熱噴涂技術及特點

小瑋 · 發表于 2008-3-2 12:15:21

熱噴涂技術及特點
隨著現代科學技術和國民經濟的發展，對材料提出了更高的要求，而且往往是要求材料兼備多種性能，比如要求材料具備足夠強度的同時，還要求材料具備有耐腐蝕性、耐磨性或耐熱性和隔熱性等等。熱噴涂技術就是為適應這些要求而逐步發展起來的。

熱噴涂技術是一種表面強化技術，它可以在普通材料表面形成具有特殊性能的涂層，獲得各種特殊性能的涂層，從而使制品表面獲得各種特殊性能。此外，由于機械零件在長期運行中磨損、腐蝕，或因加工超差等原因而造成許多貴重零部件報廢也可以通過熱噴涂技術方便、有效地予以修復。

所謂熱噴涂，就是利用各種高溫熱源，將固體材料加熱至熔融或塑性狀態，并利用高速氣流作為載體，將熔融或塑性狀態的微粒噴射到經過預先處理的制品表面而形成涂層的過程。如果將所形成涂層（必須是自熔性合金材料）用熱源再進行加熱熔化（或在噴涂的同時就將涂層再熔化）使之與基體的近表面形成牢固的冶金結合層，這種工藝則稱為噴焊（或噴熔）。目前一般將噴涂和噴焊兩種工藝統稱為“熱噴涂”，只有在具體施工時才指明采用噴涂法還是噴焊法。

熱噴涂方法有多種，按其使用的熱源來分，有氣體燃焰噴涂、電弧噴涂、高頻電熱噴涂、等離子射流噴涂、爆炸噴涂等，最近還出現了激光噴涂。按噴涂材料的形態來分，有熔線式噴涂、熔棒式噴涂和粉末噴涂。其中氣體燃焰噴涂的材料可以是線材，也可以是棒材或粉末，電弧噴涂和高頻噴涂均用金屬線材料，而等離子噴涂和爆炸噴涂一般均用粉末材料，激光噴涂也是采用粉末材料。

我國目前應用最廣的是氧－乙炔焰粉末噴涂、氧－乙炔焰熔線噴涂（即金屬噴涂）、電弧噴涂和等離子射流噴涂（簡稱等離子噴涂）。

無論那一種熱噴涂方法，都是在材料表面形成一層所需功能的表面層。因此基于這點，熱噴涂技術也是一種表面處理技術。但它與其它表面處理技術相比，又有許多自身的特點，從而逐步形成一門獨立的應用技術。熱噴涂技術的主要優缺點如下：

1、熱噴涂法的優點

（1）熱噴涂法的適應范圍廣，不僅適用于金屬制品,也適用于非金屬制品，如陶瓷制品、水泥制品、石膏制品、塑料制品，甚至木材、布匹、紙張等，均能在其表面形成涂層。

（2）可以獲得種類繁多的涂層。一般來說，凡經加熱能呈熔融狀態或塑性狀態的任何固體工程材料，無論是金屬、陶瓷、玻璃或塑材均可作為噴涂材料，而且還可以根據需要將各種材料混合或制成復合材料，使所得到的涂層滿足各類特殊要求。目前已經能夠較方便地獲得耐磨（包括高硬度、易磨削、低摩擦的各種涂層）、耐腐蝕、耐高溫、隔熱、絕緣、導電、防輻射、密封等性能的涂層。

（3）幾乎不受尺寸和幾何形狀的限制，只要噴射束能到達的部位，都可以進行噴涂。

（4）能形成比任何一種表面處理方法厚得多的涂層（當然搪瓷、搪玻璃也可獲得厚的表面層），其厚度可由0.05毫米至幾毫米，有的材料則不限厚度。

（5）操作方法簡單（特別是氣體燃焰噴涂），大多可以在現場施工。

2、熱噴涂法的缺點

（1）由于涂層與基體主要是靠機械結合形式（噴焊工藝除外），所以其與基體表面的結合強度，相對地較低于金屬熱處理，涂層自身強度一般不可能達到基體金屬本身的強度。

（2）涂層存在一定的氣孔（噴焊工藝除外），這對于要求耐化學介質腐蝕的環境是不利的。但有試驗表明，當涂層厚度達到一定值時，（比如鎳包鋁材料的等離子噴涂層，厚度達到0.3～0.5毫米以上時）其氣孔已被涂層自身封閉，成為非穿透性氣孔。另外，還可以對涂層進行封孔處理。然而在某些情況下氣孔的存在正是我們所需要的。例如作為隔熱涂層、含油軸承和人造骨骼等。

