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摘要：近年來(lái)金屬表面工程發(fā)展很快，尤其是熱噴涂技術(shù)獲得了巨大的進(jìn)展。熱噴涂是一種用專用設(shè)備把某種固體材料熔化并加速噴射到機(jī)件表面上，形成特制薄層，以提高機(jī)件耐蝕、耐磨、耐高溫等性能的新興材料表面科學(xué)技術(shù)。由于采用熱噴涂技術(shù)，可以使基體材料在耐磨性、耐蝕性和絕緣性等方面的性能得到改善。因此熱噴涂技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[1]。熱噴涂成為金屬表面科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)十分活躍的學(xué)科。本文介紹了熱噴涂工藝的特點(diǎn)，噴涂方法的種類及其技術(shù)以及熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用概況，并對(duì)熱噴涂技術(shù)的發(fā)展方向給予了展望。
關(guān)鍵詞：熱噴涂 涂層 分類 應(yīng)用 發(fā)展
Thermal spraying technology status and development
L-in Anchuan
abstract：Metal surface engineering develops very fast in recent years, Especially the thermal spraying technology was a great progress. Thermal spraying is a kind of melt a solid materials with special equipment and to accelerate the jet to the mechanism on the surface, forming special thin layer, in order to improve the parts such as corrosion resistance, abrasion resistance, high temperature resistant performance of the emerging science and technology, material surface. Due to using thermal spraying technology, can make the base material in terms of wear resistance, corrosion resistance, and insulation performance improving. Therefore the thermal spraying technology has been widely used, and achieved good economic benefits [1]. Thermal spraying metal in the field of surface science become a very active subject. Characteristics of thermal spraying technology was introduced in this paper, the types of spraying method and its general situation of the application technology and thermal spraying technology, and give the development direction of thermal spraying technology were discussed.
Key word：The thermal spraying coating classification application development
1 概述
熱噴涂是一種表面強(qiáng)化技術(shù)，是表面工程技術(shù)的重要組成部分，一直是我國(guó)重點(diǎn)推廣的新技術(shù)項(xiàng)目。它是利用某種熱源（如電弧、等離子弧或燃燒火焰等）將粉末狀或絲狀的金屬或非金屬材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，然后借助焰留本身或壓縮空氣以一定速度噴射到預(yù)處理過(guò)的基體表面，沉積而形成具有各種功能的表面涂層的一種技術(shù)。
