淺談熱噴涂技術的功用及工藝特性

李傳啟，李新德

（1.河南省路橋建設集團有限公司，河南商丘476000；2.商丘職業(yè)技術學院，河南商丘476000）

熱噴涂是選用專用設備及其產(chǎn)生的高溫熱源，將噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)，并通過熱氣流吹動使其霧化后，高速噴射到經(jīng)過預處理零件表面，以形成噴涂覆蓋層的表面修復加工技術。

1 熱噴涂技術的功用

熱噴涂作為裝備零部件表面損傷的一種重要修復技術，既能夠填補零部件因刮、擦、碰等引起的傷痕，又能方便地恢復機械零件摩損的尺寸，而且還能通過選擇適當?shù)膰娡坎牧?，明顯改善和提高包括耐磨性和耐腐蝕性等多種指標在內(nèi)的零件表面的性能，因而在各種金屬或非金屬零件的機械性損傷修復領域，占有重要的地位。其功用主要為如下4個方面。

1.1 制備新件

采用電弧噴涂和等離子等技術制造機械零件，是近年來迅速發(fā)展的一項特殊制造技術。如采用電弧噴涂制造沖壓塑料和皮革制品件模具、等離子噴涂加工陶瓷噴嘴或耐火金屬噴嘴、雷達整流罩、高溫爐元件，以及纖維增強鈦金復合材料的發(fā)動機部件等。

1.2 材料改性

在材料改性方面，用熱噴涂技術對普通材料進行處理，可按需要改變其表面的化學成分和組織結構，達到強化表面某些性能的目的。

1.3 舊件修復

在舊件修復領域里，熱噴涂技術不僅可以恢復零件的尺寸，而且可強化零件表面的性能，成倍地提高其壽命，經(jīng)濟意義十分重大。

恢復零件尺寸的技術，現(xiàn)在稱為機械零件“再制造工程”。如在汽輪機轉(zhuǎn)子、密封軸頸、主動性齒輪軸頸、活塞環(huán)等滑動磨損部位，噴涂各種鐵基或鎳基耐磨合金涂層，或氧化鋁、氧化鉻等耐磨陶瓷涂層和鎳基或鈷基碳化鎢涂層。特別是在紡織、造紙和印刷等行業(yè)，機械零件與布匹、棉紗、紙張等纖維制品摩擦，導致磨損，采用等離子噴涂氧化鋁、氧化鉻等耐磨陶瓷涂層，可以有效減少磨損，提高壽命。

1.4 制備特定的功能性涂層

熱噴涂技術可依據(jù)特定的功能需要，制造或修復加工出特殊的功能性涂層。

（1）耐磨涂層。對于可能遇磨料磨損的機械部件，如在沖蝕和氣蝕環(huán)境下工作的水輪機、抽風機、旋風除塵器等的零件，為了獲得較好的抗沖蝕效果、提高使用壽命，可采用等離子噴涂超細氧化鋁、氧化鉻等耐磨陶瓷涂層，或選用超聲速火焰或爆炸噴涂鈷基碳化鎢復合涂層等技術手段，使其零件表面涂層達到硬度高、韌性好的要求。又如泥漿泵的活塞桿、螺旋送料等零件，要求涂層的硬度超過磨料的硬度，這時選用超聲速火焰噴涂或爆炸噴涂技術噴涂鎳基或鈷基碳化鎢層，可獲得很好的使用效果。在大型水電站水輪機上應用熱噴涂層，可大大延長其使用壽命。美國Metco公司在小浪底水電站建設中，承擔了水輪機耐沖蝕涂層的施工任務，項目總投資達到6 000萬～7 000萬美元，共耗噴涂材料13 t之多。采用耐沖蝕涂層后，預計水輪機葉輪壽命將從3年提高到30年。

（2）耐腐蝕涂層。采用耐沖技術可以噴涂耐各種介質(zhì)腐蝕的保護涂層，如鋅、鋁、不銹鋼、鎳合金、青銅以及氧化鋁、氧化鉻陶瓷涂層和塑料等。目前性能最好的熱噴涂防腐涂層，是鋅、鋁涂層，未來極有希望用來替代油漆作表面保護涂層。這類涂層除了具有大多數(shù)油漆和涂料對鋼鐵基體形成的“隔離”和“阻擋”功能外，由于鋅、鋁的腐蝕電極電位高于鐵，即使涂層有孔隙、缺陷或出現(xiàn)裂紋時，腐蝕介質(zhì)將首先腐蝕鋅和鋁，而使鐵基體作為陰極得到保護，可用于大型橋梁、海洋鉆井平臺、水利設施等防腐，使用壽命可達到20年以上。例如英國的普利茅斯Tamar公路大橋，1961年建成后噴涂0.08 mm鋁—鋅復合涂層，耐磨蝕效果很好，雖處于海洋和工業(yè)腐蝕性氣候中，但至今只重新噴涂過一次。塑料涂層也是一種較好的防腐涂層，在化工、食品等行業(yè)得到應用，取得了滿意的效果。

