热喷涂技术的应用和发展

1、.热喷涂技术的应用和发展摘 要：热喷涂成为金属表面科学领域中一个十分活跃的学科。本文阐述热喷涂技术的工艺特点，以及对电热爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂、激光喷涂等新型热喷涂技术进行分析，总结热喷涂技术的应用状况，探讨热喷涂技术的发展趋势。关键词：热喷涂；电热爆炸喷涂；超音速火焰喷涂；超音速等离子喷涂；激光喷涂；引言砖瓦行业技术的飞速发展 ,对提高主要设备的金属材料性能 ,拓宽它的功能 ,延长设备中零部件的使用寿命提出了越来越高的要求。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 ,近年来金属表面工程发展很快 ,尤其是热喷涂技术获得了巨大的进展。热喷涂技

2、术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，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。其能赋予材料表面一些特殊的性能，如提高耐腐蚀性、电绝缘性、耐磨减摩、抗高温氧化性及电磁屏蔽吸收等功能。热喷涂层材料可以是金属、金属合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料以及复合材料等，其涂层广泛应用于航空航大、石油化工、机械制造、冶金、交通运输、建筑等领域。热喷涂成为金属表面科学领域中一个十分活跃的学科。1 热喷涂技术的特点自1910年瑞士肖普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

3、技术有其自身的特点1：(1) 由于热源的温度范围很宽,因而几乎可在各种基体上制备各种材质的涂层，包括金属,合金,陶瓷,金属陶瓷,塑料以及由它们组成的复合物。因而能赋予基体以各种功能(如耐磨,耐蚀,耐高温,抗氧化,绝缘,隔热,生物相容,红外吸收等)的表面。(2) 喷涂过程中基体表面受热的程度较小而且可以控制，基体温度一般在30到200 之间，因此对基材的组织和性能几乎没有影响,工件变形也小，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) 喷涂操作的程序较少，施工时间较短，效率高，比较经济。(5) 涂层厚度范围宽。从几十微米到几毫米的涂层都能

4、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。22 热喷涂技术的种类传统的热喷涂方法按热源的不同，可分为燃烧法和电热法，前者包括火焰喷涂、爆炸喷涂，后者包括电弧喷涂、等离子喷涂。近年来，随着人们对涂层性能要求的进一步提高，广大科学工作者通过不断创新，在原有基础上发展了几种新型的热喷涂技术。下面将介绍电热爆炸喷涂、超声速火焰喷涂、超声速等离子喷涂以及激光喷涂2-4。2.1 电热爆炸喷涂 电热爆炸喷涂是继火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂之后发展起来的

5、一种新型喷涂技术。他是通过金属导体沿轴向施加瞬间直流高电压，在金属内部产生106Acm2到107 Acm2的电流而爆炸，产生的冲击波使得金属粒子以极高的速度喷向基本表面，之后又在基体表面急剧冷却，从而形成涂层。电热爆炸喷涂可以实现涂层与基体的冶金结合，提高涂层的结合强度。2.2 超音速火焰喷涂高速氧燃料喷涂由于燃烧火焰的速度是音速的数倍，目视可见焰流中明亮的“马赫节”，又称作超音速火焰喷涂。超音速火焰喷涂是在20世纪80年代研发成功的，与常规火焰喷涂不同的是超音速火焰喷涂采用特殊设计的燃烧室和喷嘴，驱动大流量的燃料并用高压氧气助燃，从而获得了极高速度的燃烧焰流。其主要是采用高压水冷的反应腔和细

6、长的喷射管，将燃料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。其中，由于用此种方法射流速度高，焰流温度比爆炸喷涂低，适合碳化物涂层，而且获得的涂层最高密度可达理论密度的99.9%，强度达70 M Pa 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。但是，燃料消耗大，成本比较高。2.3 超音速等离子喷涂超音

7、速等离子喷涂就是利用非转移型等离子弧与高速气流混合时出现的“扩展弧”得到稳定聚集的超音速等离子焰流进行喷涂的一种方法。喷涂枪是等离子发生器，其性能的好坏直接关系到涂层质量、喷涂成本、喷涂效率以及整台设备的性能，是超音速等离子喷涂设备中最为关键的部件。而超音速等离子喷枪设计的难点主要体现在超音速等离子射流的实现、送粉方式及整体结构、水路、气路结构设计，从而实现从试验型到实际应用型的转变，以适应于工业应用的需要。2.4 激光喷涂激光喷涂是近十年来出现的一种喷涂新工艺。它就是把高密度能量的激光束朝着接近于零件的基体表面的方向直射，基体同时被一个辅助的激光加热器加热，这时，细微的粉末以倾斜的角度被吹送

