丁传贤 材料表面与界面专家。1936年2月11日出生于江苏省海门市。1959年毕业于复旦大学。现任中国科学院上海硅酸盐研究所研究室主任、研究员。1995年当选为中国工程院院士。主要从事等离子喷涂涂层配方、工艺、性能、结构、应用和相关应用基础研究，并取得多项重要成果。
机械零件和钢结构的破坏多自表面开始，诸如腐蚀、氧化、磨损以及热疲劳破坏的发生。因此，采用涂层技术对表面实行保护，可使部件寿命大幅度延长，这比采用整体材料既经济又方便。此外，涂层技术还可赋予材料新的功能，主要有红外辐射、化学催化、生物相容等等。总之，涂层技术是一种量大面广、效果显著的材料保护和表面改性方法，应给予高度重视。
在众多的涂层技术中，热喷涂技术占有显著的地位。早在19世纪初，美国的M.Schoop首先将氧－乙炔焊炬用来喷涂金属线材，从此开始有了热喷涂。由于航天、航空、核工业的快速发展，对材料的要求日益苛刻，热喷涂技术得到了飞速发展，先后发展了等离子和爆炸喷涂。80年代初期，低压等离子喷涂和高速火焰喷涂技术的出现，使热喷涂技术形成了一个完善的体系。
随着科学的进步，对热喷涂技术的工艺与工艺参数加强了控制，并配合计算机技术，不仅步入了先进材料的研究领域，而且在高技术产业和传统工艺技术改造中获得了广泛的应用，并取得了明显的效果。据报道，1990年北美热喷涂技术市场约为8亿美元，预计2000年可达20亿美元。1994年美国高性能陶瓷涂层的销售额为5.25亿美元，预计2000年可达9.40亿美元，其年平均增长率可达10.2％，占各类陶瓷材料之首。在我国，热喷涂技术和材料的推广应用亦取得了明显的社会、经济效果。1981～1985年期间的年销售额为17亿元，1986～1990年期间为24亿元。
一、热喷涂技术
在热喷涂过程中，粉末或丝状材料经高温熔融，形成液体或液体加固体的微粒。以较高的速度碰撞于基体材料表面，形成具有不同功能的涂层材料。
热喷涂工艺主要有火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂三种，它们的工艺特性和适用范围现分述如下：
1．火焰喷涂
火焰喷涂主要是利用氧－乙炔燃烧产生高温火焰，将喷涂材料熔融，再利用周围压缩空气使熔融材料或微粒喷射黏附于基材表面。由于燃烧气体的温度限制，喷涂材料的熔点一般低于2500℃。火焰喷涂方法比较简单，设备也不复杂，因此在工业上被广泛应用。最近又开发出一种超音速火焰喷涂，采用氧－丙烷或氧－丙烯为燃料，其喷射速度高达音速的两倍，熔融粉末颗粒的速度可高达400米／秒，约分别为火焰喷涂的4倍和等离子喷涂的2倍。故涂层更为致密，结合强度大，特别适合于喷涂碳化物涂层。另外，此种方法有沉降效率高，涂层性能稳定等特点，预计是开拓涂层市场的有效技术途径。
2．电弧喷涂
以金属丝作为喷涂材料的电弧喷涂与其他的热喷涂方法有很大的不同，它是由两根作为喷涂材料而不断被消耗的载流金属丝短路，产生连续电弧而使金属丝端部熔融，用高速冷空气射流使熔化的金属丝端部雾化溅射到基材表面。冷喷涂是电弧喷涂的一个特点，即喷涂时不会提高基体表面的温度。另外，喷涂效率也比线材火焰喷涂提高2～6倍。电弧喷涂成本低，约为火焰喷涂的1／10，设备投资为等离子喷涂的1/3，但它只用来喷涂金属丝材，应用受到一定的限制。
3．等离子喷涂
