特陶之家tetaohome热喷涂 thermal spraying
是指将涂层材料加热熔化，用高速气流将其雾化成极细的颗粒，并以很高的速度喷射到工件表面，形成涂层。根据需要选用不同的涂层材料，可以获得耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、耐热等方面的一种或数种性能。热喷涂是一种表面强化技术，是表面工程技术的重要组成部分，它是利用某种热源（如火焰喷涂、氧乙火焰粉末喷涂、氧乙炔火焰线材喷涂、氧乙炔火焰喷焊、超音速火焰喷涂（HVOF）、电弧喷涂、等离子喷涂、大气等离子喷涂、低压等离子喷涂等）将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰留本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术。工件大小不限，喷涂设备简单，喷涂沉积速率比物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和电火花沉积快，物耗少，经济效益显著。
热喷涂耐高温陶瓷涂层
热喷涂耐高温陶瓷涂层最能体现热喷涂技术特点，应用效果最突出，是影响最大的一个应用领域。
1.热障涂层(TBCs)
燃气轮机的受热部件，如叶片、喷嘴和燃烧室处于高温、氧化和高速气流冲蚀等恶劣环境中。对于承受温度高达1100 ℃的燃气轮机部件，已超过了镍基高温合金使用的极限温度(1075 ℃)。有效办法就是涂覆绝热性好的高熔点陶瓷涂层，为高温合金基体穿上“防火铠甲”，起绝热屏蔽作用。这称为热障涂层。实践表明，采用MCrAlY合金作粘结底层，喷涂Y2O3部分稳定的ZrO2绝热陶瓷涂层，涂层坚硬、致密，抗高温燃气冲蚀和抗热震性能优异，即使在1 650 ℃高温下长期使用，其热稳定性和化学稳定性都很好。Y2O3ZrO2中加入少量CeO能进一步改善涂层的抗热震性能。在使用温度更低一些的情况下，可采用MgO或CaO稳定的ZrO2作热障陶瓷障碍层。对热障涂层的粘结底层进行预氧化处理，对热障陶瓷涂层进行渗铝处理，对面层陶瓷涂层进行激光重熔改性处理以及发展多层或梯度功能涂层，是热障涂层领域的一些最新发展。热障涂层主要用于航空、舰船及陆用燃气轮机的受热部件，现正推广应用于民用内燃机、增压涡轮、冶金工业用喷氧枪等领域。
2.可磨耗密封涂层
现代航空发动机采用压气机使空气增压升温，高温压缩空气进入燃烧室使燃料充分燃烧是提高发动机的功率和热效率的主要措施之一。采用热喷涂技术在压气机涡壳内表面喷涂可磨耗密封涂层，与压气机叶片尖部的硬质涂层形成一对可磨耗密封磨损副，在运行过程中能形成理想的径向气流间隙，获得最大的压差，从而显著提高发动机的功率，降低航空汽油的消耗，提高发动机整机一次试车合格率。这是热喷涂技术在航空发动机领域重大的应用成果之一。随着压缩空气温度的逐级升高，可磨耗密封涂层的使用温度从300 ℃提到1100 ℃，现代可磨耗密封涂层的最高温度已达1350 ℃。AlSi-聚苯脂、镍/石墨、Ni/硅藻土、NiCrAl/BN、Y2O3．ZrO2-BN等复合粉末系列材料已获得成功的应用。其中，尤以高温可磨耗密封涂层的工作条件最为恶劣，要承受1000～1350 ℃的高温，遭受2～3倍音速的高温气流的
