热喷涂技术现状及最新研究

热喷涂技术研究现状及应用

华南理工大学杨沙

摘要：重点介绍气体爆炸喷涂，新型超音速火焰喷涂，超音速等离子喷涂技术，综述了热喷涂技术在热障涂层、非晶涂层、纳米涂层、生物活性涂层以及SOFC功能涂层方面的新应用。

关键词：气体爆炸喷涂；新型超音速火焰喷涂；超音速等离子喷涂；涂层应用

0 引言

热喷涂是指采用氧—乙炔焰、电弧、等离子弧、爆炸波等提供不同热源的喷涂装置，产生高温高压焰流或超音速焰流，将要制成涂层的材料如各种金属、陶瓷、金属加陶瓷的复合材料、各种塑料粉末的固态喷涂材料，瞬间加热到塑态或熔融态，高速喷涂到经过预处理（清洁粗糙）的零部件表面形成涂层的一种表面加工方法。

热喷涂技术最早出现在20世纪早期的瑞士，随后在前苏联、德国、日本、美国等国得到了不断的发展，各种热喷涂设备的研制、新的热喷涂材料的开发及新技术的应用，使热喷涂涂层质量不断得到提高并开拓了新的应用领域。[1]热喷涂技术经过了近一百年的发展，取得了很大的成就，具有以下几方面的特点：

a)可在各种基体上制备各种材质的涂层，包括金属、陶瓷、金属陶瓷、工程塑料、玻璃、木材、布、

纸等几乎所有的固体材料。

b)基体温度低。基体温度一般在30~200℃之间，变形小，热影响区浅。

c)操作灵活。可喷涂各种规格和形状的物体，特别适合于大面积涂层，并可在野外作业。

d)涂层厚度范围宽。从几十微米到几毫米的涂层都能制备，且容易控制，喷涂效率高，成本低。[2]

1 热喷涂工艺

传统热喷涂工艺主要分为火焰喷涂、爆炸喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂。随着科技与工业的发展，对热喷涂涂层材料的性能提出了越来越高的要求，涂层材料的加热温度、喷涂材料撞击基体的速度以及涂料在加热喷涂过程中的氧化是影响涂层结合强度、孔隙率等的基本因素，为了获得高结合强度、低孔隙率的优良涂层，在原有基础上科技工作者相继开发出气体爆炸喷涂，新型超音速火焰喷涂和超音速等离子弧喷涂等工艺。[3]

1.1 气体爆炸喷涂

爆炸喷涂技术的实质是利用脉冲式气体爆炸的能量将被喷涂的粉末材料加热加速轰击到工作表面后形成坚固涂层。此技术是美国联合碳化物公司林德公司在上世纪50年代发明的专利技术,当时简称为D—GUN。爆炸式喷涂时首先要将一定比例的氧气和乙炔气送入到喷枪内，然后再由另一入口用氮气与喷涂粉末混合送入。在枪内充有一定量的混合气体和粉末后，由电火花塞点火，使氧――乙炔混合气体发生爆炸，产生热量和压力波。喷涂粉末在获得加速的同时被加热，由枪口喷出，撞击在工件表面，形成致密的涂层。爆炸喷涂陶瓷粉末形成的涂层其结合强度可达到70MPa，而金属陶瓷涂层的结合强度可以达到175MPa。喷涂时，粉末颗粒撞击到工件表面后受到急冷，在涂层中可以形成超细组织或非晶态组织，因此涂层的耐磨性也较高。此外，爆炸式喷涂获得的涂层比较致密，孔隙率可以达到2％以下。[4]

