热喷涂技术的新发展
赵力东，(德)Erich L文； 李 新译
中国表面工程
摘 要：在过去的几年里，热喷涂技术在喷涂工艺、喷涂材料、涂层质量监控等方面都有很大发展，喷涂层应用领域也进一部扩大。其主要标志为新三阴极等离子喷涂系统、微等离子喷涂工艺、冷喷工艺的开发和应用，高速火焰喷涂工艺的进一步改进和完善，亚微米及纳米结构等新型喷涂材料的开发，喷涂粒子和基体诊断分析系统的开发和应用以及喷涂层在汽车发动机上的应用。
关键词：热喷涂工艺；喷涂材料；涂层质量监控；喷涂层应用
1 引 言
在过去的 20 多年里，由于热喷涂技术的迅速发展，热喷涂涂层的应用愈来愈多，全球对喷涂层的需求稳步上升。下面对热喷涂工艺、热喷涂材料，热喷涂层质量监控的一些新发展以及热喷涂层的新应用作一个简要的介绍。
2 热喷涂工艺
在过去的几年里在等离子喷涂技术方面取得的最重要的进步之一,是在工业领域引进了新开发的三阴极喷涂系统。新开发的三阴极喷涂系统的技术核心是等离子喷枪由 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。因为从 3 个阴极到同 1 个阳极产生的 3 个独立电弧的长度稳定不变，从而产生了稳定的等离子喷射。与传统的带有 1 个阴极和 1 个阳极的喷枪相比，这种喷枪的等离子喷射的稳定性有了明显改善，可以进行均质粉末加工，并有较高的沉积率和送粉率。电极寿命的显著提高也减少了喷涂过程质量监控费用。目前采用的这种系统制备的陶瓷涂层性能通常好于用传统的大气等离子喷涂(APS)工艺制备的涂层。这个系统除了技术和经济的优势外，由于采用氩气或氩氦的混合气做工作气，并且噪音较低，生产的安全性也提高了[1,2]。
近年来，微等离子喷涂工艺也成为令人感兴趣的研究课题。这项工艺是在 20 世纪 90 年代由乌克兰帕顿焊接所 (Paton Welding institute) 开发的。与传统的 APS 工艺相比，微等离子喷涂具有层流等离子射流，功率低（< 1～3 kW），气体消耗量少（< 3 l/min），噪音低( 30～50 db)，基体受热低，喷点小(< 5 mm)的特点。用这种工艺，尽管功率低，但可喷涂各种喷涂材料。由于喷点小，用这种工艺可以制备精确的涂层。因基体受热低，这种工艺特别适合喷涂小零件和薄壁零件。由于喷涂设备不重（< 70 kg），也适合现场维修[3,4]。
在低压等离子喷涂(LPPS)技术方面，人们开发一种在大面积表面沉积薄膜的“低压等离子薄膜喷涂”新工艺。这种工艺采用以低压(<1 kPa)工作的等离子喷枪制备涂层，其厚度可弥补传统的化学气相沉积/物理气相沉积(CVD/PVD)的沉积层薄和热喷涂层层厚的空挡。改进后的 LPPS工艺，等离子体几何长度的扩展，使粉末载体气流在等离子体内部均匀分布，以致于熔融粒子可以在大面积基体表面形成覆盖。由于粒子的沉积率高，在很短的时间内就可制得涂层，且涂层显出均质、层薄、致密的微观结构[5,6]。
热喷涂技术的冷喷工艺是在俄罗斯20世纪80年代中期开发的，但只在近年来才受到愈来愈多的关注。冷喷原理是喷涂材料不再加热融化，而是只加热到约 500 ℃或稍高一些的中等温度，通过高速喷涂粒子撞击基体表面时产生塑性变形来构成涂层。冷喷过程中，高压热气体，通常为氮气、氦气或它们的混合物，通过拉瓦尔喷嘴被加速到超音速，喷涂材料以粉末形式注入气流并喷向基体。喷涂粒子超过一定的速度，就可在冲击过程中产生致密、结合牢固的涂层。冷喷工艺需要高的气压（约 3.5 MPa 或更高）和高的气流速度（高于 90 m3/h）。根据设备情况，气体温度可加热到约 800 ℃，粒子速度可达 1 000 m/s 以上。基于该工艺的特性，冷喷涂层有如下特点: ① 涂层致密度高; ② 喷涂材料氧化程度低; ③ 给基体的热量少; ④ 喷涂材料形变大; ⑤ 相及成分稳定。然而正是以上提到的冷喷工艺特点，喷涂粉末尺寸分布和喷涂材料特性对于冷喷工艺比对其它工艺影响更大。在某种程度上，粒子的延展性是获得致密涂层的关键[7~9]。
在高速火焰喷涂(HVOF)技术上，一种新的技术进步值得一提，即 HVAF 工艺的开发。这种技术使粒子温度介于传统的 HVOF 工艺和冷喷工艺的粒子温度之间。新研制的 HVAF 系统通过在高热气体（2 250 ℃）中加入适量水控制粒子温度，从而使粒子温度处于从 HVOF 工艺和冷喷工艺中间的空白温度区间。水流量可调，使粒子尽管不熔化，但比在冷喷条件下的延展性好多了[10]。