（3）某些噴涂方法（特別是等離子噴涂和噴焊工藝）要產生多種有害因素，因此在采用這類方法時，必須采取適當的防護措施。

應當指出，任何一種先進技術都不是萬能的，必須根據工作條件分析其可行性、可靠性、經濟性等諸因素來確定最佳方案。

二、熱噴涂材料

（一）、金屬及其合金

金屬及合金是熱噴涂中應用最廣、種類最多的材料。由于金屬大多具有延展性，所以它們既可制成粉末又可制成線材。改變合金中元素的成分可以得到各種所需的物理性能和化學性能。

1、鋁、鋅及合金

鋁和鋅以及它們的合金，是應用最早的熱噴涂材料，最初它們是用于熔線式噴涂。粉末式噴涂方法出現后也有制成粉末材料出現的。

鋁和鋅的電動順序都在鐵之前，都是比鐵活潑的元素，所以將它們廣泛用于鋼鐵構件的防腐涂層，既可耐大氣腐蝕、也可以作為犧牲陽極，對鋼鐵基體起到電化學保護作用。國外通過對鋁涂層的海水浸漬試驗，證明其耐海水腐蝕性能良好，經過6年海水浸漬的試樣，幾乎未發現腐蝕。鋁和鋅涂層，如再進行封孔處理，其耐腐蝕性能會有所提高。

2、銅及銅合金

高純度的銅可以制成導電涂層和美術裝飾涂層（比如用于雕塑制品的噴涂）。在鋁青銅中加入少量鐵、鎳、錳元素就具有很好的耐蝕性能，特別是抗海水腐蝕能力很強，難熔于硫酸和鹽酸，但易溶于硝酸，此外耐蝕疲勞性和耐磨性能也很好。磷青銅具有很好的耐磨性，可用于軸承的耐磨涂層，磷青銅涂層呈美麗的淡黃色，所以也可用于裝飾性涂層。

3、鉬

噴涂用的鉬其純度在99.95％以上，既可是線材也可是粉末。由于鉬與鋼鐵材料之間有良好的結合性能，所以常用作打底層材料，鉬涂層還具有較好的耐磨性，而且鉬還是耐熱濃鹽酸的唯一金屬。

4、鎳和鎳合金

純鎳具有較好的耐腐蝕性能，是耐熱濃堿液腐蝕最好金屬材料，但不耐氧化性酸。

鎳鉻合金是目前使用極廣的耐磨、耐腐蝕材料，它們既具有良好的耐酸、耐堿性、又具有良好的耐熱性，其耐磨性隨鉻和碳量的增加而增加。

鎳和銅以及少量其它元素的合金稱為蒙乃爾合金，它具有良好的耐蝕性、耐氧化性，對鹽水的耐蝕性和在中性或堿性鹽類溶液中的耐蝕性都很強，對于非強氧化性酸的耐蝕性也較好，但與鐵接觸時容易產生腐蝕。

5、自熔性合金

自熔性合金是指在鐵基、鎳基或鈷基中加入1.5％以上的硼、硅元素所形成的超合金。加入硼、硅后可降低熔點，增加流動性，同時同硼、硅與氧的親合力比金屬成分與氧的親合力大，熔化時它們分別與氧生成氧化硼和氧化硅，熔化后浮在涂層表面，冷卻后便形成無孔的涂層，而金屬成分則與基體表面形成冶金結合層。這就是上述的噴焊工藝所必須采用的材料。

自熔性合金的三種典型就是鐵鉻硼硅系列、鎳鉻硼硅系列和鈷鉻鎢系列。

鐵基合金具有很好的耐磨性和一定的耐蝕性，因其價廉而被廣泛用于一般機械零件的耐磨涂層和修復零件用。其硬度范圍由含鉻量與含碳量而定，一般在HRC25～60或更高。

鎳基合金不僅具有良好的耐磨性，還具有良好的耐腐蝕性和較好的紅硬性。廣泛用于既要求耐腐蝕，又要求耐磨的零部件。如閥門密封面，柱塞表面，用于有腐蝕性介質中的熱電偶導管以及要求耐腐蝕的化工容器等。

