引言：热喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/发展迅速，各种热喷涂设备近年来也有很大的发展，让我们通过本文来了解这些情况。
摘 要：热喷涂技术作为一种重要的表面处理技术，近年来发展很快。本文综述了热喷涂设备(包括等离子喷涂、高速火焰喷涂、爆炸喷涂等)近年来的发展情况。
关键词：热喷涂；喷枪；发展
1 前言
热喷涂技术是一种将涂层材料(热喷涂粉末、丝材或棒材)送入热源(电弧、火焰、等离子弧等)中加热至熔融或半熔融状态，并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成覆盖层的工艺[1]。一般按热源类型可分为电弧喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂等[2]。热喷涂技术操作简便、灵活、高效，可用于热喷涂的涂层材料种类多，有金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料等，材料形状可以是热喷涂粉末、丝材或棒材中的任意一种[3]。近年来，热喷涂技术有了非常大的发展，制备的涂层质量有了质的飞跃，使得热喷涂涂层的应用更为广泛，在航空航天、冶金、汽车、石油化工、半导体、建材等行业都得到了广泛的应用[4]。目前全世界热喷涂市场规模在 52 亿美元以上，同时大约以 5% ~ 10%的速度增长[5]。
2 等离子喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/技术
等离子喷涂技术出现于 60 多年前，经过不断的改进和发展，现在已经非常成熟，喷涂的各种金属涂层、陶瓷涂层和封严涂层等广泛应用于航空航天、印刷、钢铁、汽车、纺织等领域。近年来，等离子喷涂设备发展也很快，电源从可控硅电源发展成以逆变电源为主，气体流量控制也从浮子流量计控制变为更精确的质量流量计控制。
目前等离子喷涂常用的喷枪主要有 Sulzer Metco公司的 7M、9MB 和 F4(原理图如图 1 所示[6])以及Praxair 公司的 SG100，最大工作功率在 40 ~ 80 kW，主要存在以下 3 个方面的问题[7]：
(1) 等离子参数漂移。即在喷枪使用过程中，同样的气体流量参数情况下，等离子电流和电压随使用时间变化，实际工作功率不断下降，导致涂层质量不一致，沉积效率降低。
(2) 操作窗口窄。最大可靠工作功率在40 ~ 80 kW，工艺参数调整范围窄，限制了等离子体温度和速度的调整。
(3) 等离子喷枪部件的阴极和阳极寿命短。由于等离子弧的不稳定(沿径向和轴向运动)和非常高的等离子电流，导致阴极和阳极寿命不高(一般小于 50 h)，而且阴极和阳极蒸发出来的 Cu 或 W 容易污染涂层。
近年等离子喷枪主要发展方向之一是降低等离子电流，提高等离子电压，同时设法稳定等离子弧的运动，从而降低阴极表面温度，延长阴极和阳极的使用寿命[6]。
2. 1 多电极等离子喷枪
降低等离子电流密度的方法之一就是使用多阴极/多阳极设计，将电流分散到多个电极上。Axial III 等离子喷枪是在 1990 年由 University ofBritish Columbia 发明[8-9]，由 Northwest Mettech 公司商业化成功。它采用的是三阴极、三阳极设计(如图 2 所示[7])，同时使用了集束器将三束等离子焰流汇聚成一束焰流喷出，采用轴向送粉设计。Axial III 喷枪的专利设计使得电弧拉长，工作时使用高电压(100 ~ 200 V)、低电流(75 ~ 250 A)，使得喷枪部件寿命大大延长。据报道，在 130 ~ 150 kW 的高功率下运行时，阳极寿命为 50 h，而阴极为 100 h。若在 50 ~ 80 kW 的功率下运行，此时的阴、阳极寿命将会达到 200 h。
