热喷涂材料的应用与发展

热喷涂材料的应用与发展

一、热喷涂材料与技术

热喷涂技术是表面工程领域中的十分重要的技术，在过去的十年中，热喷涂技术发展迅速(每年增长5￣10％)，1997年全球热喷涂产值已高达13.5亿美金。在各种新型、优质热喷涂技术不断涌现的情况下，热喷涂材料已成为制约热喷涂技术应用和发展的关键。

热喷涂材料分类，通常

按材料形态有喷涂粉、丝材、粉芯丝材等；

按材料种类有金属及特殊金属材料、有机聚合物材料、陶瓷材料、生物材料；

按涂层结构有纳米涂层材料、合金涂层材料、非晶态涂层材料以及由这些材料复合构成的复合涂层材料。

目前，为了满足对材料多功能、高性能等的要求，多种材料的复合、纳米材料、新型合金或非晶材料的使用成为热喷涂材料发展的主要趋势。

二、热喷涂材料的现状与发展

热喷涂技术的完善和发展，热喷涂技术的应

然而，热喷涂技术的突出特点又使其应用极具潜力。主要表现在：

①表面工程和多种复合材料的结合在材料设计中具有明显的优势；

②可方便地调整材料的化学成分；

③能够动态形成具有特殊结构性能的复合材料；

④多种材料和多种技术的复合可获得优异的性能。

因此热喷涂材料的研究是21世纪热喷涂发展的决定性因素，也是热喷涂技术发展的动力。

1、特殊金属材料

锌、铝金属是最常用的热喷涂材料，此类材料已广泛应用于钢构件在苛刻环境条件下的腐蚀保护。目前，热喷涂金属材料研究较多的是一些合金材料。英国 Leater T等学者最新开发的线材电弧喷涂Zn-15wt％A1 合金涂层的抗红锈能力明显优于单一金属的涂层。结果表明，由锌丝、铝丝同时喷涂制备的“伪”合金涂层所具备的抗盐雾能力与其传统的合金层相似，“伪”合金中双相显微弥散是很重要的。

热喷涂用金属合金材料主要有Ni基合金(Ni-20％Cr，Ni-50％Cr、625合金)、Ni 基自熔剂合金(Nil8Crl3MoFeCuBSi：Nil8Cr4MoFeCuBSi，Ni26CrBSi)、Cr基合金(Cr -38％Ni-2.5％Mo-0.5％B-1.0％Si)，新近开发的这种Cr基合金在85％V205- 15 ％ NaCl熔盐槽中900 ℃下进行该合金抗腐蚀试验表明该合金具有极好的抗腐蚀性能，该合金的腐蚀失重约为Ni-20％Cr合金失重的1／7。

目前，新开发出一种冷喷涂工艺，又称冷气体动力喷涂，该方法可显著提高气流速度，达1500m／s以上，同时保持喷涂粒子是固态，通过高速粒子动能使粒子冲击到基材表面发生塑性变形，从而形成涂层。该方法可有效抑制涂层金属粒子氧化，减少化合物粒子的分解、相转变，确保涂层的相结构和性能；而且涂层的热应力减少，呈塑性变形压应力，有利于涂层抗磨性的提高。因此用该方法喷涂的Cu、 Ti涂层中氧化物含量低，涂层致密，结合强度高，可满足特殊工矿的使用要求。

近年来，有关热喷涂非晶材料的研究成为学者们关注的一个焦点。有报道表明某些非晶态金属合金比相似成分的晶态合金具有高得多的耐磨性和耐蚀性。因此，很多学者试图利用

涂层状态的非晶态合金来降低磨损和腐蚀。

Jin H.-W.，等人研究了爆炸喷涂Fe-Cr-B合金涂层的微观组织和耐磨性。研究表明，Fe-Cr-B合金涂层在滑动摩擦过程中动态产生非晶态表面膜，导致涂层的耐磨性显著提高，同时摩擦系数显著降低。这种涂层在摩擦过程中向非晶态转变主要是由于含有过饱和B 和 Si 的Fe-Cr固溶体相造成的。此类在涂层表面能动态形成非晶态层的结构材料具有极大的应用潜力，可用于在苛刻条件下工作的滑动摩擦部件的抗磨和防腐。

