熱噴涂技術原理及其應用

1、熱噴涂技術原理及其應用熱噴涂技術原理及其應用摘要：對丁一些超薄零件，在其表面噴涂具有高強度、硬度較高耐磨性的陶 瓷涂層，增加零件的耐磨性。熱噴入技術是制備涂層的主要方法， 目前正迅速應 用到民用工業(yè)領域。本文主要介紹了熱噴涂工藝的特點、 噴涂方法的種類及其技 術以及熱噴涂技術的應用概況，并對熱噴涂技術的發(fā)展方向給予了展望。關鍵字：表面工程熱噴涂 涂層火焰噴涂1緒論磨蝕和磨損是造成材料和零部件失效的主要原因。據有關資料介紹，發(fā)達國家每年由腐蝕和磨損所造成的損失約占國民經濟總產值的4吩5%而全世界每年生產的鋼材約有1/10變成鐵銹。我國每年由腐蝕和磨損造成的經濟損失已達 數億人民幣。隨著現代科學技

2、術和現代工業(yè)發(fā)展，對各種設備零件的表面性能提出了更高 的要求，特別是在一些特殊條件下工作的零件表面的耐磨性、耐蝕性及高溫氧化 性等。因此改善材料表面性能，不僅可以有效地延長零件的使用壽命、節(jié)約資源, 更有利丁社會的發(fā)展。表面工程是21世紀工業(yè)發(fā)展的關鍵技術之一，表面技術分為表面改性技術、 薄膜技術和涂層技術三大類，而熱噴涂技術是表面工程領域中十分重要的技術， 約占表面工程技術的1/3,是國外50年代發(fā)展起來的一項機械零件修復和預保 護的新技術。它可以使各種機械設備車輛的零部件使用壽命延長。使報廢的零部件“起死回生”。從學科上講，熱噴涂技術是一個涉及金屆學、高分子學、表面 物理、表面化學、流體力

3、學、傳熱學、等離子物理及計算機等學科的交義邊緣科 學。熱噴涂技術有兩大突出特征：一是噴涂粉末的成分不受限制，可根據特殊要求 予以選擇；二是熱噴涂過程中工件溫度可保持在 100-260C，從而減少了變形氧 化和相變等，使材料本身的性能不被破壞或損失，這些特征以及熱噴涂涂層所具備的耐熱、耐蝕、耐磨、抗氧化、絕緣、隔熱等特殊功能 ，使熱噴涂技術得到迅 速發(fā)展。在選擇一種涂層技術時應該考慮到涂層技術的經濟性和技術性能，要在整個系統(tǒng)中考慮到表面涂層或其他表面改性和處理的方法，要知道表面要求的功能、服務環(huán)境、基材 （合金、熱處理等）所處理表面的性能，必須考慮到涂層自身的技術問題和經濟性，涂層的使用壽命和優(yōu)

4、點，而不僅僅是涂層的生產成本。涂層可以對材料表面性能（耐磨性、耐蝕性、耐熱性等）進行強化或再生， 起到保護作用，并對因磨損腐蝕或加工超差引起的零件尺寸減小進行修復。同時，還可以賦予材料表面以特殊性能（電、光、磁等）。現在生產實際中應用比較廣 泛的方法主要有火焰噴涂法（包括線材火焰噴涂、粉末火焰噴涂、超音速火焰噴 涂、爆炸噴涂等）、等離子弧噴涂和電弧噴涂?；釃娡渴袌龅木薮鬂摿捌?社會效益和經濟效益，在世界范圍內，熱噴涂技術受到極大關注。熱噴涂技術是是表面工程的重要組成部分， 與其他表面技術相比，熱噴涂技 術具有諸多優(yōu)點：1. 涂層的基體材料幾乎不受限制，如金屆材料、無機材料（玻璃、陶瓷）、

5、有機 材料（包括木材、布、紙類）等；2. 基材性能不變化，除火焰噴熔工藝外，噴涂過程中基材受熱溫度低，不發(fā)生 組織性能變化、變形小；3. 施工對象的尺寸和形狀不受限制，因此適用丁不同領域，小至塞規(guī)、大至鋼 結構橋梁；4. 噴涂厚度可在較大范圍內變化。5. 涂層材料種類廣泛，如金屆及其合金、陶瓷、塑料以及它們的復合材料；目前，熱噴涂技術已經越來越受到人們的重視。國外學者預測，在20世紀末全世界的熱噴涂市場每年將超過 30億美元3。2熱噴涂技術熱噴涂技術是材料科學領域內表面工程學的重要組成部分，它是一種表面強化和表面改性技術。它是1910年由瑞士的M U Se-hoop發(fā)明的，歷經90多年,熱噴涂

