表面热喷涂技术的发展与应用
贾 文
昆明冶金高等专科学校学报
摘 要: 简要介绍了表面热喷涂技术的原理、方法和发展方向，总结了燃气法、气体放电法、电热法和激光热源法的组成、加工步骤。针对热喷涂技术中的共性问题：涂层质量控制、涂层体系设计进行了分析，探讨了热喷涂技术中新材料、新工艺的发展。
关键词: 热喷涂; 涂层; 表面工程
0 引言
热喷涂是一种迅速发展的表面强化新工艺新技术。它采用专用设备，利用各种热源将金属或非金属材料加热到熔化或半熔化状态，用高速气流将其吹成微小微粒并喷射到机件表面，形成覆盖涂层，以提高机件耐磨、耐蚀、耐热等性能。
热喷涂技术最早出现在上世纪早期的瑞士，随后在苏联、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，新技术的不断应用，使热喷涂涂层质量得到了不断的提高，并不断开拓新的应用领域[1,2,3]。目前，以火焰喷涂、超音速喷涂、电爆喷涂、电容放电喷涂、等离子喷涂为代表的热喷涂技术与设备，以及一系列喷涂喷焊粉末新材料，各种热喷涂技术趋于成熟，喷涂装置日益完善，不仅能喷金属、合金、陶瓷，还能喷涂塑料和复合材料。近几年来电子计算机在等离子喷涂系统中的应用，使热喷涂技术达到了相当完善的地步, 不仅使应用范围大为扩展，而且使涂层质量有了质的飞跃[4,5,6]。
热喷涂技术不仅涉及到材料学、表面物理化学、流体力学、传热学、等离子物理等，还涉及到机械、计算机和新材料等学科，是一门交叉边缘学科[4]。
1 热喷涂基本原理
1.1热喷涂原理
热喷涂过程一般可分为以下四个步骤（图1）。
1) 材料加热：喷涂线材或粉末进入热源高温区域，被加热熔化或软化；2) 材料雾化：熔化或软化的喷涂材料形成的熔滴，在外加压缩气流或热源自身射流的作用下雾化成微细熔滴向前喷射；3) 喷射飞行：微细熔滴被加速形成粒子流，在介质中飞行，运动速度逐渐减小；4) 涂层形成：粒子流在基材表面发生碰撞、变形、凝固和堆积，形成涂层。
热喷涂涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起而形成的层状组织结构。在喷涂过程中，由于熔融的颗粒与周围介质间发生化学反应出现氧化物，颗粒的陆续堆叠和部分颗粒的反弹散失，不可避免地存在一部分孔隙或空洞，因此，喷涂层是由变形颗粒、气孔和氧化物所组成。
涂层中氧化夹杂物的含量及涂层的密度是评价涂层质量的重要指标。涂层的结合是影响涂层质量的重要因素，包括涂层与基材表面的结合及涂层内聚的结合，以机械结合为主，结合力较弱。
1.2 热喷涂材料
热喷涂材料的选择取决于所形成涂层的性质要求和材料本身的热喷涂工艺性能，常用的热喷涂材料主要有金属及合金线材、合金粉末、陶瓷材料以及塑料。
1.2.1 金属及合金线材
金属及合金线材是指用一种金属或合金通过普通拉拔方法制作的喷涂线材。根据使用要求主要有锌及锌合金喷涂丝、铝及铝合金喷涂丝、铜及铜合金喷涂丝、锡及其合金喷涂丝、镍及其合金喷涂丝、不锈钢喷涂丝、钼喷涂丝、碳钢及低合金钢喷涂丝等。
1.2.2 热喷涂合金粉末
常见的有自熔性合金粉末和复合粉末。自熔性合金是指熔点较低，熔融过程中能自行脱氧、造渣，能“润湿”基材表面而呈冶金结合的一类合金。目前，绝大多数自熔性合金都是在镍基、钴基、铁基合金中添加适量的硼、硅元素而制成的。复合粉末是由两种以上不同成分的固相材料所组成。复合粉末与单纯不同粉末机械混合而成的粉末存在显著差别,可实现不同综合性能要求的粉末(如金属与陶瓷的复合粉末)的制备，防止出现成分偏析，保证单颗粒的非均质性和粉末整体均匀性的统一。
1.2.3 热喷涂陶瓷
