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1、热喷涂材料表面技术综述童蕾鸣 12125871 金属材料工程摘要：本文重点介绍热喷涂技术的原理、发展和应用，并讨论热喷涂各种方法如火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和冷喷涂。对于每一种喷涂方法，都从基本的原理开始，进而讨论所需的材料、设备、工艺参数，并且对每种热喷涂技术的应用进行了介绍。本文对热喷涂技术做了归纳性的总结，对各种喷涂技术进行了对比，并指出了目前热喷涂技术中存在的主要问题，对以后的发展方向和趋势进行了展望。关键词：火焰喷涂，电弧喷涂，等离子喷涂1.热喷涂技术简介 热喷涂技术是十分重要的表面处理方法。热喷涂技术是一种将涂层材料利用高速气流将其喷射到材料表面，用于提高设备或构件表面耐磨损、
2、耐腐蚀、耐高温和隔热等性能，并能对由于磨损、腐蚀或者加工引起的零件尺寸减小进行修复的一种表面处理工艺。其具体应用包括材料表面性能的改善（耐磨、耐蚀和隔热等）、失效零件的功能恢复及几何尺寸的修复，可节省能源和避免材料的浪费，从而广泛应用于航空航天、机械制造、石油化工以及核电站用领域的拓展，尤其在恶劣工况下的应用需求，对涂层的质量提出了更高的要求，包括涂层的致密度、与基体的结合强度等。2.热喷涂基体的预处理因为基材最初的表面情况直接影响着涂层的质量及性能，为了增强基材与涂层的结合强度，要对热喷涂基材表面进行预处理。很多热喷涂涂层与基体的结合主要是机械的结合，实际上涂层的组成物与材料基体表面粘附之前
3、会与基体发生碰撞，从而会产生形变，因此为了使涂层与基材结合能力更强就必须提高基材表面的洁净程度，同时也增强抛锚作用。如下所述的是预处理的基本要求：清洁所有表面锈斑、油污及其它污垢；为了增强基体与涂层的结合强度，通过粗化处理可以使表面的不平度得到加强；为了让表面处在低硬度、低应力的状态下，要将原来的硬化层清除，并且要去除会导致应力集中的元素；要做好不喷涂区域的保1护工作，工件在进行喷涂之后要保证的其尺寸的精度；使基材表面粗糙化和净化是热喷涂基体预处理的主要内容，根据工件的不同状况可能还要进行工件表面预加工、粘结底层、预热和非喷涂面保护等。主要叙述以下三方面：2.1表面预加工 在喷涂之前，为了提供
4、适合的基材表面，并且提高喷涂之后工件的尺寸精度，有些工件首先得进行车削以及磨削等表面加工，要清楚工件上的原始喷涂层，减弱或消除基材表面的不均匀磨损，并且对涂层的厚度进行预留等。同时预加工具有净化作用，去除基材表面污物，为了增强结合强度，也可以在喷涂前进行机械粗化处理。表面预加工包括车、磨、刨和铣等机械加工方法，对于有些工件需要进行机械打磨，使用铲刀、刃具或者电动磨具进行清理。2.2表面净化处理 一般情况下金属表面都存在不均匀附着物及污垢薄层，为了去除这些表面污垢，就要对工件表面净化。这些不均匀附着物及污垢会对涂层与基体的结合力和涂层质量产生影响，表面净化处理一定要去除基材表面油脂及其他污垢薄层
5、。2.3表面粗化处理 为了增大基体表面的不平度，同时增强涂层与基体的结合强度就要进行粗化处理，为了增强基体与涂层的结合力，可以使喷涂颗粒处于交叠并且连锁形态。一般用粗糙度来评定基材表面的粗化程度。在热喷涂预处理中的粗化方法中，使用最广泛的是喷砂。3.火焰喷涂3.1火焰喷涂的技术和优缺点火焰喷涂利用氧和可燃性气体燃烧产生的火焰，将喷涂材料加热到半熔化或者熔化的状态，并以一定的速度喷向待喷涂的材料表面，形成具有一定特殊性能的喷涂层。在粉末火焰喷涂的设备中，气体从轴向进入，粉末可以从轴向或者沿垂直于喷枪的方向送进，颗粒在燃气和氧气燃烧形成的火焰中被加热熔化，并在轴向被加速射向工件表面。在丝材或者棒材