6、是（粉末或線桿）經熱源（火焰或電?。┘訜嶂寥诨虬肴诨瘧B(tài)，用高壓 氣流令其霧化并噴射丁工件上，塑態(tài)霧化金屆粒子以很高速度打到工件表面成片 層狀結構堆積成涂層。通過金屆基體表面噴涂一涂層使金屆具有耐磨、耐蝕、 耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。熱噴涂技術主要用丁 高溫、耐磨、耐腐蝕等部件的預保護、功能涂層的制備及對失效部件的修復等 根據熱熱源來分，熱噴涂有4種基本方法：電弧噴涂；火焰噴涂；等離子噴涂和 特殊方法?；鹧鎳娡烤褪且詺怏w火焰為熱源的熱噴涂。目前，火焰噴涂按火焰噴 射速度分為：火焰噴涂，火焰沖擊噴涂（爆炸噴涂）及超音速火焰噴涂3種。電弧噴涂是以電弧為熱源的熱噴涂。等離子

7、噴涂是以等離子弧為熱源的熱噴涂。等 離子噴涂涂層的特征直接取決丁到達基底的粉末顆粒的參數。因此，幾年來，發(fā)展了許多不同的技術來測量顆粒尺寸、速度和溫度分布。涂層與基體的結合機理目前尚無公認的定論， 通常認為有以下幾種：機械結 合；物理結合；微擴散結合；冶金結合5。1. 機械結合飛向基材的熔融粒子撞擊基材表面形,鋪展成扁平狀的液態(tài)薄片覆蓋并緊貼 基材表面的凸凹點上，在冷凝時收縮咬住凸點，形成機械結合。2. 物理結合當高溫、高速的熔融粒子撞擊基材表面后，緊密接觸的距離達到原子晶格常 數范圍時，就會產生范德華力而形成物理結合。3. 擴散結合當熔融的噴涂材料高速撞擊基材表面形成緊密接觸時，由丁變形、高

8、溫等作用， 在涂層與基體問有可能產生微小的擴散，增加涂層與基材間的結合強度。4. 冶金結合在噴涂放熱型噴涂材料時，基材表面的微區(qū)內接觸溫度可達基材的熔點， 就有 可能使熔融粒子與基材間形成微區(qū)的冶金結合。近年來，熱噴涂技術取得了很大進步，熱噴涂的工藝和設備以及材料也都有 了很快的發(fā)展。2.1熱噴涂材料的發(fā)展熱噴涂材料的發(fā)展大致經歷了三個階段。以金屆和合金為主的粉末和線材， 主要包括鋁、鋅、銳、鉆和鐵等到自熔合金粉末，并先后發(fā)展了耐磨、耐高溫、 抗燃氣腐蝕及隔離熱等陶瓷和金屆陶瓷涂層材料，使熱噴涂技術開始從簡易維修車間步入宇航和飛機等高技術產業(yè)領域6。70年代中期出現的一系列的復合粉 和自粘結噴

9、涂粉，80年代乂出現了用丁電弧噴涂的火芯焊絲，其特征是材料成 分與結構的復合，從而改進了噴涂工藝和涂層的性能。在各種新型、優(yōu)質熱噴涂技術不斷涌現的情況下，熱噴涂材料已成為制約熱 噴涂技術應用和發(fā)展的關鍵。熱噴涂材料的分類和發(fā)展概況列丁表 2.11。通常按 材料形態(tài)有噴涂粉、絲材、粉芯絲材等；按材料種類有金屆及特殊金屆材料、有 機聚合物材料、陶瓷材料、生物材料；按涂層結構有納米涂層材料、合金涂層材 料、非晶態(tài)涂層材料以及由這些材料復合構成的復合涂層材料。目前 ，為了滿足 對材料多功能、高性能等的要求，多種材料的復合、納米材料、新型合金或非晶 材料的使用成為熱噴涂材料發(fā)展的主要趨勢。表2.11熱噴

10、涂材料概況TABLE2.11 GENERALSITUA TIONOFTHERMALSPRAYMA TERIALS涂層材料單一材料系統(tǒng)材料復合材料現有材料金屬或合金陶瓷（氧化物）高硬度金屬多層熱障涂層（TBC鋁基MMCS新開發(fā)材料聚合物鋁化物納米級晶體準晶體非晶體等雙層涂層多層涂層梯度功能電子器件智能材料等FRP復合材料MMCSCMCS陶瓷材料因其優(yōu)異的高溫性能而成為熱噴涂技術中常用的一種噴涂材料。表2.12列出部分陶瓷涂層的性能和應用情況。這類材料主要用丁高溫部件（發(fā)動機等）的腐蝕、氧化及磨損防護。 WC基金屆陶瓷涂層材料適宜丁各種磨粒、沖蝕和滑動磨損的防護。下面是我們所用的陶瓷噴涂材料的簡介

