我国热喷涂技术应用研究

付士军

(宝鸡文理学院 机电工程系，陕西 宝鸡 721016)

我国热喷涂技术应用研究

付士军

(宝鸡文理学院 机电工程系，陕西 宝鸡 721016)

简要介绍了热喷涂技术的基本概念和应用领域，重点研究了热喷涂技术在耐磨涂层、热障涂层、耐腐蚀涂层和高温抗氧化涂层中的应用，并简单介绍了上述功能涂层的应用原理，针对热喷涂应用现状及存在问题，展望了热喷涂技术的发展方向。

热喷涂技术；耐磨涂层；热障涂层；耐腐蚀涂层

热喷涂技术属于表面改性技术之一，该技术始于20世纪初Shceep博士发明的第1台丝材喷枪，经过一个多世纪的发展，已广泛应用于石油化工、航空航天、机械、造纸、冶金和交通等行业。所谓热喷涂是将某种或多种混合涂层材料通过热源进行加热熔化，然后利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成涂层工艺。热喷涂作为一项表面强化技术，与单纯提高基体材料相比，其整体性能要经济得多，其应用受到了各国的重视。本文就近年来国内热喷涂的应用进行了概述。

1 耐磨涂层

由于机械零件的磨损会带来了巨大的经济损失，利用热喷涂技术不仅可以修复磨损实效的机械零件，同时也可以在基体材料表面制备一定厚度的耐磨涂层，可有效提高机械零部件的耐磨性，延长零件的使用寿命，降低生产成本。耐磨性涂层的研究和应用已经在理论和实践中取得了一定的成果。

汪勇等[1]选用的试验材料为Fe-Cr-B-Si粉末和Fe-Cr-B-Si-Mo粉芯丝材，基体材料为45钢，分别利用超音速等离子喷涂、爆炸喷涂和高速电弧喷涂技术制备了涂层，研究了涂层在室温下的摩擦磨损性能。结果表明，利用爆炸喷涂工艺获得的涂层结构致密，空隙率相对较低，残余应力为压应力，其纳米硬度较大，晶粒较小。由此可知，爆炸喷涂相对于另外2种喷涂工艺获得的涂层具有更好的耐磨性。

丛树林等[2]以AM50为基体材料，选用Al-Si-Fe粉末为喷涂材料，利用QT-E2000-7/h型火焰喷枪，制备了2种不同的喷涂涂层：一种是直接将Al-Si-Fe粉末喷涂到基体材料上；另一种是在基体材料上喷涂Al过渡层后，再喷涂Al-Si-Fe粉末。然后分别对2种涂层进行了磨粒磨损试验。结果表明，在AM50表面采用普通热喷涂工艺，可以获得含有硬质相的涂层，其磨粒磨损性能与基体材料相比提高了2倍，黏着磨损性能提高了1.7倍；含有过渡层的涂层，其与基体材料的结合性能较不含过渡层的要好。

邓宇等[3]通过在碳强化的合金丝材中添加N元素替代部分C元素，利用高速电弧喷涂在Q235表面制备耐磨合金涂层，并对涂层的组织与性能进行了分析，研究了涂层的耐磨机制。研究表明，使用碳氮合金化丝材所制备的合金涂层组织均匀、结构致密、合金成形良好，涂层与基体材料结合强度高达45.8 MPa；涂层与4Cr13不绣钢涂层比较，其显微硬度要高，平均值为568HV0.1，最高值可达593HV0.1，具有良好的耐磨性，是4Cr13不绣钢涂层的1.58倍。

2 热障涂层

热障涂层已有数十年的应用，其工作原理一般是将陶瓷材料喷涂在基体合金材料表面，用来提高基体合金的抗高温氧化性能，降低合金表面工作温度的一种热防护技术。

孙现凯等[4]采用化学沉淀法，以Yb2O3、Y2O3、Gd2O3稀土氧化物粉末和ZrOCl2·H2O粉末为原料，制备了Yb2O3-Y2O3-Gd2O3-ZrO2(YYGZO)热喷涂用粉末，采用大气等离子喷涂技术在45钢基体材料上制备了YYGZO涂层。结果表明，制备的热喷涂粉末满足大气等离子喷涂的要求，与基体材料所形成的热障涂层各界面结合强度较高，孔隙率较小，具有较高的高温相结构稳定性。