這在高速氣流的作用下使之霧化成微細(xì)熔滴或高溫顆粒，以很高的飛行速度噴射到經(jīng)過(guò)處理的工件表面，形成牢固的覆蓋層，從而使工件表面獲得不同硬度、耐磨、耐腐、耐熱、抗氧化、隔熱、絕緣、導(dǎo)電、密封、消毒、防微波輻射以及其他各種特殊物理化學(xué)性能。它可以在設(shè)備維修中修舊利廢，使報(bào)廢的零部件“起死回生”；也可以在新產(chǎn)品制造中進(jìn)行強(qiáng)化和預(yù)保護(hù)，使其“益壽延年”。
噴涂粉末在整個(gè)熱噴材料中占據(jù)十分重要的地位。熱噴涂合金粉末包括鎳基、鐵基和鈷基合金粉，按不同的涂層硬度，分別應(yīng)用于機(jī)械零部件的修理和防護(hù)。
當(dāng)前又面臨高性能結(jié)構(gòu)材料成本逐年上升的問(wèn)題，為同時(shí)解決這兩個(gè)方面的問(wèn)題，近年來(lái)金屬表面工程發(fā)展很快，尤其是熱噴涂技術(shù)獲得了巨大的進(jìn)展。熱噴涂是一種用專用設(shè)備把某種固體材料熔化并加速噴射到機(jī)件表面上，形成特制薄層，以提高機(jī)件耐蝕、耐磨、耐高溫等性能的新興材料表面科學(xué)技術(shù) [1，2] 。由于采用熱噴涂技術(shù)，可以使基體材料在耐磨
性、耐蝕性和絕緣性等方面的性能得到改善。因此目前，包括航空、航天、原子能設(shè)備、電子等尖端技術(shù)在內(nèi)的幾乎所有領(lǐng)域內(nèi)，熱噴涂技術(shù)都得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益 [3]。 熱噴涂成為金屬表面科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)十分活躍的學(xué)科。
2 熱噴涂技術(shù)原理與特點(diǎn)
熱噴涂技術(shù)從上世紀(jì)初開(kāi)始出現(xiàn)到現(xiàn)在已有幾十年的歷史：1910年線材火焰噴涂技術(shù)，20年代電弧絲噴涂技術(shù)，50年代爆炸噴涂和等離子噴涂技術(shù)，60年代自熔性合金粉末火焰、等離子噴涂和噴焊技術(shù)，80年代超音速火焰噴涂技術(shù)，90年代激光熔覆技術(shù)。熱噴涂工藝、設(shè)備、噴涂材料及施工都有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從早期制備一般裝飾性和防護(hù)性表面，發(fā)展到制備各種功能的功能性涂層;由舊件的修復(fù)工藝發(fā)展成新產(chǎn)品的強(qiáng)化工藝；由單一涂層發(fā)展到多層的包括產(chǎn)品失效分析、涂層設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和施工以及質(zhì)量檢測(cè)和控制在內(nèi)的系統(tǒng)工程，成為像鑄、鍛、焊、熱處理一樣的、獨(dú)立的熱加工工藝。
2.1 熱噴涂原理
利用熱能將噴涂材料熔化，再借助高速氣流將其霧化，并在高速氣流的帶動(dòng)下粒子撞擊基材表面，冷凝后形成具有某種功能的涂層（圖1）。
熱噴涂技術(shù)的基本特點(diǎn)是它具有真正的疊加效果。也就是說(shuō)，多種成分及變量在同時(shí)作用和正在應(yīng)用時(shí)所產(chǎn)生的效果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比這些成分或變量在單獨(dú)狀況下所產(chǎn)生的效果要大[2]。熱噴涂技術(shù)與其他各種表面技術(shù)相比，有其自身的特點(diǎn)：a.幾乎適用于各種材料對(duì)零件表面的噴涂，如金屬、陶瓷、金屬陶瓷、玻璃、有機(jī)化合物等。b.零件的尺寸大小及形狀不受約束，均可以對(duì)其表面進(jìn)行噴涂。c.被噴涂的零件表面受熱的影響小，不易變形。d.工藝操作程序簡(jiǎn)單、效率高。e.被噴涂零件的材質(zhì)廣泛，可以是金屬、陶瓷和其他非金屬等。f.噴涂厚度較易控制。g.可賦予普通材料以特殊的表面性能。h.成本低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
