热喷涂技术是工程零部件表面防护和强化技术，其耐磨损涂层是表面涂层技术的主要应用领域之一。所谓热喷涂，就是利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状（或丝状或棒状）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（或雾化后加速）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。

热喷涂原理示意图

1、火焰喷涂（焊）

火焰喷涂是最早的一种喷涂方法，它是利用氧和乙炔等燃烧火焰将粉末状或丝状、棒状的涂层材料加热到熔融或半熔融状态后喷向基体表面而形成涂层的一种方法。它可制备各种金属、合金、陶瓷及塑料涂层，是目前国内最常用的喷涂方法之一。火焰喷涂方法根据使用的材料种类与火焰燃烧特性又分为普通粉末火焰喷涂法、丝材火焰喷涂法、气体爆燃喷涂法与超音速火焰喷涂法。

若采用燃烧火焰将其一次喷融或将喷涂层进行二次重熔（有火焰重熔、感应重熔和炉熔等）的方法则称为喷焊。喷焊涂层由于与基体材料呈冶金结合状态，因而与基体材料的结合强度大大提高，可以应用于冲击大、负荷重的工况下，如连续铸造拉矫辐、热轧矫直辐表面采用镍基自熔合金喷焊涂层进行强化，均获得了良好的耐蚀、耐磨和抗热疲劳的强化效果。

2、等离子喷涂

当某种气体如氮、氯、氢及氯等通过一压缩电弧时即产生电离而形成电中性的等离子体（是物质除气、液、固态外的第四态）。等离子喷涂是利用铛电极与水冷铜电极（通常作为阳极）之间产生非转移型压缩电弧，获得高温高速的等离子射流进行喷涂的。

等离子弧的能量集中温度很高，其焰流的温度在万度以上，可以将所有固态工程材料熔化，以这种高温等离子体作热源将涂层材料熔化制备涂层的工艺就是等离子喷涂。国内外已有数百种材料用于等离子喷涂，是应用较普遍的喷涂方法。等离子喷涂涂层的致密度及与基体材料的结合强度均比火焰喷涂涂层和电弧喷涂涂层的高，而且也是制备陶瓷涂层的最佳工艺。

超音速等离子喷涂是在高能等离子喷涂（80kW级）的基础上，利用非转移型等离子弧与高速气流混合时出现的“扩展弧”，得到稳定聚集的超音速等离子射流进行喷涂的方法。20世纪90年代中期美国TAFA公司推出了270kW级大功率、大气体流量（21m3/h）的“PLAZJet”超音速等离子喷涂系统。

热喷涂耐磨涂层工艺

1、表面预处理

了使涂层与基体材料很好地结合，基材表面必须经过净化和粗化处理。净化处理的目的是除去工件表面的氧化皮、油渍、油漆及其它污物。净化处理的方法有溶剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法等。

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。粗化处理的方法有喷砂、机械加工法（如车螺纹、滚花）、电拉毛等，其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法。

2、预热

预热的目的是消除工件表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度，以提高涂层与基体的结合强度，减少因基材与涂层材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂。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，一般情况下预热温度控制在60〜120笆之间。

3、喷涂

喷涂方法的选择主要取决于选用的喷涂材料、工件的工况及对涂层质量的要求。对于碳化物金属陶瓷涂层则最好采用高速火焰喷涂；如果是陶瓷涂层，则最好选用等离子喷涂；若是喷涂塑料则只能采用火焰喷涂等等。预处理好的工件要在尽可能短的时间内进行喷涂，喷涂参数要根据涂层材料、喷枪性能和工件的具体情况而定，优化的喷涂条件可以提高喷涂效率、并获得致密度高、结合强度高的高质量涂层。

4、涂层后处理

喷涂所得涂层有时不能直接使用，必须进行一系列的后处理。如为了防止腐蚀介质透过涂层的孔隙到达基材引起基材的腐蚀，必须对涂层进行封孔处理，封孔剂的材料有石蜡、环氧树脂、硅树脂等有机材料及氧化物等无机材料。

为了提高涂层的结合强度，要对喷涂层进行重熔处理（如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等静压等），使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致密涂层。

有尺寸精度要求的，还要对涂层进行机械加工。由于喷涂涂层形成了不同于一般材料的难于加工的特点，所以必须选用合理的加工方法和相应的工艺参数才能保证喷涂层机械加工的顺利进行和保证达到所要求的尺寸精度。

5、热喷涂耐磨涂层的结合机理与特点

涂层的结合包括涂层与基体的结合和涂层内部的结合。涂层中颗粒与基体之间的结合以及颗粒之间的结合机理目前认为有以下几种方式：机械结合、冶金/化学结合、物理结合。

热喷涂涂层形成过程决定了涂层的结构特点，喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构，涂层中颗粒与颗粒之间不可避免地存在一些孔隙和空洞，并伴有氧化物夹杂。涂层结构特点为：呈层状、含有氧化物夹杂、含有孔隙或气孔。

热喷涂涂层材料

热喷涂技术的发展，使可用于喷涂形成涂层的材料极为广泛。一般只要具有物理熔点的材料均可用于喷涂。对于在高温下分解的材料，如一些碳化物，可以与某些金属材料一起制造成复合材料而实现喷涂。

目前实际应用中已实现工业化生产的喷涂材料有金属、合金和陶瓷等，从形态上分为丝材、棒材和粉末三大类，其中喷涂粉末用途最广，用量也最大，占喷涂材料总用量的70%以上。

热喷涂涂层的应用

热喷涂涂层应用领域十分广泛，包括利用耐磨损性能的机械、输送领域，利用其耐腐蚀性能的石油化工、金属冶金等化学与冶金领域，利用其耐热障性能的航天航空发动机领域。作为功能材料涂层，也有利用电气绝缘、磁屏蔽、固体电解质、红外辐射等性能的应用。

1、抗磨损涂层

热喷涂层在汽车工业中也得到了日益增多的应用。使用最多的是耐磨涂层和封严涂层。

在冶金工业（如各种轧辐、工模具等部件）、电力工业（如常因发生高温冲蚀磨损的电站锅炉管道）、包装、印刷工业等领域采用热喷涂技术防护后都获得了十分显著的效果。

2、抗腐蚀涂层

长期暴露在户外大气（海洋、工业及城乡大气）和不同介质（海水、河水、溶剂及油类等）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ANZn、Al-Zn合金及不锈钢等涂层进行防护，可以获得长达20年以上的长期防护效果。一些受到气体腐蚀和化学腐蚀的部件，可以根据具体工况（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。

化工厂用高压往复式计量泵柱塞，采用喷涂（氧化铝和二氧化钛复合）涂层代替传统的镀铬工艺，具有优良的耐磨损耐腐蚀性能，其使用寿命提高了6倍。在低应力滑动磨损和磨蚀工况下，几乎所有原有镀铬的制品都可以用热喷陶瓷涂层代替。

3、抗高温氧化和耐热腐蚀涂层

在高温炉辐表面喷涂特种陶瓷或金属陶瓷涂层，具有良好的耐高温、抗氧化、抗黏着、防节瘤和自清理净化功能，既可显著提高炉辐使用寿命，又能生产表面光洁质量优良的钢材。

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