节能减排催生热喷涂技术崭露头角

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机械零件和钢结构的破坏多自表面开始，诸如腐蚀、氧化、磨损以及热疲劳破坏的发生。因此，采用涂层技术对表面实行保护，可使部件寿命大幅度延长，这比采用整体材料既经济又方便。在众多的涂层技术中，热喷涂技术占有显著的地位。早在19世纪初，美国首先将氧－乙炔焊炬用来喷涂金属线材，从此开始有了热喷涂。由于航天、航空、核工业的快速发展，对材料的要求日益苛刻，热喷涂技术得到了飞速发展，先后发展了等离子和爆炸喷涂。上世纪80年代初,低压等离子喷涂和高速火焰喷涂技术的出现，使热喷涂技术形成了一个完善的体系。涂层技术是一种量大面广、效果显著的材料保护和表面改性方法，日益受到关注。

一、热喷涂涂层技术典型的应用领域

热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。热喷涂技术在普通材料的表面上，制造一个特殊的工作表面，使其达到：防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系多种功能，使其达到节约材料，节约能源的目的，人们把特殊的工作表面叫涂层，把制造涂层的工作方法叫热喷涂。这一技术在化工、石油、矿山冶金、机械维修、电力等多个领域，都被广泛应用。

热喷涂技术被成功地应用于喷涂机械零件表面的耐磨涂层，延长零件的使用寿命，或修复磨损失效的机械零件。恢复零件尺寸的技术现在称为机械零件“再制造工程”。如在汽轮机转子、密封轴颈、活塞环、主动齿轮轴颈等滑动磨损部位,喷涂各种铁基或镍基耐磨合金涂层,或氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层和镍基或钴基碳化钨涂层。

热喷涂技术可广泛应用于电气工业中如喷涂屏蔽涂层，用于消除电磁波和无线电波的干扰，同时清除静电放电火花；用电弧喷涂锌涂层可以提供高能级的衰减。屏蔽涂层的应用包括计算机终端设备、电子办公设施、药品监测装置和感光电子设备。

热喷涂技术还可代替传统油漆方法，对于长期暴露在户外大气的大型钢铁结构桥梁、船舰、以及铁塔、公路设施等实行阴极保护进行长效防腐工程，取得了重大经济效益。

喷涂技术应用由最初的国防、军工行业逐步发展到民用产品，到目前为止，导弹、火箭、卫星、坦克零部件及航空发动机叶片、喷火筒、导弹滑轨应用此项技术可以预保护涂层和修复强化涂层。

此外，水泥、石膏、树脂等塑雕像表面上采用喷涂技术喷上一层黄铜、青铜、铝、不锈钢、彩色塑料等装饰涂层，既经济又美观；医学上以不锈钢骨骼为基材表面采用等离子喷涂陶瓷涂层，制备人工骨骼，临床实践已达到几百例，效果很好。

按不同用途，正确选择陶瓷喷涂料、设计喷涂层结构、制定封孔等后加工技术措施、根据不同喷涂料设定喷涂工艺参数等是保证喷涂质量及使用效果的关键。

二、热喷涂涂层材料的性能特点

由于热喷涂技术的工艺手段很多，所以喷涂材料的选择范围很广。从塑料、低熔点金属，到难熔金属、陶瓷及其混合物。任何一种具有稳定液态的材料，至少可以用其中一种方法喷涂。但是，热喷涂涂层材料性能各不相同。涂层有5%～30%的气孔率，与喷涂工艺参数密切相关。涂层体积密度与假比重的差异，表明涂层中还有一定量的闭口气孔，等离子喷涂涂层中加入适量的金属可提高涂层的抗折强度。等离子喷涂涂层具有低的摩擦系数和高的硬度。大多数氧化物涂层的热扩散系数随温度的升高而减小，而Cr₂O₃和TiO₂涂层的热扩散系数却温度的升高而增大，这有利于抗磨损。ZrO 涂层具有低的热扩散系数，是理想的防热材料。