（3）耐高溫涂層。采用熱障涂層隔離金屬基體與高溫環(huán)境，可以有效保持金屬構件的力學性能，所以噴涂耐高溫涂層在航空等領域已得到廣泛應用。如航空發(fā)動機葉片、燃燒室內(nèi)壁、活塞發(fā)動機工作溫度提高100℃以上。又如人造衛(wèi)星進入地球陰影時，表面溫度為-100℃；受到太陽照射時，溫度升到315℃，即每繞地球一圈溫度變化415℃，為保證衛(wèi)星在急劇熱交變條件下可靠地工作，美國在“探險者”衛(wèi)星表面噴涂了氧化鋁保證涂層，其遮蓋面積為衛(wèi)星上部總面積的25%。由于氧化鋁的隔熱作用。衛(wèi)星內(nèi)部儀器艙溫度保持在10～30℃，從而保證了靈敏電子儀器的正常工作。

在冶金工業(yè)中，連續(xù)退火爐爐底輥需要具備良好的耐高溫性能，采用超聲速火焰噴涂GrC3-NiCr涂層，可以在900℃以下保持非常好的高溫耐磨性。若采用大氣等離子噴涂氧化鋯涂層，溫度在900℃以上時，仍保持非常好的高溫耐磨性。此外，采用真空等離子噴涂NiCrA1或Ni(Co)CrA1Y涂層，或者用等離子噴涂氧化鋁—氧化鈦等陶瓷涂層，都可以改善機械零件的抗高溫氧化性能，防止熔融金屬的侵蝕。

（4）屏蔽涂層。屏蔽涂層，用于消除電磁波和無線電波的干擾，同時清除靜電放電火花；采用電弧噴涂鋅屏蔽涂層，可以提供高能級的衰減（范圍達60～120 dB）。屏蔽涂層的應用包括計算機終端設備、電子辦公設施、藥品監(jiān)測和感光電子設備。

當然，熱噴涂技術發(fā)展很快，所能實現(xiàn)的具體功能遠不止上述所列，還有諸如抗氧化噴涂層、隔熱噴涂層、導電噴涂層、絕緣噴涂層、密封噴涂層、裝飾性噴涂層、復合性噴涂層等。因此，我國將熱噴涂技術定為全國重點推廣項目。熱噴涂技術以其涂層種類的廣泛性、噴涂方法的多樣性，以及加工成本的良好經(jīng)濟性，在裝備維修和機械制造等領域有著廣闊的應用前景。在20世紀80年代到90年代，全球每年熱噴涂涂層產(chǎn)值遞增5%～10%，1997年達到13.5億美元。熱噴涂技術在航空、機械、汽車、冶金、紡織、適紙、軍事、電子等領域都有越來越多的應用，其中航空發(fā)動機仍是熱噴涂技術的最大用戶。

2 熱噴涂分類的四大要素

目前熱噴涂的分類，還沒有統(tǒng)一的標準。但通常都是用“熱源形式、噴涂材料的形態(tài)性質(zhì)、能量級別以及噴涂環(huán)境”四大要素來表明熱噴涂的種類。

2.1 熱源形式

熱源形式，表明了這種熱噴涂方法所運用熱源的類型。如火焰噴涂，表明了其熱源形式是火焰；而電弧噴涂，則表明其熱源形式是電??；等離子噴涂，則表明了這種噴涂的熱源是氣體電離狀態(tài)下所產(chǎn)生的高溫等離子弧。

2.2 噴涂材料的形態(tài)性質(zhì)

噴涂材料的形態(tài)，表明了該材料是棒材、線材還是粉狀材料等；噴涂材料的性質(zhì)，用以標明該材料是非金屬還是金屬，以及是何種金屬或非金屬。

2.3 能量級別

能量級別，用以標明噴涂溫度的高低、噴射速度的快慢，以及噴射壓力的大小等。如超聲速火焰噴涂或氣體爆燃火焰噴涂，這兩種噴涂類型就體現(xiàn)了能量級別的不同。

2.4 噴涂環(huán)境

噴涂環(huán)境，則說明了熱噴涂是在自由大氣下，還是真空以及負壓狀態(tài)下進行。

分類的基本原則，是以所用熱源形式要素為主，考慮第二要素——噴涂材料的形態(tài)（粉材、絲材、棒材）和性質(zhì)（金屬、非金屬），然后兼顧第三要素——能量級別（高能、高速），必要時再冠以第四要素——噴涂環(huán)境（大氣、真空、負壓）等。例如火焰噴涂，通常是指以氧—乙炔火焰為熱源的噴涂，以下可細分為粉末火焰噴涂、棒材火焰噴涂、線材火焰噴以及塑料火焰噴涂等，超聲速火焰噴涂以及氣體爆燃火焰噴涂（爆炸噴涂），主要是考慮了能源的形式和級別。

3 熱噴涂的類型

熱噴涂按照加熱能源形式的不同，可簡明分為坩堝熔化法熱噴涂、氣體燃燒熔化熱噴涂、氣體電離熔化法熱噴涂、電加熱熔化法熱噴涂以及激光熔化法熱噴涂等。

3.1 坩堝熔化法熱噴涂

熱噴涂技術早期應用僅限于金屬材料，而且最早發(fā)明的噴涂法是用坩堝把金屬熔化，再用高壓氣體把液態(tài)金屬吹射出去，所以又稱液態(tài)噴涂法。目前該法已很少采用。

