摘 要： 热喷涂技术是材料科学领域内表面工程学的重要组成部分。 它是一种表面强化和表面改性的技术， 约占表面工程技术的三分之一。 针对热喷涂技术与涂层材料应用的开发前景， 分析了热喷涂涂层材料的主要功能， 介绍了常用的热喷涂涂层材料， 研究了热喷涂粉末的制粉方法及质量控制， 探讨了热喷涂技术与涂层材料的发展趋势， 指出了涂层材料对推动热喷涂技术的发展起着非常重要的作用。
关键词： 热喷涂技术； 涂层材料； 应用发展
热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态， 并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。 热喷涂技术是材料科学领域内表面工程学的重要组成部分， 它是一种表面强化和表面改性的技术。 热喷涂技术是通过在金属基体表面喷涂一层涂层， 使金属具有： 防腐、 耐磨、 减摩、 抗高温、 抗氧化、 隔热、 绝缘、 导电、 防微波辐射等一系列多种功能， 使其达到节约材料， 节约能源的目的。 热喷涂技术主要用于高温、 耐磨、 耐腐蚀等部件的预保护、 功能涂层的制备及对失效部件的修复等。 人们把特殊的工作表面叫涂层， 把制造涂层的工作方法叫热喷涂。
热喷涂技术是表面工程技术的重要组成部分之一， 约占表面工程技术的三分之一。 热喷涂技术是表面工程领域中的十分重要的技术， 在过去的十年中， 热喷涂技术发展迅速， 在各种新型、 优质热喷涂技术不断涌现的情况下， 热喷涂材料已成为制约热喷涂技术应用和发展的关键。 为了满足对材料多功能、 高性能等的要求，多种材料的复合、 纳米材料、 新型合金或非晶材料的使用成为热喷涂材料发展的主要趋势。
1 热喷涂技术与涂层材料应用技术的开发前景
众所周知， 金属表面受各种机械作用而引起的磨损极为严重， 大量的金属构件因腐蚀和磨损而失效， 造成极大的浪费和损失。 据一些工业发达国家统计， 每年钢材因腐蚀和磨损而造成的损失约占钢材总产量的 10%， 损失金额约占国民经济总产值的 2%～4%。 如果将因金属腐蚀和磨损而造成的停工、 停产和相应引起的工伤、 失火、 爆炸事故等损失统计在内的话，其数值更加惊人。 因此， 发展金属表面防护和强化技术， 是各国普遍关心的重大课题。 随着尖端科学和现代工业的发展， 各工业部门越来越多地要求机械设备能在高参数 （高温、 高压、高速度和高度自动化） 和恶劣的工况条件 （如严重的磨损和腐蚀） 下长期稳定的运行。 因此，对材料的性能也提出更高要求。 采用高性能的高级材料制造整体设备及零件以获得表面防护和强化的效果， 显然是不经济的， 有时甚至是不可能的。 所以， 研究和发展材料的表面处理技术就具有重大的技术和经济意义。 而表面处理技术也在这种需求的推动下获得了飞速的发展和提高。 热喷涂技术就是这种表面防护和强化的技术之一， 是表面工程中一门重要的学科。
现代高性能热喷涂涂层是一种使用性很强、 应用范围广、 发展迅速的重要表面工程技术， 它利用各种热源， 将金属或陶瓷材料迅速加热至熔融或半熔融状态， 借助气流雾化并沉积在工作表面形成与基体紧密结合的涂层。 由于它具有与基体不同的成分和结构， 使基体表面获得特殊性能， 以满足工件更高的使用要求。 而这一关键技术还涉及到动力装备、 机械制造业、钢铁、 冶金、 石化、 纺织、 印刷等广泛领域。
