熱噴涂技術(shù)是一種將涂層材料 (粉末或絲材)送入某種熱源(電弧、燃燒火焰、等離子體等)中熔化，并利用高速氣流將其噴射到基體材料表面形成涂層的 工藝[1~4]。熱噴涂涂層具有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫和隔熱等優(yōu)良性能，并能對磨損、腐蝕或加工超差引起的零件尺寸減小進行修復(fù)，在航空航天、機械制造、石油化工等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1~4]。
熱噴涂技術(shù)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)早期的瑞士，隨 后在前蘇聯(lián)、德國、日本、美國等國得到了不斷的發(fā)展，各種熱噴涂設(shè)備的研制、新的熱噴涂材料的開發(fā)及新技術(shù)的應(yīng)用，使熱噴涂涂層質(zhì)量不斷得到提高 并開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域[1~4]。本文主要介紹火焰噴涂技術(shù)，等離子噴涂技術(shù)，超音速火焰噴涂技術(shù)，電弧噴涂技術(shù)，超音速電弧噴涂技術(shù)以及冷噴涂技術(shù)的 研究現(xiàn)狀與發(fā)展，介紹了這些熱噴涂技術(shù)的研究發(fā)展與應(yīng)用，并對熱噴涂技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進行了展望。
火焰噴涂技術(shù)作為一種新的表面防護和表面強化工藝，在近20年里得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)成為金屬表面工程領(lǐng)域中一個十分活躍的分支。利用火焰為熱源，將金屬與非金屬材料加熱到熔融狀態(tài)，在高速氣流的推動下形成霧流，噴射到基體上，噴射的微小熔融顆粒撞擊在基體上時，產(chǎn)生塑性變形，成為片狀疊加沉積涂層，這一過程稱為火焰噴涂[1~4]。在設(shè)備維修中，它被用來補償零件表面的磨損和改善性能。將自熔性合金材料的噴涂層重新加熱熔化一遍使涂層致密，性能提高，重熔后的涂層稱為噴焊層，這一過程稱為噴焊[1~4]?；鹧鎳娡堪磭娡坎牧系男螒B(tài)可以分為絲材火焰噴涂、粉末火焰噴涂、棒材火焰噴涂等；按噴涂焰流的形態(tài)又可分為普通火焰噴涂、超音速火焰噴涂、氣體爆燃式噴涂等。
火焰噴涂技術(shù)的基本特點是：一般金屬、非金屬基體均可噴涂，對基體的形狀和尺寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能噴涂；涂層材料廣泛，金屬、合金、陶瓷、復(fù)合材料均可為涂層材料，可使表面具有 各種性能，如耐腐蝕、耐磨損、耐高溫、隔熱等：涂層的多孔性組織有儲油潤滑和減摩性能，含有硬質(zhì)相的噴涂層宏觀硬度可達450HB，噴焊層可達65HRC；火焰噴涂對基體影響小，基體變形小，材料組織不發(fā)生變化?；鹧鎳娡考夹g(shù)的缺點：噴涂層與基體結(jié)合強度較低，不能承受交變載荷和沖擊載荷；基體表面制備要求高；火焰噴涂工藝受多種條件影響，涂層質(zhì)量尚無有效檢測方法。常用火焰噴涂方法有乙炔-氧焰粉末噴涂、乙炔-氧焰線材噴涂等。乙炔-氧焰粉末噴涂用的設(shè)備簡便可在現(xiàn)場施工適用于設(shè)備維修。
