李傳啟，李新德

（1.河南省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河南商丘476000；2.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南商丘476000）

熱噴涂是選用專用設(shè)備及其產(chǎn)生的高溫?zé)嵩矗瑢娡坎牧霞訜嶂寥廴跔顟B(tài)，并通過熱氣流吹動(dòng)使其霧化后，高速噴射到經(jīng)過預(yù)處理零件表面，以形成噴涂覆蓋層的表面修復(fù)加工技術(shù)。

1 熱噴涂技術(shù)的功用

熱噴涂作為裝備零部件表面損傷的一種重要修復(fù)技術(shù)，既能夠填補(bǔ)零部件因刮、擦、碰等引起的傷痕，又能方便地恢復(fù)機(jī)械零件摩損的尺寸，而且還能通過選擇適當(dāng)?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(biāo)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(jī)械性損傷修復(fù)領(lǐng)域，占有重要的地位。其功用主要為如下4個(gè)方面。

1.1 制備新件

采用電弧噴涂和等離子等技術(shù)制造機(jī)械零件，是近年來迅速發(fā)展的一項(xiàng)特殊制造技術(shù)。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(dá)整流罩、高溫爐元件，以及纖維增強(qiáng)鈦金復(fù)合材料的發(fā)動(dòng)機(jī)部件等。

1.2 材料改性

在材料改性方面，用熱噴涂技術(shù)對(duì)普通材料進(jìn)行處理，可按需要改變其表面的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，達(dá)到強(qiáng)化表面某些性能的目的。

1.3 舊件修復(fù)

在舊件修復(fù)領(lǐng)域里，熱噴涂技術(shù)不僅可以恢復(fù)零件的尺寸，而且可強(qiáng)化零件表面的性能，成倍地提高其壽命，經(jīng)濟(jì)意義十分重大。

恢復(fù)零件尺寸的技術(shù)，現(xiàn)在稱為機(jī)械零件“再制造工程”。如在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、密封軸頸、主動(dòng)性齒輪軸頸、活塞環(huán)等滑動(dòng)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(jī)械零件與布匹、棉紗、紙張等纖維制品摩擦，導(dǎo)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(shù)可依據(jù)特定的功能需要，制造或修復(fù)加工出特殊的功能性涂層。

（1）耐磨涂層。對(duì)于可能遇磨料磨損的機(jī)械部件，如在沖蝕和氣蝕環(huán)境下工作的水輪機(jī)、抽風(fēng)機(jī)、旋風(fēng)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(xì)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(fù)合涂層等技術(shù)手段，使其零件表面涂層達(dá)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(shí)選用超聲速火焰噴涂或爆炸噴涂技術(shù)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(jī)上應(yīng)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(shè)中，承擔(dān)了水輪機(jī)耐沖蝕涂層的施工任務(wù)，項(xiàng)目總投資達(dá)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(yù)計(jì)水輪機(jī)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(shù)可以噴涂耐各種介質(zhì)腐蝕的保護(hù)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(hù)涂層。這類涂層除了具有大多數(shù)油漆和涂料對(duì)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(shí)，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(hù)，可用于大型橋梁、海洋鉆井平臺(tái)、水利設(shè)施等防腐，使用壽命可達(dá)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(fù)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(yīng)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(gòu)件的力學(xué)性能，所以噴涂耐高溫涂層在航空等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃燒室內(nèi)壁、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度提高100℃以上。又如人造衛(wèi)星進(jìn)入地球陰影時(shí)，表面溫度為-100℃；受到太陽照射時(shí)，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(xiǎn)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(shí)，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(jī)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(shí)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(jí)的衰減（范圍達(dá)60～120 dB）。屏蔽涂層的應(yīng)用包括計(jì)算機(jī)終端設(shè)備、電子辦公設(shè)施、藥品監(jiān)測和感光電子設(shè)備。

當(dāng)然，熱噴涂技術(shù)發(fā)展很快，所能實(shí)現(xiàn)的具體功能遠(yuǎn)不止上述所列，還有諸如抗氧化噴涂層、隔熱噴涂層、導(dǎo)電噴涂層、絕緣噴涂層、密封噴涂層、裝飾性噴涂層、復(fù)合性噴涂層等。因此，我國將熱噴涂技術(shù)定為全國重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。熱噴涂技術(shù)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(jì)性，在裝備維修和機(jī)械制造等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在20世紀(jì)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(dá)到13.5億美元。熱噴涂技術(shù)在航空、機(jī)械、汽車、冶金、紡織、適紙、軍事、電子等領(lǐng)域都有越來越多的應(yīng)用，其中航空發(fā)動(dòng)機(jī)仍是熱噴涂技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)。但通常都是用“熱源形式、噴涂材料的形態(tài)性質(zhì)、能量級(jí)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(yùn)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?。坏入x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(biāo)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(jí)別

能量級(jí)別，用以標(biāo)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(jí)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(fù)壓狀態(tài)下進(jìn)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(jí)別（高能、高速），必要時(shí)再冠以第四要素——噴涂環(huán)境（大氣、真空、負(fù)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(xì)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(jí)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(shù)早期應(yīng)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(jìn)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(shù)關(guān)鍵保密極嚴(yán)，專利報(bào)價(jià)990萬元，至今沒有售過專利和設(shè)備，但已在歐、美、亞建立了16個(gè)爆炸噴涂的加工廠，爆炸噴涂熔融粉末的噴射速度可達(dá)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(yīng)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(yīng)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(jī)理與普通的電焊相似，但需要特殊結(jié)構(gòu)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(hù)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(qiáng)電流熔化爆炸熱噴涂、高頻感應(yīng)加熱熱噴涂和電容放電電流加熱熱噴涂等數(shù)種。

（1）強(qiáng)電流熔化爆炸熱噴涂。在線材的兩端通以瞬間強(qiáng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)備和應(yīng)用特點(diǎn)。當(dāng)然，同一種熱噴涂工藝，根據(jù)所用設(shè)備和涂層材料不同，也會(huì)表現(xiàn)出差別很大的工藝特性。表1是常用熱噴涂技術(shù)的工藝特性。

表1 常用熱噴涂技術(shù)的工藝特性比較表

5 結(jié)束語

熱噴涂技術(shù)是一項(xiàng)低投入、高產(chǎn)出的項(xiàng)目，通過噴涂及表面強(qiáng)化或予保護(hù)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(gè)品種噴涂設(shè)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(shù)已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各部門，取得了重大經(jīng)濟(jì)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(fù)；煤炭部的刮板機(jī)中部槽及壓液支柱；石油行業(yè)的各種柱塞及鉆桿接頭；機(jī)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(yīng)用熱噴涂技術(shù)，有重大的潛在和相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。