熱噴涂知識與技術

熱噴涂綜述

一、熱噴涂的定義

    熱噴涂技術，是采用某種高溫熱源，將欲涂覆的涂層材料熔化或至少軟化，并用氣體使之霧化成微細液滴或高溫顆粒，高速噴射到經過預處理的基體表面形成涂層的技術。
　　當熱源的比能量足以使基體表面發生薄層熔化，與噴射的熔融顆粒形成完全致密的冶金結合涂層時，稱為熱噴焊，簡稱噴焊。
　　使用高溫熱源，如氧——可燃氣體燃燒火焰、電弧、等離子電弧、激光束、爆炸能等，是熱噴涂技術區別于其他噴涂方法和表面涂覆方法的主要特征。不同熱源的最高溫度列于附表。

附表：不同熱源的最高溫度 　　

二、熱噴涂技術的特點

采用熱噴涂技術，制備各種表面強化和表面防護涂層，具有許多獨特的優點。
(1)能夠噴涂的材料范圍特別廣，包括各種金屬及合金、陶瓷及金屬陶瓷、塑料、非金屬礦物等幾乎所有固態工程材料。因而能夠制備耐磨、減摩、耐蝕、耐高溫、抗氧化、絕緣、導電、催化、輻射、防輻射、抗干擾、超導、非晶態及生物功能等各種功能涂層；
(2)能夠在多種基體材料上形成涂層，包括金屬基體、陶瓷基體、塑料基體、石膏、木材甚至紙板上都能噴涂，被噴涂的材料范圍也十分廣泛；
(3)一般不受被噴涂工件尺寸和施工場所的限制，既可廠內施工，也可現場施工；
(4)涂層沉積效率較高，特別適合沉積薄膜涂層。涂層厚度可以控制，從幾十微米到幾毫米甚至可厚達20mm；
(5)除噴焊外，熱噴涂施工對基體的熱影響很小，基體受熱溫度不超過200℃，基體不會發生變形和性能變化；
(6)在滿足強度要求的前提下，制件基體可以采用普通材料代替貴重材料，僅涂層使用優質材料，使“好鋼用在刀刃上”；
(7)熱噴涂施工藝靈活，方便，迅速，適應性強。
當然，熱噴涂技術也有如下一些缺點。
(1)除噴焊外，熱噴涂涂層與基體的結合主要是物理機械結合，結合強度不大高，涂層耐沖擊和重載性能較差；
(2)噴涂涂層含有不同程度的孔隙，對于耐腐蝕、抗氧化、絕緣等應用，一般不如整體材料。但可通過復合涂層系統設計等方法予以改進提高；
(3)噴涂小件時，涂層材料的收得率低；
(4)熱噴涂手工操作時的勞動條件較差，有噪音、粉塵、熱和弧光輻射問題，必須注意勞動保護措施。
　　盡管如此，由于熱噴涂技術具有上述許多獨特的優點，已被廣泛地應用于航空、航天、冶金、能源、交通、石油化工、機械、輕紡等工業部門，成效十分顯著。 
三、熱噴涂涂層的結構

