方兴未艾的热喷涂技术
——浅析我国热喷涂技术的发展历程
刘广海
金属加工
一、引言
热喷涂技术http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/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。
该项技术在“六五”至“九五”期间一直被国家列为重点推广项目，目前已广泛应用于国民经济各部门，创造了重大经济效益，为国民经济建设作出了重要贡献。这项技术在我国虽然推广应用了很长时间，但是仍有广阔的应用前景和重大潜在的经济效益，现在及其今后相当长的一段时间里在国民经济建设中的地位不可低估，它既古老又新生，可谓方兴未艾，必将成为21世纪的绿色再制造工程的关键技术。
《金属加工》（原名《机械工人》），多年来见证、记录了我国热喷涂技术的发展历程。为我国热喷涂技术的发展与提高搭建了一个“信息传递、经验交流、技术咨询、技术服务”的可靠平台。多年来《金属加工》刊载了有关热喷涂方面技术综述、专题报道、人物专访、经验交流、精辟学术论文等100余篇，为我国热喷涂技术的发展作出了重要贡献。值此《金属加工》创刊60周年之际，撰写此文，愿《金属加工》与热喷涂技术共同发展。
二、我国热喷涂技术发展的简要历程
我国热喷涂技术发展历程大体可以分为以下四个阶段：20世纪70年代中期以前，70年代中后期至80年代末期（“六五”至“七五”期间），90年代（“八五”至“九五”期间），进入21世纪（“十五”至“十一五”）以来。
1. 20世纪70年代中期以前
我国热喷涂技术是从20世纪50年代开始的，当时由吴剑春等人在上海组建了国内第一个专业化喷涂厂，研制氧乙炔焰丝材喷涂及电喷装置，并对外开展金属喷涂业务。60年代少数军工单位开始研究等离子喷涂技术（如北京航空工艺技术研究所、航天公司火箭技术研究院703所、航空部门410、420、430厂等单位），在我国军工部门开始得到应用。到了70年代中后期出现了许多品种的氧乙炔火焰金属粉末喷涂（熔）设备和各种镍、铁、钴基自熔性合金粉及复合粉末喷涂材料，给热喷涂技术快速向前发展打下了一个坚实的基础。热喷涂材料是热喷涂技术的“炊粮”，材料品种的增加和性能的改善，将直接提高涂层质量。值得提出的是北京矿冶研究总院等单位在这一阶段研制并开发了镍包铝等放热型喷涂材料和多种复合粉末材料，拓宽了涂层应用范围，给我国热喷涂技术带来生机，这一阶段可以说是我国热喷涂技术发展的初级阶段。镍包铝等放热型喷涂材料和多种复合粉末的研制成功曾获“国家科学大会奖”。《金属加工（热加工）》在这一阶段开始进入热喷涂领域，并参加科学大会，宣传报道热喷涂技术。
2. 70年代中后期至80年代末期
尽管前一阶段有了一定的进展，但总的来说进展缓慢，只是到了70年代中后期80年代初才获得了较快的发展。特别是原国家经委将热喷涂技术作为国家重点推广项目以后，发展速度更快并取得了显著的经济效益。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，会上宣布在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门科技局，以及大中型企业、大专院校、科研单位等，形成了跨地区、跨行业、跨部门推广应用热喷涂技术网络体系。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，现挂靠中国农机院。这两个喷涂行业组织的先后成立，大大地促进了我国热喷涂技术的发展，从业单位由20世纪80年代初的几十家到目前已经发展到近2000家专业喷涂厂家，可以说这一阶段我国热喷涂技术发展到了一个繁荣昌盛阶段，应用范围逐渐扩大。在机械、冶金、石化、电力、铁路、造纸、轻纺、医疗卫生、军工和国防等国民经济许多部门得到了广泛应用。
其发展趋势和应用特点是：
（1）由前一段在军工、国防上的应用为主逐渐转移到民用产品上来，氧乙炔金属粉末喷涂、喷熔技术、电弧喷涂技术倍受青睐，在各地区、各部门广泛推广应用，经济效益显著。
（2）由修旧利废为主逐渐转移到新产品制造和预保护上应用，建立了许多以热喷涂工艺为主的新产品生产线。
（3）大型关键设备和进口零部件国产化方面得到了重要应用。
