班 级：材科101 学生姓名：宋俊伟 学 号：201001524125 指导教师： 汤峰
表面工程学（论文）
热喷涂技术的发展和应用
【摘要】主要介绍了热喷涂的基本方法、设备、材料和涂层特性；以及当前的发展动态和应用情况；并简要介绍了应用研究的前景。
【关键词】热喷涂加工技术、加工原理、应用现状、发展前景。 引言
热喷涂是一种迅速发展的表面强化新工艺新技术。 它采用专用设备， 利用各种热源将金属 或非金属材料加热到熔化或半熔化状态，用高速气流将其吹成微小微粒并喷射到机件表面，形成覆盖涂层，以提高机件耐磨、耐蚀、耐热等性能。热喷涂技术最早出现在上世纪早期的瑞士，随后在苏联、德国、日本、美困等圉得到了不断的发展，各种热喷涂设备的研制，新的热喷涂材料的开发，新技术的不断应用，使热喷涂涂层质量得到了不断的提高，并不断开拓新的应用领域。目前，以火焰喷涂、超音速喷涂、电爆喷涂 、电容放电喷涂 、等离子喷涂为代表的热喷涂技术与设备，以及一系列喷涂喷焊粉末新材料，各种热喷涂技术趋于成熟，喷涂装置日益完善，不仅能喷金属 、合金 、陶瓷，还能喷涂塑料和复合材料。近几年来电子计算机在等离子喷涂系统中的应用，使热喷涂技术达到了相当完善的地步，不仅使应用范嗣大为扩展 ，而且使涂层质量有了质的飞跃。热喷涂技术不仅涉及到材料学 、 表面物理化学、流体力学、传热学、等离子物理等，还涉及到机械，计算机和新材料等学科，是一门交叉边缘学科。
1. 热喷涂技术简介
热喷涂技术是通过某种热源将某些材料表面加热至熔融或半熔融状态，然后喷射到涂敷的基体表面，形成一层性能优于原来基体的涂层，从而使原工件具有更加优异的表面性能，或者是使工件获得一种或几种原来基体材料不具备的表面性能膜状组织。其喷涂温度、熔滴对基体表面的冲击速度及形成涂层的材料构成了喷涂技术的核心。温度和速度取决于不同的热源和设备。在一定的温度范围内，温度越高、速度越大，越有利于形成优异的涂层；喷涂材料的可选择性，是热喷涂技术的另一种优势，正是这三种要素，以及其他多项可控的影响因素，使热喷涂成为真正的具有叠加效果的独特技术，它可以设计出所需的多种多样的改性表面，从而在机械维修、航天和生物工程等高技术领域得到广泛应用。
2. 热喷涂基本原理
2． 1热喷涂原理
热喷涂过 程一般可分为以下四个步骤 ( 图 1 )。
1)材料加热：喷涂线材或粉末进入热源高温区域，被加热熔化或软化 ； 2)材料雾化：熔化或软化的喷涂材料形成的熔滴 ，在外加压缩气流或热源 自身射流的作用下 雾化成微细熔滴向前喷射；
3)喷射飞行： 微细熔滴被加速形成粒子流 ，在 介质 中飞行运动速度逐渐减小； 4)涂层形成：粒子流在基材表面发生碰撞、变形、凝固和堆积，形成涂层。热喷涂涂层是南无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起而形成的层状组织结 构 。
3. 热喷涂技术分类与特点
20世纪末，热喷涂技术的发展十分迅速，并迅速被推广使用。1980年到
2000年，热喷涂市场的变化见表1。到20世纪末，等离子喷涂仍然居主导地位。值得注意的是，高速火焰喷涂(HVOF)迅速发展，将占据25%的市场比例，居第二位。电弧喷涂技术，由于经济性好、涂层性能比火焰喷涂层优越，将部分代替火焰喷涂技术上升到第三位。
表1 主要热喷涂方法的应用比例
年份 1980年 2000年 火焰喷涂 39% 12% 电弧喷涂 6% 15% 等离子喷涂 55% 48% 高速火焰喷涂 - 25% （1）火焰喷涂
火焰喷涂是最早得到应用的一种喷涂方法。它以氧气－燃气火焰作为热源，喷涂材料以一定的传送方式送入火焰，并加热到熔融或软化状态，然后依靠气体或火焰加速喷射到基体上。火焰喷涂根据喷涂材料的不同，又可分为丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂和棒材火焰喷涂几种。火焰喷涂具有设备简单，操作容易，工艺成熟，投资少等优点。新型火焰喷涂枪可以喷涂各种金属、陶瓷、金属加陶瓷的复合材料、各种塑料粉末材料的涂层。尽管等离子和HVOF/HVAF超音速以及爆炸喷涂的涂层优于常规火焰喷涂，但由于投资大、操作控制系统复杂、设备笨重、无法现场施工，应用范围受到极大限制，在在防腐和维修市场难以推广普及，新