6、等线材火焰喷涂设备的喷枪中，同样喷涂材料是被燃气和氧气形成的火焰加热熔化，并被压缩空气雾化形成液滴状，大量的液滴形成束流喷向工件表面。火焰喷涂具有工艺成熟、设备简单、适应性2强、操作灵活、经济性好和噪声小等特点。目前已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：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；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；涂层有储油润滑性能：涂层多孔组织有储油润滑性；火焰喷涂对基体影响小：基体表面受热温度大致为200-250，整体温度约为70-80，所以对基体影响小，基体组织变形小。
7、火焰喷涂的缺点有：涂层与基体的结合强度比较低，不能承受较大的载荷；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。图1火焰喷涂的火焰形貌3.2火焰喷涂的材料与设备喷涂材料可为金属、陶瓷、合金和复合材料等。喷涂材料的形状可以是粉末状、丝状和棒状。粉末状的热喷涂材料颗粒尺寸通常在5-150m的范围内，为了提高喷涂效率，要求颗粒的尺寸在小范围内变化
8、，粒子速度最大可达50m/s，金属颗粒沉积速度约为6kg/h，陶瓷颗粒沉积速度约为2kg/h。早期的喷枪采用径向送进，现在喷枪主要采用轴向送进方式，棒状和丝状的喷涂材料直径范围为33-6mm，粒子速度最大可达200m/s，金属材料沉积效率约为8kg/h。 线材火焰喷涂的设备主要包括：喷枪、送丝装置、燃气及其处理和控制的系统部件。喷枪是火焰喷涂的关键部件之一，它能影响到整个火焰喷涂的操作过程和涂层质量。通常使用的喷枪有等压式和射吸式两大类：等压式喷枪是使压力相近或相等的氧气和燃烧气同时进入混合室，经自然混合后喷出，形成火焰。等压式喷枪的优点是混合均匀，火焰燃烧稳定，不受外界温度变化的影响。射吸式
9、喷枪的工作原理是一定压力的氧气流吸入乙炔等燃烧气，充分混合后在喷嘴处燃烧形成喷涂火焰。射吸式喷枪的优点是操作简单方便，使用安全，但在使用过程中为了防止因温度过高而使火焰变成氧化焰，应注意调节火焰大小或冷却降温。图2.粉末火焰喷涂图3.线材火焰喷涂43.3火焰喷涂涂层的组织结构特点火焰喷涂涂层结合强度通常为8-20MPa，气孔率为10%-15%，喷涂效率为2-8kg/h，涂层厚度从0.3mm至数毫米，喷涂态表面粗糙度为Ra10-25m，涂层经加工后表面粗糙度可达Ra0.4-0.8m。在火焰喷涂技术中，使用不同类型的喷涂材料将会对涂层质量产生不同的影响，通过截面组织的观察，虽然涂层结构均为层状，但
10、是涂层在基材上的铺展情况却存在一定的差异。镍铝合金丝涂层的铺展情况好，其涂层的层状结构更紧密，从图中观察几乎无气孔和杂质等缺陷。这主要是因为镍铝合金丝是由镍和铝通过一系列复杂工艺制备而成的镍铝固溶体，其组织成分单一，因此其涂层具有很好的层状结构。涂层铺展情况差的是镍铝粉末涂层，由于镍铝粉末飞行同时被加热，加热时间不长，导致熔化程度不一，在基材上的变形不均匀，导致涂层组织不均匀，因此涂层铺展情况不好，层状结构差。图4.(a)镍铝粉末涂层截面(b)镍铝合金丝涂层截面图5.(a)镍铝合金丝涂层表面(b)镍铝粉末涂层表面54. 电弧喷涂4.1电弧喷涂及其特点电弧喷涂是从丝盘拉出两根喷涂丝材，在两根丝材