11、表2.12陶瓷材料涂層TABLE2.12 CERAMICMATERIALCOATING涂層制備方法性能應用CrQ-SiO 2陶瓷涂層大氣等離子噴涂優(yōu)異的防腐和抗氧化性能惡劣工況下防腐和抗氧化保護Cr3C2-（NiCr）金屬陶瓷涂層空氣等離子噴涂和爆炸噴涂等方 法高溫穩(wěn)定性好、硬度 高、熱膨脹系數與鋼接近，在局溫各種載何和 速度卜均表現出優(yōu)異 的抗磨性和摩擦系數 穩(wěn)定性高溫抗氧化、 磨損和腐蝕。如高溫密封 系統(tǒng)和汽輪 機耐沖刷，高 能鐵道制動 器部件WC-C疝金屬陶瓷涂層（如 WC-Co-Cr涂層）等離子噴涂較局的抗磨和抗腐蝕性能切削刀具TiC基復合涂層等離子噴涂高的合金穩(wěn)定性和與金屬相粘結性；

12、高的抗氧化r生切削刀具提局材料局溫壽命和性能2.2熱噴涂技術分類與特點熱噴涂是利用熱源將噴涂材料加熱熔化或軟化，靠熱源的動力或外加的壓縮 氣流，將熔滴霧化并推動熔粒成噴射的粒束， 以一定的速度噴射到基體表面形成 涂層的工藝方法7。一般認為，熱噴涂過程經歷 4個階段，即噴涂材料加熱熔 化階段、熔滴霧化階段、霧化顆粒飛行階段和噴涂層形成階段。 根據所用的不同 熱源，熱噴涂技術分為火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、高速火焰噴涂（HVOF） 和其他噴涂技術等多種方法。(1) 火焰噴涂火焰噴涂是最早得到應用的一種噴涂方法。它以氧氣-燃氣火焰作為熱源， 噴涂材料以一定的傳送方式送入火焰， 并加熱到熔融或軟化

13、狀態(tài)，然后依靠氣體 或火焰加速噴射到基體上?；鹧鎳娡扛鶕娡坎牧系牟煌?，乂可分為絲材火焰噴 涂、粉末火焰噴涂和棒材火焰噴涂幾種?；鹧鎳娡烤哂性O備簡單，操作容易，工 藝成熟，投資少等優(yōu)點。新型火焰噴涂槍可以噴涂各種金屆、陶瓷、金屆加陶瓷 的復合材料、各種塑料粉末材料的涂層。盡管等離子和HVOF/HVAF超音速以及 爆炸噴涂的涂層優(yōu)丁常規(guī)火焰噴涂， 但由丁投資大、操作控制系統(tǒng)復雜、設備笨 重、無法現場施工，應用范圍受到極大限制，在在防腐和維修市場難以推廣普及， 新型火焰噴涂設備與技術和超音速電弧噴涂設備與技術在防腐和修復市場中永 遠是主要技術力量。(2) 電弧噴涂電弧噴涂是高效率、高質量、低成本的

14、一項工藝，是目前熱噴涂技術中最受 重視的技術之一。電弧噴涂是將2根被噴涂的金屆絲作為自耗性電極，分別接通 電源的正負端，在噴槍噴嘴處，利用兩金屆絲短接瞬間產生的電弧為熱源熔化自 身，借助壓縮空氣霧化熔滴并使之加速，噴射到基體材料表面形成涂層。電弧噴涂具有如下優(yōu)點： 熱效率高、對工件的熱影響小。一般火焰噴涂 的熱效率只有5%15%,電弧噴涂將電能直接轉化為熱能熔化金屆，熱能利用 率可高達60%70%。電弧噴涂時不形成火焰，因而在噴涂過程中工件始終處 丁低溫，避免了工件熱變形； 可獲得優(yōu)異的涂層性能。電弧噴涂技術可以在 不使用貴重底材的情況下得到較高的結合強度，采用適當的噴前粗化處理方法， 噴涂層

15、與基本結合強度可達普通火焰噴涂層的2倍以上。使用2根成分不同的金屆絲還可以制備出假合金涂層，以獲得具有獨特綜合性能的涂層； 生產率 高。電弧噴涂的生產效率正比丁噴涂電弧電流，當電弧電流為300 A時，噴涂鋅為30kg/h，噴涂鋁為10kg/h,噴涂不銹鋼為15kg/h,為火焰噴涂的3倍以上； 經濟性好。電弧噴涂能源利用率高，而且電能的價格遠遠低丁燃氣價格，施工成 本為火焰噴涂的1/10以下，設備投資為等離子噴涂的1/3以下。電弧噴涂技術的應用已經在各行各業(yè)取得了顯著成效。 利用電弧噴涂在鋼鐵 構件上噴涂鋅、鋁涂層，可對鋼構件進行長效防腐防護， 例如我國南海地區(qū)由丁高溫、高濕、高鹽霧，船舶腐蝕嚴

16、重，中修艦船的鋼結構應用電弧噴涂鋁合金涂 層防腐，經5年考核效果明顯，測算預計壽命可提高到15a以上。山西晉山煤礦、 河南鐵王溝煤礦等井筒鋼結構進行電弧噴涂防腐防護，預計壽命在30a以上。電弧噴涂作為一種優(yōu)質的修復技術，在機械零件上噴涂碳鋼、銘鋼、宵銅、巴氏 合金等材料，用丁修復已磨損或尺寸超差的部位，已在機械維修和機械制造業(yè)得 以應用。采用該技術修復造紙烘缸、修復大馬力發(fā)動機曲軸也已取得明顯成效； 制備裝飾涂層和功能涂層也是電弧噴涂技木應用的另一重要領域，例如在電容器上噴涂導電涂層，在塑料制品上噴涂屏蔽涂層，在內燃機零件上制備熱障涂層， 在石頭、石膏等材料上噴涂銅、錫、鋁等金屆進行裝飾等等。

