热喷涂技术的应用与展望

摘要：本文综述了热喷涂工艺的特点、分类以及在不同行业的应用和研究现状，并对热喷涂技术的发展趋势进行了展望。

关键词：热喷涂；涂层；应用

0引言

热喷涂是一种采用专用设备利用热源将金属或非金属材料加热到熔化或熔融状态，借助焰流或外加的推力将熔滴雾化或推动熔粒成喷射的粒束以一定速度喷射到经过制备的基体表面形成某种功能的涂层，以提高机件耐蚀、耐磨、耐热等性能的新兴表面工程技术[1-2]。热喷涂技术在航空航天、机械制造、石油化工、电力设备维修，造纸业等领域中得到了广泛的应用，并取得了良好的经济效益[3]。热喷涂成为金属表面科学领域中一个十分活跃的学科。

1 热喷涂工艺特点

热喷涂技术从上世纪初开始出现到现在已有几十年的历史了，热喷涂工艺、设备、喷涂材料以及施工都有了突飞猛进的发展，从早期制备一般装饰性和防护性表面,发展到制备各种功能的功能性涂层；由旧件的修复工艺发展成新产品的强化工艺；由单一涂层发展到多层的包括产品失效分析、涂层设计、工艺设计和施工以及质量检测和控制在内的系统工程,成为像铸、锻、焊、热处理一样的、的热加工工艺。热喷涂技术与其他各种表面技术相比，有许多自身的特点[4]：

    (1)喷涂材料的选择范围广泛，它几乎包括所有的固体材料。

    (2)选择合适的工艺方法几乎能在任何固体材料表面上进行喷涂，这是其它表面技术无法实现的。

    (3)一般不受施工场所的，既可以在室内喷涂，又可以现场施工。

    (4)一般不受工件尺寸及形状，既可对工件进行大面积喷涂，也可以对工件进行局部喷涂。

    (5)涂层厚度可以在几十微米到几毫米范围内控制。

    (6)除喷熔外，热喷涂工艺对基体材料热影响小，并且可以进行控制，它不会影响基体金属的金相组织和机械性能。

    (7)能够使涂层具有不同功能，尤其是复合功能。

    (8)热喷涂的生产率高.

    (9)与其他堆焊方法比较，火焰喷熔层和等离子喷熔层的冲淡率较低，而且表面成形平整、光滑、加工余量少。

(10)废旧件采用热喷涂修复后，还能比新件具有更高的性能和更长的使用寿命。

但是，作为一种表面处理技术，它也存在许多不足之处，比如涂层存在结合力较低、孔隙率较高、均匀性较差等问题。此外，对于较小的制品,喷涂效率较低，也很不经济。

2 热喷涂技术分类

热喷涂是将喷涂材料加热熔化并雾化，然后高速喷射到基材表面，形成具有足够粘着强度的所需涂层的工艺，完成工件热喷涂的一般工艺流程为：工件的表面准备→工件的喷涂→工件的喷涂后处理。整个过程除与设备类型有关外，还涉及喷涂材料、热源和喷射速度。喷涂材料包括金属、陶瓷和塑料等。热源主要有氧燃料火焰、直流电弧等离子和激光等几种。粉粒的速度决定着热喷涂层的密度，粉粒速度越快，涂层越致密。基于这些因素，大体上可以把热喷涂方法分为以下几种如图1所示[5]：

图1 热喷涂技术分类

2.1 火焰喷涂

火焰喷涂是以氧-燃料气体火焰作为热源的喷涂方法。燃料气体包括乙炔(燃烧温度3260℃)、氢气(燃烧温度2871℃)、液化石油气(燃烧温度2500℃)和丙烷(燃烧温度 3100℃)等。乙炔与氧结合产生的火焰温度最高，所以氧-乙炔火焰喷涂是目前应用最广的火焰喷涂方法。虽然由于它的喷涂效率高于粉末喷涂，在使用中占有一定的地位，但因其喷出的熔滴大小不均，使涂层的结构也不均匀，孔隙度也大，且拉丝造棒的成形工艺受到。因此对火焰喷涂，目前仍大量使用火焰粉末喷涂[6]。

近年来，火焰塑料喷涂技术发展很快，对有些要求耐腐蚀性强、使用条件苛刻的化工设备和容器，金属喷涂层因有微孔是不适宜的，故对于使用温度在 80℃(或 120℃)以下的零件防腐，采用塑料粉末喷涂为好[7]。

