热喷涂技术

齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第1页热喷涂技术的研究综述孙*（齐鲁工业大学机械与汽车工程学院20130102****）摘要：本文介绍了热喷涂技术的由来，发展历程，工艺特点（热喷涂工艺的优缺点），基本概念，总结了热喷涂技术的应用状况，探讨了新工艺、新材料在热喷涂技术中的应用前景。关键词：表面处理；热喷涂；热喷涂的优缺点；热喷涂的应用进展前言：高新技术的飞速发展对提高金属材料的性能、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。而这两个方面的要求又面临高性能结构材料成本逐年上升的问题。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，为解决上述问题提供了一种新的方法。热喷涂技术是一种将涂层材料(粉末或丝材)送入某种热源(电弧、燃烧火焰、等离子体等)中熔化，并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成涂层的工艺。由于热喷涂技术可以喷涂各种金属及合金、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，并且施工灵活，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。热喷涂涂层具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温和隔热等优良性能，并能对磨损、腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复，在航空航天、机械制造、石油化工等领域中得到了广泛的应用【1-3】。热喷涂发展现状：1、热喷涂技术的由来热喷涂是指采用氧—乙炔焰、电弧、等离子弧、爆炸波等提供不同热源的喷涂装置，产生高温高压焰流或超音速焰流，将要制成涂层的材料如各种金属、陶齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第2页瓷、金属加陶瓷的复合材料、各种塑料粉末的固态喷涂材料，瞬间加热到塑态或熔融态，高速喷涂到经过预处理（清洁粗糙）的零部件表面形成涂层的一种表面加工方法。我们把特殊的工作表面叫“涂层”，把制造涂层的工作方法叫“热喷涂”，它是采用各种热源进行喷涂和喷焊的总称。热喷涂技术最早出现在20世纪早期的瑞士，随后在前苏联、德国、日本、美国等国得到了不断的发展，各种热喷涂设备的研制、新的热喷涂材料的开发及新技术的应用，使热喷涂涂层质量不断得到提高并开拓了新的应用领域【4】。热喷涂技术在我国始于20世纪50年代，至70年代末形成气候。目前，无论在设备、材料、工艺、科研等方面都在迅速发展与提高，成为表面技术重要组成部分。2、热喷涂技术的发展历程在1993年以前【5-6】介绍较多的是单一热喷涂的技术与方法，其中以火焰喷涂法最为常见。虽然该法(火焰温度可达3000℃)，可熔化大多数金属，但由于陶瓷材料熔点太高而使该法受到限制。与现有的火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等技术相比，气体爆炸喷涂具有致密性好，孔隙率低，结合强度高等优点。但因爆炸法之粉料以直线束方式射向基体表面，对形状复杂和细小件内壁难以处理，并需专门隔音装置以对付约140分贝的爆炸声，且涂层与基体之结合强度也有待于提高。新近研制的超音速喷涂法利用喷枪(具有混合气体室，燃烧室及扩张嘴)在压力下点燃混合气体，通过扩张使燃烧继续，由此可产生超音速(1370m/s)和高温(2760℃)的气流，从而能喷涂金属陶瓷，例如WC-Co和WC-Cr-Ni等粉末材料，并无脱碳现象。与爆炸喷涂相比，由于火焰的超音速提高了粒子的速度，其所制得的涂层致密且高耐水性。加上热源温度低，限制了粉末粒子加热，从而有效地抑制了粉末中WC的分解。实验得出，超音速法所形成的涂层较等离子及氧—乙炔火焰法形成的涂层性能优越，其耐蚀性能与硬质合金YT相当。并且涂层材料已从金属、合金、陶瓷进而扩大到塑料等非导电性材料【7】。