（4）大型钢铁结构件锌、铝及其合金长效防护涂层在国内桥梁、铁塔、水闸门、煤矿井筒等许多重大工程中应用成绩显著。如葛洲坝、龙洋峡、小浪底大型水闸门及水机工程；湘江大桥、广东紫洞大桥、四川猫子坪大桥、长江二桥、钱江四桥、粤海铁路工程等大型公、铁路桥梁工程；武汉、沈阳、北京、上海等电视塔；全国30多个输变电结构；煤炭系统70多个井筒钢铁结构以及南水北调等上百项大型工程都进行了锌、铝涂层长效防护。这项技术不仅在国内得到了广泛应用，而且在援外工程中也得到了很好地应用，如援建摩洛哥的体育馆、毛里塔尼亚的海港栈桥都进行了热喷涂长效防护。
“六五”至“七五”期间热喷涂技术的推广应用曾获国家科技进步二等奖。国内许多科研院所、大专院校在材料、设备研制方面也都获得了不同级别的奖励。《金属加工（热加工）》参加两个协会组织厂成立大会，并作了20余篇报道，如《“六五”期间热喷涂技术的推广应用总结》、《“七五”期间我国热喷涂技术发展现状》、《全国热喷涂经验交流会暨论文评选大会在桂林召开》、《热喷涂技术在沈阳召开》等，并节选了许多会议论文刊登在该杂志上进行交流与推广。
3.90年代发展到一个崭新阶段
这一阶段的发展特点是：设备方面向高能、高焓、高速度方向发展；材料方面向系列化、标准化、商品化方向发展，以保证多功能高质量涂层的需要；工艺技术方面向机械化、自动化方向发展，如计算机控制、机械操作等。推广应用的着重点是：
（1）紧紧抓住推广应用中的主要问题。各行业、各地区抓好量大面广的典型件进行推广应用，如：冶金行业的高炉风口、连铸机轧辊、炉底辊，电力行业的锅炉四管，煤炭行业的刮板机中部槽、液压支柱，机械行业的阀门，造纸行业的烘缸，纺织行业的罗拉、过丝轮，石油行业的钻杆、柱塞，制糖行业的底梳、面梳等。
（2）抓大型关键设备的维修与强化，如：冶金行业的万吨油压机柱塞、炼铁厂的高炉大料钟、宝钢的高温炉辊、独山子炼油厂的燃气轮机叶片以及潍坊纯碱厂的二氧化碳压缩机汽缸，这些设备其价值都在百万元以上，甚至每天创造价值都在百万元以上，修复意义重大。
（3）抓好进口零部件的维修与强化。近年来许多部门进口设备比较多，采用热喷涂技术进行修复与强化既可解决生产急需又可节约大量外汇。
（4）开展社会主义大协作，对重大设备采取专家会诊，协作攻关。如包钢引进德国6500m3引风机大轴、北京东方红炼油厂引进日本的关键设备、武钢1.7m轧机、西南铝加工厂号称“国宝”的万吨油压机柱塞、贵州铝厂的碳素电极挤压成形嘴等大型进口关键设备都组织专家会诊，协作攻关，成功地进行了修复，既解决了企业生产中的难关，又为国家节约了大量外汇，其经济效益和社会效益重大。
（5）加强国内外的交流与合作，仅全国热喷涂协作组就已经召开了16届年会和各种类型的国内外技术交流活动，举办了两届中、日热喷涂技术研讨会以及多次国际间的技术交流活动。近年来和国际上有影响的相关组织和企业保持着密切的联系，如美国金属学会热喷涂协会（ASMTSS）、德国焊接学会（DVS）、国际热喷涂协会（ISPC，CANADA）、苏尔寿美科公司（SULZER METCO，SWITZERLAND）、普莱克斯公司（PRAXAIR，USA）以及爱罗普拉斯玛株式会社（AEROPLASMA，JAPAN）等。借鉴国外的先进热喷涂技术，为我国热喷涂技术的发展与提高作出了重要举措。还举办6次大型技术讲座、30多次普及型和专业型技术培训班，召开7次大型现场技术经验交流会，出版印刷10余种论文集。“八五”期间热喷涂技术的推广应用获国家“高效优质的热喷涂技术”的推广奖。《金属加工（热加工）》参加了全国热喷涂协作组的第10、11、12、13届年会并作了及时报道，并对国内举办的技术讲座和培训班作了及时报道 。这一时期，《全国热喷涂会议在九江召开》、《我国热喷涂技术近期发展现状》、《热喷涂电刷镀技术在进口设备维修上的应用》、《热喷涂技术在国内重大项目中的应用》、《热喷涂技术及其在中国钢铁行业上的应用》、《热喷涂技术在钢铁件防腐蚀中的应用》、《热喷涂技术在高炉风口上的应用》、《热喷涂技术在高温炉辊上的应用》、《热喷涂技术在锅炉吸风机上的应用》、《热喷涂技术在热轧工具上的应用》、《热喷涂技术在我国电厂锅炉防护上的应用》等40余篇文章在本刊发表。
4. 21世纪以来向世界先进水平迈进
