熱噴涂技術(shù)詳解

熱噴涂技術(shù)可以在設(shè)備維修中修舊利廢，使報廢了的零部件“起死回生”；也可以在新產(chǎn)品制造中進行強化和預(yù)保護，使其“益壽延年”。可以大量節(jié)約能源、節(jié)約材料、提高功效、降低成本，特別適合我國國情，符合我國現(xiàn)行的經(jīng)濟政策。是當(dāng)前國家提倡的節(jié)能減排、低能耗、高效率的一項重要實用技術(shù)。

熱噴涂的發(fā)展歷程

熱噴涂技術(shù)自1910年，由瑞士的M.U.Schoop博士完成最初的金屬熔液噴涂裝置以來，已有超過一百年的歷史。

最初，熱噴涂主要用于噴涂裝飾涂層，以氧-乙炔火焰或電弧噴涂鋁線和鋅線為主。上世紀30~40年代，隨著火焰和電弧線材噴涂設(shè)備的完善及火焰粉末噴槍的出現(xiàn)，熱噴涂技術(shù)從最初的噴涂裝飾涂層發(fā)展為用鋼絲修復(fù)機械零件，噴涂鋁或鋅作為鋼鐵結(jié)構(gòu)的防腐蝕涂層。

50年代爆炸噴涂技術(shù)及隨后等離子噴涂技術(shù)的開發(fā)成功，熱噴涂技術(shù)在航天航空等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。同一時期研制成功了自熔合金粉末，使通過涂層重熔工藝消除涂層中的氣孔、與基體實現(xiàn)冶金結(jié)合成為可能，擴大了熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

80年代初期開發(fā)成功超音速火焰噴涂技術(shù)，90年代初期得到廣泛應(yīng)用，使WC-Co硬質(zhì)合金涂層的應(yīng)用從航天航空領(lǐng)域大幅度擴大到各種工業(yè)領(lǐng)域。功率高達200kW的高能等離子噴涂技術(shù)、超音速等離子噴涂技術(shù)、及軸向送粉式等離子噴涂技術(shù)的、尤其是高效能超音速等離子噴涂技術(shù)的出現(xiàn)，為在各個工業(yè)領(lǐng)域進一步有效地利用熱噴涂技術(shù)提供了有力的手段。

 電弧噴涂和豁然噴涂

我國熱噴涂技術(shù)是從20世紀50年代開始的，當(dāng)時由吳劍春等人在上海組建了國內(nèi)第一個專業(yè)化噴涂廠，研制氧乙炔焰絲材噴涂及電噴裝置，并對外開展金屬噴涂業(yè)務(wù)。

60年代少數(shù)軍工單位開始研究等離子噴涂技術(shù)（如北京航空工藝技術(shù)研究所、航天公司火箭技術(shù)研究院703所、航空部門410、420、430廠等單位），在我國軍工部門開始得到應(yīng)用。

到了70年代中后期出現(xiàn)了許多品種的氧乙炔火焰金屬粉末噴涂（熔）設(shè)備和各種鎳、鐵、鈷基自熔性合金粉及復(fù)合粉末噴涂材料，給熱噴涂技術(shù)快速向前發(fā)展打下了一個堅實的基礎(chǔ)。熱噴涂材料是熱噴涂技術(shù)的“炊糧”，材料品種的增加和性能的改善，將直接提高涂層質(zhì)量。

值得提出的是北京礦冶研究總院等單位在這一階段研制并開發(fā)了鎳包鋁等放熱型噴涂材料和多種復(fù)合粉末材料，拓寬了涂層應(yīng)用范圍，給我國熱噴涂技術(shù)帶來生機，這一階段可以說是我國熱噴涂技術(shù)發(fā)展的初級階段，盡管這一階段有了一定的進展，但總的來說進展緩慢，只是到了70年代中后期80年代初才獲得了較快的發(fā)展。特別是原國家經(jīng)委將熱噴涂技術(shù)作為國家重點推廣項目以后，發(fā)展速度更快并取得了顯著的經(jīng)濟效益。

1981年10月21～27日由國家經(jīng)委、國家科委主持在北京召開了首屆全國熱噴涂會議，會上宣布在國家經(jīng)委領(lǐng)導(dǎo)下成立了全國熱噴涂協(xié)作組，掛靠北京礦冶研究總院。協(xié)作組對上聯(lián)系國家經(jīng)貿(mào)委，對下聯(lián)系各省市、自治區(qū)經(jīng)委科技處各部門科技局，以及大中型企業(yè)、大專院校、科研單位等，形成了跨地區(qū)、跨行業(yè)、跨部門推廣應(yīng)用熱噴涂技術(shù)網(wǎng)絡(luò)體系。