我国热喷涂技术是从五十年代开始的,当时由吴剑春和张关宝在上海组建了国内第一个专业化喷涂厂,研制氧乙炔焰丝喷及电喷装置，并对外开展金属喷涂业务。我国热喷涂技术起步较早，50年代就发展了丝材电弧喷涂；60年代某些军工部分开始研究等离子喷涂，等离子弧焰温度高、等离于喷涂颗粒飞行速度快，齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第3页涂层结合强度也较高（40～80MPa），孔隙率小于5％，在我国军工部分得到广泛应用；70年代出现了品种和型号较为齐全的喷涂设备和材料，但总的来说进展缓慢，只是到了近几年才获得了较快的发展。特别是原国家经委将热喷涂作为国家重点推广项目以后，发展速度更快并取得了明显的经济效益。1981年10月21—27日由国家经委、国家科委主持在北京召开了首届全国热喷涂会议，会上公布由国家经委领导下成立了“全国热喷涂协作组”，挂靠北京矿冶研究总院，协作组对上联系国家经贸委，对下联系各省市、自治区经委科技处各部分科技局，以及大中型企业、大专院校、科研单位等形成跨地区、跨行业、跨部分推广应用热喷涂技术网络体系,现有团体会员单位400多个。1991年国家机电部武汉材料保护研究所向国家民政部申请成立了“中国表面工程协会热喷涂专业委员会”，是全国从事表面工程的企业及相关单位自愿组成的行业组织,现挂靠北京农机学院,已发展团体会员400余个及境外会员150余个。在国外，近几年来，已研制几种不同形式的高速喷枪系统，大大拓宽了高速喷涂的应用领域。如金刚石射流，冲锋枪，连续爆炸喷涂，射流枪等，对于WC-Co系硬质合金涂层的喷涂，超音速喷涂法有取代等离子喷涂的趋势。3、热喷涂技术的研究水平目前，随着热喷涂技术的飞速发展，国际上等离子喷涂占有明显优势，并已开发出三阴极等离子喷涂、高能等离子喷涂、微弧等离子喷涂和反应等离子喷涂等多种新技术。（1)三阴极等离子喷涂喷枪由3个阴极和由几个被绝缘的环体串联组成的喷嘴组成，只有离阴极相对远的最后一个环体作为阳极工作。由于从3个阴极到同一个阳极产生的3个独立电弧的长度稳定不变，3束等离子射流在汇流腔内汇聚成一束主等离子流，形成空心管状射流从喷嘴喷出，从而产生了稳定的等离子喷射。与传统的等离子喷枪相比，这种喷枪的等离子喷射的稳定性有明显改善，可以进行均质粉末加工，并有较高的沉积率和送粉率【8-9】。(2)高能等离子喷涂是为满足陶瓷材料对涂层密度和结合强度以及喷涂效率的更高需求而开发的一种高能、高速的等离子喷涂技术，其特点是在电弧电流与普通大气等离子喷涂相当的条件下，利用较高的工作电压(可达几百伏)提高功率，并采用更大的气体流量来提高射流的流速(马赫数M5)。高能等离子喷枪齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第4页采用独特的设计方法拉长了等离子弧，提高了工作电压，降低了工作电流，平均工作电压达240V，减少了阴阳极的损耗，提高了喷嘴的使用寿命。等离子弧中存在3个菱形马赫锥，具有较高的射流速度，喷涂WC-Co涂层的粒子平均速度可达527m/s；同时还具有较高的喷涂效率(可达200g/min)和沉积效率(可达95%)。美国PRAXAIR-TAFA公司最近推出了PlazJet高功率等离子喷涂系统，能够稳定工作在200kW左右，等离子弧具有极高的热能和速度，可为沉积优质涂层提供充足的功率。（3）微弧等离子喷涂是20世纪90年代由乌克兰巴顿焊接研究所开发的，它的特点是具有层流等离子射流、发射角只有2°～6°(普通的等离子枪的发射角达10°～18°)、功率低(1～3kW)、基体受热低、噪声小(30～50dB)，可在极薄的基体(如0.5毫米厚的不锈钢薄板或1.0毫米厚的锰片)上进行喷涂【10】。这种喷涂方法的功率虽低,但能量集中，其束斑直径小于5毫米,所以仍可喷涂各种材料，特别适宜制备小零件及薄壁件的精密涂层,且该设备重量轻，适合于现场的维修工作。（4）反应等离子喷涂是对真空等离子喷涂进一步改进的结果，该方法在真空等离子喷涂过程中，在喷嘴出口处的等离子射流中加入反应气体(如N2)，反应气体与加热中的喷涂颗粒相互作用，进而得到新的生成物。例如，用这种方法可以获得TiN涂层，它是靠喷涂钛粉和注入N2反应后得到的。TiN具有高熔点、高硬度、耐磨、耐蚀等特点,并且还具有优良的导电性和超导性。