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译自Amin S, Panchal H. A review on thermal spray coating processes[J]. transfer, 2016, 2(4).
热喷涂工艺综述
Sagar Amin1 *,
巴罗达大学技术与工程学院冶金与材料工程系研究学者，Vadodara, India samin649@gmail.com
*作者联系方式
赫曼特Panchal2
印度巴罗达大学技术与工程学院冶金与材料工程系助理教授
摘要
表面涂层是一种用于生产材料、工具和机械零件的经济的方法，这些材料、工具和机械零件需要具有理想的表面性能，如防腐蚀性、防冲蚀性和耐磨性。故常使用不同的涂料来达到预期的性能。热喷涂是保护新零件不受磨损、高温腐蚀、残余应力、腐蚀的最有效方法之一，并能提供坚硬、致密的涂层，从而提高材料的使用寿命。本文对等离子喷涂、电弧丝喷涂、火焰喷涂、超音速火焰喷涂(HVOF)技术的基本原理、优点、应用及比较进行了探讨。
关键词：等离子喷涂；电弧丝喷涂；火焰喷涂；超音速火焰喷涂(HVOF)；热喷涂涂层
目录
第1章 绪论 4
第2章 文献调查 5
图2.1 (A)热喷涂工艺总图和(B)热喷涂涂装装置。 5
图2.2 各种热喷涂工艺的分类 6
2.1. 等离子喷涂 6
图2.3 等离子弧过程原理图 6
图2.4 转移和非转移等离子弧过程的比较 7
2.2. 电弧丝喷涂 8
图2.5电弧丝喷涂工艺原理图 8
2.3. 火焰喷涂 8
图2.6 (A)线材火焰和(B)粉末火焰工艺示意图 9
2.4. 超音速火焰喷涂(HVOF) 9
图2.7 超音速火焰喷涂(HVOF)工艺原理图 9
表2.1几种常用热喷涂工艺的比较 10
第一章 讨论 11
第二章 结束语 12
参考文献 13
- 绪论
多年来，热喷涂工艺已广泛应用于各主要工程行业的零部件的保护和回收。近年来随着设备和工艺的发展，热喷涂涂料的质量得到了提高，并扩大了其潜在的应用范围。热喷涂技术在航空航天、汽车、发电、石油化工、海洋等重要工业领域中应用广泛，是一项成熟的耐磨防腐涂料应用技术。近年来，设备和材料质量的改进提高了热喷涂工艺的技术可靠性，生物医学、绝缘体和电子涂料等新市场层出不穷。因此，喷涂供应商在热喷涂设备、涂层材料和气体选择方面有许多选择，但这些选择往往取决于涂层所处的环境。
- 文献调查
早期的实验中，液体被高压气体分解成细颗粒。粉末的生产比起涂料的施工更受重视。熔融颗粒撞击基板表面及颗粒自身，使其冷却并形成涂层[1]。
根据方法和进给速度的不同，热喷涂可以形成20微米到几毫米的涂层。整个过程是与极小的传热和机械联锁有关的，这将作为主要的粘着机制，最终促进了我们的涂层的生成。，几乎任何材料上的任何基体材料都可以用用热喷涂法[2]。涂层的质量通过相稳定性、涂层密度、粘结强度、硬度、韧性、氧化物含量和表面粗糙度等指标来评价。采用热喷涂方法制备的涂料具有广阔的应用前景，包括热障、耐磨和耐腐蚀涂层。这些涂料广泛应用于石油天然气、航空航天、电厂、纺织、矿产加工、化工、造纸等行业。热喷涂涂料的主要优点是涂层和基体材料的多样性。涂层可以剥离，基材可以重新组装，而不会对组件造成任何损伤或尺寸变化。直线-非直线特性是热喷涂的主要缺点。小的、深的和非常复杂的基片很难涂覆。
图2.1 (A)热喷涂工艺总图和(B)热喷涂涂装装置。
热喷涂是一组工艺的总称，在这些工艺中，金属、陶瓷、金属陶瓷以及一些以粉末、金属丝或金属杆形式存在的聚合材料被接近或略高于熔点的喷枪上加热。所产生的熔融或近似熔融的物质滴在告诉气流中被加速，并投射到需要涂覆的表面(即基体材料表面)。这个过程非常简单，但需要极高的控制技巧。液滴在较冷的表面上受到熔融液滴的冲击后，会形成附着在表面的薄层状颗粒，相互重叠、连锁，然后凝固。涂层的总厚度可以通过喷涂的次数而改变。有三种不同的热喷涂工艺模式：(1)手工(2)机械化(3)全自动[3][4]。图2.1清楚地说明了热喷涂工艺的一般原理(A)和实际安装情况(B)。根据热源的不同，热喷涂工艺流程可分为如下流程图，如图2.2所示。[5]。
图2.2 各种热喷涂工艺的分类
热喷涂工艺的一个主要优点是可用于制造涂层的材料种类极其广泛。几乎任何一种只要熔融而不分解的材料都可以作为涂层材料使用。第二个主要优点是大多数热喷涂工艺能够在不显著加热的情况下将涂层涂覆到基体上。因此，具有很高熔点的材料可以应用于热处理过后的零件的表面加工，而不改变零件的性能，也不会造成零件的热变形。第三个优点是，在大多数情况下，热喷涂能够在不改变零件性能或尺寸的情况下对磨损或损坏的涂层进行剥离和重新涂覆。热喷涂的一个主要的缺点是这些沉积过程中的“视线性质”。他们只能在喷枪能喷射到的地方涂上涂层。同时热喷涂也有尺寸限制，喷枪不适合在小而深的洞中涂覆[3]。
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- 等离子喷涂