1991年國家機電部武漢材料保護研究所向國家民政部申請成立了中國表面工程協(xié)會熱噴涂專業(yè)委員會，現(xiàn)掛靠中國農(nóng)機院。這兩個噴涂行業(yè)組織的先后成立，大大地促進了我國熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，從業(yè)單位由20世紀80年代初的幾十家到目前已經(jīng)發(fā)展到近2000家專業(yè)噴涂廠家，可以說這一階段我國熱噴涂技術(shù)發(fā)展到了一個繁榮昌盛階段，應(yīng)用范圍逐漸擴大。

在機械、冶金、石化、電力、鐵路、造紙、輕紡、醫(yī)療衛(wèi)生、軍工和國防等國民經(jīng)濟許多部門得到了廣泛應(yīng)用。上世紀90年代發(fā)展到一個嶄新階段，這一階段的發(fā)展特點是：設(shè)備方面向高能、高焓、高速度方向發(fā)展；材料方面向系列化、標準化、商品化方向發(fā)展，以保證多功能高質(zhì)量涂層的需要；工藝技術(shù)方面向機械化、自動化方向發(fā)展，如計算機控制、機械操作等；

推廣應(yīng)用的著重點是：

（1）緊緊抓住推廣應(yīng)用中的主要問題。各行業(yè)、各地區(qū)抓好量大面廣的典型件進行推廣應(yīng)用，如：冶金行業(yè)的高爐風(fēng)口、連鑄機軋輥、爐底輥，電力行業(yè)的鍋爐四管，煤炭行業(yè)的刮板機中部槽、液壓支柱，機械行業(yè)的閥門，造紙行業(yè)的烘缸，紡織行業(yè)的羅拉、過絲輪，石油行業(yè)的鉆桿、柱塞，制糖行業(yè)的底梳、面梳等。

（2）抓大型關(guān)鍵設(shè)備的維修與強化，如：冶金行業(yè)的萬噸油壓機柱塞、煉鐵廠的高爐大料鐘、寶鋼的高溫爐輥、獨山子煉油廠的燃氣輪機葉片以及濰坊純堿廠的二氧化碳壓縮機汽缸，這些設(shè)備其價值都在百萬元以上，甚至每天創(chuàng)造價值都在百萬元以上，修復(fù)意義重大。

（3）抓好進口零部件的維修與強化。近年來許多部門進口設(shè)備比較多，采用熱噴涂技術(shù)進行修復(fù)與強化既可解決生產(chǎn)急需又可節(jié)約大量外匯。

（4）開展社會主義大協(xié)作，對重大設(shè)備采取專家會診，協(xié)作攻關(guān)。如包鋼引進德國6500m3引風(fēng)機大軸、北京東方紅煉油廠引進日本的關(guān)鍵設(shè)備、武鋼1.7m軋機、西南鋁加工廠號稱“國寶”的萬噸油壓機柱塞、貴州鋁廠的碳素電極擠壓成形嘴等大型進口關(guān)鍵設(shè)備都組織專家會診，協(xié)作攻關(guān)，成功地進行了修復(fù)，既解決了企業(yè)生產(chǎn)中的難關(guān)，又為國家節(jié)約了大量外匯，其經(jīng)濟效益和社會效益重大。

（5）加強國內(nèi)外的交流與合作，僅全國熱噴涂協(xié)作組就已經(jīng)召開了16屆年會和各種類型的國內(nèi)外技術(shù)交流活動，舉辦了兩屆中、日熱噴涂技術(shù)研討會以及多次國際間的技術(shù)交流活動。近年來和國際上有影響的相關(guān)組織和企業(yè)保持著密切的聯(lián)系，如美國金屬學(xué)會熱噴涂協(xié)會（ASMTSS）、德國焊接學(xué)會（DVS）、國際熱噴涂協(xié)會（ISPC，CANADA）、蘇爾壽美科公司（SULZER METCO，SWITZERLAND）、普萊克斯公司（PRAXAIR，USA）以及愛羅普拉斯瑪株式會社（AEROPLASMA，JAPAN）等。

借鑒國外的先進熱噴涂技術(shù)，為我國熱噴涂技術(shù)的發(fā)展與提高作出了重要舉措。還舉辦6次大型技術(shù)講座、30多次普及型和專業(yè)型技術(shù)培訓(xùn)班，召開7次大型現(xiàn)場技術(shù)經(jīng)驗交流會，出版印刷10余種論文集。“八五”期間熱噴涂技術(shù)的推廣應(yīng)用獲國家“高效優(yōu)質(zhì)的熱噴涂技術(shù)”的推廣獎。

