热喷涂材料的发展趋势

一、 前言
　　
         我国热喷涂技术的发展始于20世纪50年代，70年代起得到快速发展。1981年11月原国家经委、科委组织成立了“全国热喷涂协作组”。国家在“六五”至“九五”连续四个五年计划中将热喷涂技术列为重点推广项目，成效显著。仅“八五”期间推广应用热喷涂技术的直接经济效益就达35亿元。目前，在设备、材料、工艺方面均获得了较大发展与提高。热喷涂行业已形成规模，据估计国内现在开展热喷涂技术研究开发或生产的单位约1500家，其中，研究机构、高校分别近百家，其余为各类企业。从事热喷涂设备研发或制造的单位近百家，材料研究开发或生产的单位约300家，进行热喷涂工艺研发或加工生产的单位超过1000家。热喷涂技术的应用已渗透到航空航天、冶金、机械、石化、电力和汽车等国民经济及国防军工的各个工业领域。

       随着喷涂设备的完善，以及其后开发出的爆炸喷涂、低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂等新工艺使高质量涂层的实现成为可能，相应地涌现出各种用途的热喷涂材料。在很长一段时间内热喷涂设备与工艺一直追求实现热源的高能、粒子的高速，并通过操作自动化追求喷涂过程的高效率，最终提高涂层的质量与稳定性。一个世纪以来，热喷涂材料已从当初的几种金属丝材发展成为数百种为了适应不同工艺操作、不同使用特性需要的热喷涂材料。热喷涂材料通过喷涂方法(设备、工艺)获得了某种成分、组织结构的涂层，进而得到所需的涂层特性。广义上，热喷涂技术是一种材料复合的手段。可以说，热喷涂涂层功能的多样性或对不同具体用途的适应性依赖于材料。热喷涂材料与喷涂方法的发展彼此促进，两者共同推进了整个热喷涂技术的进步。

        热喷涂技术是利用某种热源将热喷涂材料加热熔化或半熔化，并通过焰流或外加高速气流将其雾化，进而喷射到基体(工件)表面，与基体结合形成某种功能涂层的方法。热喷涂技术的主要内涵应包括材料、设备及工艺(含预处理、喷涂过程、后加工)三个方面。自从瑞士的M.U.Schoop博士发明第一台热喷涂装置至今已有近一个世纪的历史。最初的热喷涂只能用熔点较低的金属丝材为材料、以火焰为热源喷涂防腐蚀涂层和进行维修服务，故称"金属喷涂"(Metal Spraying)。第二次世界大战期间，自熔性合金粉末的出现使粉末火焰喷涂获得了大规模的工业应用。战后，航空、宇航工业快速发展，高熔点的金属或合金以及陶瓷材料随着大气等离子喷涂技术的出现得到了实用。以镍铝为代表的自粘结型复合粉末的研制成功，为进一步提高涂层的结合力起到了重要的推动作用。
　　
　　　
　　　　
　　二、我国热喷涂材料概况
　　
　　热喷涂材料是热喷涂的“粮食”，热喷涂生产的物质基础。热喷涂材料从形态上分为：粉末、丝材、棒材三类；从成分上主要分为：金属合金、陶瓷、复合、高分子四类；从使用性能上又可分为：耐磨、耐蚀、抗高温、抗氧化、隔热、封严、吸波、润滑、减磨、防滑、绝缘和导电等类别。工艺操作上又有底层材料、面层材料之分，或有喷涂材料、喷焊材料之别。
　　
　　我国研究及应用的热喷涂材料具体品种总数达数百种，实际使用的热喷涂材料具体品种约百种。目前相对用量较大的材料包括：Ni基、Fe基、Co基合金粉末，Al2O3、Al2O3·TiO2、ZrO2·Y2O3、Cr2O3陶瓷粉末， Ni/Al、WC/Co、NiCr/Cr3C2、Ni/Cg复合粉末；Zn、Al、Zn-Al、Fe基、Ni基金属合金丝材，铁基、镍基粉芯丝材；Cr2O3棒材等。材料的使用已随着热喷涂技术的应用涉及各个工业领域。
　　
　　目前，我国正在使用的进口各类大型热喷涂设备近600台套。其中，等离子设备近400台套，超音速喷涂设备估计近100台套，爆炸喷涂设备也有十多套。同时，仍以每年进口约40台套的速度增加。进口大型设备的供应商主要是瑞士的SULZER METCO、美国的PRAXAIR、德国的GTV等公司。在用的国产大型热喷涂设备数量已达数千台规模，生产现行的热喷涂方法以等离子喷涂、燃气火焰喷涂、电弧喷涂为主。在我国每年消耗的各类热喷涂材料总量在数千吨规模，其中进口量每年达数百吨，进口热喷涂材料以高档陶瓷、合金、复合粉末为主。
　　
　　三、材料的制备方法
　　
　　1.粉末材料
　　
　　粉末材料主要用于等离子喷涂、各种燃气火焰喷涂等工艺。金属合金粉末的常规制备方法以雾化法为主，主要采用气雾化法、水雾化法生产。气雾化法得到的粉末球形度好、氧等杂质含量相对较低，但生产成本较高；水雾化法又有气雾气冷、气雾水冷两种，水雾化法得到的粉末比表面积较大、颗粒形状不规则，生产效率高。

(a)气雾化制取NiCrBSi

(b)水雾化制取NiCr

图1 (a,b)合金热喷涂粉末颗粒形态