热喷涂粉末的制备技术
郭双全，冯云彪，葛昌纯，周张健
材料导报
摘要 热喷涂粉末占热喷涂材料总用量的70％以上，热喷涂粉末的成分、分布、形貌和粒度因粉末制备方法而异。雾化法、熔融+破碎法、研磨+烧结法、球磨法、喷雾干燥法、包覆法和等离子体雾化法可用于制备热喷涂粉末，为了获得致密的球形热喷涂粉末，等离子体球化技术得到迅速发展。综述了热喷涂粉末的常用制备方法，重点介绍了先进的等离子体球化技术。
关键词 热喷涂粉末,制备,等离子体球化
0引言
热喷涂技术，特别是等离子喷涂广泛应用于机械电子、化工、航空航天、核能等领域11J。目前，已实现工业化生产的热喷涂材料有金属、合金和陶瓷等。主要以热喷涂粉末、丝材、棒材状态使用，其中热喷涂粉末占喷涂材料总用量的70％以上。热喷涂粉末主要有纯金属粉末(W、Mo、Al、Cu、Ni、Ti、Ta、Nb等)、合金粉末(Al—Ni、Ni—Cr、Ti—Ni、Ni-Cr—Al、Co-Cr-W、MCrAlY(M=Co、Ni、Fe)、Co基、Ni基、Fe基自熔合金等)、氧化物陶瓷粉末(Alz0。、ZrOz、Crz0。、TiOz等)、碳化物粉末(WC、TiC、CrsC2等)、金属陶瓷粉末(WC-Co、CrsQ—NiCr等)。不同的供应商提供的热喷涂粉末虽然具有相同的化学成分和粒度分布，但是由于制备工艺的不同，粉末形貌差别很大，从球形到不规则或块状的变化，不规则的形状从立方结构到高长径比的针状结构变化。块状的长径比接近；虽然块状颗粒是致密的，但球形的或不规则的颗粒也町能是致密的或者是多孔的。因此，粉末形貌的变化导致热喷涂涂层结构的变化，从而表现出不同的性能，这已经由等离子喷涂、高速火焰喷涂和爆炸喷涂所证实。这主要是因为粉末的形貌决定了粉末的流动性，流动性差不仅使粉末的进料率发生波动，而且使非球形、不致密的颗粒在涂层形成过程中堆砌不致密。从而产生不均匀或多孔的涂层结构。球形、致密的粉末可获得优良的涂层。本文综述了目前热喷涂粉末的各种制备工艺及制得粉末的形貌特点，重点介绍r获得球形、致密热喷涂粉末的等离子体球化技术。
1热喷涂粉末的制备方法
1．1 雾化法
雾化制粉的过程是熔化的金属液流被雾化介质雾化成液滴。在液滴碰到器壁或团聚前快速凝固成粉末。原料多以单元素或多种合金元素在感应炉、电弧炉或其它类型的炉子中熔化，均匀化后被转移到中间包，因为中间包能提供恒定、可控的金属液流进入雾化室，金属液流出了中间包后遭遇高速的雾化介质(通常是气体)，被雾化成细小的液滴，在雾化室下端收集粉末。雾化法必须考虑粉末的粒度分布、形状和氧化程度，惰性气体雾化虽能有效降低氧含量，但成本高。
在过去10年里，一系列新的块体非晶态金属被制备出来，这些金属具有多组分的化学成分和高的玻璃相形成能力，主要有锆合金、镁合金、镧合金、钯合金、钛合金、铁合金系列。目前主要采用各种快速凝同技术来制备这些合金，采用喷涂的方法制备合金涂层也是一个研究的热点，常用的方法是首先利用氩气雾化工艺将合金雾化成微米级的非晶态球形粉末，然后热喷涂形成涂层。如Dent等采用高速火焰喷涂制备了Ni基的非晶／纳米晶涂层。
1．2熔融+破碎法
熔融+破碎法用于制备脆性材料的粉末。主要是陶瓷粉末。该方法的具体工艺是将不同的热喷涂粉末混合后在专门的加热炉中熔化，冷却后的陶瓷块采用各种破碎机破碎。这些破碎机主要有锤式粉碎机、捣碎机、鄂式破机和圆锥式破碎机。该方法制备的粉末具有致密、块状、多棱角的特点。
1．3研磨+烧结法