1.2 新型超音速火焰喷涂

超音速火焰喷涂是将氧与燃料以高速、高压喷入燃烧室，燃烧后产生2727℃的高温和1500m/s的高速膨胀气流，喷涂粉末送入这种气流中，粉末颗粒被加热并被加速喷射到基体上，得到高质量的涂层。对于许多金属、合金金属陶瓷等材料，超音速火焰喷涂涂层的硬度、致密度及结合强度均优于等离子喷涂层，并且表面光滑、化学分解少、氧化物含量少，其涂层质量与爆炸喷涂涂层性能相当，成本却低得多。由于其优良的性能、技术的改进及可喷涂材料的拓宽，超音速火焰喷涂得到了越来越广的应用。传统的超音速火焰喷涂具有许多优点，但也存在不足之处。目前的超音速火焰喷涂基本上都是用纯氧作助燃剂，氧气消耗大。此外，涂层的孔隙率、氧化物夹杂含量等还有降低的余地。因此，新型的超音速火焰喷涂工艺——活性燃烧高速燃气喷涂工艺应运而生。其特点是通过压缩空气与燃料燃烧产生高速气流加热粉末，但并未使之完全熔化，同时将粉末加速至700m/s以上，撞击基体，形成极低氧化物含量和极高致密度的涂层。这种喷涂工艺过程对喷涂材料的热退化影响非常低，制备的涂层表现出卓越的耐磨损及耐腐蚀特性；另一个突出的特点是生产效率高，其喷涂速率是传统超音速火焰喷涂的5~10倍，沉积效率也优于传统超音速火焰喷涂。[5]

1.3 超音速等离子喷涂

超音速等离子喷涂是利用非转移型等离子弧与高速气流混合时出现的“扩展弧”，得到稳定聚集的超音速等离子射流进行喷涂的方法。超音速等离子喷涂技术最早于20世纪80年代中期由美国率先研究，90年代中期由TAFA公司将其商业化，它代表了当时世界的先进水平。在国内，装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室在多年研究国外超音速等离子喷涂技术的基础上，结合国内实际，率先研制成功了高效能超音速等离子喷涂系统（HEPJet）。此系统通过特殊的喷枪设计（单阳极拉法尔喷嘴），采用以机械压缩为主、气动力压缩为辅的射流加速方案，实现了在低功率(80kW)、小气体流量（6m3/h）下获得超音速射流的目标。高效能超音速等离子喷涂系统（HEPJet）的研制成功，使我国成为继美国之后第二个能够生产成套超音速等离子喷涂系统的国家。[6-8]

2 热喷涂技术应用

2.1 喷涂热障涂层

热障涂层（TBCs）是目前最先进的高温防护涂层之一，具有良好的高温化学稳定性、抗冲刷性和隔热性等特点，可使高温燃气和工作基体金属部件之间产生很大的温降(可达170 ℃或更高)，达到延长热机零件寿命、提高热机热效率的目的，因而自20世纪70年代初问世以来，受到广泛重视并得到迅速发展。热障涂层广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高温工作条件下，具有硬度高、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。用于制备热障涂层主要采用大气等离子喷涂(APS)，但该工艺制备的涂层中杂质含量高，而且涂层致密度和结合强度低。为了减少ASP工艺过程中有害氧化物的生成，并提高涂层致密度，发展了低压等离子喷涂(LPPS)、保护气氛(氩气)等离子喷涂(ASPS)和真空等离子喷涂(VPS)等技术。真空等离子喷涂法从根本上克服了等离子射流同环境气氛的相互作用，因此可获得与原始喷涂材料成分一致的纯净涂层，而且形成的涂层致密，结合强度比APS涂层高。[9]

2.2 喷涂纳米涂层

纳米技术的诞生使传统材料的硬度和韧性同时得到很大提高，在此基础上通过先进材料处理技术使具有高硬度、高化学稳定性能等诸多优点的纳米硬质陶瓷颗粒均匀弥散地分布于金属基体表面，这样就可以进一步提高材料的硬度与耐磨耐蚀性能，同时又能保证材料的韧性不下降，从而大幅度提高传统材料的耐磨耐蚀性能。[10]

热喷涂纳米涂层材料技术是指用纳米结构粉末（或其他形式）材料，采用热喷涂工艺技术，在基体表面制备纳米结构涂层或纳米结构复合涂层，达到强化、改性，或者赋予基体表面具有纳米材料性能的技术。

[11]目前，利用热喷涂技术制备纳米涂层主要采用两种方式[12]：一是制备具有部分纳米特征的宏观涂层。即在制备时将含量相对较少的纳米颗粒加入传统图层中，使传统涂层成为纳米颗粒弥散强化的、具有一定纳米特征的复合涂层；二是制备完全由纳米颗粒构成的宏观涂层。即让厚度在微米甚至毫米量级的宏观涂层完全由纳米颗粒构成，而赋予涂层极为优异的工程性能。