11、未接触之前保持绝缘，将两个喷涂丝材分别送进喷枪的导电嘴内，两个导电嘴一个接在电源的正极上，另一个接在电源的负极上，当喷涂丝材进入导电嘴后，两根丝材端部互相接触时将形成短路并且产生电弧，此时相接处短路引起电弧所产生的热量会渐渐加热两喷涂丝材的端部并使之融化，由于压缩空气气流的作用，熔融的金属喷涂丝料喷射并雾化，雾化的颗粒能以180-335m/s的速度冲击到预先制备好的材料表面形成喷涂层。图6.电弧喷涂原理图电弧喷涂优点：结合强度高：电弧喷涂涂层与基体的结合强度是火焰喷涂涂层与基体结合强度的2倍；效率高：电弧喷涂技术与其它热喷涂技术相比较，在同样的时间内电弧喷涂的金属的重量要比其他热喷涂技术喷涂的
12、金属的重量大；应用范围广：大量的用于防腐和耐磨等工程领域；经济节能：从能源利用率的方面看，电弧喷涂要明显优于其他热喷涂技术，并且电弧喷涂的设备以及费用投入都比其它的喷涂技术少；电弧喷涂设备安全性好且操作简单，设备后期维护也比较简单，对工作环境的条件要求也不高；电弧喷涂还可制备具有独特性能的“伪合金”涂层，即选用两种金属丝材，并将两者作为喷涂的材料，它们的成分及性能可以均不相同，将二者同时喷涂到基材表面，所得到的伪合金涂层将同时拥有两种金属的特性。电弧喷涂的缺点有：电弧喷涂的喷涂材料必须具有较好的导电性，因此在喷6涂导电性较差的材料时有一定的局限性。与等离子喷涂，电弧喷涂的喷涂温度比较低，对很多
13、高熔点的喷涂材料也不适用。在喷涂的过程中，由于电弧引起的各种元素蒸发和氧化比较严重，因此在使用相同的喷涂材料时，采用电弧喷涂得到的涂层中常常因为合金元素的含量比火焰喷涂的低而影响涂层质量。4.2电弧喷涂的设备及参数喷涂电源、送丝结构、喷枪和控制箱构成了电弧喷涂的设备。当前的大多数设备都是将控制箱和喷涂电源合并在一起的，下面详细介绍一下电弧喷涂组成部分。（1） 喷涂电源 目前，电弧喷涂技术广泛应用具有外特性和动特性的电源。电源外特性就是指平特性或略带上升的外特性，电流有比较大的上升速率指的是动特性，与陡降外特性相比，外特性拥有比较强的电流自调节性。当弧长变短时，电流快速增大，与此同时加速了金属丝
14、的熔化速度并且弧长得到了恢复；当弧长变长时，电流减小，与此同时金属丝的熔化速度减小并且恢复了弧长。不同金属材料对于最低喷涂电压的要求也不相同，要求喷涂电源的输出在一定的调节范围之内。喷涂电源组成：电源变压器、整流器、电流和电压的调节等。电弧喷涂的工作电流决定了电弧喷涂的效率，普通电弧喷涂设备常用的工作电流150-250A，但由于喷枪功率较低导致喷涂效率不高，而且喷涂粒子雾化效果差，材料沉积率低，送丝也很不稳定，因此大功率电弧喷涂设备得到了发展。大功率电弧喷涂设备是指工作电流在500A以上的电弧喷涂设备，这种大功率电弧喷涂设备在提高雾化效果的前提下，不但保证了喷涂质量，而且提高了喷涂效率。（2）