Klaus Landes 教授于 1993 年发明了三阴极等离子喷枪[10-11]，目前最新型号为 TriplexPro 200。Triplex 喷枪结构为三阴极和单阳极，将等电弧等分成三束，三束弧的弧根起弧后在阳极上固定不动(如图 3[6])，最高使用功率可达 65 kW，一般工作参数为电压 82 ~ 98 V，电流 460 ~ 540 A，配件寿命超过 200 h。但是，Triplex需采用 Ar/He 作为等离子气体，因此导致使用成本偏高。由于其所需的等离子气体流量低于 9MB 和 F4 等离子喷枪，因此热喷涂粉末粒子速度较低，热喷涂粉末在等离子束流中停留时间延长，有利于喷涂导热差的陶瓷热喷涂粉末[7]。
如喷涂氧化锆可磨耗涂层时，沉积效率约 50%，而送粉量超过 150 g/min，因此总的喷涂效率是 9MB 的3.9 倍以上[12]。
最近，Klaus Landes 教授又设计开发了三阳极等离子喷枪[6, 13-14]，目前由德国 GTV 公司进行商业化开发。Delta 喷枪采用的是三阳极、单阴极设计(见图 4[14])。在起弧时，先由一个靠近阴极的辅助阳极引弧，再将阳极电压切换到 3 个阳极上，这样在阴极和阳极之间的绝缘通道上形成稳定单个电弧，而电弧在分为 3 块的阳极上形成 3 个弧根。Delta 喷枪采用外送粉方式，送粉量比 F4 喷枪提高一倍以上，能稳定工作在 50 kW左右，显示出了比 F4 喷枪弧更稳定的性能[6]，但需进一步的优化才能完全发挥其优势。
2. 2 单电极等离子喷枪
多电极等离子喷枪经常需要同时更换多个阴极或阳极，因此，许多公司进行了单电极(一个阴极加一个阳极) 结 构等 离 子 喷枪 的 改 进工 作 。 Progressive Technology 公司推出的 100HE 等离子喷涂系统所用等离子喷枪是一种新型的单阴极、单阳极设计，如图 5所示[7]。100HE 喷枪改进了阳极设计，有 3 个钨环和沟槽，这样的设计稳定了阳极上弧根的运动，同时使等离子弧被拉伸(其弧长约 75 mm，F4 喷枪的弧长约5 mm)，可稳定工作在高电压、低电流条件(电压 200 ~275 V，电流 375 ~ 600 A，功率 25 ~ 100 kW)下，电极寿命延长到 200 h 以上。推荐采用 Ar/N2/H2混合气体作为气源[7]。若加入 He 取代 H2，则等离子焰流速度接近高速火焰喷涂，碳化钨热喷涂粉末粒子能加速到 527 m/s；沉积效率超过 60%，喷涂碳化钨时成本能比高速火焰喷涂最多降低约 40%。因此，100HE 在等离子喷涂陶瓷市场，特别是制备氧化铬涂层方面有很好的优势。Vladimir Belaschenko 设计开发了一种新型单阳极、单阴极的串级等离子喷枪，如图 6 所示[15]。起弧方式与 Delta 喷枪类似，采用辅助阳极先起弧再切换到主阳极上。串级等离子喷枪设计比多电极喷枪结构简单，维护成本降低。该等离子喷枪的主要特点包括：
(1) 该喷枪可以使用 N2、N2–H2、N2–Ar、Ar、Ar–H2、Ar–He 中任何一种作为等离子气体，特别是使用 N2，大幅度降低了使用成本。
(2) 目前的工作功率在 10 ~ 90 kW，工艺窗口非常宽，可以模拟不同等离子喷枪的工作参数。
(3) 喷枪热效率在气体大流量时为 75% ~ 80%，比常见等离子喷枪高 50% ~ 55%。
(4) 使用不同的等离子气体和工艺参数，喷枪能产生层流、过渡或湍流等离子，这是目前常见等离子喷枪无法做到的。
(5) 等离子弧非常稳定，电压和电流波动非常小。因此，喷枪电极寿命得到延长，如经过 25 h 喷涂和超过 100 次起弧后，电极没有可测量的损耗，其他等离子喷枪无法做到如此优异的电极寿命。
2. 3 LPPS-TF 技术
