂层
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材料进行防护.
3. 抗高温氧化和耐热腐蚀涂层
对于一些暴露在高温腐蚀气体中的部件,受到高温、气体腐蚀及气流冲
刷的作用,严重影响了设备的寿命和运行的安全.抗高温氧化及高温腐蚀的材
料除了必须抗高温氧化和耐腐蚀外,还必须具有与基体材料相似的热膨胀系
数,方不会因温度周期变化和局部过热导致涂层抗热疲劳性能下降.用作抗高
温氧化和高温腐蚀的涂层材料有：NiCr、NiAl、MCrAl、MCrAlY(M = Co、 Ni、
Fe)及Hastiloy 和Stellite 合金等. 这类涂层的典型应用如电厂锅炉四管
(水冷壁管、再热器管、过热器管及省煤器管)及水冷壁等的高温氧化腐蚀一
直是电力、造纸、化工等工业锅炉用户需要解决的问题,经多年研究、实践证
明, 采用电弧喷涂Ni - Cr、Fe -Cr -Al、Ni-Cr -Al、45CT 等涂层能获得良
好的防护作用,使用寿命最长达9 年.MCrAlY 涂层用于航空涡轮发动机叶片涂
层以及作为涡轮发动机燃烧室、火焰筒等用热障涂层的粘结底层。
4. 热障涂层
ZrO2、Al2O3 等陶瓷涂层,熔点高、导热系数低, 在高温条件下对基体金
属具有良好的隔热保护作用称为热障涂层.这种涂层一般 由两个系统构成,
一是由金属作底层, 另一则是由陶瓷作表层.有时为了降低金属和陶瓷间的
热膨胀差异和改善涂层中的应力分布, 常在粘结底层和陶瓷面层间增加一过
渡层,该过渡层或为由底层金属和面层陶瓷材料以不同比例混合的多层涂层
或为由金属及陶瓷材料成分连续变化的涂层来形成所谓的成分(或功能)梯度
涂层.金属粘结底层为Co 或Ni、加有Cr、Al、Y 的合金材料, 陶瓷材料最好
采用由Y2O3 稳定的ZrO2, 热障涂层一般用于柴油发动机活塞、涡轮发动机燃
烧室、阀门和火焰稳定器等.
5. 绝缘涂层
陶瓷材料不仅具有高的硬度和优良的耐磨性能, 还具有十分优良的绝缘
性能, 采用高能等离子喷涂的Al2O3 涂层涂层致密、绝缘强度高, 是理想的绝
缘涂层。 如果采用有机或无机物质对喷涂层再进行封孔处理, 则将获得更为
优良的绝缘效果.目前这种高度绝缘的涂层已用于对高分子材料薄膜进行活
化处理的电晕放电辊表面,效果良好.
6. 间隙控制涂层
采用复合粉末, 在基体上喷涂软质的可磨耗密封涂层是航空、航天工业
中迅速发展起来的高温密封、控隙技术, 是现代热喷涂涂层的重要应用之一。
在配合件的接触运动中采用可磨耗涂层可以使配合件自动形成所必须的间隙,
提供最佳的密封状态. 目前,高技术的可磨耗涂层材料是由两种粉末的混合
粉或团聚粉组成,用火焰或等离子喷涂方法制备. 一般来说, 可磨耗涂层由金
属本体和非金属填料组成 , 填料通常是石墨、聚脂、氮化硼等. 填料的作用
是减弱涂层本身的整体性,从而增强涂层的可磨损性. 已经开发了一系列的
喷涂用可磨损涂层材料,这些涂层用 于表面的空气密封部位,压气机或透平
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叶片与金属表层结构或机匣之间,获得了良好的密封效 果.可磨耗 涂层还可
用于迷宫式密封,该涂层用来疏导冷却空气,减少发动机压缩空气的损失,并
保持转子轴的压力平衡.
7. 尺寸恢复涂层
热喷涂是恢复零部件尺寸的一种经济而有效的方法.无论是因工作磨损
还是因加工超差造成工件尺寸不合要求,均能利用热喷涂技术予以恢复.这种
方法既没有焊接时的变形问题, 也不象特殊的电镀工艺那样昂贵.同时新表
面可以由耐磨或抗蚀材料构成,也可以与工件的构成材料相同.修复各种轴类
和柱塞件是典型的应用, 包括迥转轴、汽车轴、往复柱塞、轴颈、轧辊、造
纸烘缸以及石油化工工业中的泵类叶轮叶片及外壳等.发电机汽缸中分面现
场热喷涂修复是热喷涂恢复平面工件尺寸的一个成功的应用例。发电机汽缸
在长期的使用中其中分面由于微振、热汽流腐蚀及冲蚀等作用而发生多处形
状不同、面积不等及深浅各异的破坏，引起泄漏而影响发电机效率。采用热
喷涂方法分别对各破坏处进行喷涂填补，然后通过打磨使得汽缸平面恢复平
整并达到所需的尺寸精度。热喷涂技术不失为重量大、结构复杂和价格昂贵
的汽缸的中分面现场修复的安全(不会发生变形)、简便而高效的方法。
8. 生物功能涂层
在不锈钢或钛基体上喷涂生物功能陶瓷涂层,如羟基磷灰石等, 能有效
地克服金属型人工骨骼与生物体组织不相容和体液腐蚀问题,并能改善人体
组织与人工植入体的结合.
9．远红外幅射涂层
某些氧化物具有高的热幅射率, 在受热时能够幅射出远红外波, 这种波
的能量极易被高分子有机物(如油漆)、水、空气等物质的分子吸收产生共振
而产生内热, 从而加速过程的进行. 在加热元件上喷涂这种涂层, 其节电效
率一般平均在25-40 % 左右。