1、热喷涂技术应用与发展尚晓娟 205110803 金材 111摘要：本文综述了热喷涂技术的工艺，分类，应用，热喷涂材料等。分析了热喷涂涂层材料的主要功能， 介绍了常用的热喷涂涂层材料，探讨了热喷涂技术与涂层材料的发展趋势。关键词：热喷涂技术； 应用 ； 发展Thermal Spray Technology and DevelopmentXi a o Juan S hang 205110803 J in c a i 111Abstract: This paper reviews the process of thermal spray technology, classification, app
2、lications, thermal spray materials. Analysis of the main functions of thermal spray coating material, describes the common thermal spray coating material. Discusses the development trends of thermal spray technology and coating materials.Keywords: Thermal Spray Technology ； Application ；Development0
3、 引言热喷涂技术是一种材料表面强化和保护的新技术，利用不同的热源和喷涂设备，可以制备防腐、耐磨、减磨、抗高温、耐氧化、隔热、绝缘、导电和防微波辐射等一系列多种功能的涂层。它可以在设备维修中修旧利废，使报废了的零部件“起死回生 ”；也可以在新产品制造中进行强化和预保护，使其“益寿延年”。可以大量节约能源、节约材料、提高功效、降低成本，特别适合我国国情，符合我国现行的经济政策。是当前国家提倡的节能减排、低能耗、高效率的一项重要实用技术。近年来，热喷涂技术以其方法成熟、效率高、设备简单、成本较低的优势，已成为材料科学的一个重要分支 1 。1、热喷涂技术热喷涂技术目前在中国已经得到了比较广泛的推广应用
4、，其原理是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层。不同的喷涂材料和工艺方法可获得不同功能的涂屋，从而满足不同的需求.热喷涂是以一定形式的热源将粉状、丝状或棒状喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，同时用高速气流使其雾化，喷射在经过预处理的零件表面，形成喷涂层，用以改善或改变工件表面性能的一种表面工程技术 2 。其工艺流程：工件表面预处理(净化，毛化)一喷涂一后处理。热喷涂技术与其他表面工程技术相比有以下特点 3 ：(1)热喷涂技术的种类多；(2)喷涂材料多，涂层功能多；(3) 适用热喷涂的对象范围宽；(4)设备简单、生产率高，适于大面积作业。热
5、喷涂技术大致可分为火焰喷涂技术、等离子喷涂技术、冷喷涂技术和电弧喷涂技术等。1.1 火焰喷涂技术火焰喷涂技术采用的热源形式为火焰 2 ，可喷涂金属、陶瓷、塑料等材料，应用非常灵活，喷涂设备轻便简单，可移动，价格低于其他喷涂设备，经济性好，是目前喷涂技术中使用较广泛的一种方法。粉末火焰喷涂装备系统 5 主要包括如下部分： （1）气源系统：包括可燃气储瓶或发生器，助燃气（氧气）瓶，干净、无油、干燥的压缩空气；（2）控制系统：包括乙炔氧气的流量控制与调节，空气滤清器及流量控制，压力表及压力调节；（3）粉末火焰喷枪；（4）辅助设备：点火枪、快速接头、防爆橡胶管、烘箱、分筛、护目镜等；工作机床：通常为普
6、通车床或专用立式喷涂机床，适于在圆柱类、圆盘状规则形状工件上形成均匀的涂层。1.2 等离子喷涂技术等离子喷涂采用的热源形式为等离子弧 2 。等离子弧弧柱细，电流密度大，气体电离度高，具有温度高、能量集中、弧稳定性好等特点，常被应用于防腐、耐磨等陶瓷涂层的制备。目前国内外采用等离子喷涂技术在镁合金表面制备 Al 涂层的相关研究报道较少。等离子喷涂技术制备的涂层孔隙率较低，结合性好，用途广，污染小，但是成本相对较高，且喷涂工艺参数与涂层质量的关系尤其紧密。1.3 冷喷涂技术冷喷涂技术是近年来兴起的新型喷涂工艺，主要是利用电能把高压气流加热到一定温度，再将该气流经拉瓦尔管加速至超音速后以加速粉末粒子
