現今，制造業和工程機械發展迅速，對于工程機械和消費產品來說，恰當的表面處理將是未來市場競爭的決定性因素。在過去的十年中，熱噴涂在以每年5%~10%的速度增長，至今全球熱噴涂產值高達13.5億美元，其中由技術帶動高附加值的等離子涂層占有絕對份額。熱噴涂技術可以用于生產不同的厚度涂層，生產多功能材料、自由成形、維修或恢復損傷部件的尺寸等等，大量的熱噴涂涂層用于防止磨損、氧化或腐蝕等工況下，而在熱障和保護涂層延長產品使用壽命的情況下，它也具有獨特的功能。
1 工藝概述
熱噴涂技術是表面防護和強化的技術之一，利用某種熱源，如電弧、等離子弧、燃燒火焰等將粉末狀或絲狀的金屬和非金屬涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態，然后借助焰流本身的動力或外加的高速氣流霧化并以一定的速度噴射到經過預處理的基體材料表面，與基體材料結合而形成具有各種功能的表面覆蓋涂層的一種技術。
熱噴涂技術具有五個突出優點：設備輕便、可現場施工；工藝靈活、適應性強、操作程序少、修復快捷；涂層厚度可以控制；對基材加熱溫度較低、工件變形小、合金組織性能變化小；適用于各種基體材料的零部件。依熱源形式不同通常可分為火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂和超音速火焰噴涂（即HVOF），它們的工藝特點詳見表1，而等離子噴涂幾乎可噴涂一切固態材料，故它在熱噴涂技術中占有重要地位。熱噴涂已經在航空、發電、汽車和冶金領域具有重要的應用，尤其在冶金領域近年來取得了重大突破，發展非常迅速，目前，熱噴涂技術的應用又擴展到裝飾或生物工程領域。
表1 熱噴涂工藝特點
2 工藝流程
熱噴涂一般包括3個基本工序，即表面預處理、噴涂和涂層后處理。
為了使涂層和基體材料很好地結合，并滿足噴涂工藝的需求，基材表面必須進行預處理，包括預加工、凈化、粗糙化和黏結底層等幾個步驟。預加工是對工件進行車削和磨削等表面加工，以清除工件上的原表層，以保證合適的基體表面和共建噴涂后的尺寸精度。凈化處理的關鍵是除油和除銹，主要依賴溶劑清洗、乳化液清洗、化學除銹、機械除銹等方法。粗化處理的目的是增加涂層與基材間的接觸面，增大涂層與基材的機械咬合力，使凈化處理過的表面更加活化，以提高涂層與基材的結合強度，同時基材表面粗化還改變涂層中的殘余應力分布，對提高涂層的結合強度也是有利的。黏結底層是噴涂一些與基材粘結不好的涂層材料時，先選擇一種與基體材料粘結好的材料噴涂一層過渡層，以加強涂層與基體的結合，比較常用的有Mo、NiAl、NiCr及鋁青銅等，厚度一般為0.08~0.18μm。
預熱溫度取決于工件的大小、形狀和材質以及基材和涂層材料的熱膨脹系數等因素，一般控制在60~120℃范圍內。其實預熱是噴涂的預操作，有時也可把它算入預處理之內。而預熱的目的就是為了消除工件表面的水分，提高噴涂時涂層與基體界面的溫度，減少基材與涂層材料的膨脹差異造成的殘余應力，以避免由此導致的涂層開裂和改善涂層與基體的結合強度。
噴涂則是整個熱噴涂工藝的主體和關鍵工序，其他的工序都是為了保證它的正常運行。由于噴涂的方法種類很多，且還在發展中，采用何種噴涂方法主要取決于噴涂材料、工件的工況及對涂層質量的要求。例如噴涂陶瓷最好選用等離子噴涂的方法，碳化物金屬陶瓷層采用高速火焰噴涂，塑料只能采用火焰噴涂，若是在野外進行大面積防腐工程的噴涂，采用靈活高效的電弧噴涂或絲材火焰噴涂是較佳的選擇。