除了在等离子喷涂设备上进行改进外，人们还研制了一些新型的热喷涂技术来满足新型涂层需求。一般情况下，低压等离子喷涂设备(LPPS：Low Pressure Plasma Spray)工作在 5 000 ~ 25 000 Pa 的压力下。近年出现了一种新型的 LPPS-TF 技术，主要特点是工作压力降低到 100 ~ 1 000 Pa[16-19]。当工作压力低至100 Pa 时，等离子焰流会显著变长(例如在 7 000 Pa 时为 200 mm，在 100 Pa 时会长至 2 m)，同时焰流的直径增大一倍以上。因此，若使用常见的喷嘴，等离子在喷嘴出口处膨胀不足，会导致等离子弧沿轴向出现膨胀区和收缩区，出现不均匀。等离子弧的这种不均匀，可能导致送入的热喷涂粉末飞出等离子弧并重新固化，降低涂层质量。因此，LPPS-TF 喷枪需要重新设计等离子喷嘴。采用的等离子喷枪工作在 180 ~ 240 kW，喷涂时喷距最长到 1 400 mm，沉积速度为 0.05 ~ 1.00 μm/遍，沉积的涂层厚度为 0.1 ~ 200.0 μm[20]。
利用 LPPS-TF 技术能快速、大面积沉积薄的致密涂层，填补 PVD 涂层技术和一般热喷涂技术之间的空白。
(1) 快速、大面积沉积薄的致密涂层：一般情况下，使用其他热喷涂技术很难制备致密且厚度小于50 μm 的陶瓷涂层。而若采用 PVD 涂层技术，则沉积速度很慢，且成本太高。使用 LPPS-TF 技术，典型的陶瓷涂层沉积速度为：在 1 m2上 1 min 沉积 10 μm 厚涂层[16]。制备的涂层非常致密，特别适合于低成本制备固体燃料电池(SOFC)用电极[20]。
(2) 制备新型热障涂层：等离子喷涂制备的热障涂层为层状，具有导热率低的优点；而 EB-PVD 制备的热障涂层为柱状组织，有热循环寿命高的特点；采用 LPPS-TF 制备的热障涂层，能兼有层状和柱状组织结构，综合等离子喷涂和 EB-PVD 制备热障涂层的优点，涂层具有更佳的综合性能[21]。
3 高速火焰喷涂技术
高速火焰喷涂技术经过多年的发展，已经发展成熟。一般分为高速氧气燃料火焰喷涂(High-Velocity Oxy-Fuel Spraying，简称 HVOF)和高速空气燃料火焰喷涂(High-Velocity Air-Fuel Spraying，简称 HVAF)2种，分别采用氧气和压缩空气作为助燃剂。
3. 1 HVAF 喷涂
HVAF 技术采用空气代替氧气作为燃烧介质，降低了成本，同时降低了焰流温度(约 1 300 °C)[22]。在喷涂过程中，由于热喷涂粉末颗粒温度一般低于熔点，因此不容易产生喷嘴积瘤；热喷涂粉末颗粒速度高，可到 700 ~850 m/s；喷涂涂层的氧化和涂层材料分解(如 WC 颗粒脱碳)情况有很大程度的减少。因此，HVAF 喷涂的金属、WC 等涂层致密[22](如图 7 所示)，氧化物含量极低，而且涂层内应力小，可用于喷涂 2 mm 以上的厚涂层。HVAF 设备已经在一定程度上被接受，目前全球有 20 台以上设备在运行。
3. 2 V-Gun
HVOF 喷涂过程中氧气和燃料在燃烧室内燃烧，火焰温度在 3 000 °C 左右，因此常见 HVOF 喷枪如JP5000、K2 和 Jet Kote 等都需要采用冷却水进行冷却，大约 1/4 的热量被冷却水带走[23]。这样，不仅造成大量的能量浪费，而且使得火焰中加热热喷涂粉末颗粒能力降低。HVOF 喷枪 Jet Kote 和 JP5000 的发明人 JamesBrowning 先生最近研究出了一种称为 V-Gun 的 HVOF喷枪，可用于喷涂热喷涂粉末和丝材。V-gun 喷枪设计利用了类似于龙卷风的原理[23]，如图 8a 所示。先通入的氧气在喷枪内沿管内径的切向流动，在管中心形成类似于龙卷风暴风眼的低压部分，暴风眼沿整个管长度都自动居中，氧气强制沿管内径流动。如图 8b 所示，再通入的燃气就能轻易地沿暴风眼达到管出口，而且在管内基本上不会与氧气混合。点燃后，燃烧的火焰直径沿流动方向逐渐变大。只要枪管的长度合适，则刚好可以不用冷却而枪管不会被火焰融化。火焰温度约2 760 °C。显然，V-gun 喷涂时绝对不会有堵枪管的情况发生，不使用水冷，也简化了设计，大幅降低了设备成本和使用成本。目前，使用 12.7 mm 内径的枪管，喷涂铝丝材和不锈钢丝效率最高可到 40 磅/h[24]。若采用 400 mm 长枪管，其中 200 mm 用水冷枪管，则可以将喷涂的铝涂层的孔隙率从 1.0%降低到约 0.1%，氧化物含量也显著降低[23]。