7、，使粉末粒子以超音速撞击到基体表面，从而固化形成固化涂层 4 。因此冷喷涂层是形变组织，将其在特殊条件下处理可得到纳米结构的组织。采用冷喷涂技术在镁合金表面获得防护涂层，可防止喷涂过程中镁合金表面的氧化。冷喷涂技术得到的涂层孔隙率低、组织均匀、结构致密、耐蚀性能好，但该技术尚处于初期阶段，仍需开发利用。1.4 电弧喷涂技术电弧喷涂采用的热源形式为电弧 2。由于其设备、材料的发展与更新，目前已成为热喷涂技术中最受重视的技术之一，普遍应用于钢结构防腐蚀、耐磨损和机械零件维修等。电弧喷涂在耐磨、防腐和零件的修复领域具有巨大的应用价值。电弧喷涂Al 涂层的耐蚀寿命可以达到 50 年以上，如果得到合理维
8、护，则其对于钢结构件的防护寿命可延长到 100 年以上。1.5 爆炸喷涂爆炸喷涂是利用可燃气体爆炸产生的冲击波能量，将待涂覆的粉末颗粒加速加热，轰击到基体表面形成涂层。由联合碳化物公司首先研制成功，尽管后来公司解体，但一直没有公开爆炸喷涂工艺涂层制备技术，直到 20 世纪 60 年代，前苏联独立研制出。我国 1 983 年由北京航空材料研究院成功研制出具有独立知识产权的爆炸喷涂设备 6 。1.6 超音速喷涂（HVOF）它是在爆炸喷涂的基础上发展起来的一项新的热喷涂技术，其原理是将助燃气体与燃烧气体或液体在燃烧室中连续燃烧，燃烧的火焰在燃烧室内产生高压并通过与燃烧室出 121 联接的膨胀喷嘴产生
9、高速焰流，喷涂材料送入高速射流中被加热、加速喷射到经预处理的基体表面上形成涂层。与普通火焰喷涂法比较，超音速火焰(HVOF)喷涂具有喷涂温度较低和喷涂速率较高的两个重要特征，从而用 HVOF 制备的涂层具有更高的结合强度和更低的气孔率。与等离子法相比，HVOF 涂层具有结合强度高、氧化物含量低、耐磨性能好以及沉积率高的优势。由于涂层内应力较低，可以制备出更厚的涂层。而且HVOF 喷涂时需要控制的参数只有等离子喷涂的一半，因而喷涂简单，涂层质量重复性好。与爆炸喷涂相比，HVOF 由于粉末颗粒在高温中停留时间短，所以涂层含氧化物量低，化学成分和相组成具有较强的稳定性，残余应力小，可得到比爆炸喷涂层
10、更厚的涂层 6 。不同热喷涂技术制备铁基涂层摩擦学性能 7 ：(1)和高效超音速等离子喷涂和高速电弧喷涂涂层相比，爆炸喷涂获得的涂层结构致密，孔隙率相对较低。(2)在相同的条件下，通过爆炸喷涂技术得到的涂层，残余应力为压应力，而利用高效超音速等离子喷涂方法和高速电弧喷涂方法得到的涂层，其应力表现为拉应力。(3)表面残余应力和纳米硬度与涂层摩擦性能有很好的对应关系。(4)晶粒细化与涂层表面晶格畸变的增加可以有效地提高涂层的耐磨性能。2、热喷涂材料热喷涂材料既要满足使用性能的要求外，还要满足工艺性能的要求，主要包括：（1）材料应具有良好的热稳定性、粉末的固态流动性。（2）材料的热膨胀系数和导热率应
11、与基体材料相近。（3）喷涂粉末的物性要满足喷涂设备的要求 5 。 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。热喷涂用金属合金材料主要有 Ni 基合金、Ni 基自熔剂合金、Cr 基合金，新近开发的这种 Cr 基合金在 85 V2O5-15Na Cl 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。热喷涂有机聚合物材料主要用于腐蚀环境金属结构的防护以及材料表面的减摩、润滑。目前， 热喷涂用低熔点热塑性材料主要有聚酰胺、聚
12、氨脂、聚乙烯、乙烯等， 用于腐蚀防护和装饰。目前对高熔点、高性能聚合物如： PPS（聚苯硫醚）和 PEEK（聚醚醚酮）的研究逐渐增多，与传统聚合物相比，这类材料熔点相当高（高达 340 ），且能显著提高机械和化学稳定性，PEEK 涂层具有耐擦伤性好、耐热性好、可燃性小及耐化学性优良等性能。复合涂层不但具有单一结构涂层所具备的性能， 还因复合材料的不同而获得特殊性能或具有多功能的性能涂层， 从而使复合涂层的研究和应用日益增多热喷涂沉积技术是制备金属间化合物及其复合材料的一种新的净成形工艺，可有效解决室温加工困难问题， 冷却速度快， 能产生细小的等轴晶， 能充分发挥细小粒子的强化作用，可改善增强颗