等离子喷涂是热喷涂技术中最为重要的一种。利用直流电弧放电，把高温加热的氩气、氮气、氦气等气体部分电离成离子束，在电弧放电部位四周强制流过低温气体，产生热收缩效应，使电弧放电部位断面缩小，导致能量密度和电流密度升高，最高温度可达20000℃。由于等离子喷涂温度高，气氛可控制，可以用来喷涂各类高熔点的金属、氧化物和其他各种材料。最近10年开发的真空等离子喷涂设备，不仅使涂层的品种扩大，质量提高，而且可以进行新材料的合成和材料表面的改性。例如，在低真空下，利用等离子技术合成金刚石膜。在氮气中进行钢表面氮化，提高它的硬度，扩大应用等。
二、热喷涂涂层材料的性能
由于热喷涂技术的工艺手段很多，所以喷涂材料的选择范围很广。从塑料、低熔点金属，到难熔金属、陶瓷及其混合物。任何一种具有稳定液态的材料，至少可以用其中一种方法喷涂。同时，热喷涂涂层材料性能各不相同。表1（略）列出了等离子喷涂涂层的物理性能。
由表1可知，涂层有5％～30%的气孔率，与喷涂工艺参数密切相关。涂层体积密度与假比重的差异，表明涂层中还有一定量的闭口气孔，等离子喷涂涂层中加入适量的金属可提高涂层的抗折强度，见表2（略）。
表3为涂层的显微硬度和摩擦系数。由表3（略）可知，等离子喷涂涂层具有低的摩擦系数和高的硬度。图1（略）为涂层的导温系数。
由图1可知，大多数氧化物涂层的热扩散系数随温度的升高而减小，而Cr2O3和TiO2涂层的热扩散系数却温度的升高而增大，这有利于抗磨损。ZrO2涂层具有低的热扩散系数，是理想的防热材料。
三、热喷涂涂层材料的主要功能
热喷涂涂层具有耐摩擦和润滑、热保护、抗氧化、抗腐蚀、导电和电绝缘、生物医用、化学催化、复合材料制备及部件修复等功能。概述如下：
1．耐磨涂层是热喷涂技术的最大应用方面，通常具有高硬度、低气孔率、坚韧、与基体结合力强等优点。采用合适的组分，还可以减少摩擦。主要的喷涂材料有镍基合金和钴基合金、碳化物、硼化物、氧化物等。航空发动机是热喷涂涂层的最大应用市场。航空发动机叶片的凸台、密封部件加涂等离子喷涂碳化钨、氧化铝、硅藻土涂层，以提高耐磨和密封性能；燃烧室等部位采用耐热涂层保护。汽车工业的同步齿环和活塞环，通常采用火焰喷涂钼涂层。加涂耐磨涂层的钢铁工业、造纸工业的轧辊，可提高产品质量。采用氧化铝－氧化钛涂层的化纤工业的部件，可提高零件的耐磨性和消除静电。石化工业的磨环和轴套，加涂氧化铬、氧化铝－氧化钛涂层，解决了跑、冒、漏、滴等问题。耐磨涂层的主要用途和功能见表4（略）。
2．隔热涂层
隔热涂层，又称热障涂层，主要有氧化铝和CaO、MgO、Y2O3、CeO2和稳定的氧化锆组成。这些具有高的熔点和低导热系数的涂层，含有众多的气孔，体积气孔率在5％～30%之间。气孔的存在，进一步降低涂层的导热系数，提高涂层的隔热效果。
为了提高氧化物隔热涂层与基体的结合力，通常用NiCr、NiAl、NiAlCrY各种金属涂层作为结合涂层。防热涂层主要用于火箭发动机和航空发动机燃烧室防热，也用于化工行业和冶金工业高温热保护。NiCrAlY－ZrO2涂层用于航空发动机叶片，可使叶片使用温度提高150℃，发动机的热效率提高1％。若能获得工业应用，效果甚大。
为了减小涂层与基体金属的热应力，提高涂层的热冲击能力，近年来发展成功金属－陶瓷梯度涂层。此类涂层已在火车和汽车柴油机活塞顶上获得了试用，不仅提高了活塞的使用寿命，而且提高了柴油机的效率。
汽车发动机的热喷涂市场潜力很大，可望在以后的十年内有大发展。美国汽车制造商都有积极的热喷涂涂层研究和发展计划，拟在汽车汽缸内衬和排气部位使用热障涂层，在活塞环、阀、凸轮、曲轴等部位使用耐磨涂层，这些涂层将提高部件的使用寿命和热效率。
3．抗氧化和防腐蚀涂层
