一文讀懂熱噴涂技術(shù)

熱噴涂的發(fā)展歷程

熱噴涂技術(shù)自1910年，由瑞士的M.U.Schoop博士完成最初的金屬熔液噴涂裝置以來，已有超過一百年的歷史。

最初，熱噴涂主要用于噴涂裝飾涂層，以氧-乙炔火焰或電弧噴涂鋁線和鋅線為主。上世紀(jì)30~40年代，隨著火焰和電弧線材噴涂設(shè)備的完善及火焰粉末噴槍的出現(xiàn)，熱噴涂技術(shù)從最初的噴涂裝飾涂層發(fā)展為用鋼絲修復(fù)機(jī)械零件，噴涂鋁或鋅作為鋼鐵結(jié)構(gòu)的防腐蝕涂層。

50年代爆炸噴涂技術(shù)及隨后等離子噴涂技術(shù)的開發(fā)成功，熱噴涂技術(shù)在航天航空等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。同一時(shí)期研制成功了自熔合金粉末，使通過涂層重熔工藝消除涂層中的氣孔、與基體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合成為可能，擴(kuò)大了熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

80年代初期開發(fā)成功超音速火焰噴涂技術(shù)，90年代初期得到廣泛應(yīng)用，使WC-Co硬質(zhì)合金涂層的應(yīng)用從航天航空領(lǐng)域大幅度擴(kuò)大到各種工業(yè)領(lǐng)域。功率高達(dá)200kW的高能等離子噴涂技術(shù)、超音速等離子噴涂技術(shù)、及軸向送粉式等離子噴涂技術(shù)的、尤其是高效能超音速等離子噴涂技術(shù)的出現(xiàn)，為在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)一步有效地利用熱噴涂技術(shù)提供了有力的手段。

電弧噴涂和豁然噴涂

我國熱噴涂技術(shù)是從20世紀(jì)50年代開始的，當(dāng)時(shí)由吳劍春等人在上海組建了國內(nèi)第一個(gè)專業(yè)化噴涂廠，研制氧乙炔焰絲材噴涂及電噴裝置，并對外開展金屬噴涂業(yè)務(wù)。

60年代少數(shù)軍工單位開始研究等離子噴涂技術(shù)（如北京航空工藝技術(shù)研究所、航天公司火箭技術(shù)研究院703所、航空部門410、420、430廠等單位），在我國軍工部門開始得到應(yīng)用。

到了70年代中后期出現(xiàn)了許多品種的氧乙炔火焰金屬粉末噴涂（熔）設(shè)備和各種鎳、鐵、鈷基自熔性合金粉及復(fù)合粉末噴涂材料，給熱噴涂技術(shù)快速向前發(fā)展打下了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。熱噴涂材料是熱噴涂技術(shù)的“炊糧”，材料品種的增加和性能的改善，將直接提高涂層質(zhì)量。

值得提出的是北京礦冶研究總院等單位在這一階段研制并開發(fā)了鎳包鋁等放熱型噴涂材料和多種復(fù)合粉末材料，拓寬了涂層應(yīng)用范圍，給我國熱噴涂技術(shù)帶來生機(jī)，這一階段可以說是我國熱噴涂技術(shù)發(fā)展的初級階段，盡管這一階段有了一定的進(jìn)展，但總的來說進(jìn)展緩慢，只是到了70年代中后期80年代初才獲得了較快的發(fā)展。特別是原國家經(jīng)委將熱噴涂技術(shù)作為國家重點(diǎn)推廣項(xiàng)目以后，發(fā)展速度更快并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1981年10月21～27日由國家經(jīng)委、國家科委主持在北京召開了首屆全國熱噴涂會議，會上宣布在國家經(jīng)委領(lǐng)導(dǎo)下成立了全國熱噴涂協(xié)作組，掛靠北京礦冶研究總院。協(xié)作組對上聯(lián)系國家經(jīng)貿(mào)委，對下聯(lián)系各省市、自治區(qū)經(jīng)委科技處各部門科技局，以及大中型企業(yè)、大專院校、科研單位等，形成了跨地區(qū)、跨行業(yè)、跨部門推廣應(yīng)用熱噴涂技術(shù)網(wǎng)絡(luò)體系。

1991年國家機(jī)電部武漢材料保護(hù)研究所向國家民政部申請成立了中國表面工程協(xié)會熱噴涂專業(yè)委員會，現(xiàn)掛靠中國農(nóng)機(jī)院。這兩個(gè)噴涂行業(yè)組織的先后成立，大大地促進(jìn)了我國熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，從業(yè)單位由20世紀(jì)80年代初的幾十家到目前已經(jīng)發(fā)展到近2000家專業(yè)噴涂廠家，可以說這一階段我國熱噴涂技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)繁榮昌盛階段，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。

