我國熱噴涂技術應用研究

付士軍

(寶雞文理學院 機電工程系，陜西 寶雞 721016)

我國熱噴涂技術應用研究

付士軍

(寶雞文理學院 機電工程系，陜西 寶雞 721016)

簡要介紹了熱噴涂技術的基本概念和應用領域，重點研究了熱噴涂技術在耐磨涂層、熱障涂層、耐腐蝕涂層和高溫抗氧化涂層中的應用，并簡單介紹了上述功能涂層的應用原理，針對熱噴涂應用現狀及存在問題，展望了熱噴涂技術的發(fā)展方向。

熱噴涂技術；耐磨涂層；熱障涂層；耐腐蝕涂層

熱噴涂技術屬于表面改性技術之一，該技術始于20世紀初Shceep博士發(fā)明的第1臺絲材噴槍，經過一個多世紀的發(fā)展，已廣泛應用于石油化工、航空航天、機械、造紙、冶金和交通等行業(yè)。所謂熱噴涂是將某種或多種混合涂層材料通過熱源進行加熱熔化，然后利用高速氣流將其噴射到基體材料表面形成涂層工藝。熱噴涂作為一項表面強化技術，與單純提高基體材料相比，其整體性能要經濟得多，其應用受到了各國的重視。本文就近年來國內熱噴涂的應用進行了概述。

1 耐磨涂層

由于機械零件的磨損會帶來了巨大的經濟損失，利用熱噴涂技術不僅可以修復磨損實效的機械零件，同時也可以在基體材料表面制備一定厚度的耐磨涂層，可有效提高機械零部件的耐磨性，延長零件的使用壽命，降低生產成本。耐磨性涂層的研究和應用已經在理論和實踐中取得了一定的成果。

汪勇等[1]選用的試驗材料為Fe-Cr-B-Si粉末和Fe-Cr-B-Si-Mo粉芯絲材，基體材料為45鋼，分別利用超音速等離子噴涂、爆炸噴涂和高速電弧噴涂技術制備了涂層，研究了涂層在室溫下的摩擦磨損性能。結果表明，利用爆炸噴涂工藝獲得的涂層結構致密，空隙率相對較低，殘余應力為壓應力，其納米硬度較大，晶粒較小。由此可知，爆炸噴涂相對于另外2種噴涂工藝獲得的涂層具有更好的耐磨性。

叢樹林等[2]以AM50為基體材料，選用Al-Si-Fe粉末為噴涂材料，利用QT-E2000-7/h型火焰噴槍，制備了2種不同的噴涂涂層：一種是直接將Al-Si-Fe粉末噴涂到基體材料上；另一種是在基體材料上噴涂Al過渡層后，再噴涂Al-Si-Fe粉末。然后分別對2種涂層進行了磨粒磨損試驗。結果表明，在AM50表面采用普通熱噴涂工藝，可以獲得含有硬質相的涂層，其磨粒磨損性能與基體材料相比提高了2倍，黏著磨損性能提高了1.7倍；含有過渡層的涂層，其與基體材料的結合性能較不含過渡層的要好。

鄧宇等[3]通過在碳強化的合金絲材中添加N元素替代部分C元素，利用高速電弧噴涂在Q235表面制備耐磨合金涂層，并對涂層的組織與性能進行了分析，研究了涂層的耐磨機制。研究表明，使用碳氮合金化絲材所制備的合金涂層組織均勻、結構致密、合金成形良好，涂層與基體材料結合強度高達45.8 MPa；涂層與4Cr13不繡鋼涂層比較，其顯微硬度要高，平均值為568HV0.1，最高值可達593HV0.1，具有良好的耐磨性，是4Cr13不繡鋼涂層的1.58倍。

2 熱障涂層

熱障涂層已有數十年的應用，其工作原理一般是將陶瓷材料噴涂在基體合金材料表面，用來提高基體合金的抗高溫氧化性能，降低合金表面工作溫度的一種熱防護技術。

孫現凱等[4]采用化學沉淀法，以Yb2O3、Y2O3、Gd2O3稀土氧化物粉末和ZrOCl2·H2O粉末為原料，制備了Yb2O3-Y2O3-Gd2O3-ZrO2(YYGZO)熱噴涂用粉末，采用大氣等離子噴涂技術在45鋼基體材料上制備了YYGZO涂層。結果表明，制備的熱噴涂粉末滿足大氣等離子噴涂的要求，與基體材料所形成的熱障涂層各界面結合強度較高，孔隙率較小，具有較高的高溫相結構穩(wěn)定性。