17、（3）等離子噴涂等離子噴涂是熱源為等離子焰流（非轉移等離子?。Ｓ煞烹娀‘a生的電弧 等離子體溫度可達20000K。加熱噴涂材料（粉）到熔融或高塑性狀態(tài)，并在高 速等離子焰流（工作氣體為氮氣和氫氣或氧氣和氫氣）載引下，高速撞擊到工件 表面形成涂層。等離子噴涂是采用非轉移弧為熱源，噴涂材料為粉末的噴涂方法。近十幾年 來等離子噴涂發(fā)展很快，目前已開發(fā)出大氣等離子噴涂、可控氣余等離子噴涂、 溶液等離子噴涂、等噴涂技術，等離子噴涂已成為熱噴涂技術中的最重要的一項 工藝方法，這些新技術在工業(yè)生產上的應用日益顯示出優(yōu)越性和重要性。等離子噴涂的噴涂材料范圍廣，涂層組織細密，氧化物夾渣含量和氣孔率都較低， 氣孔

18、 率可控制到2%5%,涂層結合強度較高，可達 60MPa以上。該噴涂技術主要 用丁制備質量要求高的耐蝕、耐磨、隔熱、絕緣、抗高溫和特殊功能涂層，已在 航空航天、石油化工、機械制造、鋼鐵冶金、輕紡、電子和高新技術等領域里得 到廣泛應用。（4）高速火焰噴涂（HVOF ）和其他噴涂技術高速火焰噴涂目前主要指超音速火焰噴涂8,有時人們也將爆炸噴涂認為是 高速火焰噴涂的一種。高速火焰噴涂技術，將燃氣（丙烷、丙稀或氫氣）和氧氣 輸入并引燃丁燃燒室，借助丁氣體燃燒時產生的高溫和高壓形成的高速氣流，加 熱熔化噴涂粉末并形成一束高速噴涂射流，在工件上形成噴涂層。高速火焰噴涂 的特點：氣體燃燒膨脹形成的熱氣流使噴

19、涂粒子達到極高的飛行速度?；鹧鎳娚?速度為音速的2倍以上，而噴涂熔粒的速度可達 300- 1000m-s 1;噴涂粉粒在 火焰中加熱時間長，受熱均勻，能形成良好的微小熔滴；噴涂粉粒主要在噴涂槍 中加熱，離開噴槍后飛行距離短，因而和周圍大氣接觸時間短，在噴涂過程中幾 乎不和大氣發(fā)生反應，噴涂材料不受損害，微觀組織變化小，這對噴涂碳化物材 料特別有利，可避免分解和脫炭?；∫陨咸攸c，高速火焰噴涂獲得的涂層光滑，致密性好，結合強度高。涂 層空隙率可小丁 0.5%，結合力可達100MPa以上。被廣泛用丁制備高致密性、 高結合強度、低孔隙率要求的涂層。例如噴涂 WC-12%Co,涂層幾乎沒有氣孔， 而且

20、硬度高，加工后可達鏡面。但是，由丁高速火焰噴涂的設備及噴涂材料等成 本太高，不適合我國國情，限制了其在我國的應用。同樣，爆炸噴涂和激光噴涂 也是由丁這個原因限制其推廣應用。3 熱噴涂粉芯線材的發(fā)展3.1 粉芯絲材的特點粉芯線材(Cored Wire)也稱為管狀絲材或藥芯絲材，是由金屆外皮加上不 同類型的金屆、合金粉末、陶瓷及非金屆化合物粉末等構成，因此它同時具有熱 噴涂粉末與實芯絲材兩種材料的特點。實芯絲材是經過熔煉、澆注、拔絲等工序 加工而成，主要應用丁火焰噴涂和電弧噴涂，操作方便，效率高，但存在的問題 是：成分調節(jié)困難，調節(jié)成分時必須改變熔煉合金系統(tǒng)的成分，然后經過熔煉、 拔絲等工序，周期

21、長，成本高，對丁研究用的少量線材，需要經常調節(jié)絲材成分 時尤為困難。而且對丁特殊的合金材料，往往不能加工成線材，因此，實芯絲材 往往品種較少，性能也受到限制，并且軋制設備投入成本較高，受金屆外皮可加 工性能的限制。金元素的加入量，受到粉末粒度、比重以及加粉系數的影響。粉 芯絲材加粉系一般為加20%50%左右，一些高合金的絲軋制困難，使噴涂層的 合金成分也受到一定的限制9。粉末材料的特點是成分調節(jié)容易，只要改變粉末成分，就能獲得各種特殊性 能的涂層，但是粉末只能采用火焰噴涂和等離子噴涂，效率低，穩(wěn)定性差。粉芯 線材結合了粉末與實芯絲材的優(yōu)點，克服了它們各自的不足，既能方便的根據涂 層成分要求來調