热喷涂陶瓷主要是指氧化物、碳化物、氮化物、硼化物及硅化物粉末，常用的热喷涂陶瓷粉末主要有A1203、Zr02、Ti02、WC、Cr203等。陶瓷涂层具有硬度高、耐磨性和耐热性好等突出优点。采用等离子喷涂可解决材料熔点高的问题，几乎可喷涂所有陶瓷材料，用火焰喷涂可获得某些陶瓷涂层。
1.3 热喷涂涂层质量
孔隙率和氧化物夹杂是影响热喷涂涂层质量的主要因素，取决于热源、材料及喷涂条件。采用等离子高温热源、超音速喷涂以及保护气氛等可减少涂层中的氧化物夹杂和气孔；涂层经过重熔后可消除涂层中的氧化夹杂物和气孔，并使层状结构变成均质状结构，同时涂层与基材的结合状态也将发生变化。
涂层与基材表面之间的结合，以机械结合为主，同时，由于撞击基材表面的熔融态变形颗粒的冷凝收缩产生的微观应力，在涂层中累积形成残余应力，涂层与基体的结合力相对较弱，影响涂层的质量、限制了涂层的厚度。
2 热喷涂工艺
根据所用热源的不同，热喷涂可以分为燃气法、气体放电法、电热法和激光热源法等。
2.1燃气法
燃气法包括火焰线材/粉末喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂、火焰粉末喷焊等工艺。火焰喷涂是最早出现的喷涂方法，将线材/粉末以控制的速度送入燃烧的火焰中，受热熔化，由压缩空气对熔流喷射雾化、加速，喷射到基材表面形成涂层。目前被广泛采用的为氧乙炔火焰线材和粉末火焰喷涂。
一般来说凡在2 760℃下温度区内不升华、能熔化的任何物质均可采用火焰喷涂获得涂层。火焰喷涂层是有孔结构, 这种结构对于抗磨一般影响不大，但会对在腐蚀条件下工作的涂层和防腐涂层的性能产生不利影响，需要将空隙密封，以防止腐蚀性介质渗入涂层而对基材造成腐蚀。常用的封孔剂有石蜡、酚醛树脂和环氧树脂等[7]。
高速燃气火焰喷涂技术(High Velocity Oxygen Fuel简称HVOF)的开发，使传统的火焰喷涂技术发生根本性突破，它喷枪喷嘴的构造是按流体力学原理设计的，其流道由细的喉管和逐渐扩张的锥形管组成，可以把燃烧的焰流压缩为超音速流，可达音速2倍以上, 熔粒速度可达300~700m/s，是传统的3～5倍,用该方法制取的涂层致密,孔隙率小于0.5％,且结合强度高,涂层结合力可达100N/mm2[8]。
2.2 气体放电法
气体放电法包括电弧喷涂、等离子喷涂和等离子喷焊等。
等离子喷涂工艺是气体放电法中最具代表性的喷涂工艺，工作气体可用氩气、氦气等。等离子弧温度高，可喷涂几乎所有高熔点和高硬度材料，焰心温度可达30 000K, 喷嘴出口的温度也可达15 000～20 000K，其轴向温度梯度大。等离子弧速度很高，在喷嘴出口处达l 000～2 000m/s，但衰减迅速。其具有喷涂效率高, 涂层致密结合强度高，耐磨、耐蚀及耐热等优点，且基材表面的热影响区小。因此，近十几年来等离子喷涂技术有了飞速发展，开发出气稳等离子喷涂、真空等离子喷涂、高能等离子喷涂、低压等离子喷涂、水稳等离子喷涂和超音速等离子喷涂等技术，这些新技术在现代工业和尖端科技中被广泛采用[9]。
电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，输送直流或交流电，利用丝材端部产生的电弧作热源来熔化金属，用压缩气流雾化熔滴并喷射在基材表面形成涂层。电弧喷涂只能喷涂导电材料，在线材的熔断处产生积垢，使喷涂颗粒大小悬殊，涂层质地不均。
2.3电热法
电热法包括感应加热喷涂、线爆炸喷涂和电容放电喷涂等。
在感应加热喷涂中，金属丝由送进机构送入集中磁场的电极头部位，受高频磁场的感应作用，在金属丝端部产生涡流使其熔化，压缩气体将熔融金属雾化并形成束流，喷射到基材表面形成涂层。但这种方法喷涂效率较低，喷涂设备庞大，而且只能喷涂导磁的金属材料。线爆炸喷涂是使金属丝突然通过强大的电流，因电热能量使金属丝爆炸成微粒黏附在基材表面形成涂层。
2.4 激光热源法
激光热源法是采用激光作为热源进行喷涂、喷焊，以及对涂层重熔。