在機(jī)械、冶金、石化、電力、鐵路、造紙、輕紡、醫(yī)療衛(wèi)生、軍工和國防等國民經(jīng)濟(jì)許多部門得到了廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)90年代發(fā)展到一個(gè)嶄新階段，這一階段的發(fā)展特點(diǎn)是：設(shè)備方面向高能、高焓、高速度方向發(fā)展；材料方面向系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、商品化方向發(fā)展，以保證多功能高質(zhì)量涂層的需要；工藝技術(shù)方面向機(jī)械化、自動化方向發(fā)展，如計(jì)算機(jī)控制、機(jī)械操作等；

推廣應(yīng)用的著重點(diǎn)是：

（1）緊緊抓住推廣應(yīng)用中的主要問題。各行業(yè)、各地區(qū)抓好量大面廣的典型件進(jìn)行推廣應(yīng)用，如：冶金行業(yè)的高爐風(fēng)口、連鑄機(jī)軋輥、爐底輥，電力行業(yè)的鍋爐四管，煤炭行業(yè)的刮板機(jī)中部槽、液壓支柱，機(jī)械行業(yè)的閥門，造紙行業(yè)的烘缸，紡織行業(yè)的羅拉、過絲輪，石油行業(yè)的鉆桿、柱塞，制糖行業(yè)的底梳、面梳等。

（2）抓大型關(guān)鍵設(shè)備的維修與強(qiáng)化，如：冶金行業(yè)的萬噸油壓機(jī)柱塞、煉鐵廠的高爐大料鐘、寶鋼的高溫爐輥、獨(dú)山子煉油廠的燃?xì)廨啓C(jī)葉片以及濰坊純堿廠的二氧化碳壓縮機(jī)汽缸，這些設(shè)備其價(jià)值都在百萬元以上，甚至每天創(chuàng)造價(jià)值都在百萬元以上，修復(fù)意義重大。

（3）抓好進(jìn)口零部件的維修與強(qiáng)化。近年來許多部門進(jìn)口設(shè)備比較多，采用熱噴涂技術(shù)進(jìn)行修復(fù)與強(qiáng)化既可解決生產(chǎn)急需又可節(jié)約大量外匯。

（4）開展社會主義大協(xié)作，對重大設(shè)備采取專家會診，協(xié)作攻關(guān)。如包鋼引進(jìn)德國6500m3引風(fēng)機(jī)大軸、北京東方紅煉油廠引進(jìn)日本的關(guān)鍵設(shè)備、武鋼1.7m軋機(jī)、西南鋁加工廠號稱“國寶”的萬噸油壓機(jī)柱塞、貴州鋁廠的碳素電極擠壓成形嘴等大型進(jìn)口關(guān)鍵設(shè)備都組織專家會診，協(xié)作攻關(guān)，成功地進(jìn)行了修復(fù)，既解決了企業(yè)生產(chǎn)中的難關(guān)，又為國家節(jié)約了大量外匯，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益重大。

（5）加強(qiáng)國內(nèi)外的交流與合作，僅全國熱噴涂協(xié)作組就已經(jīng)召開了16屆年會和各種類型的國內(nèi)外技術(shù)交流活動，舉辦了兩屆中、日熱噴涂技術(shù)研討會以及多次國際間的技術(shù)交流活動。近年來和國際上有影響的相關(guān)組織和企業(yè)保持著密切的聯(lián)系，如美國金屬學(xué)會熱噴涂協(xié)會（ASMTSS）、德國焊接學(xué)會（DVS）、國際熱噴涂協(xié)會（ISPC，CANADA）、蘇爾壽美科公司（SULZER METCO，SWITZERLAND）、普萊克斯公司（PRAXAIR，USA）以及愛羅普拉斯瑪株式會社（AEROPLASMA，JAPAN）等。

借鑒國外的先進(jìn)熱噴涂技術(shù)，為我國熱噴涂技術(shù)的發(fā)展與提高作出了重要舉措。還舉辦6次大型技術(shù)講座、30多次普及型和專業(yè)型技術(shù)培訓(xùn)班，召開7次大型現(xiàn)場技術(shù)經(jīng)驗(yàn)交流會，出版印刷10余種論文集。“八五”期間熱噴涂技術(shù)的推廣應(yīng)用獲國家“高效優(yōu)質(zhì)的熱噴涂技術(shù)”的推廣獎(jiǎng)。