鈷基合金（司太立系合金）的最大特點是在高溫下的耐腐蝕性和耐磨性十分突出，抗氣蝕性能好，因此可用于高溫排氣閥、高溫高壓閥門、高溫模具、汽輪機葉片等的修復或預保護。

自熔性合金是專為噴焊工藝生產的，但它們也可以直接用于噴涂工藝，然而用于噴涂工藝的材料卻不一定能用于噴焊工藝。

金屬和合金的種類很多，不可能一一列舉，選用時可參考有關材料手冊。

（二）、陶瓷材料

陶瓷通常是指各種氧化物、硼化物、硅化物、碳化物的總稱，它們的熔點都很高，大多在2000℃以上，化學穩定性良好。其中氧化物應用較多，它們在氧化性氣氛中有優良的化學穩定性，熔點很高，還具有很好的耐磨性和電絕緣性能。因而多作為耐高溫、耐隔熱、絕緣、耐磨、耐腐蝕涂層。應用較多的氧化物陶瓷有氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦、氧化鉻、氧化鋯等。金屬碳化物的熔點比其化合物中金屬元素的熔點高，在高溫下有良好的機械性能，所以適宜于耐熱涂層。幾乎所有碳化物都是電和熱的良導體。典型的碳化物是碳化鎢，它還具有很高的硬度，因而有良好的耐磨性，常用于機械密封和要求耐磨的軸頸等。其它陶瓷也都可作為熱噴涂材料。所有陶瓷都有一個共同的缺點，就是材料沒有延展性，硬而脆，因此不可能制成線材，絕大多數是以粉末材料出現，也有將其制成棒材用于熔棒式噴涂的。

（三）、復合材料

近幾年復合材料的發展很快，所謂復合材料目前有二種形成。一種是包復型材料，它們是在某種核心材料微粒的外表面用化學或其它方法再包裹一層它種材料而形成的。被包裹材料一般都是金屬，常用的包裹材料有鎳、鎳鉻合金、鈷、銅等。另一種復合材料是粘結型的，即在一種微粒的外表面再粘結上它種材料。這種材料制作工藝簡單，成本低，目前已有較好的產品。

復合材料的出現，大大增強了涂層的功能，擴大了熱噴涂的應用范圍。目前國內外的許多科研、生產部門都在努力從事復合材料的科研工作。國內已生產出了數十種復合粉，供不同工藝要求選用。

（四）、塑料

用于熱噴涂的塑料是一些具有熱塑性和熱固性的材料。不同塑料具有不同的耐化學腐蝕性能，特別是耐酸、堿的腐蝕性能。因而塑料早被廣泛用于化工防腐中。但塑料在被用作熱噴涂材料之前，它是作為襯里材料使用，或者直接將塑料制成容器，但塑料的強度均比金屬低，這就是限制了它的應用。

由于塑料的熔點都很低，因此不能用通常的熱噴涂方法形成涂層，否則會使它們分解或碳化。長誠熱噴涂技術有限責任公司（原長城噴涂技術研究所）近年來研制成功既能噴金屬又能噴塑料的多功能氣體燃焰粉末噴涂裝置，為將塑料涂層用于化工防腐開辟了新的途徑。

典型的熱塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯和尼龍等，典型的熱固性塑料有環氧樹脂和酚醛樹脂等。

三、熱噴涂技術的應用

（一）、耐腐蝕涂層

用氧乙炔焰或電弧進行金屬線材的噴涂是化工行業應用最早的熱噴涂技術。其中鋁和鋅已被廣泛用于一般鋼鐵構件、管道、水閘門、塔設備的防護涂層，直至現今仍在采用，如果在這些涂層上面再涂刷一層封孔劑（一般是有機涂料）會使使用壽命大大提高。這方面的成功經驗已經有許多介紹，這里不再重述。

至于直接用于化學腐蝕介質中的情況，目前各國還不多。隨著等離子噴涂的出現，使涂層性能大大提高，如結合強度的提高、氣孔率的降低都為熱噴涂的應用創造了條件。若在此基礎上再進行處理，那將使其耐腐蝕性能大為提高。

