热喷涂技术

热喷涂技术的研究综述

摘要：提高热喷层的致密性，减少其孔隙，可以防止涂层过早腐蚀，延长其使用寿命。简述了热喷涂层孔隙出现的原因;介绍了减少热喷涂层孔隙率、提高涂层耐腐蚀性能的方法;指出了提高热喷涂层耐腐蚀性能的发展方向。

通过系统介绍钢桥防腐蚀的必要性、热喷涂防腐蚀主要方法、国内外热喷涂技术的主要标准，列举了一些国内外钢桥热喷涂防腐蚀应用实例，希望可以为我国钢桥的设计、建造、维修、养护工作提供一定的参考。

关键词:钢桥;防腐蚀;热喷涂;技术;应用；涂层致密性;重熔处理;喷涂工艺;封孔处理

前言:热喷涂技术能赋予材料表面一些特殊的性能，如提高耐腐蚀性、电绝缘性、耐磨减摩、抗高温氧化性及电磁屏蔽吸收等功能。热喷涂层材料可以是金属、金属合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料以及复合材料等，其涂层广泛应用于航空航大、石油化工、机械制造、冶金、交通运输、建筑等领域。但是，热喷涂层的表面和内部会存在一定数最的孔隙，服役于腐蚀环境时，腐蚀介质会通过这些孔隙穿过涂层，直至基体，对基体产生腐蚀。腐蚀产物会在涂层/基体界ICI积累，其疏松的结构特征以及体积膨胀会导致涂层龟裂、脱落，以致涂层失效比习;同时，涂层孔隙还会降低涂层与基体之间和涂层内部的结合强度，影响涂层使用寿命。因此，如何减少或消除涂层中的孔隙己成为完善热喷涂层制造技术的一个重要研究方向。

一、提高热喷涂层致密性技术的研究现状及发展方向

1、热喷涂层孔隙出现的原因

热喷涂层是由无数熔融或半熔融的变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起而形成的层状组织结构。在常规大气环境喷涂过程中，这些变形粒子与周围介质发生氧化反应，而使涂层中出现氧化物。变形粒子在交错堆叠的过程中，由于飞行速度和温度不同，使得不断堆叠起来的涂层呈现出明显的不规则状，导致堆叠粒子之间存在缝隙或孔洞。在冷却凝固过程中，若熔融粒子间析出的气体来不及从粒子堆内逸出，就会在涂层中形成气孔。同时，变形粒子随温度的不断降低而产生收缩，若得不到液相的及时补充，也会在涂层中形成孔洞。

2.减少热喷涂层孔隙的方法

2.1喷涂土艺

不同的热喷涂工艺，得到的涂层质最也不同。喷涂颗粒的温度越高、速度越大，涂层越致密、孔隙率越低。

喷涂的工艺参数，如喷涂距离、送粉方式、喷枪移动速度、粉末颗粒度、主气与辅气流最、送粉气流最、电功率等对有效降低涂层孔隙率具有较大的作用和影响。尽管如此，喷涂工艺参数的优选只能使涂层孔隙减少，并不能彻底消除涂层孔隙。

2. 2封孔处理

封孔处理是采用刷涂、浸渍、喷涂等方法，将惰性材料填充到涂层孔隙中。除封闭孔隙之外，封孔剂也能在涂层外围形成一层均匀、光滑的新“涂层”。因此，封孔剂除应具有良好的耐腐蚀性能之外，还必须有较好的渗透性和流动性、较低的茹稠度以及与涂层材料

具有良好的相容性。

2. 3热扩散重熔处理

利用热源可以使涂层重新熔化并凝固，原堆叠的层状、多孔组织变得致密和均匀，常用的热扩散重熔处理有激光重熔、火焰重熔和感应重熔等。

2. 4添加新材料

在喷涂粉末中添加某些特定元素会有效地降低涂层孔隙率。在喷涂金属陶瓷中加入La，Ce等稀土元素网，能够减缓涂层层状波动幅度，细化组织、减少孔隙，得到较为均匀、致密的涂层，从而提高涂层的显微硬度、弹性模量、结合强度，降低摩擦系数，并增强涂层耐磨损性和耐腐蚀性。

3．发展方向

随着降低热喷涂孔隙率的要求越来越高，各种封孔技术不断出现，当前还有将成熟的工艺或技术结合应用，集各种封孔技术的优点于一体，使其防护效果达到最大化的综合应用方案。当前，降低涂层孔隙缺陷、提高涂层耐腐蚀性的主要发展方向可归纳为以下方面：

(1)热喷涂层材料通过研发喷涂性能良好的材料或对涂层材料进行改性，得

到结构致密的涂层。

(2)热喷涂方法研发大能最和高喷涂速度的喷涂技术，提高涂层堆积成形性能或冲击力，提高涂层成形致密性。

(3)封孔材料在研究不同腐蚀环境下的热喷涂材料的同时，必须研究与不同涂层材料相配合使用的封孔介质，确保封孔材料同时具有良好的耐腐蚀性能，并能进入涂层孔隙深处，将涂层孔隙较好地封闭，对金属构件起到良好的保护作用。

