热喷涂技术的发展及应用
摘要：本文介绍了热喷涂技术在表面工程中的地位和作用，热喷涂工艺的特点，着重阐述了等离子喷涂、高速火焰喷涂、激光喷涂、反应热喷涂、冷喷涂等五种热喷涂技术的新进展、应用及展望。
关键词 热喷涂 等离子喷涂 高速火焰喷涂 激光喷涂 反应热喷涂 冷喷涂
1 前言
高新技术的飞速发展对提高金属材料的性能、延长仪器设备中零部件的使用寿命提出了越来越高的要求。而这两个方面的要求又面临高性能结构材料成本逐年上升的问题。近年来，表面工程发展很快，尤其是热喷涂技术获得了巨大的进展，为解决上述问题提供了一种新的方法。热喷涂是一种通过专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上，形成一种特制薄层，以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的表面工程技术。由于热喷涂技术可以喷涂各种金属及合金、陶瓷、塑料及非金属等大多数固态工程材料，所以能制成具备各种性能的功能涂层，并且施工灵活，适应性强，应用面广，经济效益突出，尤其对提高产品质量、延长产品寿命、改进产品结构、节约能源、节约贵重金属材料、提高工效、降低成本等方面都有重要作用。随着工业和科技的发展，人们对热喷涂技术提出了越来越高的要求，在已有的热喷涂工艺不断得到改进的同时，一些新的工艺也应运而生。本文就近年来国内外热喷涂新工艺、新技术及其进展进行了概述。
2 热喷涂工艺的特点
1910 年瑞士肖普（Schoop）博士发明了一种火焰喷涂装置（即热喷涂）以来，热喷涂技术已有很大发展，尤其是 20 世纪 80 年代以来，热喷涂技术的应用取得了很大的成就。与其他各种表面技术相比，热喷涂技术有其自身的特点：(1) 可在各种基体上制备各种材质的涂层，包括金属、陶瓷、金属陶瓷、工程塑料、玻璃、木材、布、纸等几乎所有的固体材料。(2) 基体温度低。基体温度一般在 30 ~ 200℃之间，变形小，热影响区浅。(3) 操作灵活。可喷涂各种规格和形状的物体，特别适合于大面积涂层，并可在野外作业。(4) 涂层厚度范围宽。从几十微米到几毫米的涂层都能制备，且容易控制，喷涂效率高，成本低。喷涂时生产效率为每小时几公斤到几十公斤。但是，作为一种表面处理技术，它也存在许多不足之处，主要体现在热效率低，材料利用率低、浪费大和涂层与基材强度较低三个方面。
3 热喷涂工艺的种类
3.1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10 0 0 K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4 0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 08 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5 0年代的2 0 kw,到6 0年的4 OkW 级,7 0年代的SOkW 级。采用水作为等离子卜作气体，使 电弧电压大幅度提高，从而 使电弧功率可以达到2 5 Ok W。08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ZOOkW。等离子电弧功率的提高，大幅度提高了等离子射流的热烩，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8 0 kw 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，喷涂粉末在等离子射流中的轨迹,对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，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，不易将粉末送进等离子射流的高温高速区，送粉条件对粉末的轨迹影响很大。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，最能简单控制粉末轨迹的理想方法，是将粉末通过等离子枪内部轴向送进到等离子射流中。自08年代以来，已经有许多关于轴向送粉研究的报道。文献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 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CrZO3涂层的硬度可以达到15
OHOv 30。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。