3. 3 内孔 HVOF 喷枪
近 10 年来，用高速火焰喷涂涂层替代电镀硬铬得到了广泛的研究和应用，特别是高速火焰喷涂碳化钨涂层作为替代涂层应用非常成功[24]。但是，用高速火焰喷涂制备内孔涂层，特别是直径 500 mm 以下的内孔，一直局限于长径比≤1 的工况，更深的内孔无法喷涂，限制了碳化钨涂层替代电镀硬铬的应用范围。最近，Thermico 公司开发了商品名为 ID CoolFlow的 HVOF 喷枪(如图 9[25]所示)，喷枪火焰功率从 80 ~120 kW 减少到 5 ~ 30 kW，且喷距减小到 35 ~ 55 mm，如果配合采用 5 ~ 15 μm 的碳化钨热喷涂粉末，能应用于喷涂最小直径为 80 mm 的内孔，而不会产生基体过热，碳化钨涂层硬度大于 1 100 HV[25]。
4 爆炸喷涂
已经有50多年历史的爆炸喷涂技术近年来有了新的发展。美国 Praxair 公司的 D-gun[27]和 SDG，以及来源于前苏联的爆炸喷涂技术[28]，在航空等领域得到了一些应用。爆炸喷涂工艺过程中，热喷涂粉末粒子被加速到非常高的速度(有报道称超过 1 000 m/s[2])，同时粒子的温度适宜，此时制备的涂层(特别是碳化钨涂层)非常致密，与基体结合的强度特别高。但是，爆炸喷涂设备一直存在的问题是：爆炸的频率偏低，一般在 8 ~10 Hz，因而涂层的沉积速度很低，约 1 ~ 2 kg/h[2]，影响了生产效率。另一个问题是喷枪体积和重量偏大，往往不适合安装在机械手上，喷涂复杂面的话，存在困难。
Turbodetco 公司研制的高频爆炸喷涂设备(High-Frequency Pulse Detonation：HFPD)[28]，技术来源于航空脉冲喷射发动机，采用连续供应的爆炸气体和热喷涂粉末，而喷枪无机械移动部件，通过阀门来自动产生每个爆炸循环所需的气体和热喷涂粉末。由于无机械移动部件的限制，工作的频率能在很宽的范围内调整，最高在 100 Hz以上。先进的设计理念使喷枪的重量可以控制在 6 kg以下，便于安装在机械手上进行喷涂，有利于制备复杂型面上的涂层。例如，利用 HFPD 技术制备 WC–Co涂层，工作频率用 45 Hz，只需 0.035 mL/min 的丙烯和 0.14 mL/min 的氧气流量，送粉量为 4 kg/h，沉积效率约 54%[28]。即 HFPD 技术喷涂 1 kg 碳化钨热喷涂粉末消耗的氧气量约为 HVOF 的 20% ~ 59%[28](不同 HVOF 设备消耗的氧气量差别较大)，大大降低了气体成本。新发明的 PTS(Pulsed Thermal Spray)工艺[29-31]改进了传统的爆炸喷涂工艺，使喷枪设计小型化，喷距减小到 6.4 ~ 25.4 mm，能用于喷涂直径最小 38 mm 的内孔(如图 10 所示)。喷距的减少使得热喷涂粉末在火焰中停留时间变短，减少了氧化情况，因此可以使用粒径小于 20 μm 的热喷涂粉末，但热喷涂粉末粒子在火焰中还是可以加速到 700 ~ 900 m/s 以上[32]。PTS 工艺制备的涂层质量很高，据报道在 12.7 ~ 25.4 mm 喷距喷涂的 WC–Co–Cr涂层，孔隙率约 0.25%，显微硬度 1 232 HV。
5 结语
随着热喷涂应用越来越广泛，热喷涂设备的稳定性、生产效率和生产成本方面的要求进一步提高。近年来尽管热喷涂设备有了长足的进步和发展，但还需要进一步完善才能满足这种应用需求。此外，随着热喷涂技术不断扩展新的应用领域，涂层应用工况更加苛刻，需要不断开发新的热喷涂设备和工艺方法，才能满足未来的应用需求。
图略
参考文献略
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