13、粒与基体间的润湿性，对改善高温结构用金属间化合物合金性能将具有广阔的应用前景 10 。3、材料设备热喷涂设备与材料 1 经过几十年的自主开发和引进、借鉴国外先进技术，目前，中国已能开发和生产真空等离子、大气等离子、爆炸喷涂、等离子堆焊、电弧喷涂、火焰粉末喷涂、火焰线材喷涂设备，生产金属粉末(Ni、Co、Fe 基，合计约 300t/年)、陶瓷、金属陶瓷粉末(Al 2O3、AL 2O3+TiO2、Cr 2O3、WCCo等，合计约 200t/年)，丝材(Al、Zn、Cu、不锈钢等，合计约 1000t/年)。尽管设备总体还没有达到世界先进水平，材料方面仍有许多改进之处，但是，中国已成为世界上少数几个能
14、在热喷涂设备和材料上自给自足的国家之一，基本满足热喷涂行业需要。同时，约有 10%的设备和材料仍需进口。4、 热喷涂工艺的应用4.1 喷涂耐腐浊涂层采用热喷涂技术可以喷涂耐各种介质腐蚀的保护涂层，如锌铝不锈钢镍合金蒙乃尔合金、青铜、氧化铝、氧化铬陶瓷涂层和塑料等。由于涂层的电极电位比钢铁高，因此，易在涂层孔隙处产生电化学腐蚀，故对应用于以下机械部件如柱塞泵的活塞和活塞杆、液压油缸、蒸汽机机轴的密封部件、船舶尾轴、阀门等的涂层，必须封孔处理。陶瓷涂层用于防腐也必须经过封孔处理。 4.2 喷涂耐磨涂层 热喷涂技术被成功应用于喷涂机械零件耐磨涂层，延长零件的使用寿命或修复磨损失效的机械零件。4.3
15、喷涂耐高温涂层 热喷涂技术同样可以改善机械零件的抗高温氧化性能。采用热障涂层隔离金属基体与高温环境，可以有效保持金属构件的力学性能。4.4 喷涂功能涂层 热喷功能涂层广泛应用在电器工业中。如喷涂屏蔽涂层于监测和控制汽车发动机排气中的氧含量和毒性化合物含量的探测仪，以保证其灵敏度。而热喷涂生物相容性涂层在生物医学方面则展示了良好前景。如喷涂羟基磷、氟羟基磷石等可与人体种植体形成紧密结合，这种技术已应用于人工牙齿、人造骨头种植体上。4.5 喷涂成型 采用热喷涂制造机械零件是近年迅速发展起来的特殊制造技术 9 。5、热喷涂技术应用特点（1）应用范围大，在某些领域具有相当高的水平，如航空发动机(与波音
16、合作)、退火炉炉底辊、镀锌导辊(钢铁行业)、阀门(石化行业)、拉丝导辊、塔轮、拉丝圈等(纺织工业) 、高档玻璃模具(轻工) 以及气门(汽车行业 )等。（2）采用的工艺和材料广泛，几乎目前国际上使用的热喷涂工艺和材料，中国都在用，如真空等离子喷涂、大气等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂、火焰粉末喷涂、等离子堆焊、激光重熔及真空(保护气氛)重熔等。（3）从事热喷涂应用的企业（Job Shop）以中小企业(30 人)为主，人数占总数的 2/3，产值占总产值的 75%以上。股份合作制企业、私人企业、集体企业占相当比重，合资和独资企业开始出现。（4）以热喷涂作为设备、部件的维修手段比较发达，
17、对中、小热喷涂企业而言，一半以上的工作是针对修复。（5）科研院所、大专院校的相关专业研究室、教研室，如焊接(占大半以上)、材料、表面加工等专业，积极进入国内热喷涂市场。我国热喷涂的主要技术力量也在上述单位 1 .热喷涂与其它防腐工艺相比，在金属表面前期处理工艺上基本相同。热喷涂表面处理要求略高，采用喷砂工艺净化毛化表面要求达到 25Sa 级以上。热喷涂锌(Zn)及铝(A1) 涂层厚度一般为 0203mm 即可达到防腐要求，涂层可一次完成，较其它防腐方法施工周期短效率高。金属热喷涂所使用的设备均适合于户外作业，可在野外油罐和管道施工的同时进行油罐及管道的金属表面热喷涂防腐.虽然热喷涂技术使用设备