型火焰喷涂设备与技术和超音速电弧喷涂设备与技术在防腐和修复市场中永远是主要技术力量。
粉末火焰喷涂的原理示意图
（2）电弧喷涂
电弧喷涂是高效率、高质量、低成本的一项工艺，是目前热喷涂技术中最受重视的技术之一。电弧喷涂是将2根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，分别接通电源的正负端，在喷枪喷嘴处，利用两金属丝短接瞬间产生的电弧为热源熔化自身，借助压缩空气雾化熔滴并使之加速，喷射到基体材料表面形成涂层。
电弧喷涂具有如下优点：① 热效率高、对工件的热影响小。一般火焰喷涂的热效率只有5%～15%，电弧喷涂将电能直接转化为热能熔化金属，热能利用率可高达60%～ 70%。电弧喷涂时不形成火焰，因而在喷涂过程中工件始终处于低温，避免了工件热变形；② 可获得优异的涂层性能。电弧喷涂技术可以在不使用贵重底材的情况下得到较高的结合强度，采用适当的喷前粗化处理方法，喷涂层与基本结合强度可达普通火焰喷涂层的 2倍以上。使用2根成分不同的金属丝还可以制备出假合金涂层，以获得具有独特综合性能的涂层；③ 生产率高。电弧喷涂的生产效率正比于喷涂电弧电流，当电弧电流为300 A时，喷涂锌为30kg/h，喷涂铝为10kg/h，喷涂不锈钢为15kg/h，为火焰喷涂的3倍以上；④ 经济性好。电弧喷涂能源利用率高，而且电能的价格远远低于燃气价格，施工成本为火焰喷涂的l/10以下，设备投资为等离子喷涂的1/3以下。
电弧喷涂技术的应用已经在各行各业取得了显著成效。利用电弧喷涂在钢铁构件上喷涂锌、铝涂层，可对钢构件进行长效防腐防护，例如我国南海地区由于高温、高湿、高盐雾，船舶腐蚀严重，中修舰船的钢结构应用电弧喷涂铝合金涂层防腐，经5年考核效果明显，测算预计寿命可提高到15a以上。山西晋山煤矿、
河南铁王沟煤矿等井筒钢结构进行电弧喷涂防腐防护，预计寿命在 30a以上。电弧喷涂作为一种优质的修复技术，在机械零件上喷涂碳钢、铬钢、青铜、巴氏合金等材料，用于修复已磨损或尺寸超差的部位，已在机械维修和机械制造业得以应用。采用该技术修复造纸烘缸、修复大马力发动机曲轴也已取得明显成效；制备装饰涂层和功能涂层也是电弧喷涂技木应用的另一重要领域，例如在电容器上喷涂导电涂层，在塑料制品上喷涂屏蔽涂层，在内燃机零件上制备热障涂层，在石头、石膏等材料上喷涂铜、锡、铝等金属进行装饰等等。
（3）等离子喷涂
等离子喷涂是热源为等离子焰流（非转移等离子弧）。由放电弧产生的电弧等离子体温度可达20000K。加热喷涂材料（粉）到熔融或高塑性状态，并在高速等离子焰流（工作气体为氮气和氢气或氩气和氢气）载引下，高速撞击到工件表面形成涂层。
等离子喷涂是采用非转移弧为热源，喷涂材料为粉末的喷涂方法。近十几年来等离子喷涂发展很快，目前已开发出大气等离子喷涂、可控气氛等离子喷涂、溶液等离子喷涂、等喷涂技术，等离子喷涂已成为热喷涂技术中的最重要的一项工艺方法，这些新技术在工业生产上的应用日益显示出优越性和重要性。等离子喷涂的喷涂材料范围广，涂层组织细密，氧化物夹渣含量和气孔率都较低，气孔率可控制到2%～5%，涂层结合强度较高，可达60MPa以上。该喷涂技术主要用于制备质量要求高的耐蚀、耐磨、隔热、绝缘、抗高温和特殊功能涂层，已在航空航天、石油化工、机械制造、钢铁冶金、轻纺、电子和高新技术等领域里得到广泛应用。
（4）高速火焰喷涂（HVOF）和其他喷涂技术
高速火焰喷涂目前主要指超音速火焰喷涂[8]，有时人们也将爆炸喷涂认为是高速火焰喷涂的一种。高速火焰喷涂技术，将燃气（丙烷、丙稀或氢气）和氧气输入并引燃于燃烧室，借助于气体燃烧时产生的高温和高压形成的高速气流，加热熔化喷涂粉末并形成一束高速喷涂射流，在工件上形成喷涂层。高速火焰喷涂的特点：气体燃烧膨胀形成的热气流使喷涂粒子达到极高的飞行速度。火焰喷射速度为音速的2倍以上，而喷涂熔粒的速度可达 300～1000m·s－1；喷涂粉粒在火焰中加热时间长，受热均匀，能形成良好的微小熔滴；喷涂粉粒主要在喷涂枪
热喷涂技术的发展和应用