15、送丝机构送丝机构的组成部分为送丝电动机、减速器和送丝轮。电弧喷涂的时候两根金属丝需要以均匀的连续的速度送至喷枪，金属丝的送进是依靠送丝机构来完成的。送丝电动机常用的伺服电动机是直流的，直流电动机的反应比较迅速，可随时开或停的操作。减速器的结构多为蜗轮蜗杆结构。（3）电弧喷枪喷枪是电弧喷涂设备的关键部分，其枪头的组成主要包括：导电嘴、雾化喷7嘴和绝缘体等。早期的喷枪用的是敞开式喷嘴，雾化效果不好，颗粒比较粗大。目前使用的喷嘴为封闭式喷嘴，这种喷嘴增加了弧区的压力，加强了对熔化金属的效果。图7.电弧喷涂设备 电弧喷涂通常在大气氛围下进行，但也可以根据具体的喷涂材料及工艺要求选择在真空中或者惰性气体
16、的氛围下进行。雾化气体通常是空气，也可以是氮气或者氧气和燃气的混合气体。雾化气体的压力控制在0.2-0.7MPa之间。喷涂距离为50-170mm，喷涂效率可达10-25kg/h，粒子速度为100m/s。喷涂后可进行炉内回火进一步提高涂层的密度和结合强度。电弧喷涂的工艺参数有：工作电流；雾化气体压力；喷涂距离；电弧电压。一般情况下，电弧电压随喷涂材料熔点的降低而减小。因此，应根据不同的喷涂材料来选择合适的电弧电压。电弧电压过高时，会导致喷涂粒子尺寸增大、氧化烧损严重，同时烟尘量也将增大；当电弧电压过于低时，电弧将不稳定，会产生线材的不连续接触以及电弧的间断，导致喷涂过程不连续，导致未充分熔化的丝
17、段飞向待喷涂材料表面而产生涂层缺陷，甚至发生两丝焊在一起的现象造成喷涂过程中断，另外对于导电性较差的丝材需要较高的电弧电压以维持电弧的稳定。每一种喷涂材料都有它电弧稳定燃烧所需的最低电弧电压，即临界电弧电压值。当电弧电压超过临界电弧电压时，电弧电压不断增大，喷涂粒子的尺寸范围及射流的角度等都会扩大，而且元素烧损的倾向也会增加，因此在保持电池稳定燃烧的前提下应选择尽可能小的电弧电压，这样喷涂粒子的尺寸将会变的细小，粒子数较为集中，涂层的质量得以提高。84.3电弧喷涂涂层的组织结构特点与应用 涂层表面的显微组织，由图可比较清晰的观察涂层的表面形貌，观察到电弧喷涂涂层存在缺陷，如氧化物和气孔等，涂层
18、并不是十分致密的结构。 涂层截面显微组织图，左侧是基体层，右侧是涂层。其涂层截面组织中存在空隙、氧化物和粗大颗粒。涂层与基体的结合主要是机械夹持作用，图中涂层与基体的结合状况比较差，存在大量空隙和氧化物。图8.涂层表面的显微组织图9.涂层截面的显微组织9 电弧喷涂主要运用在制备各种功能涂层：长效的防腐涂层；耐高温涂层和耐磨涂层。大型的结构件在使用的过程中都不可避免的会遭到各种介质的腐蚀，故采用长效的防腐蚀措施，保证构件的使用性能和寿命显得尤为重要，电弧喷涂以其独特的技术特点，在长效防腐涂层的制备方面具有很大的优势，其中采用电弧喷涂的方法进行桥梁结构的腐蚀防护，已经被广泛应用。电弧喷涂是防止锅炉
19、等在高温氧化性和腐蚀性气氛下工作的构件出现高温腐蚀的有效手段。机械零件修复和再制造方面的应用：对于很多重要的零部件和设备，很多时候通过表面修复来代替新产品的更换，还可以通过表面强化和保护延长使用寿命。电弧喷涂技术在机械零件表面修复方面具有独特的优势：喷涂时工件不需预热、热影响区小、修复厚度大、修复涂层基体结合强度高、效率高以及实用性强等。在电弧喷涂修复机械零件时，应用的最多的是以Cr13钢为代表的高铬不锈钢合金丝，该类喷涂材料喷涂以后可直接得到马氏体组织的涂层，具有较高的硬度和耐腐蚀性。5. 等离子喷涂5.1等离子喷涂简介 等离子喷涂是利用等离子喷枪产生的等离子火焰来加热熔化喷涂材料，喷涂材达
