一、 前言
熱噴涂技術是利用某種熱源將熱噴涂材料加熱熔化或半熔化，并通過焰流或外加高速氣流將其霧化，進而噴射到基體（工件）表面，與基體結合形成某種功能涂層的方法。熱噴涂技術的主要內涵應包括材料、設備及工藝（含預處理、噴涂過程、后加工）三個方面。自從瑞士的M.U.Schoop博士發明第一臺熱噴涂裝置至今已有近一個世紀的歷史。最初的熱噴涂只能用熔點較低的金屬絲材為材料、以火焰為熱源噴涂防腐蝕涂層和進行維修服務，故稱"金屬噴涂"（Metal Spraying）。第二次世界大戰期間，自熔性合金粉末的出現使粉末火焰噴涂獲得了大規模的工業應用。戰后，航空、宇航工業快速發展，高熔點的金屬或合金以及陶瓷材料隨著大氣等離子噴涂技術的出現得到了實用。以鎳鋁為代表的自粘結型復合粉末的研制成功，為進一步提高涂層的結合力起到了重要的推動作用。
隨著噴涂設備的完善，以及其后開發出的爆炸噴涂、低壓等離子噴涂、超音速火焰噴涂等新工藝使高質量涂層的實現成為可能，相應地涌現出各種用途的熱噴涂材料。在很長一段時間內熱噴涂設備與工藝一直追求實現熱源的高能、粒子的高速，并通過操作自動化追求噴涂過程的高效率，最終提高涂層的質量與穩定性。一個世紀以來，熱噴涂材料已從當初的幾種金屬絲材發展成為數百種為了適應不同工藝操作、不同使用特性需要的熱噴涂材料。熱噴涂材料通過噴涂方法（設備、工藝）獲得了某種成分、組織結構的涂層，進而得到所需的涂層特性。廣義上，熱噴涂技術是一種材料復合的手段。可以說，熱噴涂涂層功能的多樣性或對不同具體用途的適應性依賴于材料。熱噴涂材料與噴涂方法的發展彼此促進，兩者共同推進了整個熱噴涂技術的進步。
我國熱噴涂技術的發展始于20世紀50年代，70年代起得到快速發展。1981年11月原國家經委、科委組織成立了“全國熱噴涂協作組”。國家在“六五”至“九五”連續四個五年計劃中將熱噴涂技術列為重點推廣項目，成效顯著。僅“八五”期間推廣應用熱噴涂技術的直接經濟效益就達35億元。目前，在設備、材料、工藝方面均獲得了較大發展與提高。熱噴涂行業已形成規模，據估計國內現在開展熱噴涂技術研究開發或生產的單位約1500家，其中，研究機構、高校分別近百家，其余為各類企業。從事熱噴涂設備研發或制造的單位近百家，材料研究開發或生產的單位約300家，進行熱噴涂工藝研發或加工生產的單位超過1000家。熱噴涂技術的應用已滲透到航空航天、冶金、機械、石化、電力和汽車等國民經濟及國防軍工的各個工業領域。
二、我國熱噴涂材料概況
熱噴涂材料是熱噴涂的“糧食”，熱噴涂生產的物質基礎。熱噴涂材料從形態上分為：粉末、絲材、棒材三類；從成分上主要分為：金屬合金、陶瓷、復合、高分子四類；從使用性能上又可分為：耐磨、耐蝕、抗高溫、抗氧化、隔熱、封嚴、吸波、潤滑、減磨、防滑、絕緣和導電等類別。工藝操作上又有底層材料、面層材料之分，或有噴涂材料、噴焊材料之別。
我國研究及應用的熱噴涂材料具體品種總數達數百種，實際使用的熱噴涂材料具體品種約百種。目前相對用量較大的材料包括：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復合粉末；Zn、Al、Zn-Al、Fe基、Ni基金屬合金絲材，鐵基、鎳基粉芯絲材；Cr2O3棒材等。材料的使用已隨著熱噴涂技術的應用涉及各個工業領域。