3.2 氣體燃燒熔化法熱噴涂

氣體燃燒熔化法，是把噴涂材料（如金屬線材）以一定的速度送進專用的噴槍里，使端部在高溫火焰中熔化，隨即高速壓縮空氣將其霧化，并噴射到基體零件上形成涂層。

氣體燃燒熔化法熱噴涂又分常規(guī)火焰熱噴涂、爆炸火焰熱噴涂和超聲速火焰熱噴涂。

（1）常規(guī)火焰熱噴涂。常規(guī)火焰熱噴涂包括：火焰（金屬或非金屬）線材熱噴涂、火焰（金屬或非金屬）棒材熱噴涂、火焰（金屬或非金屬）粉材熱噴涂等。

（2）爆炸火焰熱噴涂。爆炸噴涂是繼離子噴涂之后發(fā)展起來的一種新工藝，是美國聯(lián)合碳化物公司林德分公司專利，技術關鍵保密極嚴，專利報價990萬元，至今沒有售過專利和設備，但已在歐、美、亞建立了16個爆炸噴涂的加工廠，爆炸噴涂熔融粉末的噴射速度可達700～760 m/s。

（3）超聲速火焰熱噴涂。超聲速噴涂是繼爆炸噴涂之后近十幾年發(fā)展起來的新工藝，速度與爆炸噴涂相近，可獲得高質(zhì)量涂層。

3.3 氣體電離熔化法熱噴涂

氣體電離熔化法熱噴涂，是利用氣體電離狀態(tài)下產(chǎn)生高溫電弧的原理，使噴涂材料熔化，因此也可稱為電弧噴涂。電弧噴涂是世界上應用較早的金屬線材噴涂法，電弧使絲材熔化，高壓氣體使其霧化并加速，其成本較低，生產(chǎn)效率高，目前仍能得到廣泛的應用。依據(jù)電弧產(chǎn)生的原理以及溫度等不同，電弧噴涂又分為普通（或常規(guī)）電弧噴涂和等離子電弧噴涂。

（1）常規(guī)噴涂電弧。常規(guī)電弧噴涂中，電弧形成的機理與普通的電焊相似，但需要特殊結構的電弧槍。

（2）等離子電弧噴涂。等離子噴涂是最重要的熱噴涂法，近20年來發(fā)展很快。等離子電弧噴涂又依據(jù)噴涂環(huán)境特性等分為多種，如：自由大氣等離子噴涂、保護氣體等離子電弧噴涂、真空等離子電弧噴涂、水穩(wěn)等離子電弧噴涂、高能等離子電弧噴涂、低壓等離子電弧噴涂等。

3.4 電加熱熔化法熱噴涂

電加熱熔化法熱噴涂，分為強電流熔化爆炸熱噴涂、高頻感應加熱熱噴涂和電容放電電流加熱熱噴涂等數(shù)種。

（1）強電流熔化爆炸熱噴涂。在線材的兩端通以瞬間強大電流，使線材熔化并發(fā)生爆炸，專用來噴涂汽缸等內(nèi)表面。

（2）高頻感應加熱熱噴涂。采用調(diào)頻渦流把線材加熱，然后用高壓氣體霧化并加速噴射的噴涂法，應用并不廣泛。

（3）電容放電電流加熱熱噴涂，利用電容放電產(chǎn)生的電流，將金屬線材加熱熔化，然后用高壓氣體霧化，并加速噴射到基體表面的噴涂法，應用也不普遍。

3.5 激光熔化法熱噴涂

激光熔化法熱噴涂采用激光作為加熱源，有“單步工序”和“雙步工序”，但至今仍處于研究階段。

4 不同類型熱噴涂的工藝特性

不同類型的熱噴涂工藝，具有不同的特性，以及不同的設備和應用特點。當然，同一種熱噴涂工藝，根據(jù)所用設備和涂層材料不同，也會表現(xiàn)出差別很大的工藝特性。表1是常用熱噴涂技術的工藝特性。

表1 常用熱噴涂技術的工藝特性比較表

5 結束語

熱噴涂技術是一項低投入、高產(chǎn)出的項目，通過噴涂及表面強化或予保護或者修舊利廢，其壽命可以成倍甚至幾十倍增長。我國目前已能生產(chǎn)三十幾個品種噴涂設備，上百種噴涂材料，上述幾種噴涂方法國內(nèi)已采用，這種新的表面工程技術已廣泛應用于國民經(jīng)濟各部門，取得了重大經(jīng)濟效益。如：冶金部的高爐渣口；鐵道部的氣閥活塞環(huán)和鋼軌修復；煤炭部的刮板機中部槽及壓液支柱；石油行業(yè)的各種柱塞及鉆桿接頭；機械行業(yè)的閥門密封面；造紙行業(yè)的烘缸；航空部門的熱障涂層等等。廣泛深入地推廣應用熱噴涂技術，有重大的潛在和相當可觀的經(jīng)濟效益。