除了在喷涂工艺方面的进步，喷涂前、后处理工艺也取得了很大进步。一个突出进步是开发了喷涂前基体的 Protal 预处理工艺。在常规的热喷涂工艺中，基体需要去油和主要用金钢砂喷砂处理。相反，Protal 预处理工艺采用高能量激光束与基体表面相互作用，减少基体与熔融粒子碰撞前的氧化层和其它污染。仅10 ns的短暂脉冲的使用，使基体表面第一批原子层烧蚀而获得无污染的表面。熔融粒子与清洁表面反应在原理上是可能的。这种工艺可以在表面没有粗化处理的情况下，获得相对好的附着力[11,12]。
3 喷涂材料
近年来在材料科学与工程领域，纳米材料成为热点。在热喷涂领域的纳米喷涂材料和纳米结构涂层也有了发展[13,14]。大部分研究工作主要集中在两类材料上：氧化铝基陶瓷和碳化钨基材料。热喷涂中，纳米结构涂层的形成机理因这两类材料不同而不同。对于氧化铝基陶瓷材料，涂层是典型的等离子喷涂沉积，等离子喷涂温度高达粉料完全熔融温度。为了获得纳米结构涂层，必须采取措施控制喷涂参数和粉料化学结构。至今为止已生产了氧化铝－氧化钛及氧化铝－氧化锆纳米结构涂层。碳化钨基纳米结构涂层通过 HVOF 工艺制备，粉料中碳化物的大小严重影响喷涂过程中的反应，碳化物的尺寸下降导致碳化物相在喷涂过程中的损失。因此，有两个矛盾的因素影响着纳米结构涂层的抗磨性，纳米结构材料提高的硬度和均匀的微观结构有力于提高抗磨性，然而，减少粉料中碳化物的尺寸大小，却带来碳化物相的严重减少有损于抗磨性。所以，喷涂工艺和喷涂参数对纳米喷涂材料比传统的碳化钨材料影响更大。由于高温喷涂，纳米粉粒材料的优势通常在纳米涂层中是不容易全面反应出来的。纳米结构喷涂粉末通常由喷干工艺制备。但最新的研究表明，球磨机械合金化很适合生产亚微米及纳米陶瓷粒子强化的金属基复合材料。
在过去几年发展的一种新型喷涂材料是类晶材料。亚稳和稳定的类晶结构通过淬火或旋熔技术及弥散和机械合金化得到。类晶材料具有特殊的性能，如：高硬度、低表面能及低摩擦因数，但它们都较脆。过去曾做过用于摩擦系统的类晶材料或类晶基材料涂层的研究工作。类晶材料作为不粘涂层用于锅或其它炊具，已为人所知 10 多年了[15,16]。
热喷涂工艺的主要应用领域之一是用于高温部件的 TBC（热障涂层）。今天广泛使用部分稳定的氧化锆材料。但更高的使用温度和使用寿命的需要，已对热障涂层提出了挑战，必须找到新的热障涂层材料或改进今天的热障涂层，所以，各种热障涂层一直在被研究。采用金属间化合物提高如防氧化、防腐及耐磨涂层的高温性能的研究也在进行。在不同的金属间化合物中，铝镍金属间化合物和一些其它铝基金属间化合物已通过热喷涂技术制备成涂层[17,18]。
4 涂层质量监控
近年来，做了大量涉及涂层质量监控的研究工作，特别是在诊断的技术方面取得了巨大进步，已开发并应用了许多有关粒子和基体诊断的分析系统，如 DPV–2000, Spray watch和 PFI 喷涂监视系统及 IR 热敏取相技术[19~24]。DPV–2000 通过双波长高温计原理，能够在线测量射流中单个粒子的温度、速度和粒径。与之不同，在 Spray watch系统中，通过短曝光数字 CCD 照相系统，根据飞行粒子亮度，捕捉其图像。用计算机的数字图像处理技术对粒子图像进行处理，从而可以计算出每幅图中的粒子数目和粒子速度。用光谱图像信息，进一步确定高温粒子温度。这个系统可以确定粒子数目、速度及单个飞行粒子的温度分布。粒子流图像（PFI）系统建立在对大量而不是单个粒子运动状态的光学观测基础上，PFI 系统同样通过数字 CCD 照相系统，对在喷枪附近较亮的等离子流和下游无等离子区的较暗粒子流进行成像。在计算机上处理分析等离子流和粒子流图像信息，把代表实际喷涂状态的典型数值构成的特征椭圆归类。用这种方法人们可以在不准确知道等离子和粒子参数的情况下，分别确定等离子流和粒子流的变化。对于基体的诊断，有一些建立在热敏成相技术基础上的不同类诊断系统。用这些系统可确定与时间和场所相关的基体温度分布状况。
5 最新应用
在过去几年里，热喷涂层的应用一直稳步上升。涂层应用的新里程碑之一是用旋转等离子技术制备发动机内衬涂层。大众汽车已将这种涂层应用到它的系列发动机产品中，由于应用了这种涂层，一方面发动机的重量减轻了，另一方面摩擦性能改善了[25]。
在热喷涂中的一个重要课题是用热喷涂层取代铬镀层，因为在生产铬镀层时，产生有毒的 Cr6+，增加了污水的处理费用。在这个领域做了大量的研究工作，不同的喷涂层成功地应用于不同行业的不同部件[26,27]。
6 结 论
总之，在过去的几年里，热喷涂技术在工艺技术、喷涂材料及涂层质量监控等方面都取得了长足进步，喷涂层应用领域也得到进一部地扩大。今天在热喷涂各个领域所进行的大量研究开发工作，会使这项技术在不久的将来产生更大的进步。
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