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。

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。

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。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。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。

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。

热喷涂技术具有设备轻便，可现场施工；工艺灵活、操作程序少。可快捷修复，减少加工时间；适应性强，一般不受工件尺寸大小及场地所限；涂层厚度可以控制。除喷焊外，对基材加热温度较低，工件变形小，金相组织及性能变化也较小。适用各种基体材料的零部件、几乎可在所有的固体材料表面上制备各种防护性涂层和功能性涂层。

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。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如金属,陶瓷,玻璃,布匹,纸张,塑料等上进行喷涂,并且对基材的组织和性能几乎没有影响,工件变形也小。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。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。

三、热喷涂主要的工艺方法和适用范围

热喷涂工艺方法中应用较广泛的有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速喷涂技术，它们的工艺特性和适用范围现分述如下：

火焰喷涂是通过火焰喷枪实现的,主要是利用氧－乙炔燃烧产生高温火焰，将喷涂材料熔融，再利用周围压缩空气使熔融材料或微粒喷射黏附于基材表面。该方法比较简单，设备也不复杂，因此在工业上被广泛应用。火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。

电弧喷涂是由两根作为喷涂材料而不断被消耗的载流金属丝短路，产生连续电弧而使金属丝端部熔融，用高速冷空气射流使熔化的金属丝端部雾化溅射到基材表面。电弧喷涂所用的两根线状材料涂层材料由送丝轮自动导入,当在两线状材料之间通过大电流时将产生电弧,线状材料在电弧的高温作用下迅速熔化，并由压缩空气作用成小液滴被喷射到基体表面形成涂层。

等离子喷涂是热喷涂技术中最为重要的一种。利用直流电弧放电，把高温加热的氩气、氮气、氦气等气体部分电离成离子束，在电弧放电部位四周强制流过低温气体，产生热收缩效应，使电弧放电部位断面缩小，导致能量密度和电流密度升高，最高温度可达20 000℃。等离子喷涂适用于粉状涂层材料，等离子喷枪将电能转化为热能产生高温高速的等离子焰流,其等离子焰流温度可高达50 000℃,能熔化所有的喷涂材料。由于等离子喷涂温度高，气氛可控制，可以用来喷涂各类高熔点的金属、氧化物和其他各种材料。最近10年开发的真空等离子喷涂设备，不仅使涂层的品种扩大，质量提高，而且可以进行新材料的合成和材料表面的改性。

爆炸喷涂是利用可燃性气体与氧气混合物即氧气和乙炔气点火燃烧造成气体膨胀而产生爆炸，点火爆炸提供的能量,释放出热能和冲击波,热能使喷涂粉末熔化,冲击波则使熔融粉末以每秒700～800米的速度喷射到工件表面上形成涂层。爆炸喷涂的最大特点是粒子飞行速度高,动能大，可喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷材料,但是由于该设备价格高,噪音大,属氧化性气氛等原因,国内外应用还不广泛。

超音速火焰喷涂，以氧－丙烷或氧－丙烯为燃料，喷射速度为音速的两倍，熔融粉末颗粒的速度可高达每秒400米，约分别为火焰喷涂的4倍和等离子喷涂的2倍。故涂层更为致密，结合强度大，特别适合于喷涂碳化物涂层。超音速火焰喷涂方法因具有很高的粒子撞击速度，使得涂层结合强度、硬度、致密性、耐磨性都得到了改善。另外，此种方法有沉降效率高，涂层性能稳定等特点，预计是开拓涂层市场的有效技术途径。

四、热喷涂工艺技术的发展趋势

腐蚀和磨损是造成材料和零部件失效的主要原因，据有关资料报导，发达国家每年由于磨损和腐蚀造成的经济损失约占国民经济总产值的4%～5%，全世界每年生产的钢材约1/10将变成铁锈。我国每年腐蚀、磨损造成的损失已达几千亿元。所以热喷涂技术的推广应用在国民经济建设中显得越来越重要。当前，我国热喷涂技术已经发展到了一个崭新阶段，其喷涂工艺已从氧乙炔火焰金属粉末喷涂（焊）为主向高能、高速度先进设备方向发展；应用范围已从旧修利废为主向新产品预保护和强化方向发展。