进入21世纪以来，我国的热喷涂技术已经有了飞快的发展，设备与材料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（高能等离子）、爆炸喷涂、等离子堆焊、电弧喷涂及火焰粉末喷涂及火焰线材喷涂设备，生产金属粉末(Ni、Co、Fe基)、各种复合粉、陶瓷、金属陶瓷粉末、各种合金丝材和粉芯丝材等，基本上可以满足国内热喷涂市场的需要。有些品种已经达到国际先进水平。
应该特别指出的是，最早问世的火焰喷涂技术、电弧喷涂技术在飞速发展的热喷涂技术中，不但没有被淘汰，而是经过不断改进在适应各类材料的喷涂中继续发展。各种新型喷涂材料的出现，进一步扩大了火焰喷涂技术的使用范围。新型火焰喷涂枪可以喷涂各种金属、陶瓷、金属加陶瓷的复合材料和各种塑料粉末材料的涂层。尽管等离子和HVOF/HVAF超音速以及爆炸喷涂的涂层优于常规火焰喷涂和电弧喷涂，但由于投资大、操作控制系统复杂、设备笨重、无法现场施工等缺点，应用范围受到极大限制，在防腐和维修市场难以推广普及。新型火焰喷涂设备与技术和超音速电弧喷涂设备与技术在工业防腐和零件修复市场中永远是主要技术力量。特别值得指出的是，电弧喷涂既是一种古老的喷涂技术，又是一种崭新的喷涂技术。该技术产生于20世纪初，当时由于受喷涂设备性能的限制，只能喷涂一些低熔点的金属材料来防止钢铁表面锈蚀。随着热喷涂技术的发展与提高，电弧喷涂技术也在不断进步。到了20世纪中期，电弧喷涂技术已经占据了重要地位。后来由于等离子、爆炸等喷涂技术的出现，能满足航空、航天、火箭等尖端技术的需要，在某种程度上限制了电弧喷涂技术的发展。进入90年代，由于北京工业大学研制成功粉芯丝材，给电弧喷涂技术带来了生机。粉芯丝材既克服了高合金成分难以拔丝的困难，同时还能使一些不导电的颗粒材料（陶瓷及碳化物）填充到粉芯丝材中，在电弧喷涂上得以应用，如Al2O3、TiO2、TiB2和Cr3C2等。由于粉芯丝材成分易调节、生产周期短、选材便利、成本较低等优点，因此促进了电弧喷涂技术的发展。近年来高合金、锌铝合金（85/15）的丝材的出现，使电弧喷涂技术发展得更快。随着电弧喷涂材料的品种不断增加，性能不断提高，电弧喷涂设备又向精密化、自动化方向发展。如超音速电弧喷涂、高速脉冲电弧喷涂、复合电弧喷涂、保护气体电弧喷涂和真空电弧喷涂等，这些新的电弧喷涂工艺技术的出现，大大地提高了喷涂效率，改善了涂层质量，拓宽了电弧喷涂技术的应用领域。当前这项技术很受青睐，在国民经济许多部门发挥了重要作用，使古老的电弧喷涂技术焕发了青春。
《金属加工（热加工）》参加了全国热喷涂协作组的第14、15、16届年会并作了及时报道，节选许多精辟论文刊载在杂志上，并对国内举办的技术讲座和培训班作了及时报道。刊登的文章有：《2003年全国热喷涂协作组工作计划》、《姹紫嫣红说大阪——2004年国际热喷涂大会（ITSC’04）述评》、《2005年全国热喷涂会议圆满结束》、《2008年全国热喷涂研讨会在三亚召开》、《SULZERMETCO——热喷涂技术的航母》、《发展21世纪的创新热喷涂技术》、《高炉水冷铸件的内冷钢管的热喷涂》、《含稀土元素的耐蚀热喷涂材料》、《几种自结合材料在热喷涂中的应用》、《权威国际会议展现一流的理念——访中国表面工程协会副理事长黄小欧》、《热喷涂 TBCS涂层对高温合金组织的影响》、《热喷涂在转炉烟罩上的应用》、《热喷涂非晶合金涂层的制备》、《热喷涂丝料的应用现状及发展》、《我国热喷涂粉末材料的应用现状及发展》、《新时期新应用——记第八届国际热喷涂研讨会暨第九届全国热喷涂研讨会》、《新型电弧喷涂粉芯丝材的研究——应用前景广阔的热喷涂技术》以及《抓住机遇科学发展扩大应用——第七届国际热喷涂研讨会暨第八届全国热喷涂年会剪影》等。
三、我国热喷涂技术总体水平的评估
世界的热喷涂已有100年的历史,中国的热喷涂也有近50年的历史。特别是近20年来，中国的热喷涂有了较大的进步和发展，下面，就总体水平和地位、设备与材料、应用、科研与开发等方面作概要阐述。
1.总体水平和地位
据不完全统计，在“八五”期间(1991～1995年包括1996年)，中国热喷涂行业总产值为3亿元年左右(包括热喷涂设备、材料、施工与技术服务、辅助设备材料等)。1996年，我国国民经济总产值约为7.5万亿元(约为9100亿美元)，热喷涂产值约占其0.39/10 000。据有关资料报道，目前全国有热喷涂厂家2000余个（包括热喷涂设备、材料、辅机、辅助材料生产厂、热喷涂施工、技术服务单位，以及从事热喷涂的科研、教学、开发单位和贸易公司），从业人员几万人(不含施工队临时工)。热喷涂企业仍以小型单位(30～50人)为主，占总数的90%以上。热喷涂行业年人均产值约为10万元/人，在机械行业中属于佼佼者(上等水平)。