冲蚀，受到超过300 m/s线速度的叶片尖部刮削而不会发生剥落。因此，除了必须具备耐高温涂层应有的耐高温、抗氧化、耐热震、呈化学惰性、结合牢固的性能外，其最主要的特点就是质软(通常涂层的表面洛氏硬度在50～80 HR15Y)、多孔(孔隙率约为25%～30%)。热喷涂可磨耗密封涂层技术可用于压缩机行业的旋转压气部件的间隙控制等民用工业领域。
3.抗高温粘着磨损涂层
退火炉辊、热处理炉炉辊、连铸机拉伸辊、支承辊、烧结炉辊等高温辊子，多在800～1 200 ℃高温下运行。在这样的高温下，钢铁软化并在表面生成氧化铁鳞，同时炉辊的高温硬度也显著降低。当软态的高温钢件特别是钢带在炉辊上运动甚至轻微滑动时，就会因高温粘着而产生结瘤，这种结瘤在剪切力的作用下脱落为磨料，使钢件(带)表面产生划痕、划伤、犁沟、凹陷等缺陷。这些缺陷在后续的表面光轧辊上往往难以消除，将最终影响热轧钢带的质量。采用高速燃气火焰喷涂(HVOF)、爆炸喷涂(DGS)或等离子喷涂技术，在高温炉辊表面喷涂特种陶瓷或金属陶瓷涂层，具有优异的耐高温、抗氧化、抗粘着、防结瘤和自清理净化性能，既可显著提高炉辊使用寿命，又能生产表面光洁质量优良的钢材，如优质硅钢板、优质汽车薄板和热浸镀薄板等。热轧不锈钢带退火炉炉辊，喷涂含BN的金属陶瓷涂层，其耐高温磨损性能可提高4倍以上。在日本，钢铁工业应用热喷涂技术的主要对象是各种辊子，热喷涂的辊子占全部热喷涂部件的85%以上，具有极其显著的技术经济效果。如退火炉导辊，过去平均每月停机检修30 min，喷涂后则可保持3年内不检修，并极大地提高了带钢的品质。日本钢铁公司热喷涂退火炉辊的比率，从1982年时的20%上升到1989年的100%，而带钢因结瘤等引起的废次品率则由80%下降到0。
4.抗高温熔融金属或熔体侵蚀涂层
各种金属熔炼用炉衬材料，基本上都是陶瓷耐火材料，这是因为它不仅具有熔点高、高温化学性能稳定等特点，还具有与熔体润湿角小、甚至不润湿的特点。利用这些特性，对在熔池内使用的金属制件如热浸镀槽内的沉没辊、稳定辊，熔池搅拌器、吹管、热电偶套管、热压铸模具等表面，喷涂耐火陶瓷或金属陶瓷涂层，就能获得性能优异的耐高温熔融金属或熔体侵蚀涂层。例如，热浸镀铝槽内的沉没辊和稳定辊，由于铝液具有极高的化学活性，能与多种金属发生铝热反应形成金属间化合物，被称为金属的“溶剂”。因此，金属合金炉辊在镀铝槽中腐蚀极快，使用寿命仅5～10天。采用热喷涂特种陶瓷涂层，德国人认为是唯一有效的解决办法，使用寿命可提高到20～30天。
5.抗腐蚀磨损
石油、化工、制药、造纸、印染、冶金、建材、海洋开发、环保等部门使用的许多机械设备，因受到各种化学介质、腐蚀性气体和海水等的作用而被腐蚀，腐蚀产物成为磨粒，与外来微粒或粉尘，或介质生产过程中的结晶晶体一起，都能使相对运动的机械零部件的表面之间既产生腐蚀又产生磨损。磨料使金属表面产生“犁皱”、“划伤”而裸露新生表面使腐蚀加速，腐蚀产物又成为磨粒加速磨损。由于腐蚀和磨损同时起破坏作用，相互促进，更加快了这类机械零部件的过早失效，甚至酿成重大事故。在腐蚀磨损工况条件下，不锈钢或钛合金的耐蚀性虽好，但不耐磨。