热喷涂技术的主要发展方向

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：热喷涂技术经过近一个世纪的发展，从简单的工艺技术发展成为完整工业体系，已成为先进制造技术的重要组成部分。热喷涂技术的发展主要是新技术的发现、新材料的创新、涂层质量控制体系、涂层制备基础理论研究和检测技术等诸方面。超低压等离子喷涂技术是一项新技术。

热喷涂技术经过近一个世纪的发展，从简单的工艺技术发展成为完整工业体系，已成为先进制造技术的重要组成部分。在成长和发展过程中，由于专业和学科间的不断渗透、交叉、融合，热喷涂技术日趋系统化、集成化，已发展成为集机械学、材料科学、热动力科学、高新技术和生物工程等专业为一体的新兴交叉学科，在制造业领域已成为完整的工业体系。热喷涂技术的核心是优质、高效、低消耗的表面改性，达到赋予基体材料表面特殊功能目的。热喷涂技术的发展主要是新技术的发现、新材料的创新、涂层质量控制体系、涂层制备基础理论研究和检测技术等诸方面。

1.新的工艺技术和新的应用领域不断地涌现

涂层质量很大程度上依赖于喷射熔滴的速度，提高热喷涂射流和喷涂粒子的速度，已成为当前国际热喷涂技术发展的新趋势。近年来，随热喷涂技术的发展，相继出现了高速火焰喷涂（HVOF、HVAF）、高速电弧喷涂、活性电弧喷涂、高能高速等离子喷涂、三阴极和三阳极等离子喷涂、液相等离子喷涂、超低压等离子喷涂（LPPS）、等离子物理气相沉积（PS-PVD）、冷气动力喷涂等新技术。这些技术的共同特点是大幅度提高了喷涂粒子的飞行速度，降低了涂层孔隙率，提高了涂层结合强度。

高速等离子喷涂技术由于热源温度高、加热熔化效率高、可喷涂高熔点的陶瓷材料和超合金材料，与普通等离子喷涂比较，高速等离子喷涂的射流速度超过5马赫（1马赫即1倍声速），喷涂粒子速度可达500m/s，使得涂层更加致密，硬度、韧性、结合强度更高，特别是制备高质量陶瓷涂层和金属陶瓷涂层，具有其他喷涂技术不可替代的优势。

三阴极内送粉等离子喷涂由三根阴极和阳极间产生三电弧，由集弧器将三电弧合一，将喷涂粉末通过喷枪轴线以同轴方向送入电弧，减少了喷嘴局部过热的可能性，增加了电弧稳定性和喷嘴使用寿命，延长粉末加热时间，提高了沉积速率和粉末材料利用率，沉积效率可高达90%，涂层质量均匀、致密、结合强度高。

液相等离子喷涂是采用纳米溶液前驱体或悬浮有纳米粒子的溶液为喷涂材料制备涂层的方法。有效地解决了纳米粉末材料输送的技术难题，扩展了涂层材料的应用领域，为纳米涂层制备、推动纳米涂层的实际应用提供了可能。

HVAF高速活性燃气喷涂，既具有高速火焰喷涂速度高的特点，又具有控制和改变环境条件的能力。活性燃烧气体使用丙烷、乙烯或MAPP气体，可产生还原性气氛。该技术有最好的动能和热能匹配，生产率高，喷涂WC-Co材料喷涂速率可达30kg/h；制备的金属合金和碳化物涂层含氧量非常低，涂层十分致密，可得到压应力或无应力涂层，是制备厚涂层最有效的方法之一。

高速活性电弧喷涂是在普通电弧喷涂的基础上发展起来的，被电弧熔化的涂层材料被丙烷-空气燃烧所产生的高速气流雾化成细小微粒，并二次加速得到高速飞行的粒子束流，可有效地控制气流成分得到还原环境，使所得到的涂层含氧量低、涂层致密、孔隙率低、结合强度高。

