河海大学表面工程技术应用之热喷涂.docx

表面工程技术应用热喷涂
毛
河海大学机电工程学院
摘要：从喷涂设备、涂层应用和质量监控方面综述热喷涂技术的发展现状，重点介绍了等离子喷涂、超音速电弧喷涂、超音速火焰喷涂以及冷喷涂技术的最新进展；提出了制备热障、纳米、非晶、超导及隐身功能涂层将成为研究热点。指出利用各种先进的声、光、电、磁无损检测技术，对涂层性能进行在线诊断、评估质量和预测寿命的研究方向；并对热喷涂技术的发展趋势进行了展望。
关键词：热喷涂技术；涂层应用；检测诊断。
Abstract：Thermal spray technology was reviewed with its focus on the spray equipments and coatings application as well as coatings quality supervision at home and abroad．The newest progress of plasma spray，high velocity arc spray，high velocity oxygen spray and cold spray processes was introduced．Fabricating function coatings is a hot topic in thermal spray technology，such as thermal barrier，nanostructured，amorphous，superconductive and camouflage coatings．Using uhrasonic，photo activation，electrochemistry and magnetism in nondestructive testing is an important research direction in coatings quality supervision．Development trend on thermal spray technology Was put forward．
Key words：thermal spray technology；coatings application；Detection and diagnosis。

热喷涂技术是通过某种热源将某些材料加热
至熔融或半熔融状态，然后喷射到涂敷的基体表
面，形成一层性能优于原来基体的涂层，从而使原
工件具有更加优异的表面性能，或者是使工件获
得一种或几种原来基体材料不具备的表面性能膜
状组织[1≈j。这些表面性能包括耐磨、耐腐、耐
热、抗氧化、隔热、绝缘、导电、密封、消毒、防微波辐射以及其他各种特殊的物理化学性能。目前，
包括航空、航天、原子能设备、电子等尖端技术在
内的很多领域内，热喷涂技术都得到了广泛应用，
并取得了良好的经济效益旧。

1．1火焰喷涂
利用火焰为热源，将金属与非金属材料加热
到熔融状态，在高速气流的推动下形成雾流，喷射
到基体上，喷射的微小熔融颗粒撞击在基体上时，
产生塑性变形，成为片状叠加沉积涂层，这一过程
称为火焰喷涂。火焰喷涂法是目前喷涂技术中使用较广泛的一种工艺。采用火焰喷涂法技术，可以制备各种纯金属、合金、陶瓷及塑料等涂层H。
1．2爆炸喷涂
爆炸喷涂是先将一定比例的氧气和乙炔由供
气口送入冷喷枪的燃烧室，经火花塞点火，氧气和
乙炔混合气体发生爆炸式燃烧，然后由送粉器将
喷涂粉末送入燃烧室，其热能将喷涂粉末加热到
一定状态，最后在爆炸冲击波的作用下把粉末颗
粒喷向工件表面而形成涂层№o。爆炸喷涂法是一项技术难度较大、工艺性能较强的新技术，也是一种高能喷涂方法。与一般火焰喷涂相比，必须提供足够高的气体压力，气体的消耗量也很大¨
1．3电弧喷涂
电弧喷涂是利用燃烧于两根连续送进的金属
丝之间的电弧来熔化金属，用高速气流把熔化的
金属雾化，并对雾化的金属粒子加速使它们喷向
工件形成涂层的技术。电弧喷涂法对各种金属材
料都能喷涂，大量地应用于防腐、耐磨等工程。目
前，电弧喷涂法已经从一种粗糙的高喷涂率的技
术演化为能以低成本生产具有高质量涂层的较为
精密的手段哺。

1．4等离子喷涂
等离子喷涂是用等离子体发生器(等离子喷
枪)产生等离子体，同时送粉器管中输送的粉末
在等离子体焰流中被加热至熔化状态，并高速喷
涂在工件表面而形成涂层。等离子喷涂是继火焰
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，近几年来在我国发展较快一o。

2 涂层应用的研究进展
2．1热障涂层
热障涂层(TBC)广泛应用于航空发动机、燃气轮
机等高温工作条件下的热屏蔽涂层，其厚度一般小于
1 mill。TBC硬度高、化学稳定性好，可显著降低基材
温度，从而提高发动机效率，减少燃油消耗，延长使用寿命。陶瓷／金属梯度热障涂层是近年来随着现代航空、航天、兵器等尖端技术的迅速发展开发出来的一种新型热障涂层，其成分沿涂层厚度方向呈梯度分布，能够缓和因温度梯度造成的热应力，涂层的抗热震性能因此得到显著提高。在ZrO：／NiCoCrAlY梯度涂层中由基体到涂层表面，ZrO：的含量逐渐增多，NiCoCrAlY的含量逐渐减少，涂层组织逐渐由以NiCoCrAlY为基的复合结构向以ZrO：为基的复合结构过渡，形成一种无宏观结合界面的连续变化的组织结构，涂层密度随ZrO：组元含量的升高呈线性降低ⅢJ。另外，在传统的热障涂层中添加适量的h20，和CeO：稀土材料，可以增大涂层的热膨胀系数，降低涂层的热传导率，提高涂层的热循环寿命协J。近年来，利用激光重熔等离子喷涂热障涂层，可以获得理想的单一柱晶结构，有利于充分发挥激光快凝处理的作用，严格控制其厚度，可封闭表面气孑L，使表面光滑，同时改善抗蚀性而不损害抗疲劳能力；由于凝固次序由表及里，表层组织相对细小，这样的结构有利于缓和热应力，从而延长涂层的使用寿命。