等離子噴涂是一種材料表面強化和表面改性技 術(shù)，可以使基體表面具有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能[1~4]。等離子涂技術(shù)是采用由直流電驅(qū)動的等離子電弧作為 熱源，將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面而形成附著牢固表面層的方法[1~4]。等離子噴涂技術(shù)是繼 火焰噴涂之后大力發(fā)展起來的一種新型多用途的精密噴涂方法，它具有超高溫特性，便于進行高熔點材料的噴涂，噴射粒子的速度高，涂層致密，粘結(jié)強度 高等優(yōu)點。由于使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴涂材料不易氧化。目前隨著熱噴涂技術(shù)的飛速發(fā)展，國際上等離子噴涂占有明顯優(yōu)勢，并已開發(fā)出三陰極等離子噴涂、高能等離子噴涂、微弧等離子噴涂和懸浮等離子噴涂等多種新技術(shù)[1~4]。
三陰極等離子噴槍由3個陰極和由幾個被絕緣的環(huán)體串聯(lián)組成的噴嘴組成， 只有離陰極相對遠的最后一個環(huán)體作為陽極工作。由于從三個陰極到同一個陽極產(chǎn)生的三個獨立電弧的長度穩(wěn)定不變，三束等離子射流在匯流腔內(nèi)匯聚成一束主等離子流，形成空心管狀射流從噴嘴噴出，從而產(chǎn)生了穩(wěn)定的等離子噴射。與傳統(tǒng)的等離子噴槍相比，這種噴槍的等離子噴射的穩(wěn)定性有明顯改善，可以進行均質(zhì)粉末加工，并有較高的沉積率和送粉率。
高能等離子噴涂是為滿足 陶瓷材料對涂層密度和結(jié)合強度以及噴涂效率的更 高需求而開發(fā)的一種高能、高速的等離子噴涂技術(shù)，其特點是在電弧電流與普通大氣等離子噴涂相當(dāng)?shù)臈l件下，利用較高的工作電壓提高功率，并采用更大的氣體流量來提高射流的流速[5]。高能等離子噴涂工 藝采用高能等離子噴槍進行噴涂。高能等離子噴槍 采用獨特的設(shè)計方法拉長了等離子弧，提高了工作電壓，降低了工作電流，減少了陰陽極的損耗，提高了噴嘴的使用壽命[5]。等離子弧中存在3個菱形馬赫錐，具有較高的射流速度。高功率等離子噴涂系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作在200kW左右，等離子弧具有極高的熱能和速度，可為沉積優(yōu)質(zhì)涂層提供充足的功率[5]。
微等離子噴涂的特點是具有層流等離子射流、功率低、基體受熱低、噪聲小，可在極薄的基體上進行噴涂。這種噴涂方法的功率雖低但能量集中，其束斑直徑小，所以仍可噴涂各種材料，特別適宜制備小零件及薄壁件的精密涂層且該設(shè)備重量輕適合于現(xiàn)場的維修工作。
懸浮式送粉等離子噴涂是一種采用液料送粉方式，可直接噴涂納米粉末且可以形成超薄納米涂層的新型噴涂技術(shù)。懸浮等離子噴涂采用液料為介質(zhì)，使用分散劑將粒子分散在液料中行成懸浮液，通過液料送粉器將懸浮液 送入到等離子弧中，液料溶劑迅速蒸發(fā)，溶劑中的粉末被等離子弧加熱熔化噴射到基體上形成涂層。這 種方式克服了噴涂粒子半徑的限制，不僅實現(xiàn)了非團聚的納米粉末直接進行噴涂，而且可制備涂層厚度較薄的超薄涂層。