高性能热喷涂涂层产业化， 结合具有自主知识产权的粉末涂层材料技术研发的新型高性能封严涂层， 在国内首次应用于大型透平压缩机， 热障涂层成功应用于重型燃气轮机， 取得了重要阶段性成果， 涂层的制备已经实现一定规模的生产能力。 尖端核心动力装备上的应用实践证明， 该技术先进且成熟， 取得了较大的经济效益和社会效益。 封严涂层新技术的采用，大大提高了透平压缩机市场竞争力， 实现了产品升级。 随着对工程机械设备性能要求的不断提高， 热喷涂技术的完善和发展， 热喷涂技术的应用主要受限于热喷涂材料和工艺设备的发展。 然而， 热喷涂技术的突出特点又使其应用极具潜力。 主要表现在： 表面工程和多种复合材料的结合在材料设计中具有明显的优势； 可方便地调整材料的化学成分； 能够动态形成具有特殊结构性能的复合材料； 多种材料和多种技术的复合可获得优异的性能。 因此热喷涂材料的研究是 21 世纪热喷涂发展的决定性因素，也是热喷涂技术发展的动力。
2 喷涂材料推动了热喷涂技术的发展
喷涂材料是热喷涂技术的重要组成部分。它与热喷涂工艺及热喷涂设备共同构成热喷涂技术的主体。 整个热喷涂技术的发展， 实际上受设备与材料的进展而被推动与牵引的。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。
人们发现， 要解决工业设备中存在的大量磨损问题， 十分有必要改进工艺， 制取更耐磨的涂层。 经过几年的努力， 自熔合金问世并发展了火焰喷焊工艺， 这就是著名的 “硬面技术”。 自熔合金是在 Ni、 Co 和 Fe 基的金属中加入 B、 Si、 Cr 这些能形成低熔点共晶合金的元素及抗氧化元素， 喷涂后再加热重熔， 获得硬面涂层。 这项技术在某种程度上是受焊接堆焊工艺的启发。 由于这些涂层具有高硬度、 高冶金结合及很好的抗氧化性， 从而在耐磨及抗氧化性方面迈出了一大步。 自熔合金的出现， 对热喷涂技术起了巨大的推动作用。 于是， 人们打开了思路， 先后发展了一系列的陶瓷材料和金属陶瓷材料。 在航空工业迅速发展的需求与推动下， 这些材料找到了用武之地， 相继出现了高性能、 高技术的耐磨、 耐高温、 抗燃气腐蚀及隔热等表面工程涂层材料， 使热喷涂技术开始从简易的维修车间步入宇航和飞机等高技术产业领域， 并解决了大量令冶金工程师头痛的材料问题。 直至八十年代夹芯焊丝作为电弧喷涂材料进入市场为主要标志。 其特征是材料在成分与结构的 “复合”， 达到喷涂工艺的改进和涂层性能的强化。 镍包铝和铝包镍复合粉取代了传统的 Mo 丝， 改善了打底层粘结性； 自粘一次粉综合了打底粉与工作粉双重功能， 简化了喷涂工艺。 不少怕氧化或氮化的金属或陶瓷被 Ni 或 Co 这些金属包裹之后， 不仅保护了核心成分， 同时又会与核心发生化学或冶金方面的反应， 赋于涂层更好的性能。 复合材料不局限于粉末， 在线材方面也出现了复合喷涂丝。
尤其是填充型复合线材， 已开始拥入市场， 这些复合丝可以用火焰线材喷枪， 但主要用电弧喷枪喷涂， 使这些原来只能形成金属或合金涂层的工艺， 可以喷涂带有陶瓷一类的硬质耐磨材料， 使涂层的应用面大为拓展。
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 0.2 V， 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 μm／h， 是其它方法无法比拟的。
3 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。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。
隔热涂层又称热障涂层， 主要有 Al2O3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。