梁天权等[5]采用等离子喷涂，在DZ125定向镍基高温合金基体材料上制备了NiCoCrAl/8YSZ热障涂层，对试样进行1 050 ℃、2 h真空扩散热处理，并采用拉伸法研究了涂层的结合强度。结果表明，经真空热处理后的涂层结合强度提高，由24.58 MPa(未经真空扩散热处理)提高到30.60 MPa，断裂处由陶瓷根部转移到内部，热处理使涂层—基体、涂层—涂层之间发生了元素扩散，促进了涂层间的冶金结合，提高了涂层的结合强度。

孟晓明等[6]以纳米8wt.%Y2O3-ZrO2(YSZ)粉末为原料制备悬浮液，并将悬浮液喂料进行等离子喷涂制备热障涂层，并采用XRD、SEM分析了涂层的相组成与显微组织。结果表明，采用纳米YSZ悬浮液等离子喷涂制备TBCs，省去了二次造粒，简化了喷涂工艺，在喷涂和热震试验后，涂层中的晶粒没有出现明显长大，仍保持在纳米尺度，涂层的相结构稳定。涂层断面为非层状结构，且分布有大量的孔隙，其表面覆盖着致密的精细扁平粒子组织，提高了组织的比表面积，使得涂层内部的结合紧密，在热震试验中产生了大量垂直涂层表面的微裂纹，这些独特的组织和结构，使SPS制得的热障涂层比常规APS制得的热障涂层具有更优异的抗热震性能。

3 耐腐蚀涂层

钢铁具有优越的机械性能。近年来，随着国家基础建设步伐的加快，大型钢结构桥梁不断涌现，然而由于工作环境的特殊性，长期与海水、江水接触必然会导致其表面的腐蚀，降低其使用寿命。热喷涂防腐技术是在钢结构表面用喷涂的方法制备锌、铝涂层，依靠涂层牺牲阳极用以保护基体材料。该技术已广泛应用于大型结构钢构件，如桥梁、发射塔、高压输电铁塔和油田等工业设施，该防腐技术是钢铁结构件有效的防腐方法之一[7]。

近年来，人们发现在重工业污染和海洋坏境中，纯锌、纯铝涂层耐腐蚀性能较差，无法满足对钢构件的保护要求。为改善这一状况，不少学者开发了一系列合金耐腐蚀涂层材料，并进行了相关试验研究，取得了良好的效果。其中，锌铝合金涂层的防腐机理及其应用是目前国内研究电弧热喷涂长效防腐涂层的热点，黄钰等[8]详细阐述了电弧喷涂锌铝合金涂层的防腐机理和应用现状。

稀土元素的加入可以细化晶粒，同时可大幅提高锌铝涂层的耐腐蚀性能。樊志彬等[9]利用电弧喷涂技术在Q345基体材料上制备了Zn-22Al-Mg-RE合金涂层，该合金涂层相比于纯锌涂层结合强度提高了34%，且在耐蚀试验中发现，Zn-22Al-Mg-RE合金涂层腐蚀产物中出现大量稳定致密的Zn6Al2(OH)16CO3·4H2O物相，大大提高了构件的耐蚀性能。房伟等[10]以Q345B钢为基体材料，利用超音速火焰喷涂，制备了单质Zn和Zn-Co-RE多元合金涂层，并进行了相关对比试验研究，结果表明，Zn-Co-RE多元合金涂层能使Q345B钢结构表面在酸雨环境、NaCl高温电解液和中性盐雾腐蚀环境中的防腐性能，比单质Zn涂层和Q345B钢得到明显改善。

4 高温抗氧化涂层

高温抗氧化涂层主要是针对高温工作过程和熔融金属过程中所应用的涂层。高温抗氧化涂层能有效地保护高温腐蚀环境下工作的零件、设备，延长其使用寿命，减少经济损失。国内很多学者已经对这类涂层进行了相关研究。