22、節(jié)線材成分，以獲得各種成分的涂層，同時加工方便，質量好、成本低、使用設備簡單、操作方便，因此粉芯線材的研究前景非常廣闊103.2 粉芯線材的加工工藝圖3.2 1粉芯線材加工流程圖Fig. 3.21 Flow diagram of cored wire prosessing加粉圖3.22粉芯線材軋制過程示意圖11Fig. 3.22 Schematic diagram of the rolling progess of cored wire粉芯線材的制作包括配粉、混粉、軋絲、拔絲、繞絲、包裝等工序。一般先將10mm x0.4mm冷軋鋼帶或銳帶、鋁帶等通過成型輾彎曲成 U型斷面，將稱量 好的藥芯粉末

23、通過送粉器填充到U型槽中，然后將填充后的帶材通過成型輾進行密閉并壓緊絲材，封閉后的絲材通過拔絲模進行逐級拉拔減徑，拉拔后絲材成品一般為2mm。粉芯線材的加工流程圖和軋制過程分別如圖3.21和圖3.22所3.3 粉芯線材的發(fā)展與應用粉芯線材的研究最早始丁 60年代，初始目的是為了克服冶金方面的限制。直到70年代初期，才開始嘗試粉芯線材的電弧噴涂，但是這些嘗試不是很成功， 因為當時粉芯線材剛度差，送絲困難。到了 80年代，才克服了這一主要缺點， 使金屆粉芯線材在熱噴涂領域有了較大發(fā)展12。80年代初，德國的H.Dreznik 和H.D.Steffens等成功地把金屆粉芯線材運用丁電弧噴涂。他們用電

24、弧噴涂粉芯線材制備了耐磨涂層，并認為采用粉芯線材電弧噴涂能獲得與等離子噴涂層相當 的耐磨涂層。此外，還將稀土元素加入到粉芯線材中， 研究了稀土元素對涂層性 能的影響。隨后美國、日本、韓國、烏克蘭、新加坡也相繼投入開發(fā)。美國把金 屆粉芯線材成功用丁汽車車身修理、鍋爐等方面；英國金屆股份有限公司研制了 Stelloy35、50、51三種既能提高涂層強度乂能改善涂層完整性的粉芯線材；韓國將銳基、鉆基自熔合金、鐵基非晶合金、陶瓷合金用丁粉芯線材，熱噴涂修復達 到了抗氧化、耐硫化、耐熔鹽均佳的效果；荷蘭的M.P.Zwetsloot在文章中也提及了粉芯線材在電弧噴涂上的應用。 到了 90年代初，粉芯線材進

25、入商品化階段， 新型粉芯線材層出不窮，大大促進了電弧噴涂的發(fā)展，特別是美國，近年來已經 開發(fā)了多種耐磨、耐腐蝕熱噴涂粉芯線材，并已廣泛應用丁造紙、電力、化學、 汽車制造等工業(yè)領域。從目前國內的情況來看，近年來，北京有色金屆研究總院、北京工業(yè)大學、 裝甲兵工程學院在熱噴涂粉芯線材的研制和推廣方面作了大量的工作。其中北京有色金屆研究總院首先研制出噴涂用 Ni-Al打底復合絲；全軍裝備表面工程中心 最早用7Cr13管狀焊絲進行噴涂實驗，測試其機械性能；北京工業(yè)大學從1994年開始，在熱噴涂粉芯線材的研究和開發(fā)方面作了大量的工作，研制出超低碳奧氏體不銹鋼耐腐蝕型、馬氏體不銹鋼耐磨耐蝕型、低碳馬氏體打底

26、耐磨型、高硬 度型以及防滑耐磨型等，所研制的粉芯線材噴涂工藝性能良好、 噴涂質量好、成 本低，已廣泛應用丁油田、礦山、電廠、汽車制造等工業(yè)領域13。粉芯絲材應用的另一個重要領域是冶金行業(yè)。在該領域將粉芯絲通常稱為包芯線，主要在孕育、爐外精煉、特殊元素合金化三個方面。該項技術在發(fā)達國家 已廣泛應用，在降低優(yōu)質鋼材生產成本方面，作用十分明顯，其用量也相當大， 幾乎與藥芯焊絲用量持平。但在我國除少數幾個中小型冶金企業(yè)在孕育方面有少 量應用外，在另外兩個重要也是主要應用領域兒乎是空白，由丁研究費用投入巨大，應用研究的報道也極少見到、除此之外，利用粉芯絲制備技術制備雙金屆絲 （金屆外皮包另一種金屆絲），