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。
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， 用来喷涂氧化铝氧化锆材料， 成功地制备厚为 15 mm 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。
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。 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。
4 常用的热喷涂涂层材料
锌、 铝金属是最常用的热喷涂材料， 此类材料已广泛应用于钢构件在苛刻环境条件下的腐蚀保护。 目前， 热喷涂金属材料研究较多的是一些合金材料。 热喷涂用金属合金材料主要有 Ni 基合金、 Ni 基自熔剂合金、 Cr 基合金，新近开发的这种 Cr 基合金在 85％ V2O5-15％NaCl 熔盐槽中 900 ℃ 下进行该合金抗腐蚀试验表明该合金具有极好的抗腐蚀性能， 该合金的腐蚀失重约为 Ni-20％ Cr 合金失重的 1／7。 目前， 新开发出一种冷喷涂工艺， 又称冷气体动力喷涂， 该方法可显著提高气流速度， 达 1 500m ／ s 以上， 同时保持喷涂粒子是固态， 通过高速粒子动能使粒子冲击到基材表面发生塑性变形，从而形成涂层。 该方法可有效抑制涂层金属粒子氧化， 减少化合物粒子的分解、 相转变， 确保涂层的相结构和性能； 而且涂层的热应力减少， 呈塑性变形压应力， 有利于涂层抗磨性的提高。 因此用该方法喷涂的 Cu、 Ti 涂层中氧化物含量低， 涂层致密， 结合强度高， 可满足特殊工矿的使用要求。 近年来， 有关热喷涂非晶材料的研究成为学者们关注的一个焦点。 有报道表明某些非晶态金属合金比相似成分的晶态合金具有高得多的耐磨性和耐蚀性。 研究表明，在用电弧喷涂工艺制备非晶态合金涂层材料Fe-Cr-C、 Fe-B 时， 加入稀土材料形成的 Fe-B-REM 非晶涂层可以显著提高涂层的性能， 以上的研究说明非晶材料将会成为热喷涂防腐、抗磨涂层领域研究和应用的—种极具发展潜力的材料。 此外， 准结晶也是在材料学中最新引入的热点之一， 它具有有序度好但非周期性的结构特点。 它带有阻止旋转的对称性。 在工程应用中准晶的潜在用途如硬度、 刚度， 低摩擦，抗磨损、 抗氧化性能在最近已开始引人注目。
热喷涂有机聚合物材料主要用于腐蚀环境金属结构的防护以及材料表面的减摩、 润滑。目前， 热喷涂用低熔点热塑性材料主要有聚酰胺、 聚氨脂、 聚乙烯、 乙烯等， 用于腐蚀防护和装饰。 目前对高熔点、 高性能聚合物如： PPS（聚苯硫醚） 和 PEEK （聚醚醚酮） 的研究逐渐增多， 与传统聚合物相比， 这类材料熔点相当高 （高达 340 ℃）， 且能显著提高机械和化学稳定性， PEEK 涂层具有耐擦伤性好、 耐热性好、可燃性小及耐化学性优良等性能。 因此， 这类材料对化学工业， 尤其是腐蚀环境中受热区应用十分有价值。 此外， 用于特殊工矿或环境的特殊有机材料也得到开发。 其中新近研究出的乙烯基甲基丙烯酸 （EMAA） 和乙烯基四氟乙烯（ETFE） 热喷有机材料防腐涂层， 在对化学侵蚀和生物降解方面具有优异的抵抗作用。