反应等离子喷涂制备TiN涂层克服了传统的物理或者化学气相沉积(PVD及CVD)工艺制备TiN涂层，存在沉积速率低、涂层厚度过薄的缺点，可制备纳米晶TiN涂层，涂层厚度可达500μm。4、热喷涂技术的应用领域热喷涂技术在各种金属或非金属零件的机械性损伤修复领域，占有重要的地位，目前主要用在一下几个方面：(1)制造新件如采用电弧喷涂制造冲压塑料和皮革制品件模具、等离子喷涂加工陶瓷喷嘴或耐火金属喷嘴、雷达整流罩、高温炉元件，以及纤维增强钛金复合材料的发动机部件等。(2)材料的改性在材料改性方面，用热喷涂技术对普通材料进行处理，齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第5页可按需要改变其表面的化学成分和组织结构，达到强化表面某些性能的目的。(3)旧件的修复在旧件修复领域里，热喷涂技术不仅可以恢复零件的尺寸，而且可强化零件表面的性能，成倍地提高其寿命，经济意义十分重大。(4)制备特定的功能性涂层譬如可以制备耐磨涂层、耐腐蚀涂层、耐高温涂层、屏蔽涂层、绝缘喷涂层、耐氧化涂层等，改善材料的表面性能。随着喷涂技术的不断发展，必然导致涂层材料种类、性能或功能更趋完善。在国与国之间竞相研究喷涂技术的同时，各类喷涂层如雨后春笋般地蓬勃而出。例如将低压等离子喷涂与激光相结合，使用Ti，Al与TiO2和Al2O3等粉末，在N2气氛中制备陶瓷涂层，在玻璃表面涂加陶瓷涂层使得这种涂层在用于玻璃涂层汽轮机那样严酷的工作环境中具有很高的热稳定性和热辐射率。另外，将泥浆状金属粉末在制品上形成铬和铬的碳化物均匀膜涂层，这薄膜也具有高的耐磨性和耐蚀性，因而可广泛地应用于要求耐磨耐蚀机械零件。其把ZrO2和MCrAlY两种材料结合而制成热阻涂层(TBC)和连续梯度涂层(CGC)，证明其用作火箭等耐热零件时具有极好的性能。九十年代，复合涂层技术的应用已扩大到半导体领域【11】，用等离子喷涂和火焰喷涂相结合可制成半导体涂层YBa2Cu3O7-x。这种高温半导体材料YBa2Cu3O7-x还可制成电磁罩用于人体内磁性的测量。而由Teramoto采用降压等离子喷涂法所生长的无定形磁膜应用于扭力传感器效果极好。热喷涂技术存在的问题：1、热喷涂技术存在的缺陷（1）由于涂层与基体主要是靠机械结合情势（喷焊工艺除外），所以其与基体表面的结合强度，绝对地较低于金属热处理，涂层自身强度一般不可能达到基体金属本身的强度。（2）涂层存在一定的气孔（喷焊工艺除外），这对于要求耐化学介质腐蚀的环境是不利的。但有试验表明，当涂层厚度达到一定值时，（比如镍包铝材料的等离子喷涂层，厚度到达0.3～0.5毫米以上时）其气孔已被涂层自身关闭，成为非穿透性气孔。另外，还可以对涂层进行封孔处理。然而在某些情况下气孔的存在恰是咱们所需要的。例如作为隔热涂层、含油轴承和人造骨骼等。（3）某些喷涂办法（特殊是等离子喷涂和喷焊工艺）要产生多种有害因素，齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院第6页因而在采取热喷涂时，必需采用恰当的防护办法。2、热喷涂技术在性能方面存在的缺陷高能热喷涂作为一种先进的表面处理工艺，可用来制备具有生物功能、机械学功能、热学功能、化学功能、电磁学功能等各种性能优异的新型涂层材料。但从等离子加热和雾化的特点来看，在用粉末进行喷涂时，尽管等离子射流的温度很高，仍然难以达到均匀和完全熔化。此外，变形粒子依次堆积形成涂层的过程中，难以避免地会在陶瓷涂层中产生空隙、裂纹和缺陷。当涂层受潮或与盐雾、海水、大气中的CO2、SO2、H2S、NO2等接触时，这些介质就会通过涂层中的微孔、裂纹、沟通涂层与基体金属，而使基体和涂层均被腐蚀，最后导致涂层失效。为了改善等离子喷涂陶瓷层的层状多孔结构，提高其抗蚀性，人们逐渐采用复合涂层及激光重熔改性技术。典型地有采用稀土元素和激光表面重熔来改善喷涂层的组织及其抗腐蚀性【12】。因为采用激光表面重熔陶瓷层，虽然可以封闭涂层中的空隙，但激光重熔层中可能出现微裂纹和表面气孔等缺陷将严重影响涂层的抗蚀性。展望：综上所述，国内外专家学者对各种功能性涂层的成分、作用机理以及提高涂层性能的方法做了大量研究，但通过改进喷涂工艺及喷涂设备来提高涂层性能的