對涂層進行重熔處理（即采用噴焊工藝）是有效的封孔方法，經重熔處理后就形成無氣孔的涂層，并與基體表面層形成冶金結合層。一些單位對柱塞采用噴焊工藝，既提高了耐腐蝕性能又提高了耐磨性能，使柱塞的壽命大大提高。例如在三柱塞高壓注水泵柱塞上噴焊鎳基合金，使壽命比原38CrMoAl離子氨化柱塞提高壽命 5～9倍，而盤根壽命可提高 2～3倍，這一工藝已在一些油田普遍采用，并取得了很大的經濟效益。

近年來，國內外對耐熱腐蝕涂層的研究和應用方面取得了很大的進展，如CoCr-AlY涂層用于燃汽輪機葉片，使之既保持一定的機械強度又具有抵御高溫腐蝕環境侵蝕的能力。

由于出現了能承受較高溫度條件的封孔劑（目前國外已有耐40℃環境的封蝕劑），使大面積化工容器采用熱噴涂技術成為現實。四川化機廠于1935年曾對幾種在酸堿交替腐蝕環境，又需有較好導熱性的容器和攪拌器上噴涂了鎳基合金，并用環氧樹脂進行封孔，目前該設備正在使用中。某單位在具有高溫腐蝕性氣體排氣鼓風機的葉片上，噴焊鎳基合金，其壽命比原來采用不銹鋼或高速鋼時提高4倍。

對于在液體腐蝕介質中工作的設備和零件，在選擇涂層材料時，不能因為噴涂了耐該種介質腐蝕的材料時，就認為完全保險了，必須考慮到氣孔的存在。如果涂層設計得較薄，則氣孔可能成為穿透性的，這時，如果涂層材料的電動順序高于基體材料，則由于液體的浸入構成腐蝕電池反會加速基體材料的腐蝕。例如在鋼鐵材料表面噴涂鎳基合金，如果不封孔就會加速鋼鐵的腐蝕。這點在進行涂層設計時是非常重要的。

值得一提的是國外對工業鍋爐防腐涂層的研究與應用已取得了實用性進展。

影響鍋爐腐蝕過程最重要的因素上燃料燃燒產物中的硫化物及鍋爐的操作壓力。通常鍋爐水冷壁管的腐蝕速度每年高達3.5毫米。美國METCO公司生產的METCO465復合粉（27.59％Cr、2％Mo、6%Al、余量Fe）,采用等離子噴涂，涂層致密，結合強度高，在鍋爐十分苛刻的工作條件下，具有良好抗腐蝕性，每年僅 0.025毫米左右，涂層厚度即使在0.25毫米時仍有較高的結合強度。這種方法在美國、日本和加拿大得到廣泛使用，有二十多家有關公司采用 METCO465修復了大量的鍋爐。

美國TAFA公司用TAFA—LOY45CT（43%C、4％Ti、余量Ni）進行電弧噴涂，經受了 1008小時的模擬鍋爐工作環境考驗，未發現明顯的氧化及硫化現象。該公司自1984年7月以來，用電弧噴涂45CT合金線材，已修復30座鍋爐，每座噴涂面在4.46米2與195米2之間，涂層厚度0.38～0.61毫米。到目前已檢查9座，未發現脫落。涂層年損失量平均為0.025毫米。

瑞士Flasma Technik公司及MarchWood工程實驗所，對鍋爐防護已做了六年研究工作。他們強調不能單從施工費用來選擇噴涂方法，主要應考慮如何在生產中始終如一地保證涂層衡量的最佳化及嚴密控制。為此他們認為采用等離子噴涂最為適宜；

（1）針對鍋爐不同部位的要求，對噴涂材料可以廣泛選擇；（2）噴涂參數可控，涂層質量穩定；（3）噴涂過程中基體處于冷態。Flasma techmik公司采用NiCr合金（55％Ni、50％Cr）進行等離子噴涂，涂層具有良好的結合強度和耐腐蝕性，年腐蝕速度為0.025毫米，涂層厚度為0.5毫米，這就意味著工作壽命超過十年。

