热喷涂技术详解

热喷涂技术可以在设备维修中修旧利废，使报废了的零部件“起死回生”；也可以在新产品制造中进行强化和预保护，使其“益寿延年”。可以大量节约能源、节约材料、提高功效、降低成本，特别适合我国国情，符合我国现行的经济政策。是当前国家提倡的节能减排、低能耗、高效率的一项重要实用技术。

热喷涂的发展历程

热喷涂技术自1910年，由瑞士的M.U.Schoop博士完成最初的金属熔液喷涂装置以来，已有超过一百年的历史。

最初，热喷涂主要用于喷涂装饰涂层，以氧-乙炔火焰或电弧喷涂铝线和锌线为主。上世纪30~40年代，随着火焰和电弧线材喷涂设备的完善及火焰粉末喷枪的出现，热喷涂技术从最初的喷涂装饰涂层发展为用钢丝修复机械零件，喷涂铝或锌作为钢铁结构的防腐蚀涂层。

50年代爆炸喷涂技术及随后等离子喷涂技术的开发成功，热喷涂技术在航天航空等领域获得了广泛的应用。同一时期研制成功了自熔合金粉末，使通过涂层重熔工艺消除涂层中的气孔、与基体实现冶金结合成为可能，扩大了热喷涂技术的应用领域。

80年代初期开发成功超音速火焰喷涂技术，90年代初期得到广泛应用，使WC-Co硬质合金涂层的应用从航天航空领域大幅度扩大到各种工业领域。功率高达200kW的高能等离子喷涂技术、超音速等离子喷涂技术、及轴向送粉式等离子喷涂技术的、尤其是高效能超音速等离子喷涂技术的出现，为在各个工业领域进一步有效地利用热喷涂技术提供了有力的手段。

 电弧喷涂和豁然喷涂

我国热喷涂技术是从20世纪50年代开始的，当时由吴剑春等人在上海组建了国内第一个专业化喷涂厂，研制氧乙炔焰丝材喷涂及电喷装置，并对外开展金属喷涂业务。

60年代少数军工单位开始研究等离子喷涂技术（如北京航空工艺技术研究所、航天公司火箭技术研究院703所、航空部门410、420、430厂等单位），在我国军工部门开始得到应用。

到了70年代中后期出现了许多品种的氧乙炔火焰金属粉末喷涂（熔）设备和各种镍、铁、钴基自熔性合金粉及复合粉末喷涂材料，给热喷涂技术快速向前发展打下了一个坚实的基础。热喷涂材料是热喷涂技术的“炊粮”，材料品种的增加和性能的改善，将直接提高涂层质量。

值得提出的是北京矿冶研究总院等单位在这一阶段研制并开发了镍包铝等放热型喷涂材料和多种复合粉末材料，拓宽了涂层应用范围，给我国热喷涂技术带来生机，这一阶段可以说是我国热喷涂技术发展的初级阶段，尽管这一阶段有了一定的进展，但总的来说进展缓慢，只是到了70年代中后期80年代初才获得了较快的发展。特别是原国家经委将热喷涂技术作为国家重点推广项目以后，发展速度更快并取得了显著的经济效益。

1981年10月21～27日由国家经委、国家科委主持在北京召开了首届全国热喷涂会议，会上宣布在国家经委领导下成立了全国热喷涂协作组，挂靠北京矿冶研究总院。协作组对上联系国家经贸委，对下联系各省市、自治区经委科技处各部门科技局，以及大中型企业、大专院校、科研单位等，形成了跨地区、跨行业、跨部门推广应用热喷涂技术网络体系。

1991年国家机电部武汉材料保护研究所向国家民政部申请成立了中国表面工程协会热喷涂专业委员会，现挂靠中国农机院。这两个喷涂行业组织的先后成立，大大地促进了我国热喷涂技术的发展，从业单位由20世纪80年代初的几十家到目前已经发展到近2000家专业喷涂厂家，可以说这一阶段我国热喷涂技术发展到了一个繁荣昌盛阶段，应用范围逐渐扩大。

在机械、冶金、石化、电力、铁路、造纸、轻纺、医疗卫生、军工和国防等国民经济许多部门得到了广泛应用。上世纪90年代发展到一个崭新阶段，这一阶段的发展特点是：设备方面向高能、高焓、高速度方向发展；材料方面向系列化、标准化、商品化方向发展，以保证多功能高质量涂层的需要；工艺技术方面向机械化、自动化方向发展，如计算机控制、机械操作等；