超音速噴涂和等離子噴涂

進入21世紀以來，我國的熱噴涂技術(shù)已經(jīng)有了飛快的發(fā)展，設(shè)備與材料經(jīng)過幾十年的自主開發(fā)和引進、借鑒國外先進技術(shù)，目前，中國已能開發(fā)和生產(chǎn)真空等離子、大氣等離子（高能等離子）、爆炸噴涂、等離子堆焊、電弧噴涂及火焰粉末噴涂及火焰線材噴涂設(shè)備，生產(chǎn)金屬粉末(Ni、Co、Fe基)、各種復(fù)合粉、陶瓷、金屬陶瓷粉末、各種合金絲材和粉芯絲材等，基本上可以滿足國內(nèi)熱噴涂市場的需要。有些品種已經(jīng)達到國際先進水平。

冷噴涂和爆炸噴涂

應(yīng)該特別指出的是，最早問世的火焰噴涂技術(shù)、電弧噴涂技術(shù)在飛速發(fā)展的熱噴涂技術(shù)中，不但沒有被淘汰，而是經(jīng)過不斷改進在適應(yīng)各類材料的噴涂中繼續(xù)發(fā)展。

各種新型噴涂材料的出現(xiàn)，進一步擴大了火焰噴涂技術(shù)的使用范圍。新型火焰噴涂槍可以噴涂各種金屬、陶瓷、金屬加陶瓷的復(fù)合材料和各種塑料粉末材料的涂層。盡管等離子和HVOF/HVAF超音速以及爆炸噴涂的涂層優(yōu)于常規(guī)火焰噴涂和電弧噴涂，但由于投資大、操作控制系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備笨重、無法現(xiàn)場施工等缺點，應(yīng)用范圍受到極大限制，在防腐和維修市場難以推廣普及。

新型火焰噴涂設(shè)備與技術(shù)和超音速電弧噴涂設(shè)備與技術(shù)在工業(yè)防腐和零件修復(fù)市場中永遠是主要技術(shù)力量。特別值得指出的是，電弧噴涂既是一種古老的噴涂技術(shù)，又是一種嶄新的噴涂技術(shù)。該技術(shù)產(chǎn)生于20世紀初，當(dāng)時由于受噴涂設(shè)備性能的限制，只能噴涂一些低熔點的金屬材料來防止鋼鐵表面銹蝕。隨著熱噴涂技術(shù)的發(fā)展與提高，電弧噴涂技術(shù)也在不斷進步。到了20世紀中期，電弧噴涂技術(shù)已經(jīng)占據(jù)了重要地位。后來由于等離子、爆炸等噴涂技術(shù)的出現(xiàn)，能滿足航空、航天、火箭等尖端技術(shù)的需要，在某種程度上限制了電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展。

進入90年代，由于北京工業(yè)大學(xué)研制成功粉芯絲材，給電弧噴涂技術(shù)帶來了生機。粉芯絲材既克服了高合金成分難以拔絲的困難，同時還能使一些不導(dǎo)電的顆粒材料（陶瓷及碳化物）填充到粉芯絲材中，在電弧噴涂上得以應(yīng)用，如Al2O3、TiO2、TiB2和Cr3C2等。由于粉芯絲材成分易調(diào)節(jié)、生產(chǎn)周期短、選材便利、成本較低等優(yōu)點，因此促進了電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展。

近年來高合金、鋅鋁合金（85/15）的絲材的出現(xiàn)，使電弧噴涂技術(shù)發(fā)展得更快。隨著電弧噴涂材料的品種不斷增加，性能不斷提高，電弧噴涂設(shè)備又向精密化、自動化方向發(fā)展。如超音速電弧噴涂、高速脈沖電弧噴涂、復(fù)合電弧噴涂、保護氣體電弧噴涂和真空電弧噴涂等，這些新的電弧噴涂工藝技術(shù)的出現(xiàn)，大大地提高了噴涂效率，改善了涂層質(zhì)量，拓寬了電弧噴涂技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)前這項技術(shù)很受青睞，在國民經(jīng)濟許多部門發(fā)揮了重要作用，使古老的電弧噴涂技術(shù)煥發(fā)了青春。

