浅谈热喷涂技术的功用及工艺特性
李传启，李新德
设备管理与维修
摘 要：介绍了热喷涂技术的特点和热喷涂技术的功用，指出了热喷涂的不同分类方法，较为详细地介绍了各种不同的热喷涂，对不同种类热喷涂的工艺特性做出对比。
关键词：热喷涂技术；特点；功用；分类；工艺特性
热喷涂是选用专用设备及其产生的高温热源，将喷涂材料加热至熔融状态，并通过热气流吹动使其雾化后，高速喷射到经过预处理零件表面，以形成喷涂覆盖层的表面修复加工技术。
1 热喷涂技术的功用
热喷涂作为装备零部件表面损伤的一种重要修复技术，既能够填补零部件因刮、擦、碰等引起的伤痕，又能方便地恢复机械零件摩损的尺寸，而且还能通过选择适当的喷涂材料，明显改善和提高包括耐磨性和耐腐蚀性等多种指标在内的零件表面的性能，因而在各种金属或非金属零件的机械性损伤修复领域，占有重要的地位。其功用主要为如下 4 个方面。
1.1 制备新件
采用电弧喷涂和等离子等技术制造机械零件，是近年来迅速发展的一项特殊制造技术。如采用电弧喷涂制造冲压塑料和皮革制品件模具、等离子喷涂加工陶瓷喷嘴或耐火金属喷嘴、雷达整流罩、高温炉元件，以及纤维增强钛金复合材料的发动机部件等。
1.2 材料改性
在材料改性方面，用热喷涂技术对普通材料进行处理，可按需要改变其表面的化学成分和组织结构，达到强化表面某些性能的目的。
1.3 旧件修复
在旧件修复领域里，热喷涂技术不仅可以恢复零件的尺寸，而且可强化零件表面的性能，成倍地提高其寿命，经济意义十分重大。
恢复零件尺寸的技术，现在称为机械零件“再制造工程”。如在汽轮机转子、密封轴颈、主动性齿轮轴颈、活塞环等滑动磨损部位，喷涂各种铁基或镍基耐磨合金涂层，或氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层和镍基或钴基碳化钨涂层。特别是在纺织、造纸和印刷等行业，机械零件与布匹、棉纱、纸张等纤维制品摩擦，导致磨损，采用等离子喷涂氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层，可以有效减少磨损，提高寿命。
1.4 制备特定的功能性涂层
热喷涂技术可依据特定的功能需要，制造或修复加工出特殊的功能性涂层。
（1）耐磨涂层。对于可能遇磨料磨损的机械部件，如在冲蚀和气蚀环境下工作的水轮机、抽风机、旋风除尘器等的零件，为了获得较好的抗冲蚀效果、提高使用寿命，可采用等离子喷涂超细氧化铝、氧化铬等耐磨陶瓷涂层，或选用超声速火焰或爆炸喷涂钴基碳化钨复合涂层等技术手段，使其零件表面涂层达到硬度高、韧性好的要求。又如泥浆泵的活塞杆、螺旋送料等零件，要求涂层的硬度超过磨料的硬度，这时选用超声速火焰喷涂或爆炸喷涂技术喷涂镍基或钴基碳化钨层，可获得很好的使用效果。在大型水电站水轮机上应用热喷涂层，可大大延长其使用寿命。美国 Metco公司在小浪底水电站建设中，承担了水轮机耐冲蚀涂层的施工任务，项目总投资达到6 000 万～7 000 万美元，共耗喷涂材料 13 t 之多。采用耐冲蚀涂层后，预计水轮机叶轮寿命将从 3 年提高到 30 年。
（2）耐腐蚀涂层。采用耐冲技术可以喷涂耐各种介质腐蚀的保护涂层，如锌、铝、不锈钢、镍合金、青铜以及氧化铝、氧化铬陶瓷涂层和塑料等。目前性能最好的热喷涂防腐涂层，是锌、铝涂层，未来极有希望用来替代油漆作表面保护涂层。这类涂层除了具有大多数油漆和涂料对钢铁基体形成的“隔离”和“阻挡”功能外，由于锌、铝的腐蚀电极电位高于铁，即使涂层有孔隙、缺陷或出现裂纹时，腐蚀介质将首先腐蚀锌和铝，而使铁基体作为阴极得到保护，可用于大型桥梁、海洋钻井平台、水利设施等防腐，使用寿命可达到 20 年以上。例如英国的普利茅斯Tamar 公路大桥，1961 年建成后喷涂 0.08 mm 铝—锌复合涂层，耐磨蚀效果很好，虽处于海洋和工业腐蚀性气候中，但至今只重新喷涂过一次。塑料涂层也是一种较好的防腐涂层，在化工、食品等行业得到应用，取得了满意的效果。