推广应用的着重点是：

（1）紧紧抓住推广应用中的主要问题。各行业、各地区抓好量大面广的典型件进行推广应用，如：冶金行业的高炉风口、连铸机轧辊、炉底辊，电力行业的锅炉四管，煤炭行业的刮板机中部槽、液压支柱，机械行业的阀门，造纸行业的烘缸，纺织行业的罗拉、过丝轮，石油行业的钻杆、柱塞，制糖行业的底梳、面梳等。

（2）抓大型关键设备的维修与强化，如：冶金行业的万吨油压机柱塞、炼铁厂的高炉大料钟、宝钢的高温炉辊、独山子炼油厂的燃气轮机叶片以及潍坊纯碱厂的二氧化碳压缩机汽缸，这些设备其价值都在百万元以上，甚至每天创造价值都在百万元以上，修复意义重大。

（3）抓好进口零部件的维修与强化。近年来许多部门进口设备比较多，采用热喷涂技术进行修复与强化既可解决生产急需又可节约大量外汇。

（4）开展社会主义大协作，对重大设备采取专家会诊，协作攻关。如包钢引进德国6500m3引风机大轴、北京东方红炼油厂引进日本的关键设备、武钢1.7m轧机、西南铝加工厂号称“国宝”的万吨油压机柱塞、贵州铝厂的碳素电极挤压成形嘴等大型进口关键设备都组织专家会诊，协作攻关，成功地进行了修复，既解决了企业生产中的难关，又为国家节约了大量外汇，其经济效益和社会效益重大。

（5）加强国内外的交流与合作，仅全国热喷涂协作组就已经召开了16届年会和各种类型的国内外技术交流活动，举办了两届中、日热喷涂技术研讨会以及多次国际间的技术交流活动。近年来和国际上有影响的相关组织和企业保持着密切的联系，如美国金属学会热喷涂协会（ASMTSS）、德国焊接学会（DVS）、国际热喷涂协会（ISPC，CANADA）、苏尔寿美科公司（SULZER METCO，SWITZERLAND）、普莱克斯公司（PRAXAIR，USA）以及爱罗普拉斯玛株式会社（AEROPLASMA，JAPAN）等。

借鉴国外的先进热喷涂技术，为我国热喷涂技术的发展与提高作出了重要举措。还举办6次大型技术讲座、30多次普及型和专业型技术培训班，召开7次大型现场技术经验交流会，出版印刷10余种论文集。“八五”期间热喷涂技术的推广应用获国家“高效优质的热喷涂技术”的推广奖。

超音速喷涂和等离子喷涂

进入21世纪以来，我国的热喷涂技术已经有了飞快的发展，设备与材料经过几十年的自主开发和引进、借鉴国外先进技术，目前，中国已能开发和生产真空等离子、大气等离子（高能等离子）、爆炸喷涂、等离子堆焊、电弧喷涂及火焰粉末喷涂及火焰线材喷涂设备，生产金属粉末(Ni、Co、Fe基)、各种复合粉、陶瓷、金属陶瓷粉末、各种合金丝材和粉芯丝材等，基本上可以满足国内热喷涂市场的需要。有些品种已经达到国际先进水平。

冷喷涂和爆炸喷涂

应该特别指出的是，最早问世的火焰喷涂技术、电弧喷涂技术在飞速发展的热喷涂技术中，不但没有被淘汰，而是经过不断改进在适应各类材料的喷涂中继续发展。

各种新型喷涂材料的出现，进一步扩大了火焰喷涂技术的使用范围。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和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和电弧喷涂，但由于投资大、操作控制系统复杂、设备笨重、无法现场施工等缺点，应用范围受到极大限制，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工业防腐和零件修复市场中永远是主要技术力量。特别值得指出的是，电弧喷涂既是一种古老的喷涂技术，又是一种崭新的喷涂技术。该技术产生于20世纪初，当时由于受喷涂设备性能的限制，只能喷涂一些低熔点的金属材料来防止钢铁表面锈蚀。随着热喷涂技术的发展与提高，电弧喷涂技术也在不断进步。到了20世纪中期，电弧喷涂技术已经占据了重要地位。后来由于等离子、爆炸等喷涂技术的出现，能满足航空、航天、火箭等尖端技术的需要，在某种程度上限制了电弧喷涂技术的发展。

进入90年代，由于北京工业大学研制成功粉芯丝材，给电弧喷涂技术带来了生机。粉芯丝材既克服了高合金成分难以拔丝的困难，同时还能使一些不导电的颗粒材料（陶瓷及碳化物）填充到粉芯丝材中，在电弧喷涂上得以应用，如Al2O3、TiO2、TiB2和Cr3C2等。由于粉芯丝材成分易调节、生产周期短、选材便利、成本较低等优点，因此促进了电弧喷涂技术的发展。

