熱噴涂技術(shù)由于涂層材料廣泛、沉積速度快、靈活性高、易于自動化加工、適應性強，因此，已經(jīng)獲得廣泛應用。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，國外一臺先進的航空發(fā)動機需要熱噴涂的零部件超過5000 個，熱障涂層已經(jīng)成為高性能航空發(fā)動機制造的關(guān)鍵技術(shù)之一；另外，據(jù)國外關(guān)于高性能陶瓷涂層應用的統(tǒng)計報告，熱噴涂陶瓷涂層在北美的高性能陶瓷制備市場中占了三分之二，這與國內(nèi)有報道稱熱噴涂所產(chǎn)生的產(chǎn)值約為表面技術(shù)所有產(chǎn)值的三分之一基本一致，表明熱噴涂技術(shù)已成為重要表面工程技術(shù)之一。

    利用熱能將噴涂材料熔化，再借助高速氣流將其霧化，并在高速氣流的帶動下粒子撞擊基材表面，冷凝后形成具有某種功能的涂層即熱噴涂技術(shù)。

    熱噴涂技術(shù)的發(fā)展史及“熱噴涂”一詞由來如下：

    熱噴涂技術(shù)最早于1910年由瑞士肖普博士發(fā)明，當時命名：“金屬噴鍍”，到了1943年美METCO首次出版《金屬噴鍍》手冊，隨后 到1959年美METCO第七次出版改名《火焰噴涂》手冊，由于技術(shù)的進步在，1973年9月10-14日在倫敦召開第七屆有關(guān)國際熱噴涂會議，改名“金屬噴涂”，但是在1979年9月27-10月1日在美Florida州一著名休養(yǎng)地Miami城召開第八屆國際熱噴涂會議，決定采用“熱噴涂”這一名詞，這就是“熱噴涂”名詞的由來。

    熱噴涂在不同年代誕生了不同方法和使用用途的技術(shù)：

    1910年： 線材火焰噴涂技術(shù)；線材火焰噴涂廣泛用于機械部件和化工容器、輥筒表面制備耐蝕、耐磨涂層。對噴槍噴嘴部分作適當變動后， 也可用于噴涂塑料粉末。

    20年代： 電弧絲噴涂技術(shù)，特點如下：

    1） 在鋼鐵構(gòu)件上噴涂特、鋁涂層，對構(gòu)件進行長效防護。

    2）在鋼鐵件上噴鋁可防止高溫氧化。

    3）在鋼鐵件上噴不銹鋼或其它耐磨金屬，用于耐磨蝕防護。

    4）在機械零件上嘖涂碳鋼、青銅等材料，用于修復零部件。

    5）在塑料制品上噴涂屏蔽涂層等。

    6）用電弧噴鋁或噴鑄生產(chǎn)復合銅板。

    50年代：爆炸噴涂和等離子噴涂技術(shù)

    等離子弧焰流溫度高，適合噴涂高熔點材料。涂層密度可達85-98% ，結(jié)合強度高達35～70Mpa，噴涂質(zhì)量遠優(yōu)于火焰噴涂層。主要用于：

    1）耐磨、減磨涂層；

    2）耐蝕涂層；

    3）抗高溫氧化、抗高溫氣流沖刷、熱障涂層；

    4）制造金屬、陶瓷類高烙點復合材料。

    爆炸噴涂：

    將粉末注入噴槍，同時引入氧—乙炔混合氣，點燃引爆氣體產(chǎn)生3300℃高溫，粉末被加熱并以2倍音速以上速度噴射到工件表面，形成～20mm直徑，～8μm厚的高結(jié)合強度和高致密度的涂層。整個涂層由小圓形薄片重疊而成。

    1） 航空發(fā)動機鐵合金風扇葉片阻尼臺上用爆炸噴涂0.25mn厚的WC，壽命提高10倍：

    2）燃燒室的定位卡環(huán)上噴一層0.12mm厚Cr3C2 ，壽命提高7倍。

    3）目前爆炸噴涂主要用于制備優(yōu)質(zhì)耐磨涂層。

    60年代： 自熔性合金粉末火焰、等離子噴涂和噴焊技術(shù)

    80年代： 超音速火焰噴涂技術(shù)