梁天權等[5]采用等離子噴涂，在DZ125定向鎳基高溫合金基體材料上制備了NiCoCrAl/8YSZ熱障涂層，對試樣進行1 050 ℃、2 h真空擴散熱處理，并采用拉伸法研究了涂層的結合強度。結果表明，經真空熱處理后的涂層結合強度提高，由24.58 MPa(未經真空擴散熱處理)提高到30.60 MPa，斷裂處由陶瓷根部轉移到內部，熱處理使涂層—基體、涂層—涂層之間發(fā)生了元素擴散，促進了涂層間的冶金結合，提高了涂層的結合強度。

孟曉明等[6]以納米8wt.%Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末為原料制備懸浮液，并將懸浮液喂料進行等離子噴涂制備熱障涂層，并采用XRD、SEM分析了涂層的相組成與顯微組織。結果表明，采用納米YSZ懸浮液等離子噴涂制備TBCs，省去了二次造粒，簡化了噴涂工藝，在噴涂和熱震試驗后，涂層中的晶粒沒有出現明顯長大，仍保持在納米尺度，涂層的相結構穩(wěn)定。涂層斷面為非層狀結構，且分布有大量的孔隙，其表面覆蓋著致密的精細扁平粒子組織，提高了組織的比表面積，使得涂層內部的結合緊密，在熱震試驗中產生了大量垂直涂層表面的微裂紋，這些獨特的組織和結構，使SPS制得的熱障涂層比常規(guī)APS制得的熱障涂層具有更優(yōu)異的抗熱震性能。

3 耐腐蝕涂層

鋼鐵具有優(yōu)越的機械性能。近年來，隨著國家基礎建設步伐的加快，大型鋼結構橋梁不斷涌現，然而由于工作環(huán)境的特殊性，長期與海水、江水接觸必然會導致其表面的腐蝕，降低其使用壽命。熱噴涂防腐技術是在鋼結構表面用噴涂的方法制備鋅、鋁涂層，依靠涂層犧牲陽極用以保護基體材料。該技術已廣泛應用于大型結構鋼構件，如橋梁、發(fā)射塔、高壓輸電鐵塔和油田等工業(yè)設施，該防腐技術是鋼鐵結構件有效的防腐方法之一[7]。

近年來，人們發(fā)現在重工業(yè)污染和海洋壞境中，純鋅、純鋁涂層耐腐蝕性能較差，無法滿足對鋼構件的保護要求。為改善這一狀況，不少學者開發(fā)了一系列合金耐腐蝕涂層材料，并進行了相關試驗研究，取得了良好的效果。其中，鋅鋁合金涂層的防腐機理及其應用是目前國內研究電弧熱噴涂長效防腐涂層的熱點，黃鈺等[8]詳細闡述了電弧噴涂鋅鋁合金涂層的防腐機理和應用現狀。

稀土元素的加入可以細化晶粒，同時可大幅提高鋅鋁涂層的耐腐蝕性能。樊志彬等[9]利用電弧噴涂技術在Q345基體材料上制備了Zn-22Al-Mg-RE合金涂層，該合金涂層相比于純鋅涂層結合強度提高了34%，且在耐蝕試驗中發(fā)現，Zn-22Al-Mg-RE合金涂層腐蝕產物中出現大量穩(wěn)定致密的Zn6Al2(OH)16CO3·4H2O物相，大大提高了構件的耐蝕性能。房偉等[10]以Q345B鋼為基體材料，利用超音速火焰噴涂，制備了單質Zn和Zn-Co-RE多元合金涂層，并進行了相關對比試驗研究，結果表明，Zn-Co-RE多元合金涂層能使Q345B鋼結構表面在酸雨環(huán)境、NaCl高溫電解液和中性鹽霧腐蝕環(huán)境中的防腐性能，比單質Zn涂層和Q345B鋼得到明顯改善。

4 高溫抗氧化涂層

高溫抗氧化涂層主要是針對高溫工作過程和熔融金屬過程中所應用的涂層。高溫抗氧化涂層能有效地保護高溫腐蝕環(huán)境下工作的零件、設備，延長其使用壽命，減少經濟損失。國內很多學者已經對這類涂層進行了相關研究。

陳智敏等[11]利用超音速電弧熱噴涂在20鋼表面制備了FeCoCr涂層，通過試驗表明，涂層與基體材料結合良好，涂層組織致密均勻，呈流線型分布。在高溫氧化試驗中，涂層表面可形成致密的Cr2O3和CoO氧化膜，使得高溫抗氧化性能提高。

