现今，制造业和工程机械发展迅速，对于工程机械和消费产品来说，恰当的表面处理将是未来市场竞争的决定性因素。在过去的十年中，热喷涂在以每年5%~10%的速度增长，至今全球热喷涂产值高达13.5亿美元，其中由技术带动高附加值的等离子涂层占有绝对份额。热喷涂技术可以用于生产不同的厚度涂层，生产多功能材料、自由成形、维修或恢复损伤部件的尺寸等等，大量的热喷涂涂层用于防止磨损、氧化或腐蚀等工况下，而在热障和保护涂层延长产品使用寿命的情况下，它也具有独特的功能。
1 工艺概述
热喷涂技术是表面防护和强化的技术之一，利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。
热喷涂技术具有五个突出优点：设备轻便、可现场施工；工艺灵活、适应性强、操作程序少、修复快捷；涂层厚度可以控制；对基材加热温度较低、工件变形小、合金组织性能变化小；适用于各种基体材料的零部件。依热源形式不同通常可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速火焰喷涂（即HVOF），它们的工艺特点详见表1，而等离子喷涂几乎可喷涂一切固态材料，故它在热喷涂技术中占有重要地位。热喷涂已经在航空、发电、汽车和冶金领域具有重要的应用，尤其在冶金领域近年来取得了重大突破，发展非常迅速，目前，热喷涂技术的应用又扩展到装饰或生物工程领域。
表1 热喷涂工艺特点
2 工艺流程
热喷涂一般包括3个基本工序，即表面预处理、喷涂和涂层后处理。
为了使涂层和基体材料很好地结合，并满足喷涂工艺的需求，基材表面必须进行预处理，包括预加工、净化、粗糙化和黏结底层等几个步骤。预加工是对工件进行车削和磨削等表面加工，以清除工件上的原表层，以保证合适的基体表面和共建喷涂后的尺寸精度。净化处理的关键是除油和除锈，主要依赖溶剂清洗、乳化液清洗、化学除锈、机械除锈等方法。粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接触面，增大涂层与基材的机械咬合力，使净化处理过的表面更加活化，以提高涂层与基材的结合强度，同时基材表面粗化还改变涂层中的残余应力分布，对提高涂层的结合强度也是有利的。黏结底层是喷涂一些与基材粘结不好的涂层材料时，先选择一种与基体材料粘结好的材料喷涂一层过渡层，以加强涂层与基体的结合，比较常用的有Mo、NiAl、NiCr及铝青铜等，厚度一般为0.08~0.18μm。
预热温度取决于工件的大小、形状和材质以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素，一般控制在60~120℃范围内。其实预热是喷涂的预操作，有时也可把它算入预处理之内。而预热的目的就是为了消除工件表面的水分，提高喷涂时涂层与基体界面的温度，减少基材与涂层材料的膨胀差异造成的残余应力，以避免由此导致的涂层开裂和改善涂层与基体的结合强度。
喷涂则是整个热喷涂工艺的主体和关键工序，其他的工序都是为了保证它的正常运行。由于喷涂的方法种类很多，且还在发展中，采用何种喷涂方法主要取决于喷涂材料、工件的工况及对涂层质量的要求。例如喷涂陶瓷最好选用等离子喷涂的方法，碳化物金属陶瓷层采用高速火焰喷涂，塑料只能采用火焰喷涂，若是在野外进行大面积防腐工程的喷涂，采用灵活高效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂是较佳的选择。