有些涂層在噴涂后不能直接使用，而必須進行各種后續處理。如對于防腐蝕的涂層要進行封孔處理，以防止腐蝕介質滲入涂層的孔隙而腐蝕；對于一些承受沖擊磨損或高應力載荷的涂層，要進行重熔處理，使其與基體的結合從機械結合為主轉變為普遍的冶金結合；還有一些對尺寸精度有要求的涂層，要進行適當的機械加工等。
3 涂層與基體的結合
與基體具有良好的結合是保證涂層能正常使用的基本條件，基體結合方式包括機械結合、物理結合、化學結合或冶金結合。當難熔金屬如W、Mo、Ta噴涂到鐵基等相對熔點低的才來啊哦表面上時，由于引起基體局部熔化，可產生冶金結合。在噴涂過程中，將基體預熱至較高的溫度可使基體表面與噴涂粒子發生冶金反應，提高結合強度。但這只是在惰性氣體保護下的低氣壓噴涂時才能實現，一般噴涂層與基體的結合以機械結合為主，因此結合強度相對較低。
提高粒子速度如爆炸噴涂和超音速火焰噴涂，是提高結合力的有效措施，這主要是通過提高涂層與基體的物理結合實現的。除此之外，還可以通過選擇線膨脹系數與基體相近的涂層材料，或噴涂具有自粘接效應的高結合強度的過渡結合涂層，再者就是提高基體預熱溫度或粒子的溫度，這樣做可以提高接觸界面的溫度及高溫下的接觸時間，有利于界面元素的擴散，增強冶金結合。
4 工業中的應用
4.1 防腐
長期暴露在戶外大氣和不同環境中的大型鋼鐵構件，如輸變電鐵塔、鋼結構橋、海上鉆井平臺、煤礦井架以及各種化工容器如儲罐等，受到不同程度的環境氧化和侵蝕，采用Al-Zn合金及不銹鋼等涂層進行防護，可以獲得長期防護效果。而在一些氣體腐蝕和化學腐蝕介質工況下運行的部件，可以根據具體情況（如介質、濃度、溫度、壓力等）選擇合適的金屬、合金、陶瓷及塑料等涂層材料進行防護。對于工作溫度在540℃，壓力達140MPa的含又腐蝕性砂漿的管道中的金屬座球閥，應用超音速火焰噴涂WC-Co涂層、Cr2C3-NiCr涂層、Fe-Cr-Ni-Mo涂層或WC-Ni涂層，可大幅改善球閥的耐腐蝕和耐沖蝕性能，提高使用可靠性和壽命。
4.2 抗磨
磨損是造成工業部門設備損壞的主要原因之一，抗磨損涂層應該是高硬度的，而且具有耐熱和耐化學腐蝕的性能。采用涂層技術提高工件表面耐磨性的應用非常廣泛，如紡織機械中的導絲鉤等零部件噴涂耐纖維磨損的Al2O3、Al2O3- TiO2陶瓷涂層，各種密封軸套、泵的過流部位和閥門密封面噴涂Cr2O3等，大馬力載重汽車曲軸及大型磨煤機、排風機軸等采用鐵基合金材料進行磨損修復和耐磨強化等。
另外采用在金屬基體上噴涂復合陶瓷和金屬碳化物涂層制造機械密封動、靜環，具有優異的耐磨耐蝕性能，與燒結的硬質合金環相比，具有成本低、機械性能好、不會產生崩裂的有點。而且與之配合的密封靜環，如M106K石墨、L516改性聚四氟乙烯等具有較低的摩擦系數，壽命也會比鍍硬鉻使用的靜環高3~4倍。
4.3 熱障
Al2O3等陶瓷涂層，熔點高，導熱系數低，在高溫條件下對基體金屬具有良好的隔熱保護作用稱為熱障涂層。一般用于柴油發動機活塞、渦輪發動機燃燒室、閥門和火焰穩定器等。
4.4 絕緣
陶瓷材料不僅具有高的硬度和優良的耐磨性能，還具有優良的絕緣性能，采用高能等離子噴涂的Al2O3涂層致密、絕緣強度高，是理想的絕緣涂層。
4.5 尺寸恢復
熱噴涂是恢復零部件尺寸的一種經濟而有效的方法，修復各種軸類和柱塞件是典型的應用，包括汽車軸、軸頸、軋輥等。大型軸類零件可以在現場修復，如發電機轉子和汽輪機轉子的軸頸有劃傷，可制造專用工裝在現場進行修復。
采用熱噴涂技術修復和制造閥門配件（門桿、閥芯、閥座），其表面噴涂硬質合金，在850℃以內硬度無明顯下降，且不起氧化皮，抗沖蝕、氣蝕、水蝕、劃傷，提高壽命3倍以上。
文章源自：東莞金屬表面處理
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