热喷涂技术应用及研究进展与挑战

热喷涂技术应用及研究进展与挑战

马斌

重庆天骄航空动力有限公司重庆市渝北区401135

摘要：热喷涂作为重要的表面工程技术之一，是通过在材料表面制备材料保护涂层与功能涂层，赋予基体材料没有，但服役环境所必须的表面性能的方法。由于热喷涂可以制备从超过50%孔隙缺陷含量到接近完全致密的任意材料的涂层，基于缺陷控制可满足从可磨耗、耐高温隔热、耐磨损与耐腐蚀等不同服役要求，经过100余年的发展已经形成了包括等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂、普通火焰喷涂等一系列方法，已经成为在众多产业领域，包括航天航空、交通运输、石油化工、电力能源、冶金钢铁、纺织与造纸、机械制造等，提高产品寿命与竞争力不可或缺的技术。制备可以提供耐磨损、耐环境腐蚀防护、耐高温隔热防护等保护涂层是热喷涂尤为重要的应用方面，热喷涂作为可显著提升结构零件耐磨损的涂层制备方法应用非常广泛，但在动载如冲蚀、空蚀、疲劳磨损、或高应力磨料磨损条件下，涂层材料的耐磨性能尚不能完全发挥；由于涂层总是存在一定的孔隙，难以以制备态直接用作长效耐腐蚀防护涂层，适当的封孔处理成为其用作耐腐蚀涂层的必要条件；包括以燃气轮机热障涂层为代表的耐高温隔热涂层等在航空与地面重型燃机中的应用，在欧美热喷涂市场中约占比60%，随着我国燃气轮机技术的发展，该市场潜力有望逐步得到发掘。

关键词：热喷涂技术；应用；进展；挑战

引言：

热喷涂耐磨损涂层性能的进一步提升不仅需要开发新型硬质耐磨材料以及宽温域自润滑材料，还需要结合材料开发，发展可使粒子间结合充分的涂层制备方法，其次，基于涂层结构特征与服役性能关系控制磨损服役条件，防止源于粒子间脱落的加速磨损是确保长效磨损保护的基础。如何制备在喷涂态即可满足腐蚀介质不浸渗的致密涂层依然是热喷涂耐腐蚀涂层制备需要攻克的挑战。

1热喷涂技术应用情景

热喷涂技术广泛应用于各行各业,现行的热喷涂技术分类亦有很多类,大气等离子喷涂,低压等离子喷涂,高速氧气燃料喷涂,粉末和线材材料喷涂,冷喷涂,高压等离子喷涂等。热喷涂技术利用现今的研究成果技术,广泛应用于汽车行业,航空航天,钢铁产业化生产中。现行热喷涂技术多向高强度,高精度,导热性好的基础上发展,热喷涂技术的高效率的生产方式,一方面能够实现计算机的仿真模拟,另一方面正在向自动化产业化方向发展。目前,热喷涂技术喷涂方法主要包括,密封处理,遮盖,手持喷枪,喷涂预处理和后处理等操作,从高的耐磨性,高质量,高的工作效率,防腐蚀性能,和母材高的结合强度,高的经济效率,抗腐蚀性能,抗粘着性,耐热性,耐高温性能,耐腐蚀性能等性能和工作需要出发,合理的更好的选择喷涂技术和材料适应实际工况。

2热喷涂方法、挑战及其机遇

2.1火焰喷涂

火焰喷涂具有工艺成熟、设备简单、适应性强、操作灵活、经济性好和噪声小等特点。目前己经发展成热喷涂技术中应用最为广泛的一种喷涂工艺。火焰喷涂优点有:1)适用的范围广泛:在一般的金属、非金属基体上均可以进行喷涂，通常对基体的形状和尺寸没有过多要求;2)喷涂材料广泛:金属、陶瓷、合金和复合材料都可作为喷涂材料;3)涂层有储油润滑性能:涂层多孔组织有储油润滑性;4)火焰喷涂对基体影响小:基体表面受热温度大致为200-2_500C，整体温度约为70-800C，所以对基体影响小，基体组织变形小。火焰喷涂的缺点有:1)涂层与基体的结合强度比较低，不能承受较大的载荷;2)火焰喷涂工艺受到多种条件影响，涂层的质量没有有效的检测方法针对火焰喷涂的不足，为了增强基材与涂层的结合强度，我们不断发展热喷涂工艺，我们采用压缩空气的方法或者采用气流加速装置来提高颗粒的喷射速度，通常情况下压缩气流为空气，可以改为惰性气体作为压缩气流的气体，这样可以降低涂层的氧化程度，但是成本有所提高。

