热喷涂工艺浅析

随着高新科技的应用，工业生产技术水平不断提高，高速、高效、高质量的模式成为增长的目标，对机械零件的综合性能要求越来越高。改进材料的应用，提高材料的表面性能，成为技术工人的密切关注。热喷涂技术是表面工程表面改性最有效的技术之一。

根据国家标准GB/T 18719-2002《热喷涂术语、分类》中定义：热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法，赋予基体表面特殊功能的目的。

1、主要的表面涂层应用工艺

表1是主要的涂层工艺、可达到的涂层厚度、常用的涂层材料和典型的应用。需要考虑的因素较多，比如一些工艺不一定适合某些材料，或者某些工艺无法获得需要的涂层厚度，或者一些工艺需要的设备非常复杂，因此成本较高。成本的分析一般决定了涂层的实际使用方案，同时，还需要考虑环境因素符合生态标准。

与其它涂层工艺相比，热喷涂具有更宽的涂层材料、涂层厚度和可能的涂层性能的选择空间

2、热喷涂工艺

2.1  基体材料的选择

基体材料要能够在喷砂工艺下变得粗糙，，一般基体表面硬度要≤55HRC（高锰钢原始硬度HRC17~21，在使用后表面硬度提高，硬度可达HRC45左右；典型的轴承钢GCr15为例，回火后的硬度为：HRC61-65；65Mn弹簧钢的硬度为42-47HRC；304不锈钢出厂硬度应该在HV145至175之间（HRC11左右）,改性的304可以做到HV400多（HRC42左右）；高温合金GH4169硬度最高可达HRC42，典型的钛合金TC4本身硬度约在HRC30左右）。由于涂层和基体主要是机械结合，因此基体表面的清洁和预处理对热喷涂涂层工艺非常重要。

要获得良好的涂层性能，还需要被喷涂的组件具有合适的尺寸，首选尺寸是盘、板、旋转对称的部件，如表2所示。

2.2  基体材料的表面预处理

首先要使用化学或物理的方法去除衬底表面上的杂质,然后用喷砂表面粗化矩阵,该方法通过提高衬底基片的表面自由能激活,同时有助于改善熔融粒子保税区。

液态的或者熔融的涂层颗粒在高速下撞击基体表面，导致颗粒变形，形成“薄煎饼”状形貌。

随着颗粒的收缩和固化，他们粘附在粗糙的基体材料表面，其粘结机理主要是机械铆合，由涂层颗粒和基体材料之间扩散引起的冶金结合的数量非常小，小到可以忽略的地步。（例外：Mo）

常用的喷砂材料：Al2O3砂粒、冷硬铸铁砂粒、钢砂粒或者SiC砂粒。除了砂粒的类型，其他的影响因素还有颗粒尺寸、颗粒形状、喷砂角度、压力和砂粒的纯度。

2.3  涂层材料的选择

表3为部分最常用的热喷涂材料和一些典型的应用。选择满足要求的合适的材料需要依靠对应用环境和材料相关知识的了解。

2.4  热喷涂工艺的选择

各种热喷涂工艺的热能由火焰的温度决定，喷涂颗粒的速度由气体速度决定。各种热喷涂工艺性能的比较如图2所示。等离子喷涂工艺的温度最高，特别适合喷涂高熔点材料，如陶瓷材料，HVOF工艺的动能较高，并且相对热能较低，适合于喷涂碳化钨系材料。

2.5  热喷涂用基础设施

2.6  典型的热喷涂涂层功能

2.6.1  耐磨防护

常采用陶瓷、碳化物材料，如WC/Co、WC/CoCr。

2.6.2  耐腐蚀防护

低碳的、纯铁和铸铁材料易受腐蚀，因此常需要表面防腐。一般采用火焰喷涂Al或者Zn。这主要的应用领域是桥梁和近海结构。耐高温氧化腐蚀，常采用的材料为MCrAlY，采用的喷涂工艺为气氛控制等离子喷涂。

2.6.3  隔热和绝缘

陶瓷材料是极优异的隔热和电绝缘材料，他们也兼具良好的氧化和耐磨性能。这些特性对发动机和燃气涡轮组件也非常有用，可用于制备热障涂层，用于降低基体表面的温度，从而延长使用寿命。另一方面，由于减少了运行时的热损失，所以提高了使用效率。这种涂层体系一般有抗高温氧化的MCrAlY底层和陶瓷面层组成。YSZ是最常被使用的面层材料，因为其具有优异的抗热震性能。

2.7  后加工

因为许多热喷涂涂层具有表面粗糙和孔隙多的特点，因此常常有必要后加工处理表米娜。此外，还可以附加其它工艺，例如扩散、渗氮、等静压或者喷丸等。

2.7.1  后机械加工

热喷涂涂层的粗糙度约在5~20μm之间。因此，为了满足最终尺寸和表面光洁度的要求，常常有必要机加工许多组件，机加工工艺视涂层需求而定，可以选择机加工或者研磨到最终尺寸。

2.7.2  封孔

密封喷涂涂层主要用于填充涂层中的孔隙和微裂纹，提供附加的腐蚀防护，从而避免腐蚀介质渗入到基体材料中。

当采用树脂或者蜡密封剂，液态下渗入到孔隙中，然后固化（常需要加热）。如果采用喷涂或者刷涂密封剂的方式，这个工艺常常需要重复数次，以确保完全密封。

密封剂也常用来提高表面的结合特性（PTFE（聚四氟乙烯）基密封剂）。

2.7.3  涂层后热处理

涂层后热处理，与增加涂层与基体的结合强度的扩散工艺不同的是需要重新熔化自熔合金涂层。

这类自熔合金涂层材料一般由Cr、Fe、Ni的合金和大量的B、Si造渣剂组成。

在喷洒过程中，一些当地的中间金属形成。涂层的重熔引起了材料的完全转化和硬硅酸盐和硼化物的形成。基部界面的扩散也发生了，增加了键的强度。毛孔基本上被消除了，彼此之间无法接触。

这类涂层展现出极为优异的抗腐蚀性能和非常高的硬度。一般常用的重熔工艺是氧乙炔火焰，也可以采用电炉、激光、电子束或者感应加热等方法，需要的温度范围为1000~1200℃。