热喷涂技术综述

热喷涂综述

一、热喷涂的定义

热喷涂技术，是采用某种高温热源，将欲涂覆的涂层材料熔化或至少软化，并用气体使之雾化成微细液滴或高温颗粒，高速喷射到经过预处理的基体表面形成涂层的技术。

当热源的比能量足以使基体表面发生薄层熔化，与喷射的熔融颗粒形成完全致密的冶金结合涂层时，称为热喷焊，简称喷焊。

使用高温热源，如氧——可燃气体燃烧火焰、电弧、等离子电弧、激光束、爆炸能等，是热喷涂技术区别于其他喷涂方法和表面涂覆方法的主要特征。不同热源的最高温度列于附表。

附表：不同热源的最高温度

二、热喷涂技术的特点

采用热喷涂技术，制备各种表面强化和表面防护涂层，具有许多独特的优点。

(1)能够喷涂的材料范围特别广，包括各种金属及合金、陶瓷及金属陶瓷、塑料、非金属矿物等几乎所有固态工程材料。因而能够制备耐磨、减摩、耐蚀、耐高温、抗氧化、绝缘、导电、催化、辐射、防辐射、抗干扰、超导、非晶态及生物功能等各种功能涂层；

(2)能够在多种基体材料上形成涂层，包括金属基体、陶瓷基体、塑料基体、石膏、木材甚至纸板上都能喷涂，被喷涂的材料范围也十分广泛；

(3)一般不受被喷涂工件尺寸和施工场所的限制，既可厂内施工，也可现场施工；

(4)涂层沉积效率较高，特别适合沉积薄膜涂层。涂层厚度可以控制，从几十微米到几毫米甚至可厚达20mm；

(5)除喷焊外，热喷涂施工对基体的热影响很小，基体受热温度不超过200℃，基体不会发生变形和性能变化；

(6)在满足强度要求的前提下，制件基体可以采用普通材料代替贵重材料，仅涂层使用优质材料，使“好钢用在刀刃上”；

(7)热喷涂施工艺灵活，方便，迅速，适应性强。

当然，热喷涂技术也有如下一些缺点。

(1)除喷焊外，热喷涂涂层与基体的结合主要是物理机械结合，结合强度不大高，涂层耐冲击和重载性能较差；

(2)喷涂涂层含有不同程度的孔隙，对于耐腐蚀、抗氧化、绝缘等应用，一般不如整体材料。但可通过复合涂层系统设计等方法予以改进提高；

(3)喷涂小件时，涂层材料的收得率低；

(4)热喷涂手工操作时的劳动条件较差，有噪音、粉尘、热和弧光辐射问题，必须注意劳动保护措施。

尽管如此，由于热喷涂技术具有上述许多独特的优点，已被广泛地应用于航空、航天、冶金、能源、交通、石油化工、机械、轻纺等工业部门，成效十分显著。

三、热喷涂涂层的结构

热喷涂涂层是将熔融或至少软化的粒子，高速喷射到基体上，发生碰憧、变形、快速凝固、堆积等过程，最后形成涂层。附图是典型的热喷涂涂层结构示意图。

附图:热喷涂涂层结构示意图

1-涂层;2-氧化物夹杂;3-孔隙或空洞;4-颗粒间的粘接;5-变形颗粒;6-基体粗糙度;7-涂层与基

体结合面

从附图可以看出，热喷涂涂层的组织结构具有如下特点：

(1)涂层粒子因碰撞变形而呈扁平状堆积结构，具有各向异性。涂层与基体之间的结合主要是物理机械结合；

(2)涂层颗粒堆积、重叠过程中，颗粒之间必然存在一定程度的孔隙和气孔；

高温颗粒在喷射过程中，会与喷射气体或周围环境气氛发生某种程度的化学反应，如与环境中的空气作用发生(3)氧化。因此，涂层组织中可能含有少量的氧化物夹杂；

(4)由于高温颗粒喷射到基体表面快速冷却凝固，由于涂层材料与基体材料的热物理性能特别是热膨胀系数的差异，使涂层中形成相当的热应力和残余应力。控制和处理不好，有可能使涂层发生裂纹甚至剥落；