有些涂层在喷涂后不能直接使用，而必须进行各种后续处理。如对于防腐蚀的涂层要进行封孔处理，以防止腐蚀介质渗入涂层的孔隙而腐蚀；对于一些承受冲击磨损或高应力载荷的涂层，要进行重熔处理，使其与基体的结合从机械结合为主转变为普遍的冶金结合；还有一些对尺寸精度有要求的涂层，要进行适当的机械加工等。
3 涂层与基体的结合
与基体具有良好的结合是保证涂层能正常使用的基本条件，基体结合方式包括机械结合、物理结合、化学结合或冶金结合。当难熔金属如W、Mo、Ta喷涂到铁基等相对熔点低的才来啊哦表面上时，由于引起基体局部熔化，可产生冶金结合。在喷涂过程中，将基体预热至较高的温度可使基体表面与喷涂粒子发生冶金反应，提高结合强度。但这只是在惰性气体保护下的低气压喷涂时才能实现，一般喷涂层与基体的结合以机械结合为主，因此结合强度相对较低。
提高粒子速度如爆炸喷涂和超音速火焰喷涂，是提高结合力的有效措施，这主要是通过提高涂层与基体的物理结合实现的。除此之外，还可以通过选择线膨胀系数与基体相近的涂层材料，或喷涂具有自粘接效应的高结合强度的过渡结合涂层，再者就是提高基体预热温度或粒子的温度，这样做可以提高接触界面的温度及高温下的接触时间，有利于界面元素的扩散，增强冶金结合。
4 工业中的应用
4.1 防腐
长期暴露在户外大气和不同环境中的大型钢铁构件，如输变电铁塔、钢结构桥、海上钻井平台、煤矿井架以及各种化工容器如储罐等，受到不同程度的环境氧化和侵蚀，采用Al-Zn合金及不锈钢等涂层进行防护，可以获得长期防护效果。而在一些气体腐蚀和化学腐蚀介质工况下运行的部件，可以根据具体情况（如介质、浓度、温度、压力等）选择合适的金属、合金、陶瓷及塑料等涂层材料进行防护。对于工作温度在540℃，压力达140MPa的含又腐蚀性砂浆的管道中的金属座球阀，应用超音速火焰喷涂WC-Co涂层、Cr2C3-NiCr涂层、Fe-Cr-Ni-Mo涂层或WC-Ni涂层，可大幅改善球阀的耐腐蚀和耐冲蚀性能，提高使用可靠性和寿命。
4.2 抗磨
磨损是造成工业部门设备损坏的主要原因之一，抗磨损涂层应该是高硬度的，而且具有耐热和耐化学腐蚀的性能。采用涂层技术提高工件表面耐磨性的应用非常广泛，如纺织机械中的导丝钩等零部件喷涂耐纤维磨损的Al2O3、Al2O3- TiO2陶瓷涂层，各种密封轴套、泵的过流部位和阀门密封面喷涂Cr2O3等，大马力载重汽车曲轴及大型磨煤机、排风机轴等采用铁基合金材料进行磨损修复和耐磨强化等。
另外采用在金属基体上喷涂复合陶瓷和金属碳化物涂层制造机械密封动、静环，具有优异的耐磨耐蚀性能，与烧结的硬质合金环相比，具有成本低、机械性能好、不会产生崩裂的有点。而且与之配合的密封静环，如M106K石墨、L516改性聚四氟乙烯等具有较低的摩擦系数，寿命也会比镀硬铬使用的静环高3~4倍。
4.3 热障
Al2O3等陶瓷涂层，熔点高，导热系数低，在高温条件下对基体金属具有良好的隔热保护作用称为热障涂层。一般用于柴油发动机活塞、涡轮发动机燃烧室、阀门和火焰稳定器等。
4.4 绝缘
陶瓷材料不仅具有高的硬度和优良的耐磨性能，还具有优良的绝缘性能，采用高能等离子喷涂的Al2O3涂层致密、绝缘强度高，是理想的绝缘涂层。
4.5 尺寸恢复
热喷涂是恢复零部件尺寸的一种经济而有效的方法，修复各种轴类和柱塞件是典型的应用，包括汽车轴、轴颈、轧辊等。大型轴类零件可以在现场修复，如发电机转子和汽轮机转子的轴颈有划伤，可制造专用工装在现场进行修复。
采用热喷涂技术修复和制造阀门配件（门杆、阀芯、阀座），其表面喷涂硬质合金，在850℃以内硬度无明显下降，且不起氧化皮，抗冲蚀、气蚀、水蚀、划伤，提高寿命3倍以上。
文章源自：东莞金属表面处理
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