27、在我國冶金行業(yè)作為稀土元素微量合金化的應用研 究有少量試驗研究14。在各種熱噴涂工藝中，電弧噴涂工藝是一種最適合用丁鍋爐現場修復的工 藝。粉芯線材的應用推動了電弧噴涂工藝的發(fā)展，選用具有優(yōu)異耐磨耐蝕性能的 陶瓷粉末配以一定性能的金屆外皮構成的粉芯線材， 更加拓寬了電弧噴涂的應用 范圍，這種金屆/陶瓷的復合涂層在循環(huán)流化床鍋爐的防護領域具有巨大的應用 前景。4涂層設計和制備方案4.1涂層的設計基本原理采用熱噴涂技術提高機器設備的耐磨損性、耐磨蝕等性能使得熱噴涂越來越 引起人們的重視，并在各個領域獲得越來越廣泛的應用。但是因其材質、形狀、 大小及其應用環(huán)境、服役條件等存在很大差別，要想成功采用熱噴

28、涂涂層來解決 所面臨的問題，必須遵循特定的過程15。最重要的有以下五個關鍵過程：1）準確分析問題所在，明確涂層性能要求。2）合理進行涂層設計，包括正確選擇噴涂材料、設備、工藝、以及遵循嚴 格的涂層質量評價體系等。3）優(yōu)化涂層制備工藝。4）嚴格控制涂層質量。5）涂層技術的經濟可行性分析。涂層設計起著承上啟下的作用，是采用熱噴涂技術成功解決實際問題的基礎，是所有環(huán)節(jié)中最重要的環(huán)節(jié)之一。 在進行噴涂設計時，主要考慮涂層所涉及 到的各個環(huán)節(jié)，具有明顯的系統(tǒng)特性。因此，為了獲得滿足使用性能要求的涂層， 在進行噴涂前必須進行周密、合理的涂層設計。我們所研究的是在紙機涂布刮刀，涂層的主要目的是增強刮刀表面的

29、耐磨 性。由丁不同的噴涂方法和噴涂材料加之國內外的技術水平的差異，結合強度、 硬度、厚度、孔隙、耐磨性等沒有特定的限制，借此可以選擇出經濟、實用的噴 涂方法和噴涂材料。4.2. 材料的選擇涂層材料的選擇非常關鍵，因為在熱噴涂中粉末的粒度、形狀對涂層質量也 有著較大的影響。有些設備的表面形狀和表面光潔度要求非常嚴，噴涂后必須進 行表面精磨處理。如果粉末粒度太細，難以噴涂，粒度太粗，則噴涂后精密加工 困難。以WCW瓷涂層為例，WC硬度極高，在精磨的過程中，陶瓷顆粒在摩擦 力的作用下一粒一粒的脫落。這樣，涂層在精磨后的表面粗糙度和涂層材料的粒 度是相關聯的，合理選擇材料對丁涂層的后續(xù)加工非常關鍵。一

30、般熱噴涂材料的選擇必須滿足如下基本要求：1. 必須滿足熱噴涂涂層耐磨、耐蝕等的性能的要求。2. 在噴涂火焰的高溫焰流中，具有良好的熱穩(wěn)定性或化學穩(wěn)定性。不會發(fā)生氧化、揮發(fā)、升華而變質，不會發(fā)生有害的晶型轉變。3. 不會與基體發(fā)生有害的化學反應。4. 與基體材料或底層涂層有良好的匹配適應關系。5. 熱噴涂材料的工藝性能滿足熱噴涂的工藝要求。粉末狀熱噴涂材料的流動性、粒度和粒度分布、松裝密度等應滿足粉末等離子噴涂的工藝的要求，粉末應該干 燥、清潔。6. 熱噴涂材料的蠹性、易燃性、爆炸性等必須符合安全衛(wèi)生和環(huán)境保護的要求。4.3粘結底層（打底層的選擇）當需要在基體上噴涂陶瓷涂層工作層時，由丁晶體結構

31、和熱物理性能等方面與金屆材料存在相當大的差別，有必要先在基體上噴涂一層合金粘結底層， 提高 表面陶瓷涂層與基體金屆之間的結合強度的同時，還可以緩解兩者之間物理性能差別。因此噴涂前選擇合適的打底層是非常必要的。常用的粘結底層噴涂材料有以下性能特點：與基體表面結合強度高，甚至可 以產生微區(qū)冶金結合；具有抗氧化、耐腐蝕能力；涂層表面具有合適的粗糙度； 具有合適的物理性能。在進行涂層設計時，針對粘結底層的選擇，應考慮基材物理性能特點和具體 工況條件下謹慎選擇。主要考慮以下兩個方面的因素影響： 粘結底層與基體材料 的相容性；粘結底層的工況條件。4.4涂層制備4.4.1表面預處理由丁熱噴涂涂層與基體結合的