反應(yīng)等離子噴涂是對真空等離子噴涂進一步改進的結(jié)果，該方法在真空等離子噴涂過程中在噴嘴出口處的等離子射流中加入反應(yīng)氣體(如N2)，反應(yīng)氣體與加熱中的噴涂顆粒相互作用進而得到新的生成物。用這種方法可以獲得TiN涂層，這是靠噴涂鈦粉和注入N2反應(yīng)后得到的。TiN具有高熔點、高硬度、耐磨損、耐腐蝕等特點并且還具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和超導(dǎo)性。
真空等離子噴涂(又叫低 壓等離子噴涂)是在氣氛可控的，真空的密封室內(nèi)進行噴涂的技術(shù)。因為工作氣體經(jīng)過等離子化后，是在低壓氣氛中邊膨脹體積邊噴出的，所以噴流速度是超音速的，而且非常適合于對氧化高度敏感的材料。
前面說的等離子噴涂的工作介質(zhì)都是氣體，而這種方法的工作介質(zhì)不是氣而是水，它是一種高功率或高速等離子噴涂的方法，其工作原理是：噴槍內(nèi)通入高壓水流，并在槍筒內(nèi)壁形成渦流，這時在槍體后部的陰極和槍體前部的旋轉(zhuǎn)陽極間產(chǎn)生直流電弧，使槍筒內(nèi)壁表面的一部分蒸發(fā)、分解，變成等離子態(tài)，產(chǎn)生連續(xù)的等離子弧。由于旋轉(zhuǎn)渦流水的聚束作用，其能量密度提高，燃燒穩(wěn)定，因此可噴涂 高熔點材料，特別是氧化物陶瓷，噴涂效率非常高。
氣穩(wěn)等離子噴涂的原理是由等離子噴槍(等離子弧發(fā)生器)產(chǎn)生等離子射流(電 弧焰流)。噴槍的電極(陰極)和噴嘴(陽極)分別接整流 電源的正、負(fù)極，向噴槍供給工作氣體(Ar、N2 等)，通過高頻火花引燃電弧。電弧將氣體加熱到很高的溫度，使氣體電離，在熱收縮效應(yīng)、自磁收縮效應(yīng)和機械效應(yīng)的作用下，電弧被壓縮，產(chǎn)生非轉(zhuǎn)移性等離子 弧。高溫等離子氣體從噴嘴噴出后，體積迅速膨脹，形成高溫高速等離子射流。送粉氣流推動粉末進入等離子射流后，被迅速加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并將等離子射流加速，形成飛翔基材的噴涂離子束，陸續(xù)撞擊到經(jīng)預(yù)處理的基材表面，形成涂層。大氣等離 子噴涂用氬氣、氮氣、氫氣作為等離子氣。
超音速火焰噴涂(簡稱 HVOF)是20世紀(jì) 80 年代 初在普通火焰噴涂的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型熱噴涂技術(shù)[7~8]。它是利用氫、乙炔、丙烯、煤油等做燃料，用氧氣作助燃劑，在燃燒室或特殊的噴嘴中燃燒，產(chǎn) 生高達 2000 ~3000 ℃、2100m/s以上速度的超音 速燃燒火焰，同時將粉末送進火焰中，產(chǎn)生熔化或半熔化的粒子，高速撞擊在基體表面上沉積形成涂層， 其超音速火焰制備的涂層比普通火焰噴涂或等離子噴涂制備的涂層結(jié)合強度更高更致密[7~8]。HVOF發(fā)展非常迅速，從1982 年美國的 James.A.Browning開發(fā) 出第一代超音速火焰噴涂裝置JetKoteI以來，僅10 余年 HVOF工藝及裝置取得了長足的進展，其優(yōu)異的 涂層質(zhì)量及與自動控制系統(tǒng)的結(jié)合使用，代表了現(xiàn)代熱噴涂技術(shù)發(fā)展的方向。超音速火焰噴涂是近年來國 際上發(fā)展較快的一種熱噴涂工藝[7~8]。它的特點是：焰流速度極快，可達到2200m/s，這要比其他熱噴涂工藝的焰流速度快5~10倍。由于速度快，粉末粒子攜帶強大的動能打擊在基體上，使涂層致密度極高可達到98%~99.8%，而其他熱噴涂工藝只達到80%~90%。高速度帶來的另一個好處是：在粒子打擊基體 的瞬間，動能幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能，使粒子再一次獲 得加熱的機會，部分地補償了焰流溫度的不足[7~8]。