超音速噴涂和等離子噴涂

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國的熱噴涂技術(shù)已經(jīng)有了飛快的發(fā)展，設(shè)備與材料經(jīng)過幾十年的自主開發(fā)和引進(jìn)、借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，目前，中國已能開發(fā)和生產(chǎn)真空等離子、大氣等離子（高能等離子）、爆炸噴涂、等離子堆焊、電弧噴涂及火焰粉末噴涂及火焰線材噴涂設(shè)備，生產(chǎn)金屬粉末(Ni、Co、Fe基)、各種復(fù)合粉、陶瓷、金屬陶瓷粉末、各種合金絲材和粉芯絲材等，基本上可以滿足國內(nèi)熱噴涂市場的需要。有些品種已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

冷噴涂和爆炸噴涂

應(yīng)該特別指出的是，最早問世的火焰噴涂技術(shù)、電弧噴涂技術(shù)在飛速發(fā)展的熱噴涂技術(shù)中，不但沒有被淘汰，而是經(jīng)過不斷改進(jìn)在適應(yīng)各類材料的噴涂中繼續(xù)發(fā)展。

各種新型噴涂材料的出現(xiàn)，進(jìn)一步擴(kuò)大了火焰噴涂技術(shù)的使用范圍。新型火焰噴涂槍可以噴涂各種金屬、陶瓷、金屬加陶瓷的復(fù)合材料和各種塑料粉末材料的涂層。盡管等離子和HVOF/HVAF超音速以及爆炸噴涂的涂層優(yōu)于常規(guī)火焰噴涂和電弧噴涂，但由于投資大、操作控制系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備笨重、無法現(xiàn)場施工等缺點(diǎn)，應(yīng)用范圍受到極大限制，在防腐和維修市場難以推廣普及。

新型火焰噴涂設(shè)備與技術(shù)和超音速電弧噴涂設(shè)備與技術(shù)在工業(yè)防腐和零件修復(fù)市場中永遠(yuǎn)是主要技術(shù)力量。特別值得指出的是，電弧噴涂既是一種古老的噴涂技術(shù)，又是一種嶄新的噴涂技術(shù)。該技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)由于受噴涂設(shè)備性能的限制，只能噴涂一些低熔點(diǎn)的金屬材料來防止鋼鐵表面銹蝕。隨著熱噴涂技術(shù)的發(fā)展與提高，電弧噴涂技術(shù)也在不斷進(jìn)步。到了20世紀(jì)中期，電弧噴涂技術(shù)已經(jīng)占據(jù)了重要地位。后來由于等離子、爆炸等噴涂技術(shù)的出現(xiàn)，能滿足航空、航天、火箭等尖端技術(shù)的需要，在某種程度上限制了電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展。

進(jìn)入90年代，由于北京工業(yè)大學(xué)研制成功粉芯絲材，給電弧噴涂技術(shù)帶來了生機(jī)。粉芯絲材既克服了高合金成分難以拔絲的困難，同時(shí)還能使一些不導(dǎo)電的顆粒材料（陶瓷及碳化物）填充到粉芯絲材中，在電弧噴涂上得以應(yīng)用，如Al2O3、TiO2、TiB2和Cr3C2等。由于粉芯絲材成分易調(diào)節(jié)、生產(chǎn)周期短、選材便利、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，因此促進(jìn)了電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展。

近年來高合金、鋅鋁合金（85/15）的絲材的出現(xiàn)，使電弧噴涂技術(shù)發(fā)展得更快。隨著電弧噴涂材料的品種不斷增加，性能不斷提高，電弧噴涂設(shè)備又向精密化、自動化方向發(fā)展。如超音速電弧噴涂、高速脈沖電弧噴涂、復(fù)合電弧噴涂、保護(hù)氣體電弧噴涂和真空電弧噴涂等，這些新的電弧噴涂工藝技術(shù)的出現(xiàn)，大大地提高了噴涂效率，改善了涂層質(zhì)量，拓寬了電弧噴涂技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)前這項(xiàng)技術(shù)很受青睞，在國民經(jīng)濟(jì)許多部門發(fā)揮了重要作用，使古老的電弧噴涂技術(shù)煥發(fā)了青春。

激光噴涂和HVAF超音速噴涂

熱噴涂設(shè)備與材料經(jīng)過幾十年的自主開發(fā)和引進(jìn)、借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，目前，中國已能開發(fā)和生產(chǎn)真空等離子、大氣等離子、爆炸噴涂、等離子堆焊、電弧噴涂、火焰粉末噴涂、火焰線材噴涂設(shè)備，生產(chǎn)金屬粉末(Ni、Co、Fe基，合計(jì)約300t/年)、陶瓷、金屬陶瓷粉末(Al2O3、Al2O3+TiO2、Cr2O3、WC—Co等，合計(jì)約200t/年)，絲材(Al、Zn、Cu、不銹鋼等，合計(jì)約1000t/年)。