　　熱噴涂涂層是將熔融或至少軟化的粒子，高速噴射到基體上，發生碰憧、變形、快速凝固、堆積等過程，最后形成涂層。附圖是典型的熱噴涂涂層結構示意圖。

　　　　　　　　　　　　　　　　　附圖:熱噴涂涂層結構示意圖 
1-涂層;2-氧化物夾雜;3-孔隙或空洞;4-顆粒間的粘接;5-變形顆粒;6-基體粗糙度;7-涂層與基體結合面

　　從附圖可以看出，熱噴涂涂層的組織結構具有如下特點：
　　(1)涂層粒子因碰撞變形而呈扁平狀堆積結構，具有各向異性。涂層與基體之間的結合主要是物理機械結合；
　　(2)涂層顆粒堆積、重疊過程中，顆粒之間必然存在一定程度的孔隙和氣孔；
高溫顆粒在噴射過程中，會與噴射氣體或周圍環境氣氛發生某種程度的化學反應，如與環境中的空氣作用發生　(3)氧化。因此，涂層組織中可能含有少量的氧化物夾雜；
　　(4)由于高溫顆粒噴射到基體表面快速冷卻凝固，由于涂層材料與基體材料的熱物理性能特別是熱膨脹系數的差異，使涂層中形成相當的熱應力和殘余應力?？刂坪吞幚聿缓?，有可能使涂層發生裂紋甚至剝落；
　　(5)熱噴涂涂層的表面為粗糙的毛面，具有較高的表面能，這為復合涂層設計和制造提供了良好的基礎。
　　根據熱噴涂涂層結構的這些特點，顯然，在熱噴涂涂層的設計和施工中，應努力做到：制備清潔活化的基體表面以提高涂層與基體的界面性能；提高噴射顆粒的速度以獲得高的動能；保證噴射顆粒良好的受熱及熔化狀態，以達到足夠的熱能；控制涂層的應力狀態、應力大小和應力分布；盡可能減少或避免噴射的高溫顆粒在噴涂過程中與周圍環境氣氛發生有害的化學反應，乃是獲得優質涂層的主要條件。

四、熱噴涂涂層的防腐蝕特性

　　材料的腐蝕，廣義地理解，可以認為是材料的分子或原子發生電子得失而產生有害化學變化的過程，它不僅包括液相腐蝕和氣相腐蝕，還應包括高溫氧化與腐蝕、特種腐蝕（如核輻射）等。
　　如前所述，由于熱噴涂涂層含有某些氣孔，因此，就耐腐蝕而言，一般說來，熱噴涂涂層的耐蝕性不如相同的整體材料的耐蝕性。然而，由于熱噴涂涂層材料選擇的廣泛性，調整涂層成分比較容易；再通過合理的復合涂層系統設計和后處理，使熱噴涂涂層在腐蝕與防護控制中，特別是抗高溫氧化與腐蝕、磨損腐蝕和特種腐蝕，顯示出獨特的優勢，獲得越來越廣泛的應用。

　　用熱噴涂技術制備防腐蝕涂層，有如下特點：
　　(1)能夠選擇比基體金屬的電極電位更負的金屬材料，對基體金屬（主要是鋼鐵材料）進行大面積的、均勻的犧牲陽極保護；
　　(2)能夠在基體材料表面直接噴涂具有屏蔽欄柵作用的致密保護膜，如塑料涂層，將腐蝕介質與基體隔離開來；
　　(3)能夠選擇某些涂層材料，在腐蝕（包括氧化）環境下形成致密無孔的腐蝕產物膜或氧化物膜，這種膜韌性好，附著牢固，亦能有效地將基體金屬與腐蝕介質有效地隔離，使基體金屬不再被進一步腐蝕。如A1、Cr、si等元素的氧化物膜；
　　(4)在磨損腐蝕條件下，容易用熱噴涂技術在耐蝕涂層中添加硬質相，從而顯著提高不銹鋼、鈦等耐蝕材料的耐磨性能；
　　(5)可以通過涂層系統設計，如使用耐蝕的打底層材料，涂層封孔，涂層涂裝或重熔等后處理，消除涂層孔隙對其腐蝕防護性能的不利影響；
　　(6)熱噴涂技術, 可以與其他表面處理工藝相互滲透，形成制造耐蝕涂層技術的復合工藝，如對噴金屬涂層進行電鍍或電刷鍍的“涂—鍍復合工藝”；對噴涂層進行擴散熱處理的“涂—滲復合工藝”，“噴涂—熱等靜壓”等；
　　(7)由于熱噴涂涂層材料的選擇范圍很廣，因而在防特種腐蝕方面，如中子輻射、生物體液腐蝕等，有著特殊的用途；
　　(8)采用熱噴涂技術，容易對設備的局部腐蝕損壞如搪瓷反應釜局部掉瓷，進行現場修復快速。
　　當然，由于腐蝕環境千差萬別、各種熱噴涂涂層的腐蝕性能數據還相當欠缺，具體應用時需要格外注意，應盡可能先進行模擬試驗或現場腐蝕試驗。