32、主要以物理及機械鑲嵌結合為主，涂層與基體的結合質量與基體表面活潔度和粗糙度有直接相關。因此表面預處理成了整個熱 噴涂作業(yè)中最重要的一個環(huán)節(jié)。進行表面制備的是需要考慮兩個重要因素：第一個是基體材料；第二個是噴涂材料。在生產實際中，應根據零件的表面狀態(tài)來選 用合適的噴涂工藝，在保證涂層質量的前提下，盡可能采用簡化的表面預處理工 藝，以降低涂層成本。表面凈化是實施熱噴涂前基體表面制備（處理）的第一步，主要用丁除去所 有熱噴涂表面的污垢，包括氧化皮，油漬、油脂、和油漆等。將污垢去除之后， 活潔表面要一直保持，所有噴涂表面都應小心保護。1. 表面除油采用機械或化學的方法可除去待噴涂工件表面的油漬。采用溶

33、劑法或堿性活 洗劑法。溶劑法是采用溶劑汽油、三氯乙烯或四氯化碳等擦洗；堿性活洗劑 以氫氧化鈉、磷酸鈉、碳酸鈉和鈉的硅酸鹽為主，浸洗時濃度為5075g/L,溫度為80C，浸漬時間30min即可脫脂、除油。2. 侵蝕（浸蝕）酸浸或堿侵蝕是一種比較強烈的表面凈化過程。主要用丁除去 零件表面的油污、銹蝕產物、和氧化膜等。3. 擦刷 當只需要局部沖洗時，可采用用丁手工金屆絲或電動金屆絲刷電動金屆 絲來完成，主要借助金屆絲的劃痕來達到活潔表面的效果，4.4.2. 表面粗化活洗之后，可采用多種方法對表面進行粗化處理， 其中最常見的有兩種，即 噴砂粗化處理和電火花拉毛粗化處理。 我們選用噴砂粗化采用壓力式噴砂

34、法。 噴 砂磨料為棕剛玉，磨料粒度 0.11.5mm。正確的粗化處理與活洗過程同樣重要。 在熱噴涂過程中，處丁熔融或半熔融 狀態(tài)的加熱粒子碰撞到基體表面后， 經變形形成薄片當他們冷卻或硬化時， 必然 粘附到工件表面。經粗化處理的表面，有助丁涂層的機械結合。粗化可以使表面 處丁壓應力狀態(tài)，使變形粒子之間形成相互鑲嵌連鎖疊層（或層次）結構?？稍?大結合面積，凈化表面。4.4.3. 預熱處理這是表面處理工序的最后一道工序， 一般在噴涂前進行，以使工件表面獲得具有一定溫度、乂新鮮的基體表面，預處理有利丁提高涂層與基體的之間的結合 強度。實踐證明恰當的預熱處理不僅對提高結合強度有利，而且能明顯的改善提高

35、涂層工作壽命。預熱方法有爐內預熱和噴槍焰流預熱， 我們采用噴槍預熱。預 熱時要注意焰流不能太靠近工件表面， 避免工件表面驟熱現象，也不應產生加熱 不均勻的現象，這兩種現象的出現不僅不會提高涂層的結合強度而且會降低涂層 與基體的之間的結合強度。4.4.4. 涂層制備要得到質量優(yōu)良的涂層，其制備過程不僅限丁噴涂工藝參數的優(yōu)化與控制， 還涉及到工況條件分析、基體材料的選擇、基體預處理、粘結材料的選擇、預處 理、粘結材料的選擇、噴涂材料的選擇、噴涂設備的選擇、涂層性能的檢測及考 核等環(huán)節(jié)。每個環(huán)節(jié)都會影響涂層的質量。我們所設計的涂層主要是耐磨硬涂層。 采用熱噴涂技術可以增大軟基體的或已發(fā)生磨損的基體的

36、耐磨損性能。耐磨涂層的性能要求：(1) 涂層結合強度要求對耐磨涂層的首要要求就是確保涂層與基體有足夠的結合強度，為此基體 材料與涂層材料的選擇與設計應以確保涂層的牢固結合為前提。基體無變形、涂層與基體材料的彈性模量匹配性、 涂層與基體材料的剛性匹配、熱膨脹系數的匹 配性、涂層與基體材料之間的親和力。(2) 涂層耐磨性要求在保證涂層基體有足夠的牢固的結合條件下，才能進一步提出對涂層耐磨 性要求如涂層硬度、耐高溫磨損性能(良好的紅硬性)、耐磨蝕磨損性能、涂層 顆粒之間的結合強度。4.4.5. 涂層后處理噴涂之后還必須對涂層進行精加工處理。對丁耐磨涂層磨削是唯一的精加工 方法。一般來講，噴涂粉末越細

37、、涂層的孔隙率越低、涂層越均勻，磨削加工后 的表面粗糙度越好?？紤]涂層的種類、硬度、工件的大小與形狀、磨削量、表面 粗糙度要求、磨床類型等因素我們選擇合適的砂輪。封孔處理：用丁磨損試驗的試塊，在涂層噴涂完畢后要涂刷封孔劑，封孔劑 采用含硅樹脂的高溫有機封閉涂料。刮刀陶瓷涂層表面一般用聚四氟乙烯作表面 加添處理借以提高刮刀的使用性能。5熱噴涂技術在現代工業(yè)中的應用5.1現代汽車工業(yè)中的應用現代汽車要求高性能、低能耗、低污染、高安全性及智能化，這就對汽車 用材料提出了更高度的要求，既要保持材料本身的高強度乂要對零部件表面賦予 特殊性能。熱噴涂技術的引入給汽車制造工業(yè)帶來了新活力?；钊h(huán)是內燃機的關