（2）縱觀熱噴涂在鍋爐修復方面的進展，可以歸結如下：a、熱噴涂修復鍋爐技術已日趨成熟，并進行選擇。b、采用等離子噴涂或鎳（鉻）基合金為理想。

許多非金屬材料具有良好的化學穩定性，如陶瓷、塑料。許多陶瓷能耐強酸、強堿的腐蝕；且耐高溫；但因涂層具有多孔性，使其應用受到限制。如果環境溫度不太高，例如在300℃以下，則可以采用封孔劑處理。據了解，某單位采用陶瓷對鹽酸貯罐進行噴涂并封孔，使原來使用一月左右就被腐蝕損壞的容器壽命提高了許多倍，至今還在使用中。

許多塑料也可以耐酸堿的腐蝕，而且塑料涂層不存在氣孔問題，這使得塑料涂層工藝在化工防腐中大有開發前途。由于對塑料粉末直接施用熱噴涂方法的實現，使大型化工容器和其它鋼鐵構件的現場噴塑防腐成為現實。長誠熱噴涂技術有限責任公司（原長城噴涂技術研究所）研制的塑料熱噴涂裝置即將問世，它將為化工防腐作出應有的貢獻。

（二）、耐高溫、隔熱涂層

在化工生產中，高溫是其特點之一；在航空發動機上高溫也是一個突出的條件；發電廠、冶金廠等同樣常遇到高溫。由于高溫同時就伴隨著材料在高溫下的氧化和其它腐蝕現象的加劇。在高溫條件下工作的零件施加涂層的目的有二，一種是形成隔熱涂層（或稱熱障涂層），使材料實際工作溫度低于環境溫度，從而保持材料的機械性能；另一種目的則是形成抗高溫氧化或腐蝕涂層而保護基體材料。不過多數情況下兩種要求是兼而有之。

許多陶瓷就具有這些性能，因而被廣泛用于耐高溫的隔熱涂層。其中氧化鋯具有較高的熔點（2800℃左右）和較低的導熱率。

  其次是氧化鋁。但因氧化鋯的晶格是不穩定的，將其加熱至1200℃以上時從單斜型變為立方型，冷卻到1000℃后又轉變為斜型。所以稱為非穩定型氧化鋯，如果直接用于噴涂，涂層在冷熱交替時就容易脫落。加入適量的穩定劑，如氧化鈣、氧化鎂、氧化釔等，就可以抑制相變使之成為穩定的立方晶格。

  氧化鋁的熔點低于氧化鋯，隔熱性能也稍差，但因其價格便宜，所以也常用于隔熱耐高溫涂層。氧化鋁有多種相變，主要是以α-氧化鋁和γ-氧化鋁為代表，其中α-氧化鋁是穩定的，所以用于噴涂的應為α-氧化鋁。

  這些氧化物在高溫氧化氣氛中是穩定的，雖由于氣體的存在對隔熱有利，但氣體介質可能通過氣孔而侵入基體。如果基體材料不是抗氧化的，則會因基體的氧化造成涂層的脫落，對此，可在基體表面先噴一層鎳鉻耐熱合金作為中間層，再噴涂隔熱層。采用中間層還有一個作用，即選擇與基體有更好結合能力的材料使之與基體先得到一層良好的結合層，從而使工作層結合得更牢。

  目前，國內外都有將耐熱涂層用于高爐風口和渣口的例子。本溪鋼廠用Ni、Cr或鎳包鋁作為中間層噴涂Al2O3對銅基體的高爐風口和渣口進行等離子噴涂，使風口的消耗從渣口的消耗量從0.97個/萬噸生鐵下降到0.38個/萬噸生鐵；渣口的消耗量從1978年普通渣口的5.98個/萬噸生鐵下降到3.2個 /萬噸生鐵，隨著涂層質量的提高；到1981年消耗量為1.72個/萬噸生鐵。

  四川化機廠從1976年起就開始了氧化鋯涂層的試驗與應用，1978年起就開始正式將其用于引進大型化肥裝置中空氣混合器表面耐高溫隔熱涂層的修復和制造，結束了從前完全依賴進口的歷史。現在這種價值二十萬元左右的部件，一般都在使用一、二年后將其換下，重新噴涂氧化鋯層后又繼續使用，全部換新的情況很少。