五、熱噴涂工程系統設計

　　要想采用熱噴涂涂層，獲得防腐蝕應用的成功，必須十分注意熱噴涂工程的系統設計，主要包括如下內容　　1．腐蝕工況及腐蝕失效分析
　　(1）腐蝕工況：
　　影響涂層耐蝕性能的主要有以下因素：
　?、俳橘|的成分和濃度；
　?、陔s質種類及含量；
　?、凼褂脺囟?；
　?、芙橘|（氣體或液體）流速、流動角度；
　?、萑芤旱膒H值；
　?、奕芤褐械难?、氧化劑和還原劑的含量；
　?、呓橘|中含有機物、微生物。細菌情況；
　?、喔g產物及生成膜的穩定性，對環境的污染性。
　　(2)腐蝕失效分析：
　　應根據具體的腐蝕條件，對可能產生的腐蝕失效機理進行分析或研究，以確定可能的腐蝕類型，如均勻腐蝕、點腐蝕、局部腐蝕、應力腐蝕、電化學腐蝕、疲勞腐蝕、磨損腐蝕、高溫腐蝕、生物腐蝕、空泡腐蝕、沖刷腐蝕、氫腐蝕、晶問腐蝕等。
　　2．涂層材料的正確選擇
　　腐蝕環境千差萬別，影響腐蝕及控制的因素很多，有時某一種機理的腐蝕起主要作用，但許多情況下是多種機理的腐蝕相互作用，加速腐蝕失效過程。沒有能滿足各種腐蝕工況的萬能耐蝕材料和抗腐蝕涂層。只有熟悉并掌握豐富、全面的材料科學知識，才能做到“對癥下藥”，正確合理地選擇涂層材料，進行涂層系統設計。
　　3．正確地進行基體的加工設計
　　欲進行熱噴涂的制件，其基體加工時，除了下切到滿足涂層厚度要求的尺寸外，應盡量避免死角、尖角、直角和盲孔，應盡可能用圓弧、倒角等形式，以避免局部應力集中，導致涂層開裂或剝落。
　　4.制備良好的基體表面
　　提高涂層與基體的結合強度，是各種表面涂層技術的主要目的之一，熱噴涂涂層也不例外。為了獲得優質的涂層與基體的界面狀態，熱噴涂之前，要求基體表面預處理達到凈化、粗化和活化。
　　基體表面預處理的質量，直接影響熱噴涂涂層與基體的結合性能，是整個熱噴涂過程成功的關鍵環節之一，應予高度重視。
　　5．正確地進行涂層系統設計與施工
　　用于腐蝕防護與控制的熱噴涂涂層，常采用復合涂層系統設計和施工方法。一般是在基體材料上首先噴涂一層耐蝕性好的打底涂層，然后噴涂工作涂層，最后進行涂層的封孔處理，以達到完全消除涂層氣孔影響的目的。
　　6．涂層的后處理和精加工
　　涂層的后處理方法很多，除了封孔處理之外，主要有重熔致密化處理如火焰重熔，爐內重熔，感應重熔，激光束重熔，電子束重熔等；高溫致密化合金化處理如熱等靜壓，熱擴散，高溫燒結等；復合工藝處理如涂－ 鍍工藝，噴涂―軋制工藝等，最后是涂層的精加工。
　　由于熱噴涂涂層的界面結合特性和涂層結構特點，其精加工與整體材料的精加工有顯著的區別，處理不當，就會前功盡棄，應予高度重視。
　　總之，熱噴涂技術是一個多因素、多環節的工藝流程系統。首先，應根據使用工況的腐蝕條件或失效分析，確定對涂層的防腐蝕性能要求，以選擇適當的涂層材料、設備及熱噴涂工藝。然后，實施熱噴涂工藝施工，包括基體表面的加工及預處理、熱噴涂工序，涂層封孔、后處理及精加工、涂層質量檢驗。每道工序都必須嚴格按操作規程進行，檢驗合格，方能進行下一道工序。
　　除了現代化的計算機控制的機器人操作之外，熱噴涂工藝還在很大程度上受操作人員的技能和經驗的影響。因此，應對有關人員進行比較系統的培訓，充分熟悉工藝和安全規程，方能上崗實際操作。