据国外有关材料介绍，近几年美国热喷涂总产值约为20亿美元，日本为800亿日元，分别占其国民经济总产值(GNP)的3.6/10 000和2.3/10 000。热喷涂产值在GNP重的比值是该国热喷涂发达与否的重要标志。中国的这个比值，仅为美国的11%，日本的17%。这说明，中国的热喷涂仍处于发展阶段，远未达到成熟和饱和阶段，也正因为如此，热喷涂在中国的市场广大，机遇甚多，发展前景看好。
2.材料设备
热喷涂设备与材料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(Al2O3、Al2O3+TiO2、Cr2O3、WC—Co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。
3.应用范围及特点
（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，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。
4.问题与不足
当前，在应用方面存在的主要问题是：规模小、水平高低不齐，缺乏统一管理和标准，低价恶性竞争，无法形成在国内外具有影响力的热喷涂龙头企业(如日本的Tocal、美国的Praxair、法国的SNMI等)。目前，热喷涂技术正在继续发展中，还有许多亟待解决的问题。然而这些问题的解决大都紧紧围绕着提高涂层质量这一首要要求，即主要提高涂层的结合强度和致密度，开发多种热喷涂新设备和新材料。
四、展望
从未来的发展趋势看，热喷涂系统工程的研究将越来越受到人们的重视。目前许多国家都加强了对热喷涂系统工程的研究，即从失效分析入手，通过对表面预处理，喷涂设备、喷涂材料及喷涂工艺的优化，制定出热喷涂实施工艺计划。在发展过程中，热喷涂技术与其他学科相互交叉渗透形成了新的表面处理工艺。例如，热喷涂与热处理工艺的结合出现了炉内烧结重熔和高频感应重熔涂渗工艺，与电镀工艺的结合产生镀涂工艺和涂镀工艺，与铸造工艺结合出现了烧结喷熔和电火花烧结工艺等。采用新的能源，出现了激光重熔和电子束重熔等。
由此可见，热喷涂技术应用的新领域有待于进一步进行探索和开发，如钢铁行业。尽管我国目前钢产量是美、日总和，但是许多优质钢板还需进口。仅举钢厂冷轧生产线上热镀锌沉没辊、夹送辊和连续机组炉内辊为例，这些轧辊在国外均已采用热喷涂技术进行了表面改性增强，提高了辊子的使用寿命。在我国仅在宝钢等少数几个钢厂采用了该项技术。据钢铁行业内部不完全统计，目前我国国有钢厂拥有热镀锌生产线已近50余家，非国有生产线近100余家。从我国拥有热镀锌生产线的数量上来看，热喷涂技术在钢厂的应用还是存在一个很大的市场与技术应用开发的空间。
目前，在电厂和锅炉四管采用热喷涂技术去提高锅炉四管的安全运行和使用寿命的单位还不到我国目前正在运行锅炉总数的1／5，由此可见，把热喷涂技术在电厂及锅炉四管推广应用作为未来的发展方向和重点服务项目是大有可为的。以上仅是热喷涂技术在近10年来推广应用或重点服务领域的两个典型方面，类似的还有石油、化工等重点工业领域。其中仅石油方面就有海洋采油平台的钢结构表面耐海水腐蚀、西气东输管道阀门的表面耐磨改性、钻杆的耐磨耐蚀应用等，这些都将会成为热喷涂技术服务的发展方向。
五、结语
（1）自“六五”国家将热喷涂技术列为重点推广项目以来，该项技术已广泛应用于国民经济各部门，取得了重大经济效益。
（2）进入21世纪以来，特别是我国加入WTO的新形势下，我国热喷涂技术已经发展到一个崭新阶段，在轨，总体水平与国际相当。
（3）热喷涂技术在我国国民经济各部门还有广阔的应用空间，现在及其今后相当长的一段时间里在国民经济建设中的地位不可低估，将会取得更大经济效益，可谓方兴未艾。
（4）回顾我国热喷涂技术的发展历程，《金属加工》对热喷涂技术的发展与提高作出了重要贡献。
参考文献略
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