近年来高合金、锌铝合金（85/15）的丝材的出现，使电弧喷涂技术发展得更快。随着电弧喷涂材料的品种不断增加，性能不断提高，电弧喷涂设备又向精密化、自动化方向发展。如超音速电弧喷涂、高速脉冲电弧喷涂、复合电弧喷涂、保护气体电弧喷涂和真空电弧喷涂等，这些新的电弧喷涂工艺技术的出现，大大地提高了喷涂效率，改善了涂层质量，拓宽了电弧喷涂技术的应用领域。当前这项技术很受青睐，在国民经济许多部门发挥了重要作用，使古老的电弧喷涂技术焕发了青春。

激光喷涂和HVAF超音速喷涂

热喷涂设备与材料经过几十年的自主开发和引进、借鉴国外先进技术，目前，中国已能开发和生产真空等离子、大气等离子、爆炸喷涂、等离子堆焊、电弧喷涂、火焰粉末喷涂、火焰线材喷涂设备，生产金属粉末(Ni、Co、Fe基，合计约300t/年)、陶瓷、金属陶瓷粉末(Al2O3、Al2O3+TiO2、Cr2O3、WC—Co等，合计约200t/年)，丝材(Al、Zn、Cu、不锈钢等，合计约1000t/年)。

尽管设备总体还没有达到世界先进水平，材料方面仍有许多改进之处，但是，中国已成为世界上少数几个能在热喷涂设备和材料上自给自足的国家之一，基本满足热喷涂行业需要。同时，约有10%的设备和材料仍需进口。

真空等离子喷涂

热喷涂技术的应用现状

热喷涂技术作为一种技术涉及面广、加工工艺相对简单灵活、应用范围广、经济效益大的现代加工新技术，它可使表面具备耐磨、防腐、绝热、耐热、导电、绝缘、抗冲蚀、抗氧化、减摩、润滑、防辐射等功能。不但可以用于机械零部件的修复和表面强化，而且可以用于制造。

由于喷涂材料的选择范围广，不受整体材料合金化的限制，可较方便地获得超硬合金、各种陶瓷或金属陶瓷涂层以及各种功能涂层，且涂层相对于整体高级材料而言材料用量少，比起整体提高材质无疑要经济得多，因此可大胆使用贵重材料，其成本不会增加很多，而材料的表面性能却能得到大幅提高，经热喷涂修复的零件使用寿命一般可以达到甚至数倍超过新品。

热喷涂技术未来发展趋势与展望

从未来的发展趋势看，热喷涂系统工程的研究将越来越受到人们的重视。目前许多国家都加强了对热喷涂系统工程的研究，即从失效分析入手，通过对表面预处理，喷涂设备、喷涂材料及喷涂工艺的优化，制定出热喷涂实施工艺计划。在发展过程中，热喷涂技术与其他学科相互交叉渗透形成了新的表面处理工艺。未来热喷涂技术可能在以下方面发展：

（1）在喷涂材料的选择方面：火焰喷涂技术、等离子喷涂技术和超音速火焰喷涂技术所采用的粉末型喷涂材料还将是市场需求主流，电弧喷涂技术和冷喷涂技术喷涂材料的选择虽然有一定的局限性，但未来随着工艺进步与更新，还将得到进一步拓展。

（2）在涂层与基体的结合强度方面：冷喷涂、超音速火焰喷涂、超音速等离子喷涂和LPPS-TF涂层等与基体的结合强度相对较高的方法，将发挥更大的作用。

（3）在基础理论的研究方面：热喷涂技术是一个涉及多学科，交叉性很强的边缘性学科。它由于受到高温、高速以及力学非均匀性等参数因素的影响，热喷涂技术基础理论的研究面临很大的困难，基础理论的研究尤为重要。

（4）在新型喷涂材料研发方面：热喷涂材料总的发展趋势是：涂层成分的复合化和低杂质化，结构的超微化和纳米化，而且纳米结构复合型，多元合金等各种新型材料的研发为研究的热点。

（5）在喷涂工艺和设备研发方面：提高涂层质量和扩展喷涂材料的关键是要提高喷涂粒子的能量和速度，因此，热喷涂工艺和设备的改进和开发要向着高能和高速的方向发展。

（6）在新的应用领域拓展方面：热喷涂技术具有和其它学科彼此渗透、相互贯通的特点，利用这一特点不断的开发新的热喷涂技术，并开发出新的热喷涂技术应用领域。热喷涂技术与其它相关技术的结合是探索和开发热喷涂新应用领域的有效途径。