用作熱噴涂熱源的超音速火焰是利用丙烷、丙烯等碳?xì)湎等細(xì)饣驓錃獾热細(xì)馀c高壓氧氣，或利用如煤油與酒精等液體燃料與高壓氧氣在特制的燃燒室內(nèi)，或在特殊的噴嘴中燃燒產(chǎn)生的高溫高速燃燒焰流，其燃燒焰流速度可達1500 m/s~2000m/s以上。目前，習(xí)慣上通常被稱作 HVOF，即高速氧燃料火焰噴涂。當(dāng)火焰達到超音速火焰時，火焰中可以觀察到馬赫錐的存在。將粉末軸向或測向送進火焰流中，即可以實現(xiàn)粉末粒子的加熱與加速以及涂層的沉積。由于火焰流的速度極高，噴涂粒子在被加熱至熔化或半熔化狀態(tài)同時，可以被加速到高達300~650m/s的速度，從而獲得結(jié) 合強度高、致密的高質(zhì)量涂層。超音速火焰由于受燃燒焰流溫度的限制，與等離子熱源相比速度高而溫度低(約為3000 ℃)、對于WC-CO系硬質(zhì)合金，可以有效地抑制 WC在噴涂過程中的分解，涂層不僅結(jié) 合強度高、致密，而且可以最大限度地保留粉末中的硬質(zhì)耐磨 WC相，因此涂層耐磨損性能優(yōu)越與爆炸噴涂層相當(dāng)大幅度超過等離子噴涂層，也優(yōu)于電鍍 硬鉻層與噴焊層，目前已獲得了廣泛的發(fā)展[7~8]。
噴涂方法與設(shè)備的 發(fā)展對于涂層的制備具有重要的影響。超音速火焰 噴涂是在八十年代初期，由美國 Browning 公司研制 成功，并首先以JET-KOTE為商品推出[7~8]。經(jīng)過多年的應(yīng)用開發(fā)其優(yōu)點逐漸被認(rèn)識和接受。由此世界上 發(fā)達國家投入了大量的財力對HVOF進行研究和開 發(fā)[7~8]。有數(shù)種 HVOF噴涂系統(tǒng)已研制成功并投入市 場，如金剛石射流(Diamond-Jet)，沖鋒槍(Top-Gun)，連續(xù)爆炸噴涂(CDS)，射流槍(J-Gun)，高速空氣燃料系統(tǒng)(HVAF)等[7~8]。這些系統(tǒng)各有特點。涂層的質(zhì)量在很大程度上取決于噴涂方法，但也將受到噴涂系統(tǒng)特 點的影響。隨著HVOF的開發(fā)與應(yīng)用，各種噴涂系統(tǒng)也均相應(yīng)地進行了不斷改進與完善，為此取代原型 的新型 HVOF 噴涂系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，如 J-K 的改進型 Jet-KoteII，Top-Gun的派生型 HV-2000型，分別由 DJ 與 J-Gun派 生 的 DJ-2600，DJ-2700與 JP-5000型。最近又發(fā)表了高頻脈沖HVOF系統(tǒng)，通過控制可以使爆炸頻率遠高于傳統(tǒng)的爆炸噴涂。基于系統(tǒng)發(fā) 展過程及其速度特性，Jet-Kote被稱為第一代HVOF，JP-5000型 與 DJ-2000系 列被稱為第三代HVOF系統(tǒng)，其它HVOF系統(tǒng)成為第二代HVOF。第 一代與第二代HVOF具有類似的火焰速度特性，因此涂層的沉積特性及其性能無大幅度的變化，而第三代 HVOF具有更高的速度，噴涂過程中粒子的熔化程度更有限，在噴涂過程中除了可以有效抑制WC的分解外，粒子在沉積過程中，將會產(chǎn)生明顯的噴丸 效應(yīng)，使涂層產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，可以有效地提高涂 層的表觀結(jié)合強度。基于 HVOF在制備金屬陶瓷涂 層時的特點，近年來又提出了主要依靠粒子的高速度制備涂層的新的方法，如HVIF噴涂法。