纳米结构涂层的开发研究还处于起步阶段，但是由纳米粉体材料形成的表面纳米结构，其潜在的应用范围涉及整个高新技术产业、民用工业和国防等重要领域。与传统涂层相比，纳米结构涂层在强度、韧性、耐磨等方面的性能大幅度提高。[13]

2.3 喷涂非晶涂层

如果金属或者合金的凝固速度非常快，原子来不及整齐排列便被“冻结”住了，最终的原子排列方式类似于液体，呈混乱无序状态，就形成非晶合金。非晶合金具有优异的物理、化学及力学性质。

近二十年来，国内外许多学者对热喷涂制备的非晶/纳米晶涂层进行了研究，他们采用等离子喷涂、超音速火焰喷涂(HVOF)、爆炸喷涂及电弧喷涂等工艺，选用合适的喷涂材料，获得了大面积的、有较大厚度的非晶合金涂层，可有效地提高材料的耐磨、耐蚀性能。利用等离子喷涂制备了镍基含非晶相涂层，涂层致密度高，氧化物含量较低，具有高的硬度和优良的耐磨性。采用超音速火焰喷涂方法制备了A1/Ti涂层，发现这种方法制备的涂层比等离子喷涂方法制备的涂层性能要优越，涂层具有好的耐磨性能和抗电化学腐蚀性能，涂层中的细晶(部分是纳米晶)使涂层具有高的机械性能。利用热喷涂技术制备非晶涂层不但在理论上具有非常重要的研究价值，而且在技术上也是完全可行的。非晶涂层逐渐成为热喷涂防腐、耐磨领域研究和应用的一种极具发展潜力的材料。[14]

2.4 喷涂生物活性涂层

钛合金、钴铬钼、不锈钢等是临床上常用的骨植入材料，这些金属材料不具生物活性，与骨组织的结合主要通过简单的物理形态固定。羟基磷灰石，其组成及结构类似于自然骨，对人体无毒无害，具有很好的生物相容性和生物活性，能诱导和促进骨组织生长，但是脆性大、强度低，从而限制了它在人体负重部位的应用。而医用钛或钛合金具有良好的力学性能，但属于生物惰性材料，不能与骨形成化学键合。为了取得两种材料的优势互补，增强金属骨植入体与骨组织间的结合，人们应用等离子喷涂钛和羟基磷灰石涂层。采用等离子喷涂技术，制备生物活化钛涂层、抗菌羟基磷灰石涂层以及抗降解硅酸钙复合涂层等新型生物活性涂层。这些涂层材料分别具有生物活性高、抗菌能力强及在生理环境中稳定性好等特点，呈现出良好的临床应用背景。[15, 16]

2.5 喷涂SOFC部件涂层

固体氧化物燃料电池（SOFC）可以将燃料的化学能直接转化为电能，利用燃气轮机及蒸汽轮机进行联合发电，其发电效率高达60%以上，为理想的发电方式，再通过合理、有效地利用余热，燃料的热效率可以达到90%。目前已成功应用于SOFC的制备工艺主要包括高温烧结、气相沉积、热喷涂、流延、丝网印刷、溶胶凝胶与溅射等。但利用这些工艺的制造成本较高、工艺较复杂，限制了SOFC的商业化。热喷涂技术作为低成本制造工艺在SOFC相关部件的制备中受到了广泛的关注。如美国西屋公司已经开始采用热喷涂工艺来代替传统的电化学气相沉积制备工艺。日本三菱重工所有电极与电解质全部采用热喷涂工艺，制备10KW 级SOFC圆筒形结构电池也已经经历了连续实际发电运行的考核，全热喷涂已经达到了可实用化的程度。SOFC的发电效率达到了36%，采用联合循环后发电效率最高达到70%，燃料的最高利用效率达到90%。[17]

4 结语

国内外的热喷涂设备正朝着高能、高速、高效发展的同时，轴向送分技术、多功能集成技术和实施控制技术也将成为热喷涂设备的发展方向。设备的不断发展将使可喷涂材料的范围更广，制备纳米、非晶、导热、催化、导电、绝缘、超导、隐身等功能涂层将成为热喷涂研究的热点。此外，随着热喷涂技术不断扩展新的应用领域，涂层应用工况更加苛刻，需要不断开发新的热喷涂设备和工艺方法，才能满足未来的应用需求。

参考文献

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