    超音速火焰噴涂

    燃料氣體（氫氣、丙烷、丙烯或MAPP）和助燃劑（02）以一定的比例導入燃燒室內(nèi)混合，爆炸式燃燒，高溫燃氣經(jīng)燃燒室上部燃燒頭內(nèi)的四根傾斜噴管進入銅噴嘴，粉末由送粉氣（Ar或者N2）定量沿燃燒頭內(nèi)碳化物中心套管送入高溫燃氣中，由高溫高速燃氣帶出噴嘴，高速噴嘴到工件上形成涂層，整個噴槍由循環(huán)水冷卻。

    90年代： 激光熔覆技術(shù)

    我國熱噴涂技術(shù)是從五十年代開始的，當時由吳劍春和張關(guān)寶在上海組建了國內(nèi)第一個專業(yè)化噴涂廠，研制氧乙塊焰絲噴及電噴裝置，并對外開展金屬噴涂業(yè)務。我國熱噴涂技術(shù)起步較早，50年代就發(fā)展了絲材電弧噴涂； 60年代某些軍工部門開始研究等離子噴涂：70年代出現(xiàn)了品種和型號較為齊全的噴涂設備和材料，但總的來說進展緩慢，只是到了近些年才獲得了較快的發(fā)展。

    熱噴涂技術(shù)的特點：

    熱噴涂技術(shù)在應用上已由制備裝飾性涂層發(fā)展為制備各種功能性涂層，如耐磨、抗蝕、抗氧化、隔熱、導電、絕緣、減摩、潤滑、防輻射等涂層。

    熱噴涂既可用于修復，又可用于制造。由于涂層材料的性能優(yōu)于基體，用其對零件表面進行涂覆，能使產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅度提高。

    優(yōu)點：

    （1）基材及涂層材料廣泛。

    （2）基體溫度低。

    （3）操作靈活。

    （4）涂層厚度范圍寬。

    缺點：

    （1）熱效率低。

    （2）材料利用率低，浪費大。

    （3）涂層與基材結(jié)合強度低

    涂層材料的選擇：

    （1）熱噴涂材料最好有較寬的液相區(qū)，較寬的液相區(qū)可以使涂層材料的熔滴在較長時間內(nèi)保持液相。

    （2） 熱穩(wěn)定性好，在高溫焰流中不升華，不分解。材料在熱噴涂溫度下如果易于分解，則不適用于熱噴涂。

    （3）噴涂材料在熔融狀態(tài)下應和基材有較好的浸潤性，以保證涂層與基材之間有良好的結(jié)合性能。

    （4）與基材有相近的熱膨脹系數(shù)， 以防止因膨脹系數(shù)相差過大產(chǎn)生較大的熱應力。

    涂層形成過程：

    （1）噴涂材料被加熱到熔融狀態(tài)。

    （2）噴涂材料被霧化成微小熔滴并高速撞擊基體表面， 撞擊基體的顆粒動能越大和沖擊變形越大， 形成的涂層結(jié)合越好。

    （3）熔融的高速粒子在沖擊基材表面后發(fā)生變形，冷凝后形成涂層。

    熱噴涂的工藝流程包括：

    （1）表面預處理

    （2）熱噴涂

    （3）后處理

    （4）機加工等

    基材表面預處理：

    （1）凈化處理： 清除表面污垢。

    （2）粗化處理：提高涂層與基體之間的結(jié)合牢度。

    粗化處理可提高涂層結(jié)合強度的理由是：

    1）提供表面壓應力：

    2）提供與涂層顆?；ユi機會；

    3）增大結(jié)合面積；

    4）凈化表面。

    熱噴涂已成為耐磨涂層制備的重要方法而廣泛應用于各個國民經(jīng)濟領域，涂層的多孔層狀結(jié)構(gòu)特點使其耐磨服役行為與同類塊體顯著不同，最重要的特點在于載荷的影響。在低應力服役條件下，熱噴涂涂層表現(xiàn)出良好的耐磨損性能，但應力高于某一水平時，由于發(fā)生裂紋沿沉積粒子界面加速擴展而加速磨損，特別是在沖蝕、空蝕、微動、疲勞、磨料磨損條件下，使得涂層材料的潛力僅能發(fā)揮10%~30%。因此，建立涂層組織結(jié)構(gòu)、性能、服役條件、服役效能之間系統(tǒng)關(guān)系的基礎研究，通過建立數(shù)據(jù)庫以指導耐磨涂層的設計與使用，將是充分發(fā)揮材料潛力、提高熱噴涂涂層服役效能、實現(xiàn)節(jié)約資源與能源的重要途徑。

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責任編輯：王元

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