腐蚀是机械部件受周围介质的化学或电化学作用而失效的主要原因之一。它不仅使大量金属材料受损失，从而造成的停产损失更难以估计，所以人们对化工防腐工作特别重视。热喷涂层应用于腐蚀介质中，特别是强介质腐蚀，以前所以未能突破，其主要原因是封孔剂未能解决。众所周知，喷涂层是存在着孔隙的，若不进行封孔处理，各种酸、碱、有机介质就会浸入孔隙，使涂层脱落，影响防腐效果。根据防腐工程的要求，近期我国已研制成功了聚酯型、有机聚合物型、树脂型、塑料型、胶黏剂型等几十种型号的封孔剂，适用于酸、碱、盐及有机物的腐蚀环境，使用温度80℃～350℃。采用陶瓷涂层、氧化物涂层或金属或合金涂层，根据不同介质，选用适当的封孔剂，已在许多化工腐蚀介质中应用，效果良好。

随着我国热喷涂技术的发展与提高，对喷涂层质量要求也愈来愈高。国内近年来已有多家生产制造氧乙炔火焰塑料粉末喷涂设备，采用该项工艺技术，已在化工贮罐、管道、陶瓷行业泸泥机板框、印染行业的导布辊、煤炭行业带式运输机铸铁托轮、石油行业注聚设备，以及表面装潢等方面都得到了很好的应用，弥补了电喷塑的不足。为塑料涂层的应用，开辟了一个新的途径。

近年来，有不少文献报道了某些陶瓷和金属间化合物等高温材料。其中最受重视的应属MoSi₂。这种材料有足够高的熔点(Tm2 030℃)、适中的比重和极好的抗高温氧化性，工作温度可达1 700℃，是优良的抗高温氧化涂层。同时又耐无机酸和熔融金属的侵蚀，作为航空、燃气涡轮机的高温部件涂层材料，是最新的研究热点。

耐磨损、耐热、抗氧化和耐腐蚀等工程技术要求,是热喷涂涂层的主要功能。尤其是耐磨损涂层，是热喷涂技术的优势所在。近年来，热喷涂技术试图在生物工程、超导和复合材料等高科技方面发挥特长，甚至崭露头角，进入实用阶段。

在航空和汽车工业中用工程塑料代替金属,因重量减轻而提高效率,这是当今材料革命的新成果,在电子工业、机械工业也有类似要求。利用热喷涂技术实现这些要求,确是一条捷径,但很多喷涂材料不能直接喷涂在塑料基体上。为此,SULZERMETCO专门研究了一种喷涂塑料基体表面的打底层粉，结合强度高、表面形态好、残余应力低深受市场青睐。

目前,热喷涂技术正在发展中，还有许多亟待解决的问题。然而这些问题的解决大都紧紧围绕着提高涂层质量这一首要要求，即主要提高涂层的结合强度和致密度，开发多种热喷涂新设备和新材料。从未来的发展趋势看，热喷涂系统工程的研究将越来越受到人们的重视。目前许多国家都加强了对热喷涂系统工程的研究，即从失效分析入手，通过对表面预处理，喷涂设备、喷涂材料及喷涂工艺的优化，制定出热喷涂实施工艺计划。在发展过程中，热喷涂技术与其他学科相互交叉渗透形成了新的表面处理工艺，例如，热喷涂与热处理工艺的结合出现了炉内烧结重熔和高频感应重熔涂渗工艺；与电镀工艺的结合产生镀涂工艺和涂镀工艺；与铸造工艺结合出现了烧结喷熔和电火花烧结工艺等。采用新的能源，出现了激光重溶和电子束重熔等。由此可见，热喷涂技术应用的新领域有待于进一步进行探索和开发。

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