2.2 电弧喷涂

电弧喷涂是以电弧为热源的热喷涂技术。与火焰喷涂相比，具有喷涂结合强度高 (一般为火焰喷涂的 2.5倍)、喷涂效率高(比火焰喷涂提高 2～6 倍)、能源利用率高、安全性高等优点。目前主要用于金属丝材的喷涂，近几年也有人试用管状丝材填充合金粉末 (粉芯丝材)喷涂粉材。 美国 D.G.At teridge 和 M.Becker 等人进行了双丝电弧喷涂 (TWAS) 纳米结构涂层的研究工作，其中外皮和芯材料的体积比为1:1，喷涂粉芯丝材的电压要比喷涂实心丝材时低。 他们作了 3 种不同 WC-Co 含量的涂层，该纳米结构涂层在结合强度、耐磨性、孔隙率等方面均比常规涂层有所提高。电弧喷涂纳米结构涂层技术由于其相对较低的设备成本和涂层呈现出优异的性能，将会成为纳米粉体材料热喷涂技术开发的一个重要方向[8]。

2.3 等离子喷涂

等离子喷涂是利用等离子焰流作为热源，将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态，并在高速等离子焰流的曳引下，高速撞击到工件表面上，经淬冷凝固后与工件相结合形成涂层。等离子弧是一种高能密束热源，电弧在等离子喷中受到压缩，能量集中，具有温度高(弧柱中心温度高达 15000～33000K)、焰流速度高、稳定性好、调节性好等特点，特别适合于陶瓷等高熔点材料的喷涂，成为目前制备陶瓷涂层最主要的方法。国内外已有数百种材料用等离子进行喷涂，所得的涂层具有抗蚀、抗氧化、耐磨损擦伤、助滑、助粘结、防辐射和绝热等功能[7]。

2.4 超音速火焰喷涂

超音速火焰喷涂技术利用可燃气体燃料(如氢气、丙烷或丙烯)或可燃液体燃料(如航空煤油)等与作为助燃气的氧气(或压缩空气)混合，在高压的燃烧室中被点燃并燃烧，剧烈燃烧并膨胀的燃烧气体受到喷嘴的约束并压缩而形成超音速火焰束流，被喷涂的粉末材料沿燃烧室轴心(轴向式)或者喷管周围(径向式)由送粉气体(如氮气)送入，并在火焰中被加热和加速后喷出，形成结合强度很高的涂层。由于火焰温度不高，粉末粒子在火焰中停留和加热的时间短，因此，其材料的相变、氧化和分解受到抑制，特别适合喷涂在高温下极易分解和退化的碳化钨等金属陶瓷材料[9]。

目前在国外已经渗透到各种领域，如石油化工、机械、印刷、航空航天、冶金、电力、塑料，等工业部门。特别是在高科技领域，超音速喷涂的高质量涂层能够满足航天、航空和原子能等尖端领域对材料的苛刻要求。美国己经采用超音速火焰喷涂逐步取代常规的等离子喷涂修复飞机涡流发动机部件，这样既降低了成本，又改善了涂层的质量。

2.5 爆炸喷涂

爆炸喷涂是利用气体爆炸产生高能量,将喷涂粉末加热加速,使粉末颗粒以较高的温度和速度轰击到工件表面形成涂层。喷涂时,先将一定压力、比例的氧

气和乙炔由进气口通入水冷喷内腔，然后由供粉口将粉末送入,接着火花塞点火,氧气和乙炔的混合气体燃烧并爆炸,产生高温高速气流,将粉末加热,并以高

速(超过音速约3倍)撞击到基材表面,形成涂层,通入氮气清理管,为下一次喷涂做准备。如此重复进行。爆炸喷涂涂层结合强度高、致密、孔隙率低。喷涂时,

由于粉末颗粒迅速被加热、加速,半熔粉末对基体的撞击力大，所以涂层结合强度高，喷涂陶瓷粉末可达70MPa，喷涂金属陶瓷粉末可达175MPa,涂层致密，孔隙率<2%，可制备高硬度、耐磨损涂层[10]。

3 热喷涂技术的应用

由于热喷涂技术能延长零部件的使用寿命，可以节约大量的贵重材料和加工工时；它的设备投资少、效率高、操作简便；而且涂层具有各种特殊性能，所以它在国民经济中的各个领域中具有广泛的应用。

3.1 在航空航天工业上的应用

在航天发动机上现已大量地采用了热喷涂涂层，以期解决磨损、风蚀、热保护和间隙调整等问题。例如，过去最早报道过的JT9D，就有600多处使用了热喷涂涂层。目前，有的新型发动机中，1000～3000个部件均采用了热喷涂技术[11]。