（3）耐高温涂层。采用热障涂层隔离金属基体与高温环境，可以有效保持金属构件的力学性能，所以喷涂耐高温涂层在航空等领域已得到广泛应用。如航空发动机叶片、燃烧室内壁、活塞发动机工作温度提高100 ℃以上。
又如人造卫星进入地球阴影时，表面温度为 - 100 ℃；受到太阳照射时，温度升到315℃，即每绕地球一圈温度变化415 ℃，为保证卫星在急剧热交变条件下可靠地工作，美国在“探险者”卫星表面喷涂了氧化铝保证涂层，其遮盖面积为卫星上部总面积的25 %。由于氧化铝的隔热作用。卫星内部仪器舱温度保持在10～30℃，从而保证了灵敏电子仪器的正常工作。在冶金工业中，连续退火炉炉底辊需要具备良好的耐高温性能，采用超声速火焰喷涂 GrC3- NiCr 涂层，可以在 900 ℃以下保持非常好的高温耐磨性。若采用大气等离子喷涂氧化锆涂层，温度在900 ℃以上时，仍保持非常好的高温耐磨性。
此外，采用真空等离子喷涂NiCrA1 或 Ni(Co)CrA1Y 涂层，或者用等离子喷涂氧化铝—氧化钛等陶瓷涂层，都可以改善机械零件的抗高温氧化性能，防止熔融金属的侵蚀。
（4）屏蔽涂层。屏蔽涂层，用于消除电磁波和无线电波的干扰，同时清除静电放电火花；采用电弧喷涂锌屏蔽涂层，可以提供高能级的衰减（范围达60～120 dB）。屏蔽涂层的应用包括计算机终端设备、电子办公设施、药品监测和感光电子设备。当然，热喷涂技术发展很快，所能实现的具体功能远不止上述所列，还有诸如抗氧化喷涂层、隔热喷涂层、导电喷涂层、绝缘喷涂层、密封喷涂层、装饰性喷涂层、复合性喷涂层等。因此，我国将热喷涂技术定为全国重点推广项目。热喷涂技术以其涂层种类的广泛性、喷涂方法的多样性，以及加工成本的良好经济性，在装备维修和机械制造等领域有着广阔的应用前景。在 20 世纪 80 年代到 90 年代，全球每年热喷涂涂层产值递增5 %～10 %，1997 年达到 13.5 亿美元。热喷涂技术在航空、机械、汽车、冶金、纺织、适纸、军事、电子等领域都有越来越多的应用，其中航空发动机仍是热喷涂技术的最大用户。
2热喷涂分类的四大要素
目前热喷涂的分类，还没有统一的标准。但通常都是用“热源形式、喷涂材料的形态性质、能量级别以及喷涂环境”四大要素来表明热喷涂的种类。
2.1 热源形式
热源形式，表明了这种热喷涂方法所运用热源的类型。如火焰喷涂，表明了其热源形式是火焰；而电弧喷涂，则表明其热源形式是电弧；等离子喷涂，则表明了这种喷涂的热源是气体电离状态下所产生的高温等离子弧。
2.2 喷涂材料的形态性质
喷涂材料的形态，表明了该材料是棒材、线材还是粉状材料等；喷涂材料的性质，用以标明该材料是非金属还是金属，以及是何种金属或非金属。
2.3能量级别
能量级别，用以标明喷涂温度的高低、喷射速度的快慢，以及喷射压力的大小等。如超声速火焰喷涂或气体爆燃火焰喷涂，这两种喷涂类型就体现了能量级别的不同。
2.4 喷涂环境
喷涂环境，则说明了热喷涂是在自由大气下，还是真空以及负压状态下进行。分类的基本原则，是以所用热源形式要素为主，考虑第二要素———喷涂材料的形态（粉材、丝材、棒材）和性质（金属、非金属），然后兼顾第三要素———能量级别（高能、高速），必要时再冠以第四要素———喷涂环境（大气、真空、负压）等。
例如火焰喷涂，通常是指以氧—乙炔火焰为热源的喷涂，以下可细分为粉末火焰喷涂、棒材火焰喷涂、线材火焰喷以及塑料火焰喷涂等，超声速火焰喷涂以及气体爆燃火焰喷涂（爆炸喷涂），主要是考虑了能源的形式和级别。
3 热喷涂的类型