2.2涂層形成過(guò)程
（1） 噴涂材料被加熱到熔融狀態(tài)。
（2） 噴涂材料被霧化成微小熔滴并高速撞擊基體表面，撞擊基體的顆粒動(dòng)能越大和沖擊變形越大，形成的涂層結(jié)合越好。
（3） 熔融的高速粒子在沖擊基材表面后發(fā)生變形，冷凝后形成涂層。
2.2涂層結(jié)構(gòu)
（1）涂層是由無(wú)數(shù)變形粒子互相交錯(cuò)堆疊在一起，形成一層堆積而成的層狀結(jié)構(gòu)；涂層性能具有方向性，垂直和平行涂層方向上的性能不一致；涂層中伴有氧化物等夾雜，存在部分孔隙，孔隙率4％－20％。
（2）涂層內(nèi)有一定比例的孔隙，產(chǎn)生原因是： 噴涂角度不同造成的遮蔽效應(yīng)； 涂層材料凝固收縮時(shí)形成的空隙;孔隙將降低涂層的硬度、耐磨性和耐蝕性; 涂層內(nèi)的氧化夾雜物含量及涂層的致密度取決于加熱源、噴涂材料及噴涂工藝。
2.3涂層應(yīng)力
涂層冷凝收縮時(shí)，涂層外層的拉應(yīng)力、涂層內(nèi)層的壓應(yīng)力、組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的微觀應(yīng)力，結(jié)果使涂層產(chǎn)生殘余張應(yīng)力，應(yīng)力大小與涂層厚度成正比，當(dāng)張應(yīng)力超過(guò)涂層與基材之間結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，涂層就會(huì)發(fā)生破壞。
殘余應(yīng)力約束了涂層的厚度。減少涂層殘余應(yīng)力措施：（1）調(diào)整噴涂工藝參數(shù)；（2）致密涂層的殘余應(yīng)力要比疏松涂層大；（3）采用梯度過(guò)渡層緩和涂層內(nèi)應(yīng)力。
2.4涂層的結(jié)合強(qiáng)度
包括涂層與基材之間、涂層中顆粒與顆粒之間的結(jié)合，結(jié)合形式有：（1） 機(jī)械結(jié)合：撞成扁平狀的顆粒和凸凹不平的基材表面互相嵌合(即拋錨效應(yīng))而結(jié)合在一起；（2） 物理結(jié)合：熔融粒子的原子與基材表面原子之間距離達(dá)到晶格常數(shù)范圍時(shí)，產(chǎn)生范德華力，形成物理結(jié)合；（3） 冶金-化學(xué)結(jié)合：熔融粒子撞擊基材表面時(shí)釋放出的能量使噴涂材料與基材之間發(fā)生局部擴(kuò)散和焊合，形成冶金結(jié)合。如噴涂鎳包鋁復(fù)合粉末時(shí)的放熱反應(yīng)。
熱噴涂的涂層與基材的結(jié)合主要以機(jī)械結(jié)合為主，結(jié)合強(qiáng)度較差(<70MPa)。
3 熱噴涂技術(shù)的分類及其特點(diǎn)
熱噴涂是將噴涂材料加熱熔化并霧化，然后高速噴射到基材表面，形成具有足夠粘著強(qiáng)度的所需涂層的工藝，完成工件熱噴涂的一般工藝流程為：工件的表綜述 面準(zhǔn)備→工件的噴涂→工件的噴涂后處理。整個(gè)過(guò)程除與設(shè)備類型有關(guān)外，還涉及噴涂材料、熱源和噴射速度。噴涂材料包括金屬、陶瓷和塑料等。熱源主要有氧燃料火焰、直流電弧等離子和激光等幾種。粉粒的速度決定著熱噴涂層的密度，粉粒速度越快，涂層越致密?；谶@些因素，大體上可以把熱噴涂方法分為火焰噴涂法、爆炸噴涂法、超音速噴涂法、電弧噴涂法、等離子噴涂法和激光噴涂法等。
熱噴涂技術(shù)的特點(diǎn)：（1）可在各種基材上制備各種涂層；（2）基材溫度低（30 ～ 200℃），熱影響區(qū)淺，變形??；（3）涂層厚度范圍寬（0.5 ～ 5mm）；（4）操作靈活，可在不同尺寸和形狀的工件上噴涂；（5）加熱效率低，噴涂材料利用率低，（6）涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低。
熱噴涂材料按材料的形態(tài)分線材、棒材和粉末三大類。熱噴涂材料的要求：（1）熱穩(wěn)定性好，在高溫焰流中不升華，不分解(復(fù)合粉末）。（2） 有較寬的液相區(qū)，使熔滴在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持液相。（3）與基材有相近的熱膨脹系數(shù)，以防止因膨脹系數(shù)相差過(guò)大產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；（4）噴涂材料在熔融狀態(tài)下應(yīng)和基材有較好的浸潤(rùn)性，以保證涂層與基材之間有良好的結(jié)合性能。