冷气动力喷涂是由俄罗斯科学家受风洞试验启发而发明的一项喷涂技术。它是利用高压、低温度（260～760℃）热气流将喷涂材料加速沉积到基体表面形成涂层的方法。高速气体/粒子双相流、高压气流使粒径为1～50μm的粒子加速到450～1000m/s，在固态下形成孔隙率低、含氧量低、残余应力低的涂层，可完全保持喷涂材料原始成分。有文献介绍，双相气流速度越大，粒子的沉积效率越高。现在美国和德国已研制成功成套冷气动力喷涂设备。

超低压等离子喷涂技术是一项新技术。该技术特点是在原有的低压等离子喷涂基础上，采用大流量真空泵，使容器内动态工作压力降到100Pa以下，并配置100kW以上大功率等离子喷涂枪，使喷涂粉末在加热过程中达到一定比率的汽化，结合了传统等离子喷涂（液-固为主形成涂层）和物理气相沉积（气-固方式沉积或完全气相沉积）的特征，可制备得到不同于传统等离子喷涂获得的涂层组织结构，为材料表面涂层制备提供了新的方法。

多种复合工艺技术的联合使用。高速火焰喷涂制备结合底层，有效地控制结合层的含氧量，等离子喷涂制备工作面层；等离子喷涂或火焰喷涂预置涂层，激光照射重熔制备完全致密的陶瓷涂层，达到改变涂层组织性能的目的。

2.新型工艺技术的发现与应用促进新材料的发展

稀土锆酸盐多元新型热障涂层材料，采用多元掺杂和氧化锆复合；双层、多层复合结构涂层；纳米涂层（纳米溶液前驱体、纳米团聚体粉末）材料、功能复合涂层材料、生物功能涂层材料、金属间化合物涂层材料、微晶或非晶涂层材料等的制备，已成为人们日益关注的重点。

3.增材制造技术

激光、等离子、电弧等高能束增材再制造技术在机械、能源、船舶、航空、航天领域中得到了应用，人们正在致力于关键核心、高附加值零部件的快速再制造技术的应用研究，以期达到节能节材、有效利用资源的目的。

4.在线控制质量保证体系

涂层质量与喷涂工艺方法及工艺参数有十分紧密的关系，标准工艺参数的重现性和稳定性是保证涂层质量最基本环节。而工艺参数变化影响因素诸多。热功率的大小、温度的分布、喷涂粒子的分布状况、粒子速度的高低均成为涂层质量的重要因素。在线质量控制，检测喷涂热源温度场的分布、喷涂粒子的飞行速度及状态，为优化并稳定涂层制备工艺参数获得优质涂层提供了基本保障。芬兰Oseir公司研制的SprayWatch热喷涂粒子监测系统是以CCD数字相机为基础而设计的，适应大多数热喷涂工艺的检测。能够方便地测量和监控喷涂过程中关键的工艺参数，如喷涂粒子的温度、飞行速度的状态、数量及分布，以及喷涂束流的尺寸、位置和方向等。有望研究开发监测系统和喷涂设备联机，形成在线控制、回馈、诊断、修正的新型智能热喷涂设备。

5.涂层制备基础理论研究和涂层性能检测方法

采用神经网络、试验设计和其他优化方法来确定热喷涂涂层制备工艺参数与涂层性能之间的关系。研究建立喷涂粒子受热状况、运动形式与喷嘴出口处条件之间的数学模型，涂层中残余应力形成模型，热喷涂过程中粒子流、等离子射流所形成的涂层模型和基体热通量模型。喷涂过程中各种参数之间模型建立，在理论上研究控制涂层质量的方法。通过采用电子显微镜、俄歇能谱仪、X射线衍射、高速成像等检测技术，研究涂层的显微组织特性，分析喷涂参数对涂层结构和涂层性能的影响，预测涂层使用性能，评估涂层使用寿命。

热喷涂技术的主要发展方向

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