2．2纳米涂层
等离子喷涂技术作为一种传统涂层制备方法在制备纳米涂层(nano．coatings)方面具有独特的优势。如成本低、效率高、适合于工业化生产，所得涂层结合强度高等特点。文献[26]报道，在高功率(2 MW)原子
核反应堆中，等离子喷涂制备纳米灿：03+13wt％TiO：
涂层被用于吸收原子反应中产生的高频率高能量的毫
米波，且具有较强的抗热震和抗腐蚀性能。等离子喷
涂技术不仅可以制备致密的纳米涂层，同时也可制备
多孔性纳米涂层。采用真空等离子喷涂法可将水解合
成的50～100 nm的Ti02制备成多孔的纳米Ti02薄
膜，其主要由锐钛矿、金红石等相组成，粒子尺寸在
100 nm以内旧]。这种纳米TiO：薄膜可应用于光催
化、净化消毒、气体检测传感等方面。
2．3非晶涂层
非晶合金具有较高的强度、硬度和优良的耐磨、耐
蚀及磁学性能。然而制备大块三维的非晶合金在技术
上难度很大，但采用等离子喷涂技术可将非晶粉末喷
涂在廉价的性能较差的金属表面上形成致密的、结合
强度较高的非晶涂层(amorphous coatings)，是材料表
面非晶化的一种好方法。等离子喷涂时熔粒的冷却速
度可达105～106 K／s，这种高速冷却可在涂层中产生
非晶态相的组织结构。研究表明ⅢJ，大气等离子喷涂
Fe基非晶合金粉末(含Si、B、Cr、Ni等)制备的高非晶含量的Fe基非晶合金涂层，致密度高、孔隙率低、氧化物含量少，其显微硬度在700-950 HV之间，结合强度在27 MPa以上，可以满足工作要求，有望在耐磨领域得以应用。

2．4生物活性涂层
生物活性羟基磷灰石(hydroxyapatite)与生物组织
有良好的相容性，可以制成各种关节和牙齿。等离子
喷涂HAP粉末在金属基体上(一般为Ti基金属)形成
生物涂层(bioactive coatings)，既突出了HAP良好的生
物活性，又利用了金属材料优秀的力学性能，避免了
HAP的脆性和疲劳敏感性的问题。由于HAP粉末和
金属基体物理性能差别较大，使得涂层的附着强度受
到一定的限制。在Ti石m4V合金基体与涂层之间加
入ZrO：中间层形成HAP／ZrO：双涂层，或在HAP涂层中加入ZrO：作为增强相形成HA+Zr02复合涂层，都能极大地提高涂层与基体间的结合强度旧。

6结语
随着热喷涂技术的不断发展，热喷涂涂层必
将更加广泛地应用到国民经济发展的各个领域
中。作为热喷涂应用较为成功的领域，冶金领域
应更加重视热喷涂技术的开发与应用。

参考文献：
[1] 邸英浩，张建新，阎殿然，等．离子喷涂纳米A1：O，／TiO：涂
层耐磨性的研究[J]．金属热处理，2005，30(5)：4-7．
[2]姜超，丁洁，李爱国．A1：0，与ZrO：复合粉涂层的组织
形貌分析[J]．金属热处理，2005，30(12)：58-60．
[3] 徐滨士，王海军，朱胜，梁秀兵．高效能超音速等离子喷
涂技术的研究与开发应用[J]．制造技术与机床，2003
(2) 30-33．
[4]蒋伟，赵金平，龚敏．热喷涂技术及其发展，中国涂料[J]，
2006，2(11)：51—52．
[5]华绍春，王汉功，汪刘应，等．热喷涂技术的研究进展。金属热处理[J]，2008，33(5)：82—87．
[6] 向兴华．Fe基非晶合金涂层的等离子喷涂制备工艺研
究[J]．材料工程，2002(2)：10—12．
[7]赵力东，Erich L，李新．热喷涂技术的新发展[J]．中国表面工程，2002，56(3)：5-8．
［8］ 徐滨士，马世宁，朱绍华，等（XU Binshi，!" #$）. 表面工程与
再制造工程的进展［J］. 中国表面工程（Chin Surf Eng），2001，
14（1）：8—14.
［9］ 师昌绪，徐滨士，张平，等（SHI Changxu，!" #$）. 21 世纪表
面工程的发展趋势［J］. 中国表面工程（Chin Surf Eng），2001，
14（1）：2—7.
[10].张显程;徐滨士;王海斗ZrO2/NiCoCrAlY功能梯度涂层残余应力分析[期刊论文]-材料热处理学报 2005(02)