因为纳米材料与其相应的微米级材料相比具有许多优异的性能， 所以近年来， 有关纳米材料的研究和应用受到了普遍的关注。 目前，在高质量纳米粉体制备方面已取得了重大进展，有些方法已在工业中应用。 最有可能从纳米材料中获益的是通过热激活方法沉积涂覆层的工艺。 实践证明， 可以采用热喷涂纳米晶体粉末的方法来生产纳米晶体涂层。 涂层热喷涂过程的研究显示出良好的发展前景， 在涂层组织中可以观察到， 纳米级微粒散布于非晶态富 Co 相中， 结合良好， 涂层显微硬度明显增加。 研究表明纳米涂层具有极好的抗晶粒长大的热稳定性。 国内学者采用大气等离子喷涂制备了 ZrO2纳米涂层。 热喷涂纳米材料的研究尚处于试验阶段， 研究结果来看， 用热喷涂技术制备的纳米结构涂层性能优异。 因此， 纳米粉体的热喷涂应用是今后热喷涂材料研究的一个重要的方向。
复合涂层不但具有单一结构涂层所具备的性能， 还因复合材料的不同而获得特殊性能或具有多功能的性能涂层， 从而使复合涂层的研究和应用日益增多。 目前， 由各种材料复合获得的复合涂层种类主要有： 金属基陶瓷复合涂层、 陶瓷复合涂层、 多层复合涂层、 梯度功能复合涂层等。 新近开发出的一种抗腐蚀、 防滑的电弧喷涂 Al 基 Al2O3复合涂层粉芯材料， 该材料获得的复合涂层在具有优异的防腐性能的同时， 还具有显著的抗磨和防滑性能， 应用于舰船甲板的防滑具有显著的效果。 此外， 在 Al基中添加 SiC， 涂层硬度可显著提高， 复合涂层的抗磨性比添加 Al2O3涂层的抗磨性高 35％， 且涂层的导热性好。
热喷涂沉积技术是制备金属间化合物及其复合材料的一种新的净成形工艺， 可有效解决室温加工困难问题， 冷却速度快， 能产生细小的等轴晶， 能充分发挥细小粒子的强化作用，可改善增强颗粒与基体间的润湿性， 对改善高温结构用金属间化合物合金性能将具有广阔的应用前景。 用热喷涂技术制备的特殊功能材料的研究受到人们极大的关注。 特别是通过应用最新开发出的新材料所具有的特殊功能的热喷涂涂层材料的研究已成为未来热喷涂领域研究的重要方向之一。
5 喷涂粉末的制粉方法及质量控制
热喷涂材料通常按材料形态有喷涂粉、 丝材、 粉芯丝材等； 按材料种类有金属及特殊金属材料、 有机聚合物材料、 陶瓷材料、 生物材料； 按涂层结构有纳米涂层材料、 合金涂层材料、 非晶态涂层材料以及由这些材料复合构成的复合涂层材料。
主要喷涂粉末在整个热喷涂材料中占据十分重要的地位。 除电弧和线材火焰喷涂外， 其它所有喷涂工艺都是以粉末为喷涂材料的。 粉末材料包罗万象、 适应性强、 工艺可靠， 提供各种涂层功能， 在高技术领域中应用成熟， 这些特点是其它形式的材料无法比拟的。
经过多年的发展与创新， 对各种化学组成的材料都建立了相当完善的制粉方法： 金属、合金、 自熔合金通常采用雾化法， 即水雾化-水冷， 气雾化-气冷和气雾化-水冷三种方式。 雾化工艺自六十年代初问世以来， 给热喷涂材料开创了新局面， 同时当两种或两种以上的粉末在比重上相近的情况下， 混合法仍不失为一种经济而实用的制粉手段， 至今， 仍有不少生产厂家供应各种混合粉。 熔炼-烧结再经破碎与筛分的制粉工艺， 它是制造陶瓷或金属陶瓷的主要方法； 团聚法与喷雾干燥法， 此法是生产团聚型复合粉的手段， 包括某些陶瓷粉， 也可采用此法生产。 加压氧还原法， 源于加拿大一家镍公司发展的提镍工艺， 演变为包覆型复合粉的生产方法， 包覆金属为 Ni、 Co 或 Cu， 而核心材料可以是各种固体材料。 以上这些工艺是当今热喷涂粉末的主要生产方法。 尽管还有等离子雾化法、 气相沉积法、 置换法、 铝热法、机械熔化法、 化学沉积法、 共沉淀法等技术，但没有形成生产规模， 其中原因有技术问题，也有经济问题。 热喷涂材料的质量检测是得到合格涂层的首要关口， 其重要性已渐被人所认识。 至今， 对某些喷涂材料及涂层已建立了相应的方法与标准， 以保证最终涂层质量。 粉末质量检测， 主要是化学性能、 物理性能和工艺性能。 这些涉及到化学成分、 熔点 （软化点）、放热性能、 松装比重、 粒度分布、 流动性、 颗粒形状与结构等。 末质量控制比线材要难， 通过拉拔或挤压容易生产均一产品， 但粉末则难于做到批量之间的完全一致。 这从另一角度说明粉末质量控制的必要性。