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40~6 0 k w、08 k w 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。清华大学等单位联合研制成功的 Qz N I型 80kw大功率等离子内孔喷涂枪，采用 高压的内送粉方式，性能可与国际上同类外圆喷枪媲美。广州有色金属研究院研制了中国第一台低压等离子喷涂装置,其真空室体积218耐，并引进美国M ECTO公司的A R—1 0 0 0机械手,可喷涂长lm、宽lm 的工件，进行多种特殊功能涂层 的研究。中国科学院上海硅酸盐研究所应用等离子喷涂技术，在不锈钢人工骨骼表面喷涂氧化物陶瓷涂层制造人工骨骼，解决了陶瓷与人体肌肉生物相容性难题，现己成功应用20 余例。中国机械工程学会表面工程研究所从70年代起开展重载车辆磨损零部件等离子喷涂修复强化，取得大量的经验和显 著效益。广州有色金属研究院等单位采用低压等离子喷涂技术已制造出人工金刚石薄膜。
3.2超音速火焰喷涂
超音速火焰喷涂（High Velocity Oxygen Fuel，简称 HVOF）法主要是采用高压水冷的反应腔和细长的喷射管，将燃料（煤油、乙炔、丙烯和氢气）和氧气送入反应腔燃烧，产生高压火焰。燃烧火焰被喷射管压缩并加速喷射。喷射粉末可以用高压轴向送入或从喷射管侧面送入。另一种方法是将燃料（煤油、乙炔、丙烯和氢气）和氧气通过高压喷射，在喷嘴外燃烧，喷射粉末用高压气体从喷嘴内轴向送入火焰中，然后通过嘴外空气罩中的压缩气体将燃烧火焰压缩、加速，并将熔融的粉末喷向基板。该法的特点是：射流速度高，焰流温度比爆炸喷涂低，适合碳化物涂层。采用超音速火焰喷涂获得的涂层最高密度可达理论密度的99.9%，强度达 70 MPa 以上。涂层杂质少，涂层残余应力小，有些情况下可得到设计的残余应力，因此可喷涂较厚涂层，且喷涂效率高。但它也存在以下缺点：燃料消耗大，成本比较高。
3. 3 激光喷涂
激光喷涂是近十年来出现的一种喷涂新工艺。它的原理是把焊丝顶端（或粉末）用高能密度光束加热至熔融，再用喷出的高压气体使熔融部分粒子化，并喷向基体表面而形成涂层。喷涂环境的气氛可以选择在大气气氛下，也可在惰性气氛或真空状态下进行喷涂。激光喷涂的优点：喷涂所获得的涂层结构与原始粉末相同；可以喷涂大多数材料，范围从低熔点的涂层材料到超高熔点的涂层材料；涂层的气孔率即使在采用焊丝制备时，也比用等离子法喷涂粉末时制备的涂层气孔率低。
3. 4 反应热喷涂
自蔓延高温合成（Self-propagating High TemperatureSynthesis，简称 SHS）技术是利用反应物之间高化学反应热的自加热和自传导作用来合成材料的一种技术。一旦反应物被引燃，便会自动向尚未反应的区域传播，直至反应完全。反应热喷涂技术是由 SHS 技术同热喷涂相结合发展而成，它利用高放热反应体系材料为喷涂材料，通过传统喷涂热源熔化并引燃喷涂材料的 SHS 反应，在喷涂的过程中同时完成材料的合成与沉积。该方法在用于制备金属陶瓷涂层中取得了突破。例如，在喷涂钛合金涂层时，通过高频等离子喷涂过程，氮气与钛合金反应形成钛合金–氮化钛复合涂层，使钛合金涂层的耐磨性能大大提高。与传统热喷涂相比，反应热喷涂具有两大优势：（1）涂层制备成本较低。由于涂层材料与原始喷涂材料不同，可实现利用廉价原始喷涂材料合成出性能优异、价格昂贵的涂层材料，具有经济性；（2）涂层致密，结合强度高。原位合成反应放出的反应热和火焰热叠加，提高了熔滴的温度，可使高熔点的陶瓷硬质相熔化、球化和细化，分布均匀且洁净，改善了金属与陶瓷的结合性，从而提高涂层与基体、以及涂层间的结合强度。反应热喷涂的涂层显微结构呈典型的热喷涂层状结构，但与普通热喷涂涂层组织相比，具有组织细小、硬质相大致呈球形且分布均匀、孔隙率低等特点。目前，国内外对反应热喷涂进行的研究主要在反应电弧喷涂、反应等离子喷涂和反应火焰喷涂等类型上。
3. 5 冷喷涂
冷喷涂全名冷空气动力喷涂法（Cold Gas DynamicSpray，简称 CGDS）是指当具有一定塑性的高速固态粒子与基体碰撞后，经过强烈的塑性变形而发生沉积形成涂层的方法。
冷喷涂作为新型涂层制备工艺起源于粒子的低温。由于一般冷喷涂采用的加速气流的温度低于600°C，并且粒子速度非常快，因此，可以避免粒子在加速与加热过程中发生的物理化学反应，如避免金属材料在喷涂过程中被氧化，从而获得成分纯净的涂层；避免受热易发生分解的材料发生分解。采用亚稳态结构的材料如纳米结构材料制备涂层时，可避免由于晶粒的长大而将材料本身的结构移植到涂层的现象。由于材料在喷涂过程中不发生显著的物理化学变化，材料可以回收再利用。其次，可以实现高速粒子的剧烈塑性变形而实现沉积，从而获得致密的涂层，而涂层中产生较大的压应力，可以制备厚涂层。因此，该方法对于制备成分与组织结构控制要求较高的金属涂层具有很大的潜力。
冷喷涂的主要缺点是适用于喷涂的粒子直径范围比较小。西安交通大学焊接研究所在李长久教授的带领下，先后研制出超音速火焰喷涂、小功率微束等离子喷涂和冷喷涂等多项技术。