8、到激光束中。粉末熔化粘结到基体表面，形成了一层薄的表面涂层，与基体之间形成良好的结合。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。激光喷涂不仅使获得的涂层结构与原始粉末相同，而且可以喷涂大多数材料，范围广，覆盖低熔点到超高熔点的涂层材料。3 热喷涂技术的应用3.1在机械工业中的应用由于在机械装备中应用的材料大多为钢材 ,所以做好防腐工程和提高机械零件的耐磨性能非常重要。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，近年来得到了迅速发展。目前国内有几十个专业喷涂厂从事这方面工作，喷涂面积每年达几百万

9、平方米以上。这项技术不仅在国内大量推广应用，而且在援外工程中也得到了较好的推广应用。热喷涂层应用于腐蚀介质中，特别是强介质腐蚀，以前未能突破，其主要原因是封孔剂未能解决。近年中国已研制成功了聚酯型、有机聚合物型、树脂型、塑料型、胶粘剂型等几十种型号的封孔剂，适用于酸、碱、盐及有机物的腐蚀环境，其使用温度80350。采用陶瓷涂层、氧化物涂层或金属或合金涂层，根据不同介质，选用适当的封孔剂，已在许多化工腐蚀介质中应用，效果良好。该系列封孔剂已获专利并获国家发明奖。这些封孔剂的研究成功，使热喷涂技术在化工防腐工程中的应用有了新进展。同时，随着中国热喷涂技术的发展与提高，对喷涂层质量要求也愈来愈高。近

10、年由于超音速火焰喷涂技术具有很多优点，目前国内已先后从国外引进近十几台设备，在各工业部门发挥着重要作用。而爆炸喷涂技术由于粒子飞行速度可达800m/s以上，涂层与基体结合强度可达100MPa以上，孔隙率1%，使其也在国内进一步得到应用，目前国内已安装10台以上。3.2在生物医学工程上的应用热喷涂在生物医学工程方面的应用已逐渐成熟 ,如在钛合金人工关节，如髋关节、 膝、 肩关节及骨盆等表面上喷涂陶瓷涂层 ,既解决了金属材料在人体生物液中易产生腐蚀的问题 ,亦解决了陶瓷材料在单独成型时易产生的脆弱问题。热喷涂使陶瓷与关节金属之间具有一定的结合强度,使表面具有耐磨性好、化学性稳定、 生物相容性好、

11、有利于骨质细胞的长入 ,同时也改变了传统手术中采用骨水泥来固定的情况 ,现已为全国各大医院使用。4 热喷涂技术的发展趋势4.1 开发新型喷涂设备和喷涂材料目前 ,热喷涂技术正在发展中 ,还有许多亟待解决的问题。然而这些问题的解决大都紧紧围绕着提高涂层质量这一首要要求 ,即主要提高涂层的结合强度和致密度 ,开发多种热喷涂新设备和新材料。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。为满足生物医学需要，开发了羟基磷灰石、氟羟基磷灰石等生物相容性好的热喷涂材料。纳米涂层材料也得到了应用，但为了适应热喷涂工艺，一般将纳米粉末团聚成

12、粒径稍大的、可用于热喷涂的粉末。4.2 重视热喷涂技术的理论研究和热喷涂系统工程的优化热喷涂技术是一项适用性很强的基础工艺。它受高温、 高速、 非均匀性等多参数影响的高温动态过程影响 ,影响因素多而复杂。目前 ,对热喷涂技术的研究正从实验性工艺技术向着有坚实理论的基础工艺发展。例如 ,以现代物理化学概念和该过程的热物理为基础建立了等离子喷涂时材料相互接触作用和涂层形成理论。因而要加大热喷涂技术的理论研究力度，建立学术机构、企业等联合集团进行深入、高效的研究。随着技术的不断改进与完善，热喷涂系统工程的优化将越来越受到人们的重视。目前已有许多国家加强对热喷涂系统工程的研究 ,即从失效分析入手 ,通

13、过对表面预处理 ,喷涂设备、 喷涂材料及喷涂等工艺的优化 ,制定出热喷涂实施工艺计划。如现代等离子喷涂技术采用计算机控制系统，大大减少了工作强度以及出错率。还有，监控系统的发展是近年来热喷涂技术进步的重要标志，它将为提高热喷涂涂层质量提供有力的保障。4.3 大力推进计算机在热喷涂工艺中的应用目前，热喷涂技术基本上还处于工艺性的阶段 ,涂层质量主要依靠经验和严格的规程来保证。但是这种状况由于计算机技术的应用,正在迅速的改变着热喷涂技术的面貌。在热喷涂材料和工艺继续发展的同时,正在开发的各种热喷涂的计算机仿真软件将普遍得到应用，实现高效率生产和自动化。同时，将会出现许多大型的计算机集中控制和机器人操作的，安有自我诊断监控的智能热喷涂系统的无人化热喷涂车间及自动化生产线。参考文献1 王黎，徐焱慧.热喷涂技术的现状和发展J.砖瓦，2006（