牛亞然等[12]研究表明，采用大氣和真空等離子體噴涂技術制備的MoSi2涂層具有良好的高溫抗氧化性能。席俊杰等[13]同樣也進行了MoSi2涂層的高溫抗氧化性能研究，并提出了MoSi2涂層技術的未來發(fā)展方向，即研究高溫長壽命可靠性抗氧化涂層和超高溫抗氧化涂層，以滿足工件在惡劣工況條件下的使用。

5 結語

綜上所述，我國熱噴涂技術都有了較大發(fā)展和廣泛應用，在國民經濟中作出了重要貢獻；但熱噴涂在實際應用過程中，仍然存在一些問題，比如在高溫、高速、非均勻等參數的影響下，噴涂質量還難以控制。近年來，納米熱噴涂技術成為熱噴涂發(fā)展和應用的熱點之一，但在納米結構涂層中，納米粉團聚和納米顆粒灼燒等問題還有待進一步解決；因此，對于熱噴涂技術，在注重研發(fā)新的噴涂材料、噴涂裝備，以及改進噴涂工藝的同時，還應注重熱噴涂技術理論的研究。相信隨著理論的不斷成熟，新的噴涂工藝方法會不斷出現，熱噴涂應用領域會進一步發(fā)展，為國民經濟的發(fā)展作出更大貢獻。

[1] 汪勇，周新遠，宋占永，等. 不同熱噴涂技術制備鐵基涂層摩擦學性能研究[J]. 材料工程，2013(10)：48-52.

[2] 叢樹林，韓彥朝，劉立新，等. 熱噴涂Al-Si-Fe合金涂層耐磨性研究[J]. 熱加工工藝，2013，42(10)：169-171.

[3] 鄧宇，余圣甫，陳超，等. 碳氮強化電弧噴涂合金組織與耐磨性研究[J]. 中國石油大學學報：自然科學版，2013，37(6)：109-114.

[4] 孫現凱，王金勝，柳彥博，等. Yb2O3-Y2O3-Gd2O3-ZrO2熱障涂層制備及性能研究[J]. 人工晶體學報，2013,42(6):1213-1216.

[5] 梁天權，李偉淵，郭洪波，等. 真空熱處理對等離子噴涂熱障涂層結合強度影響[J]. 廣西大學學報：自然科學版，2013，38(2)：456-460.

[6] 孟曉明，葉衛(wèi)平，程旭東，等. 懸浮液等離子噴涂制備的熱障涂層微觀結構和性能[J]. 材料科學與工藝，2013，21(3)：143-148.

[7] 程軍勝，趙杰，孟輝. 大型結構鋼表面熱噴涂防腐技術的現狀與進展[J]. 公路，2006(2)：35-39.

[8] 黃鈺，程西云. 電弧噴涂鋅鋁合金涂層的防腐機理和應用現狀[J]. 熱加工工藝，2014，43(2)：10-13.

[9] 樊志彬，李辛庚，胡新芳，等. 電弧噴涂Zn-22Al-Mg-RE合金涂層的耐蝕研究[J]. 稀有金屬材料與工程，2014，43(3)：627-629.

[10] 房偉，孫初鋒. 多元和金表面熱噴涂對鋼結構防腐性能的影響[J]. 熱加工工藝，2013，42(7)：138-140.

[11] 陳智敏，胡蘭青，許并社. 超音速電弧熱噴涂FeCoCr涂層高溫氧化性能研究[J]. 材料熱處理技術，2012，41(16)：113-115.

[12] 牛亞然，鄭學斌，丁傳賢，等. 等離子噴涂高溫抗氧化涂層制備與表征[J]. 熱噴涂技術，2011(3)：1-9.

[13] 席俊杰，李會芳，吳中. MoSi2涂層高溫抗氧化性能研究進展[J]. 熱加工工藝，2013，42(16)：10-13.

責任編輯鄭練

StudyontheApplicationofThermalSprayingTechnologyinChina

FU Shijun

(Department of Electro-Mechanical Engineering, Baoji College of Arts and Sciences, Baoji 721007, China)

Basic concept and application of thermal spraying technology are briefly introduced. The application of abrasion resistant coating, thermal barrier coating, anti-corrosion coating and high temperature oxidation resistant coating are mainly studied. Simultaneously, the application principles of above-mentioned coatings are described. Finally, according to the current situation and existing problems of thermal spraying technology, the future research direction is pointed out.

thermal spraying technology, abrasion resistant coating, thermal barrier coating, anti-corrosion coating

TG 174

：A

付士軍(1978-)，男，講師，碩士，主要從事金屬熱處理和材料表面工程等方面的教學與研究工作。

2014-12-15