热喷涂陶瓷涂层和金属陶瓷涂层不仅具有高的硬度，优异的耐蚀性，而且摩擦系数小，能耗低，对密封填料的磨损小，涂层硬度和耐磨性不会因为局部过热而降低。因此，它在抗腐蚀磨损领域正在成为电镀硬铬技术的最强有力的竞争者和取代者。例如，化工厂用高压往复计量泵柱塞，采用等离子喷涂Al2O3．TiO2复合氧化物陶瓷涂层，其使用寿命比原用镀铬柱塞提高6倍，密封填料的寿命也提高3倍。大型水库、水电站及海洋开发用液压启闭机液压缸的大型活塞杆，采用等离子喷涂陶瓷涂层代替镀硬铬，可以达到高质量、长寿命、免维修，在德国已成为这一领域的先进制造技术，已制造出长16 m、重10 t以上的超大型陶瓷涂覆活塞杆及相应的液压启闭机。大型推土机用液压活塞杆、轧钢机用液压活塞杆、建筑瓷砖压坯用液压机活塞杆、水轮机叶轮轴和磨环、电枢轴头、磨床轴、燃油泵轴、抗咬死轴套、活塞环、凸轮随动件等，在低应力滑动磨损和腐蚀工况下，几乎所有原用镀铬的制品都可以用热喷涂陶瓷或金属陶瓷涂层代替。
6.耐纤维磨损涂层
6.1 耐纺织纤维磨损陶瓷涂层
现代纺织机械特别是化纤机械，向高速、轻质、节能方向发展。纺丝过程中，各种导丝、纺丝部件，为了减轻重量，提高转速和降低能耗，多采用铝合金制造，其表面遭受很细的高速化纤丝(达700～1 000 m/s)的磨损而形成沟槽，更换不仅造成停机损失，而且影响纺丝的质量和等级。在化纤纺机的导丝部件表面，采用等离子喷涂Al2O3基复合陶瓷涂层，经处理获得“桔皮状”外观形貌，达到Ra约为1.5 μm的表面粗糙度。由于陶瓷涂层的这些特点，使化纤机械关键基础零部件的寿命比原用镀铬件提高了5倍，生产达到了一个新的水平。捷克国应用这一技术，使其化纤机械的出口更具竞争性。
6.2耐金属拉丝磨损涂层
金属拉丝工业如钢丝、钢丝绳和电线电缆生产等都使用大量的导丝轮和辊。金属丝在其表面高速滑动并发生冷作硬化，对导轮接触面产生很强的摩擦磨损，以致产生“犁沟”、凹坑等缺陷，造成寿命低，更换维修频繁并影响拉丝质量等弊端。采用超音速火焰喷涂或爆炸喷涂技术，在金属拉丝导轮表面喷涂含Wc的硬质合金涂层，具有很高的硬度和耐磨特性，寿命提高5～10倍，获得了很大的成功。
6.3 亲水与介电涂层
现代造纸和印刷机械，尽管运行速度很高，但因负荷轻，故均处于低应力状态，特别适用于热喷涂涂层。等离子喷涂陶瓷涂层技术，在国外的造纸和印刷机辊子上已成功应用多年，应用面正日益扩大，这是因为陶瓷涂层具有许多特点：高耐磨蚀性；高选择性润湿性、亲水性；高电绝缘与介电性；高防粘性；高可刻蚀性及图纹清晰性；保持适度粗糙度的纸张咬入性等。例如彩色胶印机水辊喷涂陶瓷涂层，不仅耐磨、耐油墨腐蚀，且经刻蚀后留下的陶瓷涂层部分，由于亲水性好，能在其表面形成一层薄薄的水膜，防止油墨混入，无陶瓷涂层的刻蚀辊面则为油墨覆盖，因而能获得图像清晰的彩色印刷品，不串色。又如塑料薄膜电刻蚀用电晕处理机辊子，需要在1～2×104 V下运行。辊子表面喷涂高介电陶瓷涂层，满足了这一需要。等离子喷涂陶瓷涂层的表面粗糙度，喷涂约为2～5 μm，磨削后可达Ra 0.13～0.20μm，精研后可达0.03～0.10 μm，可满足不同等级纸张生产的需要。
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