激光热源法是近年来颇受人们关注的一项新技术。激光喷涂是将从激光器发出的激光束聚焦在喷枪喷嘴近旁，喷涂粉末由压缩气体从喷嘴喷出，由激光束加热熔化，压缩气体将熔粒雾化、加速，喷射到基材表面形成涂层。激光喷焊则是将激光束聚焦在基材表面，通过喷枪将粉末射在激光焦点部位，激光束将粉末和基材表面同时熔融，形成喷焊层[10]。
各种常见的热喷涂工艺特点见表1。
4 热喷涂涂层体系设计
热喷涂涂层的性能取决于材料和热喷涂工艺，热喷涂材料体系的设计是其关键，目前，热喷涂材料已由单一成分向多成分发展，由金属向非金属陶瓷、复合材料方向发展，一方面，对各种性能要求的涂层设计提出了更高的要求，另一方面，复杂的涂层体系对不同的热喷涂工艺提出了要求，同时还要考虑工件的服役条件、工艺性、经济性和实用性。常见热喷涂涂层可分为防护涂层和强化涂层两大类，常见的涂层体系及类型见表2[11]。
5 热喷涂技术的发展
5.1新型热喷涂材料的开发研究
热喷涂材料已成为制约热喷涂技术应用和发展的关键。为了适应对材料多功能、高性能新的发展要求，多种材料的复合，纳米材料、新型合金或非晶材料的使用成为热喷涂材料发展的主要趋势。
近年来,热喷涂非晶材料成为关注的一个焦点。某些非晶态金属合金的耐磨性和耐蚀性比相似成分的晶态合金高得多。纳米材料与其相应的微米级材料相比具有许多优异的性能，在高质量纳米粉体制备方面已取得了重大进展，有些方法已在工业中应用。但是，如何充分利用这些材料，如何发挥出纳米材料的优异性能是亟待解决的问题。
热喷涂法制备纳米级晶粒涂层主要优点是适应性和费用的可行性，这有可能很快导致纳米级晶粒材料工业应用的实现。复合涂层材料的研究越来越多，复合涂层不但具有单一结构涂层所具备的性能，而且可以获得具有特殊性能或具有多功能的涂层。目前，由各种材料复合获得的复合涂层种类主要有：金属基陶瓷复合涂层、陶瓷复合涂层、多层复合涂层、梯度功能复合涂层等。例如，Al是具有较好抗腐蚀性能的涂层材料，但纯Al涂层的抗磨性差。通过在Al中添加硬质陶瓷相AlN,Al2O3,SiC,TiC等获得金属基复合涂层(MMCs)，可显著提高其耐磨性能。这类金属基复合涂层可以通过等离子喷涂复合粉或电弧喷涂粉芯丝材获得。
5.2 热喷涂新工艺
热喷涂技术的应用主要受热喷涂材料和工艺设备发展的限制。随着相关技术的发展，热喷涂技术也得到了发展和完善，新的热喷涂工艺不断出现。
冷喷涂工艺,又称冷气体动力喷涂,该方法可显著提高气流速度,达1500m/s以上,同时保持喷涂粒子是固态,通过高速粒子动能使粒子冲击到基材表面发生塑性变形,从而形成涂层。该方法可有效抑制涂层金属粒子氧化,减少化合物粒子的分解、相转变,确保涂层的相结构和性能;而且涂层的热应力减小,呈塑性变形压应力,有利于涂层抗磨性的提高。
因此用该方法喷涂的Cu、Ti涂层中氧化物含量低,涂层致密,结合强度高[12]。
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年代发展起来的。与传统的工艺相比，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，可喷涂各种喷涂材料，由于喷点小，可以制备精确的涂层。
低压等离子喷涂是人们开发的一种大面积表面沉积薄膜新工艺。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CVD/PVD 沉积层薄和热喷涂层层厚的空档。改进后的低压等离子喷涂工艺，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。
参考文献略
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