激光噴涂和HVAF超音速噴涂

熱噴涂設(shè)備與材料經(jīng)過幾十年的自主開發(fā)和引進、借鑒國外先進技術(shù)，目前，中國已能開發(fā)和生產(chǎn)真空等離子、大氣等離子、爆炸噴涂、等離子堆焊、電弧噴涂、火焰粉末噴涂、火焰線材噴涂設(shè)備，生產(chǎn)金屬粉末(Ni、Co、Fe基，合計約300t/年)、陶瓷、金屬陶瓷粉末(Al2O3、Al2O3+TiO2、Cr2O3、WC—Co等，合計約200t/年)，絲材(Al、Zn、Cu、不銹鋼等，合計約1000t/年)。

盡管設(shè)備總體還沒有達到世界先進水平，材料方面仍有許多改進之處，但是，中國已成為世界上少數(shù)幾個能在熱噴涂設(shè)備和材料上自給自足的國家之一，基本滿足熱噴涂行業(yè)需要。同時，約有10%的設(shè)備和材料仍需進口。

真空等離子噴涂

熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

熱噴涂技術(shù)作為一種技術(shù)涉及面廣、加工工藝相對簡單靈活、應(yīng)用范圍廣、經(jīng)濟效益大的現(xiàn)代加工新技術(shù)，它可使表面具備耐磨、防腐、絕熱、耐熱、導(dǎo)電、絕緣、抗沖蝕、抗氧化、減摩、潤滑、防輻射等功能。不但可以用于機械零部件的修復(fù)和表面強化，而且可以用于制造。

由于噴涂材料的選擇范圍廣，不受整體材料合金化的限制，可較方便地獲得超硬合金、各種陶瓷或金屬陶瓷涂層以及各種功能涂層，且涂層相對于整體高級材料而言材料用量少，比起整體提高材質(zhì)無疑要經(jīng)濟得多，因此可大膽使用貴重材料，其成本不會增加很多，而材料的表面性能卻能得到大幅提高，經(jīng)熱噴涂修復(fù)的零件使用壽命一般可以達到甚至數(shù)倍超過新品。

熱噴涂技術(shù)未來發(fā)展趨勢與展望

從未來的發(fā)展趨勢看，熱噴涂系統(tǒng)工程的研究將越來越受到人們的重視。目前許多國家都加強了對熱噴涂系統(tǒng)工程的研究，即從失效分析入手，通過對表面預(yù)處理，噴涂設(shè)備、噴涂材料及噴涂工藝的優(yōu)化，制定出熱噴涂實施工藝計劃。在發(fā)展過程中，熱噴涂技術(shù)與其他學(xué)科相互交叉滲透形成了新的表面處理工藝。未來熱噴涂技術(shù)可能在以下方面發(fā)展：

（1）在噴涂材料的選擇方面：火焰噴涂技術(shù)、等離子噴涂技術(shù)和超音速火焰噴涂技術(shù)所采用的粉末型噴涂材料還將是市場需求主流，電弧噴涂技術(shù)和冷噴涂技術(shù)噴涂材料的選擇雖然有一定的局限性，但未來隨著工藝進步與更新，還將得到進一步拓展。

（2）在涂層與基體的結(jié)合強度方面：冷噴涂、超音速火焰噴涂、超音速等離子噴涂和LPPS-TF涂層等與基體的結(jié)合強度相對較高的方法，將發(fā)揮更大的作用。

（3）在基礎(chǔ)理論的研究方面：熱噴涂技術(shù)是一個涉及多學(xué)科，交叉性很強的邊緣性學(xué)科。它由于受到高溫、高速以及力學(xué)非均勻性等參數(shù)因素的影響，熱噴涂技術(shù)基礎(chǔ)理論的研究面臨很大的困難，基礎(chǔ)理論的研究尤為重要。

（4）在新型噴涂材料研發(fā)方面：熱噴涂材料總的發(fā)展趨勢是：涂層成分的復(fù)合化和低雜質(zhì)化，結(jié)構(gòu)的超微化和納米化，而且納米結(jié)構(gòu)復(fù)合型，多元合金等各種新型材料的研發(fā)為研究的熱點。

（5）在噴涂工藝和設(shè)備研發(fā)方面：提高涂層質(zhì)量和擴展噴涂材料的關(guān)鍵是要提高噴涂粒子的能量和速度，因此，熱噴涂工藝和設(shè)備的改進和開發(fā)要向著高能和高速的方向發(fā)展。

（6）在新的應(yīng)用領(lǐng)域拓展方面：熱噴涂技術(shù)具有和其它學(xué)科彼此滲透、相互貫通的特點，利用這一特點不斷的開發(fā)新的熱噴涂技術(shù)，并開發(fā)出新的熱噴涂技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。熱噴涂技術(shù)與其它相關(guān)技術(shù)的結(jié)合是探索和開發(fā)熱噴涂新應(yīng)用領(lǐng)域的有效途徑。