  熱噴涂層更多的是用于航空發動機，我國航空工業已經對涂層制訂了自己的部標和企業標準。

（三）、機械零部件的修復

熱噴涂技術近幾年來得到普遍推廣應用，很大部份便是用于機械零件的修復。由于它可以使已報廢的許多貴重零件得以新生，并還可能提高使用壽命，故能收到明顯的經濟效益。

無論那一個行業，凡用機器和設備的地方，總不可避免的產生腐蝕、磨損現象，以前也有一些修復辦法，例如電鍍、補焊。甚至干脆將軸頸磨小，但這些方法都有一定的局限性。電鍍層的厚度是有限的，而且還受到零件尺寸和形狀的限制，鋼鐵零件多次電鍍還可能產生氫脆，造成嚴重后果；補焊的質量很難保證，一旦將基體燒損反會加劇其損壞程度；磨小軸頸（指回轉件）可適用輕度磨損的情況，但需另配相應的軸瓦，但磨損嚴重時就難以采用了，因為軸如果磨削量太大會削弱其強度。鑒于以上情況，采用熱噴涂法的適用性和靈活性就大多了，這方面的成功的例子很多，無法一一列舉。僅四川化機廠就已成功地為大型化肥廠和煉油廠等大中型企業修復了價值在三十萬至上百萬元的汽輪機、壓縮機轉子軸頸，均取得了良好的效果，目前這些被修復的轉子均在正常運行中。

（四）、熱噴涂技術在其它方面的應用

熱噴涂技術不僅可以形成各種性能的涂層，還可以用它來制備一些薄殼零件，這種方法有的稱為噴鑄成形，它是在預先制好的金屬模外表噴上一層水溶性的材料，再在其上噴涂所需的材料，然后將水溶性涂層用水溶化、脫模就可得到薄殼制品，有些制品還可以在爐中加熱燒結成致密的結構。

噴涂成形與粉末冶金相比，具有材料范圍廣（一般來說只要能用于噴涂的材料均可）；尺寸限制不大，工具、模具費用低等優點，但缺點是不適于批量生產。

為了在普通材料的殼體內表獲得耐磨或耐腐蝕性能，已有這樣的試驗，即在鑄造蕊模上噴涂自熔性合金材料，再在其外澆鑄普通材料，使涂層與澆鑄材料的近表面熔合而形成保護層。

結束語

通過前面對熱噴涂技術的論述以及列舉的應用情況，就足以表明熱噴涂技術的應用前景，目前之所以還沒有得到充分的應用，其原因是多種多樣的，首先是還沒被更多的人們了解和掌握，然而從熱噴涂技術本身來講則是應進一步提高和完善的問題。由于這門技術還很年輕，無論是噴涂工藝，噴涂材料，噴涂設備都還在不斷的發展之中。就目前的情況來講，結合強度這個最為人們關心和擔心的問題已不再是主要矛盾，但進一步提高結合強度和其它性能指標仍然是熱噴涂工作者今后需進一步研究的課題之一。提高涂層質量不是單方面的問題，它本身就不能與工藝、材料、裝備等分開。

材料的成份是千變萬化的，無論金屬及其合金，陶瓷和塑料，材料的發展內容都非常豐富，新材料在不斷出現，特別是復合材料的發展尤為迅速。

噴涂裝備也在不斷地發展和更新。高效率的熔線式噴涂設備的出現使得大面積的噴涂有了實際意義，目前出現的一種超音速火焰噴涂槍使氣體燃焰粉末噴涂的質量大為提高，使得等離子噴涂技術面臨挑戰。然而等離子噴涂設備已經出現，以計算機控制與以機械手操作的等離子噴涂系統，保證了涂層的穩定性和可靠性，而真空等離子噴涂系統的出現則使涂層的性能得到根本改善。就目前國際動向來看，等離子噴涂的研究和發展仍然保持領先地位。

無論是工藝、材料和裝備的研究和發展，其目的都是為了更好地應用。自然，隨著它們的發展、應用領域會更加擴大，應用效果也會更加顯著。

		自動登錄	找回密碼
密碼			注冊會員

久久久国产一区二区_国产精品av电影_日韩精品中文字幕一区二区三区_精品一区二区三区免费毛片爱

熱噴涂技術及特點