热喷涂材料发展到今天， 从类别、 规格和性能等方面， 差不多达到 “应有尽有” 的程度。以 世 界 驰 名 的 热 喷 涂 技 术 的 权 威 公 司 ———SULZERMETCO 为例 ， 该公司集拢了原先的METCO、 PT 和 AMDRY 三家公司的材料产品，此前经几十年的研究开发， 尤其是七十年代中期之后， 相继与世界知名航空发动机制造厂家联手， 投入了大量物力和人力， 先后发展了一系列高性能、 高质量、 高技术含量的喷涂材料。
其中粉末材料计有六大类约 220 余种； 线材近30 种 。 有 119 种已纳入 PWA、 GE、 MSRR 等著名航空发动机制造厂家的技术规范。 这些材料采用不同的喷涂方法并实施不同的工艺参数喷涂出约六百余种性能各异的涂层， 覆盖涂层的全部功能， 应用面涉及到多门高科技和几乎各个工业部门， 显示了热喷涂技术的神通与威力。
6 热喷涂技术与涂层材料的发展趋势
热喷涂技术目前在国内已经得到了比较广泛的推广应用， 例如大面积长效防护技术得到广泛应用， 对于长期暴露在户外大气的钢铁结构件采用喷涂铝、 锌及其合金涂层， 代替传统的刷油漆方法， 实行阴极保护进行长效大气防腐； 采用热喷涂技术修复与强化大型关键设备及进口零部件国产化； 超音速火焰喷涂技术的应用； 气体爆燃式喷涂技术进一步得到应用；氧乙炔火焰粉末喷涂技术发展迅速； 热喷涂技术在化工防腐工程中得到应用； 激光重熔技术开始应用； 热喷涂技术在建筑装璜、 医疗卫生方面也得到了应用等。
在天然气开采以及集输处理过程中， 由于各类环境因素、 储存和输送介质的特性等造成管道金属的腐蚀非常普遍， 影响因素非常复杂。据统计， 天然气管道 50%的泄漏问题是由腐蚀直接引起的。 热喷涂表面处理技术， 是一种非常有效的天然气管道防腐技术。 尤其是我国近年来在四川、 新疆和吉林等地连续开发了多个大型富含硫化氢和二氧化碳的酸性和高酸性天然气田， 这类酸性天然气集输管道的腐蚀条件极其恶劣， 热喷涂防腐技术是一种很好的选择。
随着西气东输、 南水北调工程的实施， 水工钢结构的使用迅速增加， 开发一种新型的水工钢结构防腐技术对降低工程造价、 延长工程寿命十分重要， 为此将各种金属涂层优势互补的金属热喷涂金属阶梯涂层正在逐步运用到水工钢结构中， 成为金属防腐新技术。 金属热喷涂是在同一工件基体上叠加喷涂， 先用锌涂层作为底层， 再用不锈钢涂层作为面层， 最终形成阶梯涂层， 运用到水工钢结构中， 经大量研究与试验获得了既经济、 又满意的防腐效果。 其原理是利用某种形式的热源将金属喷涂材料加热，使之形成熔融状态的微粒， 这些微粒在动力的作用下以一定的速度冲击并沉附在基体表面上，形成具有一定特性的金属涂层。 水工钢结构件等基体材料的表面经过热喷涂技术处理， 得到了耐腐蚀、 耐磨蚀的金属保护涂层， 从而增强水工钢结构件耐腐、 耐磨的性能。 可用于金属喷涂的材料较多， 如锌、 不锈钢等。 其中不锈钢涂层具有耐磨损及保护周期长等特点； 锌涂层不仅具有覆盖、 耐腐蚀作用， 更重要的是具有阴极保护功能， 是水工钢结构防腐喷涂的重要材料， 因此得到广泛应用。