20、到熔融或半熔融状态的情况下，经孔道高压压缩后和等离子一起呈高速等离子射流喷出，喷向材料的表面形成喷涂层。图10.等离子喷涂原理图等离子喷涂的工作气体常用Ar、He、N2和H2等气体，气体进入电极腔后，10气体被电弧加热，并且解离形成了等离子体，在喷涂进行过程中，等离子喷涂的射流中心温度最高可达 33000K，喷流速度在 300-400 m/s 的范围内。由于等离子喷涂的中心温度最高，因此可以进行各种陶瓷、高熔点、耐磨、耐热材料的喷涂，而且等离子喷涂的涂层孔隙率低、涂层与基体具有较高的结合强度、涂层特性和尺寸也容易控制、涂层光滑平整、厚度可精确控制、涂层氧化物和杂含量较少。等离子喷涂涂层在厚度、
21、硬度和防腐效果等方面比电镀、电刷、渗碳、渗氮的效果要好，并且等离子喷涂对各种材质的基体适应能力强，喷涂在非金属材料上也能进行，例如塑料、玻璃等。等离子喷涂工艺目前存在的问题有：等离子喷涂设备投资大、成本较高，且工作气体的纯度要求较高；小孔径孔内表面难以喷涂，这是因为受到喷枪的尺寸及喷距限制的缘故；等离子喷涂时，劳动保护要求高，因为在等离子喷涂过程会产生巨噪声、强光辐射、有害气体（臭氧、氮氧化物等）、金属蒸汽粉尘等。5.2等离子喷涂材料与设备等离子喷涂材料主要：金属和合金粉末、自熔性合金粉末、陶瓷和金属陶瓷粉末、复合粉末等。纯金属粉末主要有Al粉、Co粉和Si粉等。合金粉末主要有：钴基合金、铜基
22、合金和镍基合金等。陶瓷材料主要有：金属氧化物、硼化物和氮化物等。金属陶瓷主要有：WC、Ti C和VC等。复合粉末材料主要有：金属+陶瓷、陶瓷+陶瓷和金属+塑料等。等离子喷涂设备（1）喷枪：等离子喷枪是整个系统的关键部分，喷枪的质量直接影响喷涂能否正常能进行以及涂层质量的好坏。喷枪组成：喷嘴、电机杆、电极和绝缘体等。其中喷嘴是喷枪的关键部位，使用的过程中局部热负荷高、易烧损，需要冷却水对电极进行冷却。（2）整流电源：整流电源是提供电能的装置，目前使用的主要是晶闸管整流，由变压器、电抗器、整流器和接触器等组成。（3）控制系统：整套设备的中心系统，由电气控制系统、气路控制系统和工作状态控制系统组成。
23、控制电路主要有固定程序继电器、可编程序控制器和计算机控制系统。（4）送粉器：喷涂过程中为喷枪提供粉末的装置，通常要求粉粒度范围为5-200m，送粉精度为0.1%（5）热交换系统：热交换系统可分为水泵式制冷热交换系统和氟利昂制冷系统两种。11图11.设备示意图5.3等离子喷涂的表面形貌和具体应用 大气等离子喷涂涂层与基体的结合强度通常为60-70MPa，气孔率为2%-3%，喷涂效率为2-10kg/h，喷涂效率为3-15kg/h。图12.涂层表面形貌及截面形貌(a)涂层表面形貌(b)涂层断面形貌图从图片中可以看出颗粒均，并接近于完全熔化，熔化的颗粒撞击基材表面生良好的变形，铺展性很好，表面较光滑。
24、从涂层截面图可以看出，氧化锆纳米涂层与基体结合性比较好，裂纹等缺陷很少，涂层结构致密。 等离子喷涂技术中，由于等离子焰流特有的高温、高速的特点，使得等离子喷涂的应用领域十分广泛。等离子喷涂涂层可以分为保护性涂层、功能性涂层等。等离子喷涂涂层具体应用如下：（1）耐磨涂层和热障涂层（2）纳米涂层和非晶、准晶涂层（3）具有生物活性的涂层。 12参考文献1刘广海.方兴未艾的热喷涂技术：浅析我国热喷涂技术的发展历程J.金属加工（热加工），2010（10）：1-5. 2徐滨士，李长久，刘世参等.表面工程与热喷涂技术及其发展J.中国表面工程，1998（1）:3-9. 3姜银方. 现代表面工程技术M.北京：化
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