(5)热喷涂涂层的表面为粗糙的毛面，具有较高的表面能，这为复合涂层设计和制造提供了良好的基础。

根据热喷涂涂层结构的这些特点，显然，在热喷涂涂层的设计和施工中，应努力做到：制备清洁活化的基体表面以提高涂层与基体的界面性能；提高喷射颗粒的速度以获得高的动能；保证喷射颗粒良好的受热及熔化状态，以达到足够的热能；控制涂层的应力状态、应力大小和应力分布；尽可能减少或避免喷射的高温颗粒在喷涂过程中与周围环境气氛发生有害的化学反应，乃是获得优质涂层的主要条件。

四、热喷涂层的应用范围

１、耐磨损——热喷涂技术在高温和低温下最大的应用领域。这类涂层具体分为以下几种：（1）耐粘着磨损或划伤——两个表面相对滑动，碎屑从一个表面粘到另一个表面时，发生粘着磨损或划伤。专用典型涂层为钴基碳化钨、碳化铬/镍铬涂层。

（2）耐磨粒磨损——当较硬表面在较软表面上滑动，而且两表面之间存在磨损时，发生磨粒磨损。当纤维和丝线在表面高速通过时，也发生磨粒磨损。专有典型涂层为钴基镍铬合金、自熔合金混合钼、氧化铬涂层。

（3）耐微振磨损——重复加载和卸载产生周期应力导致表面开裂和大面积脱落。专用典型涂层为氧化铝/二氧化钛涂层。

（4）耐气蚀磨损——液体流动在表面产生机械冲击。专用典型涂层为铝青铜涂层。

（5）耐冲蚀磨损——气体或液体携带粒子高速冲击表面时，发生冲蚀磨损。专用典型涂层为氧化铝/二氧化钛、氧化铝涂层

２、耐高温抗氧化——这类涂层抗化学或物理分解，改善零件的高温性能。这类涂层分为以下几种：

（1）热障涂层——在零件和高温环境之间充当热屏障。典型涂层为用氧化钇做稳定化处理的氧化锆涂层。

（2）抗高温氧化涂层——保护基体抗高温氧化。典型涂层为镍/铬涂层。

（3）耐热腐蚀涂层——保护暴露在热腐蚀性气体中的基体。典型涂层为镍/铬涂层。

3、防腐蚀涂层——选择这类涂层比较复杂，因为零件在服役状态，环境温度和各种介质对涂层材料都有一定的要求，一般采用钴基合金、镍基合金和氧化物陶瓷等作为涂层材料，通过提高涂层的致密性，堵住腐蚀介质的渗透；合理选择涂层材料与零件基材的氧化/还原电位，防止电化学腐蚀，涂敷抑制腐蚀的封孔剂。

4、导电涂层或绝缘涂层——这类涂层又分为以下几种：

（1）导电涂层——专用典型涂层为铜涂层。

（2）绝缘涂层——专用典型涂层为氧化铝涂层。

（3）屏蔽涂层——抗电磁干扰（EMI）或高频干扰（RFI）专用典型涂层为铜涂层。

5、恢复尺寸涂层——这类涂层主要用于修补因磨损或加工超差的零件。对涂层材料的选择主要取决于零件的使用要求。

6、间隙控制涂层——这类涂层提供紧密的封严间隙，显著提高设备性能和运转效率。与配合零件接触时，涂层优先受控磨损。典型涂层为镍/石墨、聚酯铝混合物、铝/石墨涂层。

五、热喷涂工程系统设计

要想采用热喷涂涂层，获得防磨防腐蚀应用的成功，必须十分注意热喷涂工程的系统设计，主要包括如下内容：