18、较多，工艺要求严，工程造价高，但按防腐寿命平均 25 年计算，防腐寿命内循环费用却低于其它防腐方法的费用。对于其它防腐方法因防腐周期短，在平均 25 年防腐寿命中需要多次停工停产进行防腐施工，会造成很大的经济损失 8 。当前热喷涂防腐技术，以在金属表面喷涂锌(Zn)及铝(A1) 形成防腐涂层为主。Zn 涂层以“ 牺牲阳极” 方式对金属基体进行保护，Al 涂层则以致密的氧化薄膜对金属基体进行隔离防腐。此种涂层不仅具有很强的附着力，而且有极好的韧性，能够抵抗由于金属基体变形对涂层产生的破坏。铝(A1)涂层在受到划伤破坏后，还有自修复能力，能在较短时间内在划伤处重新形成氧化膜。另外 Al 涂层，除了
19、自身能形成抗高温的 Al，O，外，还可与铁产生反应，形成抗高温氧化的Fe3A1，从而提高钢材的耐高温氧化。锌(Zn)，铝(A1)涂层的这些优良特性，为在管道运输行业应用提供了可靠的质量保证。可以广泛地应用于储油、气罐外表面的大气防腐和内表面的介质防腐；油码头设备设施的抗海水、湿气腐蚀；输油设备加热炉的抗高温氧化；以及埋地输油管道在极恶劣环境下的重防腐。由于防腐年限长维护费用低，可为管道运输的正常生产，节约大量的资金 8 。6、展望各种热喷涂技术已经历了多年的发展并逐渐被市场所认可，在再制造工程领域已得到了不同程度的应用。结合再制造产业的特点，应用于再制造的热喷涂技术将在以下几个方面得到发展和提
20、高：(1)加强各类热喷涂技术应用于再制造领域的适应性研究。(2)加强复合技术的研究和应用，包括热喷涂技术自身在材料、工艺及设备方面的复合研究，以及热喷涂技术和其他技术的复合研究，以适应再制造产品对技术的需求。(3)加强热喷涂技术在高效、规模化生产应用中的研究。(4)加强热喷涂再制造技术标准、工艺规范等方面的研究。目前许多喷涂再制造技术的规范化程度不高，质量控制体系不健全。应加强各种热喷涂再制造技术标准的制定，规范热喷涂再制造工艺，加强管理，推动热喷涂技术在再制造领域的可持续发展。(5)喷涂工艺。众所周知，喷涂工艺参数对涂层的组织结构及性能有着重要的影响，因此需要对不同喷涂材料的喷涂工艺参数进行
21、优化，从而预测涂层的性能和准确获得预期效果。同时，各种热喷涂设备不断改进，热喷涂技术日趋完善，得到的涂层质量及其性能也会得到相应的提高 11 。(6)喷涂材料。寻求新型的、与镁合金基体热膨胀系数相匹配的材料，尽量避免涂层中存在内应力和缺陷，提高涂层与镁合金基体的结合力。同时，还要考虑到涂层材料必须同时具有高效的耐磨、防腐综合性能，以期实现针对镁合金材料的双效防护 11 。7、结语目前热喷涂技术在国内外发展迅猛，已逐渐成为装备零件维修与再制造过程中不可或缺的重要技术手段之一。但是热喷涂技术主要被用于钢结构件的防护与维修，而在镁合金表面防护应用方面尚处于起步阶段。采用 Al 涂层为镁合金提供防护，
22、符合绿色环保型技术要求，尤其在镁合金等轻合金材料需求量日益增长的形势下，将会受到众多研究者的关注 11 。(1)经过多年的发展,我国热喷涂材料的品种繁多,百种粉末、丝材、棒材产品已随着热喷涂技术应用到各个工业领域。对一系列金属合金、陶瓷粉末、复合等粉末材料,合金、粉芯丝材,氧化物陶瓷棒材产品均已形成成熟的生产技术。(2)热喷涂材料总的技术发展趋势在于:组成的复合化与低杂质化,结构的超微或纳米化,性能的高端化,用途的专业化、系列化。纳米结构、复合型、多元合金等各种新型材料成为研究开发热点并迅速走向应用。(3)我国热喷涂行业已形成规模,热喷涂材料随着热喷涂技术的发展进入了新的快速发展阶段,应用不断
23、拓展,在大力倡导节约型社会的今天,发展前景广阔.参考文献1 刘广海. 方兴未艾的热喷涂技术 浅析我国热喷涂技术的发展历程 J. 金属加工：热加工, 2010, (10):1-5.2 徐滨士，朱绍华. 表面工程的理论与技术出版J. 中国表面工程, 2010, (3):109-109.3 王海军.热喷涂实用技术M北京：国防工业出版社， 20064 梁秀兵, 徐滨士. 先进的冷喷涂技术J. 中国设备工程 , 2001, (12):19-21.5 邹积峰. AZ31B 合金热喷涂陶瓷涂层制备工艺及性能研究D. 辽宁工程技术大学, 2011.6 向锦涛. WC/Co 基热喷涂粉末与涂层制备及其性能的研究
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