表面工程程与热喷涂技术及其发展
徐滨士，李长久，刘世参，马世宁
摘要：本文介绍了热喷涂技术在表面工程中的地位和作用，着重阐述了等离子喷涂、高速火焰喷涂、电弧喷涂、塑料火焰喷涂等四种热喷涂技术的新进展及应用。
关键词：表面工程，热喷涂技术，综述
1概述
表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需要表面性能的系统工程。工业现代化的发展对设备零部件表面性能的要求越来越高，特别是在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等条件下，零部件材料的破坏往往自表面开始，如磨损、腐蚀、高温氧化等，表面的局部损坏又往往造成整个零件失效，最终导致设备停产。因此，改善材料的表面性能，会有效地延一长其使用寿命。因此许多国家都在努力研究各种提高零件表面性能的新技术、新工艺，开发出了大批实用、先进、高效的表面工程技术，并通过与微电子及计算机控制技术的结合使表面工程技术的装备水平大大提高。诸多表面工程技术不仅成为现代制造技术中的重要_!三艺方法，而且在设各的技术改造和维修方面发挥了重要作用。一些国内外知名专家预言，表面工程将成为主导21世纪工业发展的关键技术之一。
表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，其厚度一般为几微米到儿毫米，仅为结构尺寸的几百分之一到儿十分之一，却使零件具有了比本体材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温等性能。因此，即使采用性能优异的贵重、稀有元素，也不会显著增加成本，采用表面工程技术的经济效益和社会效益是难以估量的。热喷涂技术是表面一工程中重要的表面技术，是表面工程发展的重要基础。
热喷涂技术是通过火焰、电弧或等离子体等热源，将某种线状或热喷涂粉末状的材料加热至熔化或半熔化状态，并加速形成高速熔滴，喷向基体在其上形成涂层，可以对材料表面性能(如耐磨损性、耐腐蚀性、耐高温隔热性等)进行强化或再生，起到保护作用，并能对因磨损腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行恢复。同时，还可以赋予材料表面以特殊性能(如电学、光学等性能)。自本世纪初火焰线材喷涂应用以来，热喷涂技术已具有80多年的历史。目前已广泛用于如航天、航空、冶金、机械、造纸、石油化工等几乎所有工业领域以及家庭用品(如不粘锅、红外线保健电热器等)。据90年代初期的预测在本世纪末全世界的热喷涂市场每年将超过30亿美元。热喷涂技术的发展主要依赖于热喷涂方法的不断开发和完善，现在在生产实际中应用比较广一泛的方法主要有火焰喷涂法(包括线材火焰喷涂、热喷涂粉末火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰)，等离子喷涂和电弧喷涂。文献分析预测了热喷涂市场的变化，见表1。
根据该结果，在60年代，火焰线材和火焰热喷涂粉末喷涂所占比达到70%。随着等离子喷涂技术的发展及其在航天航空领域的应用，在80年代等离子喷涂技术占据了主导地位，超过50%，到本世纪末，等离子喷涂仍然居主导地位，但由于高速火焰喷涂归vOF)的发展，Hv0F将占据25%的市场比例，居第2位。电弧喷涂技术在70~80年代由于电弧的不稳定性而降至6%，随着不断完善并由于经济性好、涂层性能比火焰喷涂层优越，上升至第3位。基于热喷涂市场的巨大潜力及其社会效益和经济效益，在世界范围内，热喷涂技术受到极大的关注。
2等离子喷涂技术
等离子喷涂技术是以高温高速的等离子射流为热源进行喷涂的。由于等离子射流高温区的温度可以达到10000K以上，能熔化所有的固体物质。因此，只要具有物理熔点的材料，都可以通过等离子喷涂形成涂层，可以形成的涂层的种类及其应用极为广泛。等离子喷涂技术的发展可以认为主要集中在喷枪功率的提高以及等离子射流中送进热喷涂粉末方式的改良两个方面。目前，特别是在轴向送粉式等离子喷枪研制方面取得了巨大进展。