熱噴涂工藝流程包括基材表面預(yù)處理、熱噴涂、后處理和精加工等過(guò)程。
3.1火焰噴涂法
火焰噴涂法工藝流程：工件表面預(yù)處理→預(yù)熱→噴涂打底層→噴涂工作層→后處理。它利用氧和可燃性氣體的燃燒火焰，把焊絲、焊棒或粉末狀的噴涂材料加熱，使其在熔融或接近熔融的狀態(tài)下噴向基體材料表面而形成涂層?；鹧鎳娡烤哂性O(shè)備簡(jiǎn)單、工藝成熟、操作靈活、投資少、見(jiàn)效快等優(yōu)點(diǎn)。采用火焰噴涂法技術(shù)，可以制備各種純金屬、合金、陶瓷及塑料等涂層，是目前噴涂技術(shù)中使用較廣泛的一種工藝?；鹧鎳娡糠ㄒ劳繉硬牧系耐庑斡址譃槿劢z法、熔棒法和粉末法三種類型。熔絲法應(yīng)用能夠形成絲材的各種金屬和合金作為噴涂材料。熔棒法以陶瓷(氧化鋁、氧化鉻等)制成棒狀作為噴涂材料，而那些不易制成絲材(鋁鋅合金、自熔合金等)的合金粉和低熔點(diǎn)的陶瓷粉，則以采用粉末法為宜。
3.2電弧噴涂法
電弧噴涂法是在兩根焊絲狀的金屬材料之間產(chǎn)生電弧，電弧產(chǎn)生的熱使金屬焊絲逐步熔化，熔部分被壓縮空氣氣流噴向基體表面形成涂層。在電弧噴涂的過(guò)程中，霧化的顆粒速度可達(dá)180～335m/s，電弧 溫度可達(dá)5000℃。它的優(yōu)點(diǎn)是（1）熱效率高：電弧噴涂熱能利用率高達(dá)60％～70％；（2）涂層密度（70～90％）比火焰噴涂涂層致密，結(jié)合強(qiáng)度比火焰噴涂高；（3） 電弧噴涂可以利用兩根成分不同的金屬絲制備假合金涂層；（4） 由于電弧噴涂是兩絲同時(shí)送進(jìn)，所以噴涂效率高；（5）火焰噴涂消耗的燃料費(fèi)是電弧噴涂電費(fèi)的幾十倍。目前，電弧噴涂法已經(jīng)從一種粗糙的高噴涂率的技術(shù)演化為能以低成本生產(chǎn)具有高質(zhì)量涂層的較為精密的手段。
3.3等離子噴涂法
利用非轉(zhuǎn)移等離子弧作為熱源對(duì)噴涂材料進(jìn)行加熱、加速、涂敷。等離子焰流溫度高、流速快，因此噴涂效率高、涂層致密、結(jié)合強(qiáng)度高、基材表面熱影響區(qū)小。等離子噴涂涂層具有較高的結(jié)合度，涂層特性好，尺 寸也容易控制，尤其適合陶瓷材料的噴涂[4]。 國(guó)內(nèi)外已有數(shù)百種材料用等離子進(jìn)行噴涂，所得的涂層具有抗蝕、抗氧化、耐磨損擦傷、助滑、助粘結(jié)、防輻射和絕熱等功能。等離子噴涂是熱噴涂工藝中萬(wàn)能的工藝，這是因?yàn)槠涔に嚋囟雀撸瑖娡窟^(guò)程可以在不同的氣氛和不同的壓力下實(shí)現(xiàn)。目前已發(fā)展到空氣、低壓(或真空)、空壓、惰性氣體以及水下環(huán)境的應(yīng)用，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)是等離子噴涂的大優(yōu)點(diǎn)之一。
3.4爆炸噴涂法
是指將粉末注入噴槍，同時(shí)引入氧-乙炔混合氣，點(diǎn)燃引爆氣體產(chǎn)生3300℃高溫，粉末被加熱并以2倍音速以上速度噴射到工件表面，形成~20mm直徑，~8μm厚的高結(jié)合強(qiáng)度和高致密度的涂層。整個(gè)涂層由小圓形薄片重疊而成。爆炸噴涂的大特點(diǎn)是涂層非常致密，氣孔率很低(1%～2%)，與零件基體金屬結(jié)合性強(qiáng)，表面平整?？梢試娡拷饘?、金屬陶瓷及陶瓷材料。盡管它具有很多優(yōu)點(diǎn)，但仍因其設(shè)備價(jià)格高、噪音大，屬氧化性氣氛等原因，國(guó)內(nèi)外使用還不廣泛[3]。
3.5超音速火焰噴涂法