等离子喷涂是工艺最复杂、用途最广泛的热喷涂方法之一。如图2.3所示，等离子喷涂工艺采用直流电弧产生高温离子化等离子气体流，作为喷涂热源[8][9]。
图2.3 等离子弧过程原理图
等离子枪包括铜阳极和钨阴极，两者均为水冷式。它们之间产生高频电弧。等离子气体（即氦气、氢气、氮气或混合气体）阳极的形状像一个收缩的喷嘴，等离子气体被电离后形成了几厘米长的等离子羽流。烟羽内部的温度最高可达16000°k。喷枪喷嘴外的喷雾物质以粉末的形式注入等离子体烟羽，在等离子体烟羽熔化后，随气体喷射到基体表面。冷却或调节喷淋速率的设置可能需要保持基材温度在95至205℃(200至400华氏度)范围内。等离子喷涂的优点是可以喷涂熔点很高的材料，如难熔金属。该技术存在的的主要缺点是在喷涂过程中会产生非晶态磷酸钙和生物活性磷酸钙相，如四磷酸钙(TTCP)、三磷酸钙(TCP)和氧羟基磷灰石等超稳定结晶产物，可能导致涂层[6][10]的粘附不稳定性。
等离子喷涂已成为热喷涂方法的主要工艺，并被广泛应用于种植牙齿和骨科假体的羟基磷灰石喷涂。粉末被注入到等离子火焰中，并在撞击基板之前被加速到200米/秒。由于高冲击速度提供的动能使熔滴扩散，形成了大面积的板层。板层与基体接触面积大，传热速度快，足以形成非晶相[7][8]。喷淋速率或喷淋速率在很大程度上取决于工艺中的各种参数，即喷枪设计、等离子体气体、喷粉方案和材料性能，特别是颗粒特性，如尺寸、分布、熔点、形貌和表观密度[3]。
传统的等离子体，也称为空气或大气等离子喷涂(APS)。在APS中，等离子体是通过直流电弧对惰性气体(通常是氩或氩-氢混合物)进行过热而产生的。商用喷枪的功率范围为20至200千瓦[11]。
真空等离子喷涂(VPS)，也通常被称为低压等离子喷涂(LPPS)，在压力范围为10至50 kPa(0.1至0.5 atm)的燃烧室中使用改进的等离子喷涂炬。这种低压等离子体技术的优点包括改进了熔接和镀层密度，改进了镀层厚度的控制(即使在不规则的工作表面)，以及更高的镀层效率[10]。在低压下，等离子体的直径和长度变大，通过使用收敛/发散喷嘴，使之具有更高的气体速度。在缺氧条件和较高的基体温度下工作产生了密度更大、附着性更强、氧化物含量更低的涂层。
图2.4 转移和非转移等离子弧过程的比较
转移等离子弧过程(图2.4)，增加了等离子喷涂基体表面加热和熔化的能力。二次电弧电流是通过控制表面熔化和穿透深度的等离子体和基体建立的。这种直接加热有几个优点:冶金结合、高密度涂层、高沉积速率和每道高厚度。此外，与非转移电弧工艺相比，所需要的电力更少。该工艺消除了许多与使用粒度分布较宽或粒度较大的粉末有关的问题。适用于阀座、犁铧、油田部件、矿山机械[3]等增强表面硬度的应用。
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- 电弧丝喷涂
在电弧喷涂过程中，图2.5(又称引弧过程)，将两个连接到高电流直流(dc)电源的消耗性丝电极送入枪内，并相互接触，形成电弧，熔化丝尖。这个过程是节能的，因为所有的输入能量都用来熔化金属。然后熔化的金属被雾化并被气流推向基板。喷雾速率主要由工作电流驱动，并随熔点和电导率的变化而变化。基体温度可以很低，因为热射流气体没有直接作用于基体。电弧喷涂也可以使用惰性气体或在可控气氛室[12]中进行。
图2.5电弧丝喷涂工艺原理图
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- 火焰喷涂
火焰喷涂(图2.6)是最古老的热喷涂工艺，具有投资少、沉积速率高、效率高、操作相对容易、设备维护成本相对低廉等特点。火焰喷涂采用可燃气体作为热源熔化涂层材料。使用火焰喷枪可以将各种各样的材料以棒、线或粉末的形式沉积为涂层，而且绝大多数组件都是手工喷涂的。
大多数火焰喷枪可以使用多种气体组合来平衡操作成本和涂层性能。乙炔、丙烷、甲基乙炔-丙二烯(MAPP)气体、氢以及氧是常用的火焰喷雾气体。火焰温度和特性取决于氧燃比和压力。火焰喷涂包括如图所示的低速粉末火焰和线材火焰过程，以及高速过程，如HVOF(超音速火焰喷涂)和爆炸喷涂(D-Gun)[3][13]。
图2.6 (A)线材火焰和(B)粉末火焰工艺示意图
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- 超音速火焰喷涂(HVOF)
超音速火焰喷涂(HVOF)工艺是[16]热喷涂工艺家族中较新的成员。20世纪80年代初，勃朗宁和威特菲尔德利用火箭发动机技术，引进了一种独特的金属粉末喷涂方法，该技术被称为超音速火焰喷涂(HVOF)。该工艺利用氧气与各种燃料气体的混合，包括氢、丙烷、丙烯、氢，甚至煤油。
图2.7 超音速火焰喷涂(HVOF)工艺原理图
在HVOF过程中，燃料和氧气与粉末颗粒一起进入燃烧室。气体的燃烧在燃烧室中产生高温高压，从而引起气体通过喷嘴的超音速流动。粉末颗粒在燃烧室和通
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