(4)封孔技术随着封孔处理逐渐广泛的应用，研制出新的封孔技术，以达到更好的封孔效果。

(5)封孔效果评定封孔剂渗入越深，其防护效果越好。关于渗入的深度，目前还没有出现较为科学、可行的检测方法及相关研究。封孔剂的渗透性、流动性、茹度以及与涂层材料的相容性等都将影响其渗入的深度。

二．热喷涂技术在国内外钢桥防腐蚀中的应用

1．钢桥热喷涂防腐蚀技术

钢桥早期的涂装技术主要是刷涂，即人工用刷子涂漆的方法，施工过程中劳动强度大、生产效率低，目_施工质量难以控制，仅适合部分位置受限的小构件喷涂。之后由于世界各大钢桥建设国家对钢桥防腐蚀提出更高的要求，桥梁防腐蚀涂装技术获得迅猛发展，热喷涂技术相继被成功地应用到钢桥的防腐保护中。

热喷涂是依靠专用设备产生的热源，把金属或非金属固体材料加热熔融或软化，并利用热源自身的动力或外加高速气流雾化，使雾化的喷涂材料快速喷射到经过预处理干净的基体表而形成涂层。热喷涂主要包括火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂等。

1.1火焰喷涂

氧一乙炔火焰喷涂是以氧气、乙炔气燃烧火焰作为热源，将锌丝、铝丝等加热到熔融或高塑性状态，在压缩空气高速气流的泄引下，将熔融化的锌、铝雾化喷射到预先准备的喷砂表而形成涂层，再加以封闭处理。取得一些成功应用实例，产生明显的社会经济效益。可由于涂层结合力差和喷涂效率低，喷涂过程质量控制不稳定等因素，限制了它的发展。

1.2电弧喷涂

利用电弧喷涂设备的电源将两根带电金属丝送入电弧喷枪，在低电压大电流作用下，使两根金属丝尖端产生电弧，在电弧的高温作用下，金属丝材呈熔融状态，经压缩空气迅速喷吹至预先处理好的金属表而上，形成电弧喷涂层。电弧喷涂微粒与基体材质之间，以及各微粒之间以机械结合为主，伴以物理和化学结合，微颗粒迅速将自身动能和热能转换成与基体的结合能。电弧喷涂层对钢铁基体进行保护，对电弧喷涂层进行封闭处理形成长效防腐复合涂层。

2.喷涂纳米涂层

纳米技术的诞生使传统材料的硬度和韧性同时得到很大提高，在此基础上通过先进材料处理技术使具有高硬度、高化学稳定性能等诸多优点的纳米硬质陶瓷颗粒均匀弥散地分布于金属基体表面，这样就可以进一步提高材料的硬度与耐磨耐蚀性能，同时又能保证材料的韧性不下降，从而大幅度提高传统材料的耐磨耐蚀性能。热喷涂纳米涂层材料技术是指用纳米结构粉末（或其他形式）材料，采用热喷涂工艺技术，在基体表面制备纳米结构涂层或纳米结构复合涂层，达到强化、改性，或者赋予基体表面具有纳米材料性能的技术。目前，利用热喷涂技术制备纳米涂层主要采用两种方式：一是制备具有部分纳米特征的宏观涂层。即在制备时将含量相对较少的纳米颗粒加入传统图层中，使传统涂层成为纳米颗粒弥散强化的、具有一定纳米特征的复合涂层；二是制备完全由纳米颗粒构成的宏观涂层。即让厚度在微米甚至毫米量级的宏观涂层完全由纳米颗粒构成，而赋予涂层极为优异的工程性能。纳米结构涂层的开发研究还处于起步阶段，但是由纳米粉体材料形成的表面纳米结构，其潜在的应用范围涉及整个高新技术产业、民用工业和国防等重要领域。与传统涂层相比，纳米结构涂层在强度、韧性、耐磨等方面的性能大幅度提高。

3.热喷涂防腐技术应用实例

20世纪50.60年代，美国焊接脚会、美国海军上木工程实验室、英国钢铁公司、法国地下铁道公司及前苏联均对热喷涂锌、铝涂层在各种大气条件下的耐蚀性做了长达5- 19年的试验，并得出了基本一致的试验结果。喷铝涂层达到一定厚度，不论涂层封闭与否，在海水、海洋大气、工业大气中，均能保证钢铁构件在19年内不腐蚀。随后，热喷涂防腐蚀技术在国外钢桥建设中得到大量应用。

我国将热喷涂技术应用于桥梁防腐蚀始于1957年的武汉长江大桥。1968年