11.热喷涂涂层(借鉴材料)

20世纪80年代以来，低压等离子喷涂和超音速火 焰喷涂也相继问世。热喷涂技术在自身不断发展 与完善的同时，在各个应用领域也取得了很大的 成就。
例如美国PWA飞机发动机公司对2800多个发动机零
部件的48种材料进行热喷涂，使发动机的大修期
从4000小时延长到16000小时以上。
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热喷涂工艺分类
线材由于受加工性能的限制，只有塑性好的材料才可以制造成线材。
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常用热喷涂材料
虽然热喷无机涂层适合的材料范围很广泛，但是由于热喷涂技术工 艺的特殊性，对热喷涂材料仍有一定的限制。常用热喷涂材料集中 在以下范围内：
①金属热喷涂材料
金属热喷涂材料一般有线材和粉末两种形式。线材是用普通的拉拔 方法制造的，而粉末一般是用雾化法制造的。由于粉末材料表面积 大，氧化程度高，所以在方便的条件下推荐采用线材。但粉末制造 方法简单、灵活，材料成分不受限制，因此小批量热喷涂时一般采 用粉末材料。
以及颗粒与颗粒之间互相黏结在一起，从而形成了无机涂层。
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无机涂层形成过程示意图
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热喷涂发展历史
热喷涂技术由瑞士科学家肖普（Schoop）博士于 1910年发明，1920年后出现了电弧喷涂技术。
20世纪50年代后期，为满足航空、原子能、导弹、 火箭等尖端技术对于高熔点、高强度无机涂层的 迫切要求，美国相继发明了爆炸喷涂和离子喷涂。
根据所使用的热源不同，一般将热喷涂 工艺分为：
燃烧法； 电加热法。
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热喷涂工艺的分类
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常用的热喷涂技术是线材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、
电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速火焰喷涂技 术。下图给出了各种热源的典型喷枪特征。
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热喷涂技术的特点
热喷涂可在各种基体上制备各种材质的无机涂层 金属、 陶瓷、金属陶瓷以及工程塑料等都可用作热喷涂的 材料；而金属、陶瓷、金属陶瓷、工程塑料、玻璃、 石膏、木材等几乎所有固体材料都可以作为热喷涂 的基材；
热喷涂无机涂层
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热喷涂原理
热喷涂是采用各种热源使无机涂层材料加 热熔化或半熔化;
然后用高速气体使无机涂层材料分散细化 并高速撞击到基体表面;
形成无机涂层的工艺过程。
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热喷涂原理示意图
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从喷涂材料进入热源形成无机涂层 经历四个阶段
喷涂材料的加热、熔化：对于线材，当端部进入热源高温区域时，
粒子与基材表面发生碰撞、变形、凝固和堆集：当具有一定温度
和速度的微细颗粒与基体表面接触时，颗粒与基材表面产生强烈
的碰撞，颗粒的动能转化为热能并部分传递给基材，同时微细颗
粒沿凸凹不平表面产生变形，变形的颗粒迅速冷凝并产生收缩、
呈扁平状黏结在基材表面。喷涂的粒子束连续不断的运动并冲击
表面，产生碰撞变形冷凝收缩的过程，变形的颗粒与基材之间，
采用的塑料涂层材料熔化温度范围应较宽、 粘度较低、热稳定性好，一般采用粉末形 式。
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热喷涂用复合粉末材料
热喷涂用复合材料分为两种：
一种是为适应热喷涂工艺而制备的复合材料，例 如，为防止碳化钨材料在喷涂过程中氧化分解而 制备的镍包碳化钨复合粉末材料，它们是当前热 喷涂用复合材料的主流：
基体温度低 基体材料温度一般在30—200℃之间，因此 变形小，热影响区浅；
操作灵活 可喷涂各种规格和形状的物体，特别适合于 大面积喷涂，并可在野外作业；
无机涂层厚度范围广 从几十微米到几毫米的无机涂层 都能制备，且容易控制；
喷涂效率高，成本低，喷涂时生产效率为每小时数公斤
到数十公斤。
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钴铬钨（司太立合金）
镍铬铝钇
铜基合金
纯铜（紫铜）
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常用的陶瓷热喷涂材料
陶瓷无机涂层材料种类
氧化铝基材料
氧化铝
氧化铝-氧化钛
氧化铬
氧化铬
氧化锆
氧化锆-氧化钙
氧化锆-氧化镁
氧化锆-氧化钇
莫来石
莫来石
尖晶石
尖晶石
锆英石
锆英石
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塑料热喷涂材料
热喷涂塑料涂层比传统的刷涂、静电喷涂、 流化床喷涂塑料无机涂层的成本低、投资 少，无机涂层厚度与工作场地无限制，不 含溶剂，符合环保要求。
②陶瓷热喷涂材料
陶瓷热喷涂材料最主要的形式是粉末，制造方法有熔融破碎、化学 共沉积、喷雾干燥等。另外，将陶瓷粉末烧结制成陶瓷棒可直接喷 涂，但成本相对较高，因此应用很少。
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常用金属热喷涂材料
金属无机涂层材料种类
铁基合金
低碳钢材料
高碳钢材料
不锈钢材料
镍基合金
镍铬合金
镍铜合金
镍铬铝钇
钴基合金
热喷涂技术的局限性
热喷涂技术的局限性主要体现在 热效率低； 材料利用率低； 浪费大； 和无机涂层与基材结合强度较低。 尽管如此，热喷涂技术仍然以其独特的优点获得
了广泛的应用。
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热喷涂材料的技术要求
热喷涂材料最好有较宽的液相区，因为无机涂层材料需要熔化后才 能喷涂到基体上去，而较宽的液相区可以使熔滴在较长的时间内保 持液相。一般金属材料和氧化物陶瓷材料都适合热喷涂技术。但如 果材料在高温下易分解或挥发，则不适合用热喷涂技术喷涂无机涂 层。
立即被加热熔化；对于粉末，进入热源高温区域，在行进的过程 中被加热熔化或软化。
熔化的喷涂材料被雾化：线材端部熔化形成的熔滴在外加压缩气 流或热源自身射流作用下脱离线材，并雾化成微细熔滴向前喷射：
粉末一般不存在熔粒被进一步破碎和雾化的过程，而是被气流或 热源射流推着向前喷射。
熔融或软化的微细颗粒的喷射飞行：在飞行过程中，颗粒首先被 加速形成粒子流，随飞行距离增加，粒子运动速度逐渐减小。
其次，对无机涂层材料的形状与尺寸也有要求。一般喷涂用材料都 必 须 是 线 材 或 粉 末 材 料 。 线 材 的 规 格 一 般 为 φ1~3mm ， 而 粉 末 为 φ1~100µm之间。用来生产线材和粉末材料的方法都可以用来生产 喷涂用线材和粉末。
粉末材料热喷涂的重要特点是材料成分可按任何比例调配，组成复 合粉末，获得某些特殊性能的无机涂层。
另一类是通过增强相增强无机涂层性能的复合材 料，如纤维增强无机涂层材料，这类材料目前还 在研究探索过程中。
从形式上看，热喷涂复合材料分为复合丝材和复 合粉末材料。
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热喷涂无机涂层形成过程