研磨会产生细小的粉末，直径通常小于5扯m，但这个粒度范围的热喷涂粉末不适合直接用于一般的热喷涂，处理方法是将这些热喷涂粉末压成球状，加入或不加入粘结剂，然后烧结，烧结温度必须在熔点以下，但是必须达到足够高的温度以使粉末之间通过化学扩散而粘结在一起，最后将烧结的坯体破碎成粉末，以获得适合热喷涂用的粉末粒度。不难看出，这样烧结的坯体比熔融冷却块体的破碎要容易得多，当增加压力、延长烧结时间和升高温度时，孔隙率将降低。研磨+烧结法制备的粉末主要是块状、多棱角的，粉末中有或多或少的孔存在，许多硬质合金或合金粉末就是采用这种方法制备的。
1．4球磨法
球磨法用于制备脆性材料热喷涂粉末(如陶瓷粉末)，可减小陶瓷粉末直径和消除团聚J“。包含有固体润滑剂(如石墨、MoSz、MnS、Ws2、CaF。等)的热喷涂涂层减少了由磨擦造成的能量损失和由磨损造成的质量损失，然而要用热喷涂方法来制备这类涂层是非常困难的，甚至是不可能的，因为在过热条件下这些物质很容易分解，同时其颗粒形状呈薄片状．流动性非常差。因此，在大多数情况下．这些粉末与一定质量比的金属颗粒混合，在球磨几小时后，粉末的粒径降到几微米或者几十微米，主要依据球磨参数而定Ⅱ“捕一，然后采用喷雾干燥法团聚成45／zm的球形热喷涂粉末，最后烧结成热喷涂粉末。
球磨法制备热喷涂粉末得到了广泛的发展．搅动球磨法就是有效方法之一。搅动球磨机不同于传统的球磨机，料浆包含了颗粒和介质，料浆以1～10Hz的频率连续搅拌，球磨子由细小的球(o．2～5mm)组成。占据研磨罐60％～90％的体积。为了防止团聚，料浆中加入一定量的有机添加剂，获得的颗粒粒度为0．1～5mm。研究表明，搅动球磨机呵获得亚微米级的颗粒d川。球磨介质和粉末的冷却是加快断裂和快速获得稳态条件的一种有效方法，液氮球磨就是在这一条件下产生的，其能够同时防止粉末的团聚和粉末冷焊接到球磨介质表面。在氮气气氛下粉末的氧化减小。近年来，为了合成特殊功能的热喷涂粉末，产生了一些新的复合工艺，如Borisova等[2虬采用球磨+高温自蔓延法和机械合金化+球磨法制备了热喷涂粉末。
1．5喷雾干燥法
喷雾干燥技术是制备细小颗粒用于热喷涂工艺中最通用的一种方法。在所有用于制备热喷涂陶瓷粉末的工艺中，所获得的粒度分布通常不适合用于热喷涂，如用破碎、研磨、球磨等方法时经常会产生许多细小的粉末(通常小于5um)，这些粉末没有团聚时不适合用于传统的热喷涂，因此必须形成混合物的团聚体。
在喷雾干燥工艺中，团聚粉末的制备来自悬浮液。然而包含金属和陶瓷粉末稳定的悬浮液不是直接形成的，如果氧化物悬浮液非常容易稳定，那么制备金属陶瓷如WC-Co其悬浮液就非常困难，这主要是由于WC-Co的高密度以及2种组成颗粒的酸碱性能不同引起的o“。喷雾干燥的悬浮液的性质随pH值、添加的分散剂量、连接剂的类型和固体物质的含量而变化。喷雾干燥可以制备由纳米级氧化物组成的微米级喷涂粉末，也可以制备由性质差别很大的元素组成的喷涂粉末，如制备Al—Si共晶合金喷涂粉末，其掺杂的碳纳米管含量为5％(质量分数)。
1．6包覆法
包覆法可以制备壳核结构的复合材料粉末，一种材料作为核．另一种材料作为壳，如NiAl喷涂粉末则是以Al为核，外面包覆一层Ni。机械融合法是制备包覆颗粒常用的方法，其具体工艺是具有不同粒径的原始粉末充分混合后加热．其间，低熔点的材料被加热到塑性状态(甚至在某些情况下熔化)，而高熔点的材料则不熔化。然后机械混合使得这两种粉末焊在一起。混合的结果是高熔点的粉末作为核被低熔点材料包覆，形成了壳核结构的复合材料粉末。包覆法的另一种工艺是复合化，复合粉体能使高硬度和高韧性的材料结合在一起。例如金属陶瓷复合粉末WC-Co(6％，质量分数)喷雾干燥的粉末通过CVD技术外包覆了Co层，所形成的复合粉末中Co总共占17％，且该颗粒具有很好的强度和韧性。
参考文献 略
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