Wang B等人考察了几种试验性非晶态热喷涂涂层的高温耐蚀性能。结果表明，Duocor 涂层具有最好的耐蚀性能，与AISI钢相比，材料的腐蚀减少26倍；XJ-16，60T和Armacor M 涂层具有相同的耐蚀能力，材料腐蚀减少了近7倍。这些涂层的高温耐蚀性是由于高密度和细微的板条组织造成。

Kishi-take等采用低压等离子喷涂设备(LPPS)制备的Fe—10Cr-13P-7C合金的非晶涂层，具有非常好的抗腐蚀性。

此外，Otsubo 等用低压等离子喷涂(LPPS)、高速火焰喷涂(HVOF)和高能等离子喷涂(HPS) 分别制备了Fe-Cr(—Mo)-C(—P)金属合金非晶涂层。结果发现，LPPS涂层中只有非晶相，而其它涂层是非晶与晶体相的混合，涂层均显示出很高的硬度。在773K或更高温度下可实现非晶的晶体化，此时涂层具有很高的硬度，维氏硬度可达1000-1400kg／mm2。用LPPS制备的全非晶相涂眉具有最高的耐蚀性，所有的非晶涂层的耐蚀性均比18-8 不锈钢涂层的好。

另外，研究表明，在用电弧喷涂工艺制备非晶态合金涂层材料 Fe-Cr-C、Fe-B时，加入稀土材料形成的Fe-B-REM 非晶涂层可以显著提高涂层的性能，以上的研究说明非晶材料将会成为热喷涂防腐、抗磨涂层领域研究和应用的—种极具发展潜力的材料。

此外，准结晶也是在材料学中最新引入的热点之一，它具有有序度好但非周期性的结构特点。它带有阻止旋转的对称性。在工程应用中准晶的潜在用途如硬度、刚度，低摩擦，抗磨损、抗氧化性能在最近已开始引人注目。Tasi等发现A1-Cu-Fe 系统形成准结晶相，它在非常接近熔点温度下稳定，Sordeklet 等研究用等离子喷涂A1-25Cu-12Fe准结晶的涂层来代替电沉积铬涂层的可行性。

2、陶瓷材料

陶瓷材料因为其优异的高温性能如：高温稳定性好、硬度高、熔点高，而成为热喷涂技术中常用的一种喷涂材料。这类材料主要用于高温部件(发动机等)的腐蚀、氧化及磨损防护。如用大气等离子喷涂方法制备的Zr02-Si02陶瓷涂层，该材料喷涂后形成立方t-Zr02和无定形a-Si02涂层结构。通过1473K热处理，T-Zr02 相转变为单斜m-Zr02，涂层中的裂纹小时，开孔孔隙下降，该涂层可用于恶劣工况下防腐和抗氧化保护。然而,单一的陶瓷涂层因为其具有较多的孔隙、较差的断裂韧性和与金属底材差别较大的热膨胀系数而受到较大的限制。

因此，金属陶瓷涂层的研究和应用研究较多。目前此类涂层材料主要集中在Cr3C2-(NiCr) 、WC-Co或WC — Co-Cr、WC-Cr-Ni、TiC-CrNiMo等的性能研究和应用。Cr3C2—(NiCr)金属陶瓷涂层高温稳定性好、硬度高、热膨胀系数与钢接近，主要用于高温抗氧化、磨损和腐蚀，如高温密封系统和汽轮机耐冲刷。

法国学者Bartys等应用空气等离子喷涂和爆炸喷涂等方法制备的Cr3C2-(NiCr)涂层致密，在高温各种载荷和速度下均表现出优异的抗磨性和摩擦系数稳定性，用于高能铁道制动器部件及一些高温抗磨部件具有较好的效果。

WC基金属陶瓷涂层材料适宜于各种磨粒、冲蚀和滑动磨损。WC-Co 基金属陶瓷涂层常用于切削刀具，该类涂层的抗蚀性较差，加入Cr元素后形成的WC-Co-Cr可显著改善抗腐蚀