電弧噴涂具有生產(chǎn)效率高，成本低，工件受熱小 等優(yōu)點，在高效防腐、維修、設(shè)備制造和特殊功能涂層的制備方面應(yīng)用廣泛，在熱噴涂中占有重要的地 位[9~14]。但是與等離子噴涂和超音速火焰噴涂相比，普通電弧噴涂的涂層質(zhì)量較低，結(jié)合強度約20MPa，孔隙率3 % ~ 10 %，限制了電弧噴涂的應(yīng)用。近年來，高能高速噴涂成為熱噴涂發(fā)展的重要方向特別是粒 子速度受到普遍關(guān)注。粒子速度對涂層質(zhì)量有決定性的作用，熱噴涂涂層質(zhì)量的改善往往是粒子速度提高的結(jié)果。與等離子噴涂、超音速火焰噴涂相比， 普通電弧噴涂粒子速度較低，由此可見粒子速度成為制約電弧噴涂發(fā)展的重要因素[9~14]。為了提高電弧噴涂的粒子速度、改善霧化效果，人們采用了多種方案。二次霧化將粒子速度提高到約200 m/s，與普通電弧噴涂100 m/s相比粒子速度有了明顯的改善，但與超音速火焰噴涂 800m/s 相比差距仍然較大。將火焰噴涂與電弧噴涂結(jié)合，利用高速燃?xì)饧铀匐娀娡康牧Ｗ?，這種方式噴涂設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對較高，還降低了系統(tǒng)的安全性，使用受到一定的限制。 普通電弧噴涂涂層質(zhì)量較低，而涂層的使用環(huán)境越 來越苛刻，因此其應(yīng)用在工業(yè)中受到限制[9~14]。
在超音速火焰噴涂(HVOF)技術(shù)基礎(chǔ)上，相繼開發(fā)了超音速電弧噴涂技術(shù)(HVAF-Arc)和超音速空氣燃料火焰噴涂(HVAF)。超音速電弧噴涂技術(shù)是一種集成常規(guī)電弧噴涂和超音速火焰噴涂的新型噴涂技 術(shù)[9~14]。采用燃料和空氣的混合氣燃燒產(chǎn)生的超音速 射流，霧化電弧熔化的粒子并對粒子進行加速，使熔 融的高速粒子噴射到基體表面形成致密的涂層[9~14]。 通過控制燃料和空氣的比例，使用過量的燃料可以防止粒子在飛行過程中被氧化，提高涂層的質(zhì)量。超音速空氣燃料火焰噴涂噴槍由主燃燒室和次燃燒室組成。主燃燒室包括混合腔、反應(yīng)燃燒室、內(nèi)噴嘴以 及送粉嘴構(gòu)成；次燃燒室主要由外噴嘴、次級燃料和壓縮空氣組成。噴涂粉末被軸向送入到燃燒室和噴嘴中加熱加速。超音速火焰空氣噴涂是為制備高致密度、無氧化的金屬和金屬碳化物涂層而開發(fā)的，其顯著特點是噴涂過程中粒子被加熱但不熔化，粒子 的表面溫度保持在低于其熔點100 ~ 200℃，而噴涂粒子具有很高的速度，速度可達700~ 850 m/s。超音速空氣燃料火焰噴涂制備 WC涂層具有很強的耐磨 損性能、低的殘余應(yīng)力以及較高的沉積效率[9~14]。