超音速火焰噴涂法又叫高速火焰(HVOF)熱噴涂，是本世紀(jì)80年代才出現(xiàn)的一種高能噴涂方法。與一般火焰噴涂相比，在設(shè)備工藝必須提供足夠高的氣體壓力，以產(chǎn)生高達(dá)5倍于音速的焰流(1830m/s)。氣體的消耗量也很大，所以需要龐大的供氣系統(tǒng)，就氧氣而言，通常是一般火焰噴涂的10倍。 HVOF技術(shù)成功的一個(gè)主要原因是在沒(méi)有過(guò)分加 熱粒子的情況下就能極為有效地加速粒子活動(dòng)。超音速火焰噴涂設(shè)備產(chǎn)生的焰流速度可高達(dá)2400m/s。 該工藝由于具有較高的沖擊能量，所以涂層氣孔率低(小于1%)、涂層表面較光滑、粉末顆粒有高的噴涂速度(1020m/s)、較高的沉積率(27kgh)。由于粉末顆粒在高溫中停留時(shí)間短，所以涂層中含氧化物量較低、化學(xué)成分和相的組成具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，改善了顆粒的結(jié)合狀態(tài)、涂層與基體表面的結(jié)合強(qiáng)度高，它可得到比爆炸噴涂層更厚的涂層，殘余應(yīng)力也得到改善。但它的中心溫度不如等離子弧高。
噴涂工藝各種方法在參數(shù)、成本、設(shè)備上具有各自特點(diǎn)，選用時(shí)應(yīng)遵循以下原則：對(duì)涂層結(jié)合力要求不高，噴涂材料熔點(diǎn)<2500℃，可采用火焰噴涂；對(duì)涂層性能要求較高，噴涂高熔點(diǎn)材料時(shí)時(shí)，應(yīng)采用等離子噴涂；工程量大的金屬噴涂施工好采用電弧噴涂；要求高結(jié)合力、低孔隙度的金屬、合金及以某些金屬陶瓷涂層可采用超音速火焰噴涂；對(duì)于批量大的工件，宜采用自動(dòng)噴涂。
4 熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用、發(fā)展方向
熱噴涂技術(shù)與傳統(tǒng)噴涂技術(shù)相比，由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用：（1）噴涂耐腐蝕涂層。鋁、鋅及其合金涂層：鋅、鋁的腐蝕電極電位高于鐵，涂層有保護(hù)作用，可用于橋梁、鐵塔等大型部件的防腐處理；塑料涂層用于化工、食品等行業(yè)；（2）噴涂耐磨涂層。涂層硬度超過(guò)磨料硬度如氧化鋁陶瓷涂層或鎳基、鈷基碳化鎢涂層，用于軋輥、螺旋送料器等部件，用于修復(fù)的涂層如噴涂鐵基或鎳基耐磨合金涂層；（3）噴涂耐高溫涂層。抗高溫氧化的涂層如超音速火焰噴涂Cr2C3-NiCr涂層用等離子噴涂氧化鋁陶瓷涂層，熱障涂層使金屬基體與高溫環(huán)境隔離，保持金屬構(gòu)件的力學(xué)性能。噴涂功能涂層。生物相容性涂層在種植體(不銹鋼等)表面用等離子噴涂一層生物相容性好的羥基磷灰石涂層，生物組織可以長(zhǎng)入涂層中的孔隙中，與種植體形成牢固的結(jié)合。其他行業(yè)人如裝飾、汽車制造、航空航天等近來(lái)均得到了廣泛的應(yīng)用[5]。
熱噴涂技術(shù)主要發(fā)展動(dòng)向：（1） 大功率高熱焓等離子噴涂，提高噴涂效率，降低成本；（2）精密噴涂技術(shù)；（3）用熱噴涂法部分代替鍍硬鉻的工藝；（4）新型熱障涂層。如噴涂0.3mm的MCrAlY熱障涂層可使基材溫度降低200～300℃；（5）噴涂新材料，如納米涂層材料、非晶態(tài)涂層材料；（6）計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，提高生產(chǎn)效率，減少工作強(qiáng)度；（7）在較低溫度下具有高速飛行的噴涂，如脈沖放電線爆噴涂）和冷噴涂技術(shù)。
5 結(jié)論
熱噴涂技術(shù)是提高機(jī)件耐蝕、耐磨、耐高溫等性能的新興材料表面科學(xué)技術(shù)，使基體材料在耐磨性、耐蝕性和絕緣性等方面的性能得到改善。當(dāng)前又面臨高性能結(jié)構(gòu)材料成本逐年上升的問(wèn)題，熱噴涂技術(shù)同時(shí)解決了表面材料品質(zhì)和成本這兩個(gè)方面的問(wèn)題。熱噴涂技術(shù)既能延長(zhǎng)零部件的使用壽命，又可以節(jié)約大量的貴重材料和加工工時(shí)；此外，它的設(shè)備投資少、效率高、操作簡(jiǎn)便。而且涂層具有各種特殊性能，近來(lái)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用成為必然趨勢(shì)，并具有更為廣闊的應(yīng)用前景。
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