盡管設(shè)備總體還沒有達(dá)到世界先進(jìn)水平，材料方面仍有許多改進(jìn)之處，但是，中國已成為世界上少數(shù)幾個(gè)能在熱噴涂設(shè)備和材料上自給自足的國家之一，基本滿足熱噴涂行業(yè)需要。同時(shí)，約有10%的設(shè)備和材料仍需進(jìn)口。

熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

熱噴涂技術(shù)作為一種技術(shù)涉及面廣、加工工藝相對簡單靈活、應(yīng)用范圍廣、經(jīng)濟(jì)效益大的現(xiàn)代加工新技術(shù)，它可使表面具備耐磨、防腐、絕熱、耐熱、導(dǎo)電、絕緣、抗沖蝕、抗氧化、減摩、潤滑、防輻射等功能。不但可以用于機(jī)械零部件的修復(fù)和表面強(qiáng)化，而且可以用于制造。

由于噴涂材料的選擇范圍廣，不受整體材料合金化的限制，可較方便地獲得超硬合金、各種陶瓷或金屬陶瓷涂層以及各種功能涂層，且涂層相對于整體高級材料而言材料用量少，比起整體提高材質(zhì)無疑要經(jīng)濟(jì)得多，因此可大膽使用貴重材料，其成本不會增加很多，而材料的表面性能卻能得到大幅提高，經(jīng)熱噴涂修復(fù)的零件使用壽命一般可以達(dá)到甚至數(shù)倍超過新品。

熱噴涂技術(shù)未來發(fā)展趨勢與展望

從未來的發(fā)展趨勢看，熱噴涂系統(tǒng)工程的研究將越來越受到人們的重視。目前許多國家都加強(qiáng)了對熱噴涂系統(tǒng)工程的研究，即從失效分析入手，通過對表面預(yù)處理，噴涂設(shè)備、噴涂材料及噴涂工藝的優(yōu)化，制定出熱噴涂實(shí)施工藝計(jì)劃。在發(fā)展過程中，熱噴涂技術(shù)與其他學(xué)科相互交叉滲透形成了新的表面處理工藝。未來熱噴涂技術(shù)可能在以下方面發(fā)展：

（1）在噴涂材料的選擇方面：火焰噴涂技術(shù)、等離子噴涂技術(shù)和超音速火焰噴涂技術(shù)所采用的粉末型噴涂材料還將是市場需求主流，電弧噴涂技術(shù)和冷噴涂技術(shù)噴涂材料的選擇雖然有一定的局限性，但未來隨著工藝進(jìn)步與更新，還將得到進(jìn)一步拓展。

（2）在涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度方面：冷噴涂、超音速火焰噴涂、超音速等離子噴涂和LPPS-TF涂層等與基體的結(jié)合強(qiáng)度相對較高的方法，將發(fā)揮更大的作用。

（3）在基礎(chǔ)理論的研究方面：熱噴涂技術(shù)是一個(gè)涉及多學(xué)科，交叉性很強(qiáng)的邊緣性學(xué)科。它由于受到高溫、高速以及力學(xué)非均勻性等參數(shù)因素的影響，熱噴涂技術(shù)基礎(chǔ)理論的研究面臨很大的困難，基礎(chǔ)理論的研究尤為重要。

（4）在新型噴涂材料研發(fā)方面：熱噴涂材料總的發(fā)展趨勢是：涂層成分的復(fù)合化和低雜質(zhì)化，結(jié)構(gòu)的超微化和納米化，而且納米結(jié)構(gòu)復(fù)合型，多元合金等各種新型材料的研發(fā)為研究的熱點(diǎn)。

（5）在噴涂工藝和設(shè)備研發(fā)方面：提高涂層質(zhì)量和擴(kuò)展噴涂材料的關(guān)鍵是要提高噴涂粒子的能量和速度，因此，熱噴涂工藝和設(shè)備的改進(jìn)和開發(fā)要向著高能和高速的方向發(fā)展。

（6）在新的應(yīng)用領(lǐng)域拓展方面：熱噴涂技術(shù)具有和其它學(xué)科彼此滲透、相互貫通的特點(diǎn)，利用這一特點(diǎn)不斷的開發(fā)新的熱噴涂技術(shù)，并開發(fā)出新的熱噴涂技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。熱噴涂技術(shù)與其它相關(guān)技術(shù)的結(jié)合是探索和開發(fā)熱噴涂新應(yīng)用領(lǐng)域的有效途徑。

來源：CTSA熱噴涂技術(shù)平臺