热喷涂氧化铝涂层技术及应用

发布时间 | 2025-02-27 10:27 分类 | 粉体应用技术点击量 | 358

氧化铝

导读：热喷涂所用材料种类繁多，诸如金属、合金、陶瓷等均可作为喷涂材料，陶瓷氧化物中，氧化铝是用量大、用途广的品种之一。氧化铝因具有熔点高，硬度大，化学性质稳定，有较好的绝缘性等特性，其...

通过特定的工艺在基材表面形成特定的涂层，可以有效改善材料的表面性能，与之相关的技术包括气相沉积、电化学沉积、高能束表面处理和热喷涂等，其中热喷涂是用专用设备把某种固体物质加热熔化或软化并加速喷射到工件表面，形成一种覆盖物薄层（涂层）以获所需性能的工艺方法。

热喷涂实例（等离子喷涂，来源：laserax）

热喷涂所用材料种类繁多，诸如金属、合金、陶瓷等均可作为喷涂材料，陶瓷氧化物中，氧化铝是用量大、用途广的品种之一。氧化铝因具有熔点高，硬度大，化学性质稳定，有较好的绝缘性等特性，其涂层被广泛应用于耐磨，耐蚀，耐高温，绝缘等相关领域。

一、热喷涂的基本原理

热喷涂技术是采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，使合金、陶瓷、氧化物、碳化物以及它们的复合材料等喷涂材料（丝状、棒状、粉末）加热到熔化或半熔化状态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。热喷涂工艺示意图如下：

热喷涂工艺示意图

热喷涂技术工艺方法很多，各有特点，无论何种工艺方法，喷涂过程中形成涂层的原理和涂层结构基本一致。热喷涂形成涂层的过程一般经历四个阶段：喷涂材料加热熔化阶段、雾化阶段、飞行阶段、碰撞沉积阶段。

热喷涂碰撞沉积示意图

二、氧化铝的热喷涂方式

热喷涂技术的核心是对热喷涂材料进行加热使之熔化或半熔化并加速沉积到经过预处理的工件表面形成涂层，因此，热源的应用和控制对热涂过程至关重要。目前热喷涂采用的热源主要有气（液）体燃烧火焰、电弧和等离子弧等，如下是常见的热喷涂技术分类。

常用的热喷涂技术分类

不过热喷涂种类虽多，但由于本身设备的限制，很多热喷涂技术并不能用于氧化铝陶瓷涂层的制备。目前较为常用的热喷涂氧化铝方式主要有两种，一个是具有高热源（15000 K）的等离子喷涂，另一个则是具有高焰流速度（500~700m/s）的爆炸喷涂。

1、等离子喷涂

等离子体被称为除气、液、固态外的第四态，即在高温下电离了的“气体”，在这种“气体”中正离子和电子的密度大致相等，故称为等离子体。等离子喷涂技术是以等离子焰流（即非转移型等离子弧）为热源制备涂层的工艺方法。

等离子喷涂的原理如下图所示，等离子喷涂时喷嘴（阳极）与喷枪（阴极）分别与直流电源的正负极相连，阴极与阳极产生的非转移型等离子弧将Ar、N₂等工作气体加热解离成高温等离子气，在机械压缩、热压缩和自磁压缩的共同作用下，从喷嘴高速(1000~2000m/s)喷出,形成高速的等离子焰流；喷涂粉末被送粉气输送到喷嘴处的焰流中，熔化并以大于150m/s的速度喷射到基体上，层层堆叠形成涂层。

等离子喷涂原理示意图

等离子喷涂的焰流温度很高，适合于高熔点材料如氧化物的喷涂，主要用于制备耐磨减摩用化铬涂层、耐磨用氧化铝涂层、隔热用热障涂层等陶瓷涂层。

2、爆炸喷涂

爆炸喷涂是将一定量的喷涂粉末注入喷枪的同时，引入一定量的按一定比例配制的氧-乙炔混合气体，将混合气体点燃产生爆炸能量（温度可高达3300℃），使粉末加热到高塑性或熔融状态，以每秒4~8次的频率高速（可达700-760m/s）撞击工件表面形成高结合强度和高致密度的涂层，每爆炸喷射一次，随即有一股脉冲氮气流清洗枪管。爆炸喷涂的最大特点是涂层非常致密，气孔率很低，与基体结合性强，表面平整，可喷涂金属陶瓷、氧化物及特种金属合金。