陈智敏等[11]利用超音速电弧热喷涂在20钢表面制备了FeCoCr涂层，通过试验表明，涂层与基体材料结合良好，涂层组织致密均匀，呈流线型分布。在高温氧化试验中，涂层表面可形成致密的Cr2O3和CoO氧化膜，使得高温抗氧化性能提高。

牛亚然等[12]研究表明，采用大气和真空等离子体喷涂技术制备的MoSi2涂层具有良好的高温抗氧化性能。席俊杰等[13]同样也进行了MoSi2涂层的高温抗氧化性能研究，并提出了MoSi2涂层技术的未来发展方向，即研究高温长寿命可靠性抗氧化涂层和超高温抗氧化涂层，以满足工件在恶劣工况条件下的使用。

5 结语

综上所述，我国热喷涂技术都有了较大发展和广泛应用，在国民经济中作出了重要贡献；但热喷涂在实际应用过程中，仍然存在一些问题，比如在高温、高速、非均匀等参数的影响下，喷涂质量还难以控制。近年来，纳米热喷涂技术成为热喷涂发展和应用的热点之一，但在纳米结构涂层中，纳米粉团聚和纳米颗粒灼烧等问题还有待进一步解决；因此，对于热喷涂技术，在注重研发新的喷涂材料、喷涂装备，以及改进喷涂工艺的同时，还应注重热喷涂技术理论的研究。相信随着理论的不断成熟，新的喷涂工艺方法会不断出现，热喷涂应用领域会进一步发展，为国民经济的发展作出更大贡献。

[1] 汪勇，周新远，宋占永，等. 不同热喷涂技术制备铁基涂层摩擦学性能研究[J]. 材料工程，2013(10)：48-52.

[2] 丛树林，韩彦朝，刘立新，等. 热喷涂Al-Si-Fe合金涂层耐磨性研究[J]. 热加工工艺，2013，42(10)：169-171.

[3] 邓宇，余圣甫，陈超，等. 碳氮强化电弧喷涂合金组织与耐磨性研究[J]. 中国石油大学学报：自然科学版，2013，37(6)：109-114.

[4] 孙现凯，王金胜，柳彦博，等. Yb2O3-Y2O3-Gd2O3-ZrO2热障涂层制备及性能研究[J]. 人工晶体学报，2013,42(6):1213-1216.

[5] 梁天权，李伟渊，郭洪波，等. 真空热处理对等离子喷涂热障涂层结合强度影响[J]. 广西大学学报：自然科学版，2013，38(2)：456-460.

[6] 孟晓明，叶卫平，程旭东，等. 悬浮液等离子喷涂制备的热障涂层微观结构和性能[J]. 材料科学与工艺，2013，21(3)：143-148.

[7] 程军胜，赵杰，孟辉. 大型结构钢表面热喷涂防腐技术的现状与进展[J]. 公路，2006(2)：35-39.

[8] 黄钰，程西云. 电弧喷涂锌铝合金涂层的防腐机理和应用现状[J]. 热加工工艺，2014，43(2)：10-13.

[9] 樊志彬，李辛庚，胡新芳，等. 电弧喷涂Zn-22Al-Mg-RE合金涂层的耐蚀研究[J]. 稀有金属材料与工程，2014，43(3)：627-629.

[10] 房伟，孙初锋. 多元和金表面热喷涂对钢结构防腐性能的影响[J]. 热加工工艺，2013，42(7)：138-140.

[11] 陈智敏，胡兰青，许并社. 超音速电弧热喷涂FeCoCr涂层高温氧化性能研究[J]. 材料热处理技术，2012，41(16)：113-115.

[12] 牛亚然，郑学斌，丁传贤，等. 等离子喷涂高温抗氧化涂层制备与表征[J]. 热喷涂技术，2011(3)：1-9.

[13] 席俊杰，李会芳，吴中. MoSi2涂层高温抗氧化性能研究进展[J]. 热加工工艺，2013，42(16)：10-13.

责任编辑郑练

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

付士军(1978-)，男，讲师，硕士，主要从事金属热处理和材料表面工程等方面的教学与研究工作。

2014-12-15