等离子喷涂技术的应用，自进入航天航空领域并由此获得广‘泛应用以来，己有近40年的历史，尽管喷枪结构在不断改进，但常用的等离子喷枪的主要结构直到80年代都没有大的变化。喷枪主要由作为阴极的钨极和水冷阳极铜喷嘴构成，在一定的电压条件下，获得非转移型等离子电弧和射流。在此阶段，等离子喷涂技术的发展主要体现在等离子电弧功率的提高，即最大功率从50年代的20kw，到60年的40kW级，70年代的80kW级。采用水作为等离子工作气体，使电弧电压大幅度提高，从而使电弧功率可以达到250kW。80年代中期超音速等离子喷涂采用普通的厂作气体如氛气，其功率也达到了200kW。等离子电弧功率的提高，大幅度提高了等离子射流的热焓，喷涂效率随之提高，喷涂材料消耗速度可以从普通等离子喷涂的每小时数公斤提高到数十公斤。由于应用这种高功率等离子喷涂的涂层性能与常用的80kw级的设备喷制的涂层的性能并无明显的优势，这类高能等离子喷涂系统的主要特点应为涂层制备效率高，用于高熔点的陶瓷材料的喷涂成形更有效。
等离子喷涂层的性能，特别是涂层的机械性能，主要受涂层内扁平粒子间的结合控制，而最近的研究结果表明，等离子电弧功率的提高并不能有效提高粒子间的结合力，这主要是因为等离子功率的提高不能有效地提高喷涂粒子的温度，而粒子的温度又是影响粒子间结合的主要原因。为了能有效提高粒子的温度，可以通过降低等离子射流的速度，延长热喷涂粉末粒子在等离子射流中的加热时间。因此，近来又出现了低速等离子喷涂的概念，主要是通过增加阳极喷嘴孔径，降低等离子电弧的压缩效应，从而实现等离子射流的低速化。实验结果表明，采用这种等离子喷涂枪，不仅喷涂过程中沉积效率高，而且获得的涂层的硬度也比传统等离子喷涂的高。
在等离子喷涂过程中，喷涂热喷涂粉末在等离子射流中的轨迹，对热喷涂粉末的加热熔化及加速影响很大，其结果将影响所形成的涂层的性能。因此，热喷涂粉末向等离子射流中的送进方式及其条件就显得非常重要。传统的等离子喷涂枪分为枪外送粉式和通过阳极喷嘴送入的枪内送粉式两大类。内送粉式容易将热喷涂粉末送进等离子射流的高温高速区，因此，加热加速效果好。并且，对送粉条件要求不高，对陶瓷材料的喷涂很有效。而在外送粉式条件下，不易将热喷涂粉末送进等离子射流的高温高速区，送粉条件对热喷涂粉末的轨迹影响很大[8]。由于在使用过程中不存在喷枪堵塞可能性，具有能长期连续工作的特点。在等离子喷涂过程中，最能简单控制热喷涂粉末轨迹的理想方法，是将热喷涂粉末通过等离子枪内部轴向送进到等离子射流中。自80年代以来，已经有许多关于轴向送粉研究的报道。文献[9]设计了多阴极等离子枪，阴极对称布置，为轴向送粉提供了通道。而文献[10]介绍了将传统的等离子喷枪的阳极设计为以轴线垂直相对对称布置的双阳极结构，实现热喷涂粉末沿等离子轴线送入的喷枪系统，利用该系统可以提高沉积效率和涂层性能，如喷制的Cr2O3涂层的硬度可以达到1500Hv300。空心阴极的中心孔是理想的送粉通道。气体隧道等离子喷涂装置，采用了空心阴极。空心阴极的主要问题是寿命短，等离子射流稳定性差。文献[11]提出用磁场控制电弧，通过使电弧在磁场作用下旋转，达到稳定等离子射流的目的，利用该方法可以将YSZ的沉积效率提高至传统等离子喷涂的两倍以上。目前，空心阴极等离子喷涂商用系统己经由加拿大的西北MEr1TECH公司推出，据报道采用该系统在喷涂包括金属、金属陶瓷在内的大部分喷涂材料时的沉积效率可达90%以上。
此外，通过采用将初始等离子电弧分离为两部分后再会聚的方法，在分离初始等离子体时产生一核心无弧区域，热喷涂粉末可以通过该区域轴向送进等离子中。这类轴向送粉方式的采用，不仅有效提高热喷涂粉末的沉积效率，降低成本，还具有提高涂层性能的潜力。高频等离子喷涂技术为典型的低速等离子喷涂法，由于速度低，热喷涂粉末在等离子中的停留时间长，为通过反应热喷涂获得与喷涂材料不同的全新涂层提供了基本手段。与高功率等离子喷涂相反，对于小的零部件，近来报道采用小功率的微速等离子喷涂，可以有效降低因喷涂面积小而带来热喷涂粉末利用率低的问题，并减小了小尺寸零件的变形。其次，在80年代前后研究开发的低压等离子喷涂技术，主要以应用开发为主，由于运行成本高，目前主要应用于高附加值的航空发动机叶片耐热合金的喷涂及高温合金的近终形喷涂成形。
随着等离子喷涂技术的发展和应用，涂层的可靠性越来越重要，喷涂过程的自动化以及智能控制，将有助于提高涂层的再现性，从而提高涂层的可靠性。我国在等离子喷涂技术开发研究及应用方面，也做了大量工作并取得显著成效。不但引进消化了国外先进的等离子喷涂设备并应用于各个领域，也研制生产了国产化的等离子喷涂设备，如北京航空工艺研究所研制，九江等离子喷涂厂、泰兴机械厂等批量生产的40~60kw、80kw常压等离子喷涂设备，已供给航空、航天、军工、纺织等几十个厂家使用。
未完
参考文献略
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