热喷涂工艺的现状和发展趋向
杨遇春
材料导报
摘要：热喷涂工艺近年来出现奇迹般的发展，喷涂方法日趋通用化和高产额化，喷涂设备日趋精良、高级，喷涂材料的质重和检控手段大为改善，致使热喷涂工艺的应用范围己扩少到包括航空燃气涡轮发动机在内的33个工业部门，在欧美等发达国家的国民经济和军事装备中发挥了日益重大的作用。为推动热喷涂工艺在我国的发展，本文以高速火焰喷涂、等离子喷涂工艺为重点系统地介绍了各种热喷涂方法的进展，以Psz铬基陶瓷为重点分别介绍了金属与合金及陶瓷等喷涂材料及其发展，简述了热喷涂涂层应用的进展和市场概况及发展趋向。
主题词：热喷涂；现状；应用；发展
引言
近年来高新技术的飞速发展，对提高金属材料的性能、拓宽它的功能，延长仪器设备中零部件的使用寿命提出了强烈要求，而当前又面临高性能结构材料成本逐年上升的问题，为同时解决这两个方面的问题，近年来表面工程发展很快，尤其是热涂层技术获得了巨大的进展。
热喷涂近年来出现的奇迹般的增长，主要的原因之一是在设备上生产显微组织可重现的涂层的能力有很大增强。这是因为在很大程度上普遍采用了质量流燃气控制和计量仪表，涂层设备日趋精良、高级，等离子喷徐和高速火焰喷涂设备已在市场上行销的缘故。另外，喷涂材料质量和检控手段的改善，喷涂方法的通用化和高产额化(喷涂材料的消耗最高达30kg/h)也推动了热喷涂工艺的发展。
热喷涂自本世纪初间世以来，最先主要用于零件的修复，进入60年代后在应用规模、范围及多样性方面才有了显著进展。目前，由于喷涂材料的品种、热源温度(3090~16650℃)、粉粒速度(90~900m/s)有可供选择的回旋余地，同时也由于高速、高功率直流等离子体的引入，能够以低成本获得质量极高的热喷涂层，热喷涂工艺的应用已扩展到包括飞机燃气涡轮发动机在内的33个工业部门。例如，采用高速氧燃料法(Hv0F)利用高达3~4马赫的粉粒速度已能供应质地最好的碳化钨涂层;采用控制气氛丝一弧喷涂法已有可能在金属基体上获得高质量、无气孔的镍基超合金，钦和钮的涂层，化工容器的耐蚀衬里及高电导率涂层。
热喷涂工艺以降低成本提高或赋予材料以独特性能而受到青睐。目前，全世界喷涂丝的消费量已达数万t，喷涂粉的年消费量接近15O00t。美国1989年喷涂用陶瓷粉的消费市场已达2100万美元。
热喷涂工艺的进展
热喷涂是将喷涂材料加热熔化并雾化成典型直径为0.5~10如m的液滴或夹带固体的液滴，高速喷射到基材(工件)表面，形成具有足够粘着强度的所需涂层的工艺，整个过程除与设备类型有关外，还涉及喷涂材料、热源和喷射速度。喷涂材料为呈粉、丝或律状的金属，陶瓷和塑料;热源主要有氧/燃料火焰如氧/炔焰(火焰温度3090℃)，直流电弧和等离子弧(16650℃)等几种。粉粒的速度决定热涂层沉积层的密度，其波动范围为90~gO0m/s，粉粒速度越快，涂层越致密。
由于上述三个因素的存在，大体上可以把涂层方法分为粉粒燃烧法、丝(棒)燃烧法、双丝电弧法、等离子弧法和高速氧/燃料焰法五类。燃烧法(粉和法)和电弧丝法由于成本低、易于操作，一般用于外形修复;高速氧/燃料焰法能使粉粒速度达到3~4马赫，是制取碳化钨的最佳方法;等离子法适用性最强，更适用于大多数工程涂层的应用。
燃烧热喷涂
火焰喷涂。这是一种把热喷涂材料送入氧与可燃气体(乙炔、丙烷等)反应形成的燃烧火焰使之熔化，再借喷射空气喷涂在工件上获得涂层的过程。火焰是稳定的热源，最高温度达3150℃，适用于喷涂几乎所有的金属及部分陶瓷(受熔点限制)。
火焰喷涂依喷涂材料的外形又分为熔丝法、熔棒法和粉末法三种类型。熔丝法应用能够形成丝材的各种金属与合金.该法亦可采用填充陶瓷粉(如氧化铝)的线段状塑料管作喷涂材料(热喷涂时塑料蒸发)。熔棒法以陶瓷(氧化铝、氧化铬、硅酸错等)制成棒状作喷涂材料，而那些不易制成丝材(铝锌合金、自熔合金等)的合金粉和低熔点(低于2500℃)陶瓷粉，则以采用粉末法送入火焰为宜。钢铁材料在喷涂锌、铝或其合金的防腐涂层时主要采用火焰喷涂法。火焰喷涂法的缺点是涂层孔隙度与氧含量较其它方法为高。
爆炸喷涂。爆炸喷涂又叫D枪喷涂或火焰冲击喷涂，工艺过程不连续，设备主要由一只长枪管构成的爆炸喷枪组成。当适量的乙炔和氧送到同时送入喷涂粉的枪管，用火花栓点燃气体混合物实现爆炸后，爆炸区的温度约5000℃，使粉粒熔化，被加热的压力波以每秒数百米的速度推动粉末，以极高的能量喷射到待涂层的表面。所得涂层极为致密，较其它热喷涂方法有更高的粘着力。为了使这种涂层过程近乎为连续过程，爆炸发生的频率一般为4~8次/s。最近新研制的喷枪的爆炸频率可达12次/s。
爆炸喷涂法主要用于生产由wc一co构成的耐磨涂层及密封。爆炸喷涂法虽能提供高质量的涂层，但考虑到涂层的成本及纯源化(消除射频干扰)问题，不得不寻找和评估其它替代的涂层方法。
高速火焰喷涂。高速火焰喷涂又叫高速氧燃料喷涂或超声喷涂(Hv0F)，是80年代才出现的一种高能喷涂方法，它采用内部(火箭式)燃烧喷枪产生1830m/s的超声气流速度，使燃烧在一个延长的一般需要冷却的燃烧室内藉助同心导管进行。燃烧所用燃料为丙烯、乙炔、丙烷、氢和MAPP等气体。当混以纯氧燃烧时，这些燃料产生的气体温度大于2760℃。在大多数情况下使用丙烷和氧的了昆合物进行燃烧。
HVOF法适于喷涂熔点为1600~1800℃的材料，如钢、镍合金、钻合金、碳化物及某些氧化物陶瓷等。
未完待续
图略
参考文献略
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