2.2超音速火焰喷涂

超音速火焰喷涂是利用高压水冷的反应腔和细长的喷射管，把乙炔、煤油、丙烯和氢气等燃料以及氧气送入反应腔燃烧，燃烧的火焰被喷射管压缩并加速喷射，从轴向或喷射管侧面送入粉末。超音速火焰喷涂也可以通过高压将燃料和氧气进行喷射，在喷嘴外燃烧，高压气体将粉末颗粒从喷嘴的内轴向送进，然后燃烧的火焰由喷嘴外部空气罩中的压缩气体进行压缩并加速，最终熔融的粉末喷涂在了基材上。

与一般火焰喷涂相比，超音速火焰喷涂技术需要足够大的气体压力，使其可产生速度为1830m/s的焰流，相当于5倍的音速，同时超音速火焰喷涂技术需要庞大的供气系统来满足大量的气体消耗，其中氧气的使用量是普通火焰喷涂的10倍之多。HVOF技术的最大特点是可以在不过分加热粒子的前提下就能使粒子获得较大的动能。超音速火焰喷涂有较高的焰流速度，得到的涂层的气孔率低(小于1%)、涂层表面较光滑，而且喷涂速度快，沉积率高，并且喷涂的粉末颗粒在高温区滞留时间短，因此制得的涂层中氧化物含量较低，涂层的化学成分和相组成稳定，提高了涂层与基体表面的结合强度。超音速火焰喷涂能得到比爆炸喷涂层更厚的涂层，涂层中的残余应力得到改善，但是超音速火焰喷涂也存在燃料消耗大，成本比较高等缺点。

2.3等离子喷涂技术

等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性技术，可以使基体表面具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。等离子涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固表面层的方法。等离子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂，喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高等优点。由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。目前随着热喷涂技术的飞速发展，国际上等离子喷涂占有明显优势，并已开发出三阴极等离子喷涂、高能等离子喷涂、微弧等离子喷涂和悬浮等离子喷涂等多种新技术。

2.4爆炸喷涂技术

爆炸喷涂是在特殊设计的燃烧室里，将氧气和乙炔气按一定的比例混合后引爆，使料粉加热熔融并使颗粒高速撞击在零件表面形成涂层的方法。爆炸喷涂的最大特点是粒子飞行速度高，动能大，所以爆炸喷涂涂层具有以下特点：涂层和基体的结合强度高；涂层致密，气孔率很低；涂层表面加工后粗糙度低；工件表面温度低。在爆炸喷涂中，当乙炔含量为45%时，氧-乙炔混合气体可产生3140℃的自由燃烧温度，但在爆炸条件下可能超过4200℃，所以绝大多数粉末能够熔化。粉末在高速枪中被输运的长度远大于等离子枪，这也是其粒子速度高的原因。爆炸喷涂可喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷材料，但是由于该设备价格高，噪音大，属氧化性气氛等原因，国内外应用还不广泛。爆炸喷涂的特点：爆炸喷涂最大的特点就是以突然爆炸的热能加热融化喷涂材料，并利用爆炸冲击波产生的高压把喷涂粉末材料高速喷射到工件基体表面形成涂层，其主要优点如下：可喷涂的材料范围广，从低熔点的铝合金到高熔点的陶瓷；工件热损伤小；涂层的厚度容易控制；爆炸喷涂涂层的粗糙度低；喷涂过程中，碳化物及碳化物基粉末材料不会产生碳分解和脱碳现象；氧气的消耗少，运行成本低。

结语：

热喷涂技术以及专利申请数量逐年递增,与国外热喷涂技术相近,采用热喷涂技术能够和母材高的结合强度,高的经济效率,抗腐蚀性能,抗粘着性,耐热性,耐高温性能,耐腐蚀性能等性能,在生产实际工况下,具有十分鲜明的效果,优于电镀,能够提高设备的使用寿命且关乎生产效率,因此热喷涂技术广泛应用于各行各业中。

参考文献：

[1]李长久.中国冷喷涂研究进展[J].中国表面工程，2017,22(4):5-14.

[2]王汉功，查柏林，杨晖，等.超音速电弧喷涂技术[J].机械工人，2002,6.