近年来， 有不少文献报道了某些陶瓷和金属间化合物等高温材料。 其中最受重视的应属MoSi2。 这种材料有足够高的熔点 （2 030 ℃ ） 、适中的比重和极好的抗高温氧化性， 工作温度可达 1 700 ℃， 是优良的抗高温氧化涂层。 同时又耐无机酸和熔融金属的侵蚀， 作为航空、 燃气涡轮机的高温部件涂层材料， 是最新的研究热点。 通常喷涂粉的粒度范围为 106 ~ 45 μm（-140 ～ +325 目 ）， 有些陶瓷粉可细到 5 μm 左右。 过细的粉末会产生烧损和飞扬等问题， 送粉加大困难， 沉积效率也受影响。 近些年， 由于 HVOF 和高功率等离子喷涂 （HPPS） 的出现， 使喷涂向细微级靠近。 其原因是， HVOF和 HPPS 焰流和颗粒飞行速度极高， 缩短了颗粒在焰流中的受热时间， 使之在未熔化之前就已达到基体表面， 不能形成涂层。 而粉末细级化，可改善这一状况。 当前， 有些公司已推出专门用于 HVOF 喷涂的系列粉， 粒度范围常在 53~28 μm （-270 ～ +500 目） 之间。
近年来， 热喷涂技术试图在生物工程、 超导和复合材料等高科技方面发挥特长， 甚至崭露头角， 进入实用阶段。 在航空和汽车工业中，用工程塑料代替金属， 因重量减轻而提高效率，这是当今材料革命的新成果， 在电子工业、 机械工业和油汽制造业也有类似要求。 利用热喷涂技术实现这些要求， 确是一条捷径， 但很多喷涂材料不能直接喷涂在塑料基体上。 为此，一种喷涂塑料基体表面的打底层粉， 结合强度高、 表面形态好、 残余应力低， 深受市场青睐。
有人研究出纤维强化的等离子喷涂涂层， 即喷涂碳化硅晶须增强的铝， 抗张强度比纯铝高90% ， 而用 VPS 喷 McrAlY -AlO： 复合材料 ，其耐磨性显著提高； 用激光-等离子喷涂工艺，在 N2气氛中喷 Ti， 得到 TiN 涂层， 类似方法还制得氧化物、 碳化物、 氮化物和硅化物等陶瓷涂层； 也有人用碳黑包裹 TiC， 使 TiC 在喷涂中减少失 C， 以保留 TiC 的高熔点、 低原子数、优良的抗热震性、 抗化学侵蚀等特点。
随着 21 世纪热喷涂技术和工艺的飞速发展， 热喷涂材料的研究将能够为未来涂层工业提供更多的增长机会， 将会替代许多传统的技术。 未来热喷涂材料还应继续开发的工业领域包括航空、 汽车电器和电子产品、 机械零部件和生物医学领域。 具体研究包括： 开发 MMC 复合材料和智能结构材料用于飞机燃气轮机部件；开发聚合物复合材料用于电器电子产品； 生物陶瓷材料的开发用于关节修复和植入； 特殊功能材料的开发用于光学、 电子及隐身等特殊要求部件等。 所有这些材料的开发研究都主要集中在新型复合材料的研究， 特别是结合目前出现的具有优异性能的纳米材料、 非晶材料、 准晶材料、 高温结构材料、 特殊功能材料的复合材料的研究。 此外， 复合涂层材料开发的同时一些特殊表面工程技术与多种材料的复合， 如双层复合、 多层复合、 功能梯度复合等方法获得的特殊结构涂层必将成为今后热喷涂材料研究的核心发展方向。
7 结 语
时下， 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。 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。 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。
参考文献略
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