爆炸噴涂是在特殊設(shè)計的燃燒室里，將氧氣和乙炔氣按一定的比例混合后引爆，使料粉加熱熔融并使顆粒高速撞擊在零件表面形成涂層的方法[9~14]。爆炸噴涂的最大特點是粒子飛行速度高，動能大，所以爆炸噴涂涂層具有以下特點：涂層和基體的結(jié)合強度 高；涂層致密，氣孔率很低；涂層表面加工后粗糙度低；工件表面溫度低。在爆炸噴涂中，當(dāng)乙炔含量為45 %時，氧- 乙炔混合氣體可產(chǎn)生 3140 ℃的自由燃燒溫度，但在爆炸條件下可能超過4200℃，所以絕大 多數(shù)粉末能夠熔化[9~14]。粉末在高速槍中被輸運的長 度遠大于等離子槍，這也是其粒子速度高的原因。爆 炸噴涂可噴涂金屬、金屬陶瓷及陶瓷材料，但是由于該設(shè)備價格高，噪音大，屬氧化性氣氛等原因，國內(nèi)外應(yīng)用還不廣泛。爆炸噴涂的特點：爆炸噴涂最大的特點就是以突然爆炸的熱能加熱融化噴涂材料，并利用爆炸沖擊波產(chǎn)生的高壓把噴涂粉末材料高速噴射到 工件基體表面形成涂層，其主要優(yōu)點如下：可噴涂的材 料范圍廣，從低熔點的鋁合金到高熔點的陶瓷；工件熱 損傷?。煌繉拥暮穸热菀卓刂?；爆炸噴涂涂層的粗糙度 低；噴涂過程中，碳化物及碳化物基粉末材料不會產(chǎn)生 碳分解和脫碳現(xiàn)象；氧氣的消耗少，運行成本低[9~14]。
熱噴涂技術(shù)的冷噴工藝是20世紀(jì)80年代中期 開發(fā)的，但只在近年來才受到愈來愈多的關(guān)注。冷噴原理是噴涂材料不再加熱融化，而是只加熱到約 500℃或稍高一些的中等溫度，通過高速噴涂粒子撞 擊基體表面時產(chǎn)生塑性變形來構(gòu)成涂層[14]。冷噴過程 中，高壓熱氣體，通常為氮氣氦氣或它們的混合物，通 過拉瓦爾噴嘴被加速到超音速，噴涂材料以粉末形式注入氣流并噴向基體，噴涂粒子超過一定速度就可在沖擊過程中產(chǎn)生致結(jié)合牢固的密性涂層[14]。冷噴工藝 需要高的氣壓(>315 MPa)和高的氣流量(>90 m3/h)。根 據(jù)設(shè)備情況，氣體溫度可加熱到約800℃，粒子速度可達 1 000 m/s以上。冷噴涂層有如下特點：涂層致密度高，噴涂材料氧化程度低，基體吸收的熱量少，噴 涂材料形變大，相及成分穩(wěn)定。然而正是以上提到的冷噴工藝特點，噴涂粉末尺寸分布和噴涂材料特性對于冷噴工藝比對其它工藝影響更大，在某種程度 上，粒子的延展性是獲得致密涂層的關(guān)鍵[14]。冷噴涂是一種金屬噴涂工藝，但是它不同于傳統(tǒng)熱噴涂工 藝(例如超速火焰噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂等傳統(tǒng)熱噴涂技術(shù))，它不需要將噴涂的金屬粒子融化，所以噴涂基體表面產(chǎn)生的溫度不會超過 150 ℃[14]。冷噴涂的理論基礎(chǔ)是：壓縮空氣加速金屬粒子到臨界速度 (超音速)，金屬粒子直擊到基體表面后發(fā)生物理形變，金屬粒子撞扁在基體表面并牢固附著[14]。
熱噴涂技術(shù)由于具有極大的優(yōu)勢而被廣泛的應(yīng) 用在工程領(lǐng)域中。介紹火焰噴涂技術(shù)、等離子噴涂技術(shù)、超音速火焰噴涂技術(shù)、電弧噴涂技術(shù)、超音速電弧噴涂技術(shù)以及冷噴涂技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用 等，并介紹這些熱噴涂技術(shù)的研究發(fā)展與應(yīng)用。熱噴涂技術(shù)將能夠開發(fā)出新型的技術(shù)，從而能夠制備性 能優(yōu)越的涂層，所以熱噴涂技術(shù)將在工程領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。
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