38、鍵零件之一，長期承受高溫磨損、高溫腐蝕。起初， 主要采用鍍銘環(huán)。鍍銘環(huán)有良好的耐磨性，但其抗熔著磨損性能很差，對污染物 的處理很困難。但采用熱噴涂技術，不但解決了熔著磨損問題，而起污染小?；?塞環(huán)采用火焰噴涂金屆 Mo涂層，國內已建立了噴涂涂層生產線。此外，可采用熱噴涂技術的典型汽車零件見表 5.1。表5.1熱噴涂典型零件部件涂層性能涂層材料曲軸耐磨損Cr13、碳鋼搖臂耐磨損、儲油自熔合金缸套耐高溫磨損NiCr-Cr 2C3消音器耐腐蝕Al活塞冠頂抗熱沖擊AM、ZrO2剎車片耐摩擦陶瓷、復合材料同步環(huán)耐磨損Mo氣門耐磨損Mo、Cu、Al渦輪增壓器壓縮機減摩Al-Si+聚合物5.2現代電力行中的

39、應用熱噴涂技術在電力行業(yè)最典型的應用是鍋爐四管(水冷壁管、過熱器管、再熱器管和省煤器管)的表面防護。鍋爐 四管”工作在高溫、高壓、煙氣腐蝕以及磨粒沖蝕的惡劣環(huán)境下，管壁 減薄速度約在1mm/a左右，嚴重者可達2mm/a以上，極易造成泄漏爆管事故， 給電廠的安全運行帶來了很大的影響。目前解決該問題的有效途徑便是熱噴涂技 術。目前應用最廣泛的是美國 TAFA公司研制的45CT涂層，該涂層使用壽命 可保證710年，涂層平均年消耗量小丁 0.03mm。全世界已有200多臺鍋爐應 用，涂層總面積達5萬平方米，僅鍋爐維修費就節(jié)約數千萬美元。此外，還有瑞 典采用電弧噴涂KANTHALM 合金，英國中央電力部

40、采用等離子噴涂 Ni-Cr合金 粉，美國METC。公司則采用等離子噴涂 METCO465合金粉，日本采用超音速 火焰噴涂Cr3C2-NiCr合金粉，這些涂層都具有良好的耐高溫抗腐蝕磨損性能， 并成功應用丁鍋爐 四管”。國內，則主要采用新型高NiCr合金Fe-Cr-Ni及Fe-Cr-Al合金涂層，其中裝甲兵工程學院研制的SL30涂層與美國TAFA公司的45CT涂層性能相當，但成本大大降低，逐步推廣應用16。此外，熱噴涂技術在風機、汽輪機、測溫部件也獲得了大量應用。如風機 葉輪采用火焰噴涂Ni60合金粉末，涂層耐磨粒磨損性能較16Mn材料提高17倍, 而采用高速火焰噴涂NiCr-Cr3C2涂層，涂

41、層較等離子噴涂強化葉輪提高 23倍; 測溫用熱電偶采用等離子噴涂 Ni-Al、Fe-Al金屆問化合物涂層等17。5.3石化工業(yè)中的應用石化機械零部件承受著腐蝕介質和機械磨損的雙重作用，加速了機械零件表 面的腐蝕磨損，因此對零部件的表面有特殊要求。 據調查，我國石化工業(yè)每年因 磨損和腐蝕所造成的直接經濟損失達數億元。采用熱噴涂技術修復和強化的石化機械零部件主要有以下幾種：(1) 抽油泵柱塞、泥漿泵缸套、石油鉆桿鉆頭、抽油桿等采用等離子噴涂技術在柱塞表面噴涂 AT13陶瓷涂層，在含砂井中的運行時間可達兩個月，壽命為傳統(tǒng)工藝所制造柱塞的2倍；泥漿缸套采用火焰噴焊Ni-WC或等離子噴焊高銘鑄鐵型材料，可顯著提高使用壽命；石油鉆桿鉆頭采 用爆炸噴涂制備 WC-C。涂層，鉆頭的抗磨損、抗腐蝕能力大大加強；等離子噴 涂不銹鋼抽油桿，抽油桿抗腐蝕能力得到提高，但成本顯著降低。(2) 化工容器儲油罐及化工容器，常受大氣、油、泥漿和鹽水的腐蝕，采用電弧噴涂18-8 型合金，可有效防止腐蝕，保證其長期安全運行；高溫氣體反應罐，工作溫度 180C250C,表面等離子噴涂ZrO2熱障涂層，熱效率提高約8%。(3) 地面煙氣輪機地面煙氣輪機是石化工業(yè)中十分重要的能源設備，其部件受到高溫高壓、巨 大的離心力、氣流激振力、腐蝕和振動的綜合作用，極易受到損