热喷涂按照加热能源形式的不同，可简明分为坩埚熔化法热喷涂、气体燃烧熔化热喷涂、气体电离熔化法热喷涂、电加热熔化法热喷涂以及激光熔化法热喷涂等。
3.1 坩埚熔化法热喷涂
热喷涂技术早期应用仅限于金属材料，而且最早发明的喷涂法是用坩埚把金属熔化，再用高压气体把液态金属吹射出去，所以又称液态喷涂法。目前该法已很少采用。
3.2 气体燃烧熔化法热喷涂
气体燃烧熔化法，是把喷涂材料（如金属线材）以一定的速度送进专用的喷枪里，使端部在高温火焰中熔化，随即高速压缩空气将其雾化，并喷射到基体零件上形成涂层。
气体燃烧熔化法热喷涂又分常规火焰热喷涂、爆炸火焰热喷涂和超声速火焰热喷涂。
（1）常规火焰热喷涂。常规火焰热喷涂包括：火焰（金属或非金属）线材热喷涂、火焰（金属或非金属）棒材热喷涂、火焰（金属或非金属）粉材热喷涂等。
（2）爆炸火焰热喷涂。爆炸喷涂是继离子喷涂之后发展起来的一种新工艺，是美国联合碳化物公司林德分公司专利，技术关键保密极严，专利报价 990 万元，至今没有售过专利和设备，但已在欧、美、亚建立了 16 个爆炸喷涂的加工厂，爆炸喷涂熔融粉末的喷射速度可达 700～760 m/s。
（3）超声速火焰热喷涂。超声速喷涂是继爆炸喷涂之后近十几年发展起来的新工艺，速度与爆炸喷涂相近，可获得高质量涂层。
3.3 气体电离熔化法热喷涂
气体电离熔化法热喷涂，是利用气体电离状态下产生高温电弧的原理，使喷涂材料熔化，因此也可称为电弧喷涂。电弧喷涂是世界上应用较早的金属线材喷涂法，电弧使丝材熔化，高压气体使其雾化并加速，其成本较低，生产效率高，目前仍能得到广泛的应用。依据电弧产生的原理以及温度等不同，电弧喷涂又分为普通（或常规）电弧喷涂和等离子电弧喷涂。
（1）常规喷涂电弧。常规电弧喷涂中，电弧形成的机理与普通的电焊相似，但需要特殊结构的电弧枪。（2）等离子电弧喷涂。等离子喷涂是最重要的热喷涂法，近20年来发展很快。等离子电弧喷涂又依据喷涂环境特性等分为多种，如：自由大气等离子喷涂、保护气体等离子电弧喷涂、真空等离子电弧喷涂、水稳等离子电弧喷涂、高能等离子电弧喷涂、低压等离子电弧喷涂等。
3.4电加热熔化法热喷涂
电加热熔化法热喷涂，分为强电流熔化爆炸热喷涂、高频感应加热热喷涂和电容放电电流加热热喷涂等数种。（1）强电流熔化爆炸热喷涂。在线材的两端通以瞬间强大电流，使线材熔化并发生爆炸，专用来喷涂汽缸等内表面。（2）高频感应加热热喷涂。采用调频涡流把线材加热，然后用高压气体雾化并加速喷射的喷涂法，应用并不广泛。（3）电容放电电流加热热喷涂，利用电容放电产生的电流，将金属线材加热熔化，然后用高压气体雾化，并加速喷射到基体表面的喷涂法，应用也不普遍。
3.5 激光熔化法热喷涂
激光熔化法热喷涂采用激光作为加热源，有“单步工序”和“双步工序”，但至今仍处于研究阶段。
4 不同类型热喷涂的工艺特性
不同类型的热喷涂工艺，具有不同的特性，以及不同的设备和应用特点。当然，同一种热喷涂工艺，根据所用设备和涂层材料不同，也会表现出差别很大的工艺特性。表 1 是常用热喷涂技术的工艺特性。
5 结束语
热喷涂技术是一项低投入、高产出的项目，通过喷涂及表面强化或予保护或者修旧利废，其寿命可以成倍甚至几十倍增长。我国目前已能生产三十几个品种喷涂设备，上百种喷涂材料，上述几种喷涂方法国内已采用，这种新的表面工程技术已广泛应用于国民经济各部门，取得了重大经济效益。如：冶金部的高炉渣口；铁道部的气阀活塞环和钢轨修复；煤炭部的刮板机中部槽及压液支柱；石油行业的各种柱塞及钻杆接头；机械行业的阀门密封面；造纸行业的烘缸；航空部门的热障涂层等等。广泛深入地推广应用热喷涂技术，有重大的潜在和相当可观的经济效益。
参考文献略
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