热喷涂技术

热喷涂技术

摘要: 介绍了热喷涂工艺的现状，热喷涂工艺的特点,常见热喷涂方法，对火焰喷涂、爆炸喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、激光喷涂、反应热喷涂和冷喷涂等9种不同的热喷涂工艺的优缺点进行了分析。并对热喷涂技术的应用概况，热喷涂技术的发展方向做出了展望。

关键词: 热喷涂；涂层；热喷涂应用；热喷涂进展

0 引言

高新技术的飞速发展, 对提高金属材料的性能, 拓宽它的功能, 延长仪器设备中零部件的使用寿命提出了越来越高的要求。而当前又面临高性能结构材料成本逐年上升的问题,为同时解决这两个方面的问题，近年来表面工程发展很快, 尤其是热喷涂技术获得了巨大的进展。热喷涂是一种用专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上,形成特制薄层,以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的材料表面处理技术。由于采用热喷涂技术,可以使基体材料在耐磨性、耐蚀性和绝缘性等方面的性能得到改善，而且热喷涂技术可以喷涂各种金属、合金、陶瓷、塑料及非金属等大多数固态工程材料，所以能制成具备各种性能的功能涂层，再加之该技术施工灵活，适应性强，应用面广，经济效益突出，尤其对提高产品质量、延长产品寿命、改进产品结构、节约能源、节约贵重金属材料、提高工效、降低成本等方面都有重要作用。鉴于其以上各方面优点，目前在包括航空、航天、原子能设备、电子等尖端技术在内的几乎所有领域内,热喷涂技术都得到了广泛的应用, 并取得了良好的经济效益。热喷涂成为金属表面科学领域中一个十分活跃的学科。随着工业和科技的发展，人们对热喷涂技术提出了越来越高的要求，在已有的热喷涂工艺不断得到改进的同时，一些新的工艺也应运而生。本文就热喷涂工艺现状，工艺特点，热喷涂方法及近年来国内外热喷涂新工艺、新技术及其进展进行了概述。

1 热喷涂工艺的特点

自1910年瑞士肖普（Schoop）博士发明了一种火焰喷涂装置（即热喷涂）以来，热喷涂技术已有很大发展，尤其是20世纪80年代以来，热喷涂工艺、设备、喷涂材料以及施工都有了突飞猛进的发展,从早期制备一般装饰性和防护性表面,发展到制备各种功能的功能性涂层；由旧件的修复工艺发展成新产品的强化工艺；由单一涂层发展到多层的包括产品失效分析、涂层设计、工艺设计和施工,以及质量检测和控制在内的系统工程,成为像铸、锻、焊、热处理一样的独立的热加工工艺。

热喷涂技术的基本特点是它具有真正的叠加效果。也就是说, 多种成分及变量在同时作用和正在应用时所产生的效果,远远比这些成分或变量在单独状况下所产生的效果要大。热喷涂技术与其他各种表面技术相比,有其自身的特点:

(1)几乎适用于各种材料对零件表面的喷涂。如金属、陶瓷、金属陶瓷、玻璃,有机化合物、工程塑料、木材、布、纸等。

(2)基体温度低。基体温度一般在30—200°C之间，变形小，热影响区浅。

(3)操作灵活。可喷涂各种规格和形状的物体，特别适合于大面积涂层，并可在野外作业。

(4)涂层厚度范围宽。从几十微米到几毫米的涂层都能制备，且容易控制。

(4)工艺操作程序简单,效率高，成本低。喷涂时生产效率为每小时几公斤到几十公斤，经济效益显著。

(7)可赋予普通材料以特殊的表面性能。

但是,作为一种表面处理技术,它也存在许多不足之处,比如涂层存在结合力较低、热效率低、材料利用率低、孔隙率较高、均匀性较差等问题。此外,对于较小的制品,喷涂效率较低,也很不经济。

2 热喷涂方法的种类及其技术

热喷涂是将喷涂材料加热熔化并雾化,然后高速喷射到基材表面,形成具有足够粘着强度的所需涂层的工艺,完成工件热喷涂的一般工艺流程为：工件的表面准备→工件的喷涂→工件的喷涂后处理。整个过程除与设备类型有关外,还涉及喷涂材料,热源和喷射速度。喷涂材料包括金属、陶瓷和塑料等。热源主要有氧燃料火焰、直流电弧等离子和激光等几种。粉粒的速度决定着热喷涂层的密度, 粉粒速度越快,涂层越致密。传统的热喷涂方法按热源的不同，可分为燃烧法和电热法，前者包括火焰喷涂、爆炸喷涂；后者包括电弧喷涂、等离子喷涂。近年来，随着人们对涂层性能要求的进一步提高，广大科学工作者通过不断创新，在原有基础上发展了超音速火焰喷涂和超音速等离子喷涂。同时，又相继开发了激光喷涂、反应热喷涂和冷喷涂等工艺。下面将分别予以介绍。

2.1 火焰喷涂法

火焰喷涂法是最早的一种喷涂方法,它利用氧和可燃性气体的燃烧火焰,把

焊丝、焊棒或粉末状的喷涂材料加热,使其在熔融或接近熔融的状态下喷向基体材料表面而形成涂层。火焰喷涂具有设备简单,工艺成熟,操作灵活，投资少,见效快等优点。采用火焰喷涂法技术,可以制备各种纯金属、合金、陶瓷及塑料等涂层,是目前喷涂技术中使用较广泛的一种工艺。

火焰喷涂法依涂层材料的外形又分为熔丝法、熔棒法和粉末法三种类型。熔丝法应用能够形成丝材的各种金属和合金作为喷涂材料。熔棒法以陶瓷(氧化铝、氧化铬等)制成棒状作为喷涂材料,而那些不易制成丝材(铝锌合金、自熔合金等) 的合金粉和低熔点的陶瓷粉,则以采用粉末法为宜。

2.2 爆炸喷涂法

爆炸喷涂法是一项技术难度较大、工艺性能较强的喷涂技术,它利用氧和可燃性气体(乙炔等)的混合气体,经点火后在喷枪中形成爆炸高温(温度在3300℃上)，加热喷涂材料(微细粉末)，并利用爆炸波产生的高压,把喷涂材料高速地喷向基体表面而形成涂层。颗粒速度大,是爆炸喷涂区别于火焰喷涂的主要特点。

爆炸喷涂的最大特点是涂层非常致密,气孔率很低(约为1%～ 2% )，与零件基体金属结合性强,表面平整。可以喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷材料。尽管它具有很多优点,但仍因其设备价格高、噪音大,属氧化性气氛等原因,国内外使用还不广泛。

2.3 电弧喷涂法

电弧喷涂法是在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧,电弧产生的热使金属焊丝逐步熔化,熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面形成涂层。在电弧喷涂的过程中,雾化的颗粒速度最高可达180～335m/s,电弧最高温度可达5000℃。它的优点是:喷涂效率高(相对其他喷涂工艺而言)；质量易保证；其熔化喷涂的涂层结合强度高于一般火焰喷涂；能源利用率高(对等离子喷涂而言)；设备投资低；对各种金属材料都能喷涂,大量地应用于防腐、耐磨等工程。目前,电弧喷涂法已经从一种粗糙的高喷涂率的技术演化为能以低成本生产具有高质量涂层的较为精密手段。

2.4 等离子喷涂法