抗氧化和防腐蚀涂层主要是金属和氧化物涂层，前者为NiCr、NiAl、NiAlCrY、WCoCr、Zn、Al和ZnAl的合金，后者主要为ZrSiO4、MgO－ZrO2、Al2O3涂层。MgO－ZrO2涂层具有极好的抗熔融钚和铀腐蚀能力，可防止熔炼过程中石墨坩埚的污染。氧化铝涂层浸渍有机树脂后，可用于化学工业冷凝器和其它装置的抗酸碱腐蚀。NiCrBSi和WC涂层具有良好的抗气蚀能力，可用于轮船螺旋桨的防气蚀。火焰喷涂的Zn、Al和Zn－Al合金涂层进行长效防腐十分有效，可用于电视铁塔、桥梁、水闸、输电铁塔、竖井井筒等大型工程。近年来，在电弧喷涂铝合金涂层表面加封孔剂，对舰船防腐取得了十分满意的效果。在海岸大桥钢结构表面喷涂铝合金防腐，能取代油漆，可以节省大量维修资金和人力。
4．喷涂成型
涂层是由熔化了的颗粒堆积而成，涂层具有一定的强度。采用热喷涂技术可制备异型和复杂形状的部件，这比常规方法更为经济、方便。采用真空等离子喷涂，以石墨作为模型，已制备出性能优良的钨和钼坩埚和管材。大功率等离子喷涂设备（100kw以上），用来喷涂氧化铝氧化锆材料，成功地制备厚为15mm的大尺寸制品，其经济性与实用性优于传统方法的陶瓷制品。此外，用等离子喷涂技术还可以制备颗粒、晶须、纤维补强的复合材料。
5．医用生物材料
热喷涂技术主要是等离子喷涂技术，它是制备医用生物材料的重要方法之一。金属具有较高的强度，可以制成各种形状的人工骨和人工齿根，但其生物相容性较差；陶瓷材料不与人体体液作用，脆性较大，使其作为生物材料受到一定的限制。发挥二者的优点，克服缺点，以金属材料（主要为钛合金）为骨架，在其表面喷涂生物玻璃、氧化物、羟基磷灰石等制成复合材料，已在临床上得到应用。
6．其它功能涂层材料
热喷涂光、电、磁陶瓷是热喷涂技术的又一重要研究、开发、应用领域。喷涂铝、铜金属是典型导电涂层。氧化铝、氧化锆涂层是很好的电绝缘材料，可用作磁流体发电机的通道壁材料。热喷涂氧化锆涂层具有较好的离子迁移性能，已成功地用作汽车传感器零件，亦用来作为氧传感器探头，测定钢水中的氧含量。
从60年代开始研究热喷涂的光学材料和磁学材料，包括铁氧体、氧化物、碳化物、金属硬磁合金。等离子喷涂Sm／Co和NdB等材料，由于快速凝固，在沉积物中含有细颗粒，为磁性应用提供了特殊的优势。如非常小的磁畴，典型的P／M结构，提高了沉积物的磁性。
热喷涂涂层的又一重要研究开发领域是制备节能材料。将ZrO2－TiO2－Nb2O5喷涂在电热元件表面，不仅将电热元件的辐射系数由0.72提高到0.85，而且辐射率向长波方向扩展，大大提高了电热元件的能量利用率。制碱工业和电解水制氢工业消耗大量的电力，若能降低电解槽中的氢、氧过电位，具有明显的节电效果。采用等离子喷涂技术，喷涂Ni－Al－MO涂层，再除去Al相，形成多孔的Ni－Mo涂层，可使电解室的电压降低0.2V，达到节电的目的。
应当指出，热喷涂技术的另一重要研究课题是合成金刚石膜。金刚石膜具有极高的硬度，高的导热系数和禁带宽度大等特点，在新技术产业方面具有广泛应用。因此，世界各国的科技界与工业界采用各种方法合成金刚石膜。合成金刚石膜的主要方法有下列四种，即热丝化学蒸气沉积、等离子气相CVD法、燃烧火焰法和等离子喷涂法。其中受到广泛注意的是等离子喷涂技术。在低压等离子喷涂室中，注入CH4和H2，在基体材料表面沉积金刚石膜，金刚石膜的生长速率可达920微米／小时，是其它方法无法比拟的。
四、结束语
热喷涂技术种类齐全，使用方便，涂层材料变化无穷，可根据不同的要求进行选择，是节约原材料，提高工作效率的重要途径，既可为新兴工业服务，又可为传统工业技术的改造服务。
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