随着热喷涂技术的发展，热障涂层、耐高温涂层、耐磨涂层等一系列高性能涂层的开发，促进了航空航天工业的快速发展，不但提高了航天设备整机效率、降低能耗、简化设计，而且延长其使用寿命。

3.2 在机械工业中的应用

由于在机械装备中应用的材料大多为钢材，所以做好防腐工程和提高机械零件的耐磨性能非常重要[12]。实践证明，使用热喷涂技术可以收到很好的应用效果。长江葛洲坝过船闸闸门、江苏淮安市三河闸闸门、山东德州地区官家闸闸门和北京三家店拱河闸闸门从1996年开始采用电弧火焰喷涂涂层防护，自此改变了每2～3年必须大修的状况，并节约60 d/次，增加通航船艘400~500只/年，至今仍使用正常。胜利油田将其大型贮油罐(表面积800m2)的表面喷涂Al涂层，获得了较好的对海洋及大气的防腐蚀效果。海南上坡糖厂采用火焰喷涂技术在其压缩榨辘轴轴颈上喷涂耐磨层,修复尺寸，每根节省2000多元，效益显著。上海喷涂机械厂用等离子喷涂对机床进行维修，使机床寿命提高了1~2倍。另外热喷涂技术在纺织、造纸、电力、汽车制造等多个领域得到了广泛的应用并取得了良好的经济效益。 

3.3 在钢铁行业的应用

在钢铁企业中，大量设备工件处于高温、高速、重载荷或腐蚀环境工况条件下运行，因此，这些备件的质量和使用寿命将直接影响钢厂的生产效率、产品质量和生产成本。热喷涂技术主要应用于特殊工况和表面有特殊要求的场合，典型应用如各种退火炉中的炉辊、热镀锌线的沉没辊、结晶器短边铜板及冷热轧工艺辊道[13]。宝钢集团率先将热喷涂技术应用在连铸结晶器短边铜板喷涂、冷轧热镀锌机组沉没辊、连续退火机组炉辊以及冷轧工艺辊道等处，采用热喷涂方法代替原始的电镀工艺，不但取得了良好的工艺效果，还可以减少电镀带来的环境污染。

3.4 在铁路行业的应用

热喷涂技术在铁路行业中的应用非常广泛。在铁路桥梁维修时，有些桥梁采用整体电弧喷涂Al或 Zn进行防腐处理，由于铁轨的振动和枕木的微小移动，桥梁的上盖板防腐涂层不仅要求具有耐腐蚀性能，还应具有一定的耐磨损性能，所以大多数桥梁的上盖板采用电弧喷涂 Zn+耐磨漆，也有些桥梁上采用电弧喷涂Al+不锈钢+封孔剂的方案。宝鸡渭河铁路大桥采用电弧喷+不锈钢+封孔剂的施工方案，预计寿命20年以上。目前，中国有几十个专业喷涂厂承接电视塔、桥梁、输变电铁塔、地下电缆管道等大型工程，喷涂面积达2×105m2，为这些工程节省了大量的维修费用，取得了明显的经济效益和社会效益[14]。

3.5 在生物医学工程上的应用

热喷涂在生物医学工程方面的应用已逐渐成熟，如在钛合金(TC4)人工关节(髋关节、膝、肩关节及骨盆等)表面上喷涂陶瓷涂层,既解决了金属材料在人体生物液中易产生腐蚀的问题，亦解决了陶瓷材料单独成型时易产生的脆弱问题。热喷涂使陶瓷与关节金属之间具有一定的结合强度，使表面具有耐磨性好、化学性稳定、生物相容性好、有利于骨质细胞的长入，同时也改变了传统手术中采用骨水泥来固定的情况,现已为全国各大医院使用[12]。

4 研究展望

目前，国内外的热喷涂设备正朝着高能、高速、高效发展的同时，轴向送粉技术、多功能集成技术和实时控制技术也将成为热喷涂设备的发展方向。设备的不断发展将使可喷涂材料的范围更广，制备纳米、非晶、导热、催化、导电、绝缘、超导、隐身等功能涂层将成为热喷涂研究的热点。利用各种在线监测技术确定粉末在喷涂过程中的流体动力学特征，建立喷涂粒子的温度场和速度场，深入理解涂层的形成过程，从而得出各个喷涂参数对涂层结构和性能的影响规律。采用各种先进的声、光、电无损检测技术，对涂层性能进行在线诊断，评估涂层质量和预测涂层寿命，是未来热喷涂涂层质量监控的重要研究方向。随着热喷涂技术的不断发展，热喷涂涂层必将更加广泛地应用到国民经济发展的各个领域中[15]