目前，我國正在使用的進口各類大型熱噴涂設備近600臺套。其中，等離子設備近400臺套，超音速噴涂設備估計近100臺套，爆炸噴涂設備也有十多套。同時，仍以每年進口約40臺套的速度增加。進口大型設備的供貨商主要是瑞士的SULZER METCO、美國的PRAXAIR、德國的GTV等公司。在用的國產大型熱噴涂設備數量已達數千臺規模，生產現行的熱噴涂方法以等離子噴涂、燃氣火焰噴涂、電弧噴涂為主。在我國每年消耗的各類熱噴涂材料總量在數千噸規模，其中進口量每年達數百噸，進口熱噴涂材料以高檔陶瓷、合金、復合粉末為主。
三、材料的制備方法
1．粉末材料
粉末材料主要用于等離子噴涂、各種燃氣火焰噴涂等工藝。金屬合金粉末的常規制備方法以霧化法為主，主要采用氣霧化法、水霧化法生產。氣霧化法得到的粉末球形度好、氧等雜質含量相對較低，但生產成本較高；水霧化法又有氣霧氣冷、氣霧水冷兩種，水霧化法得到的粉末比表面積較大、顆粒形狀不規則，生產效率高。
（b）水霧化制取NiCr
????? 圖1 （a,b）合金熱噴涂粉末顆粒形態
氧化物陶瓷熱噴涂粉末的制備方法通常有濕化學法、電熔破碎法、噴霧干燥法等。如氧化鉻、氧化鋯等陶瓷粉末。濕化學法如熱分解、共沉淀等具體方法，制取的粉末顆粒不規則；噴霧干燥法則制取球形、空心顆粒，顆粒致密度較低，生產效率較高；電熔破碎制取的陶瓷粉末經過熔化，顆粒內部致密，棱角較明顯，生產效率相對較低。
復合粉末的制備方法主要有五種：一是高壓氫還原包覆，形成“核/殼”式復合顆粒包覆結構。二是團聚包覆，形成小顆粒包裹大顆粒的附著包覆式復合顆粒。三是高溫燒結破碎，形成“金屬/陶瓷”燒結較致密的復合式顆粒結構、形狀不規則。四是噴霧干燥中高溫燒結型，制取近球形的空心復合顆粒。五是混合法，將兩種或幾種粉末組份混合、拌勻，用于制取復合粉末的組份可以是前述四種復合粉末，也可是金屬合金或陶瓷粉末、如NiCrBSi合金粉末與WC/Co或WC的混合粉末，NiCr/Al與Ni/Cg的混合粉末。復合粉末的種類繁多，通過“金屬、合金”與“陶瓷、高分子”構成，可形成“金屬/金屬”、“金屬/合金”、“金屬/陶瓷”、“合金/陶瓷”、“金屬/有機物”、“合金/有機物”、“金屬/合金/陶瓷”等類型。
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圖5 團聚包覆法制取的NiCr·5%Al粉末
2．絲材
絲材主要用于電弧噴涂、絲材火焰噴涂等。傳統的金屬、合金絲材一直采用成熟的冶煉、拉拔加工工藝生產，采用熱加工拉拔或冷拉拔加工制取。包括鋅絲、鋁絲、鉬絲、銅絲、鋅鋁合金絲、鎳鉻合金絲、鎳銅鐵（蒙乃爾）合金絲，碳鋼、低合金鋼、不銹鋼絲材等。由于許多成分的噴涂材料受加工困難的限制，粉芯絲材、復合絲材應運而生。粉芯絲材源于焊接用的藥芯焊絲，多以卷成U形的鋼帶或金屬管材加入配好的粉末后軋制而成。目前7Cr13、316L、Ni/Al等粉芯絲材均已大量用于生產。
3．棒材
棒材主要用于棒材火焰噴涂工藝。我國目前大量用于生產的主要是氧化物陶瓷燒結棒材，壓制成形后以粉末冶金燒結法制取，如Cr2O3、Al2O3、Al2O3/TiO2、ZrO2、TiO2等。也有少量直接壓制成形的以塑料或橡膠與陶瓷復合的軟線噴涂材料，克服陶瓷棒不能連續送進的缺點，但相應成本較高。
四、我國熱噴涂材料研究開發與應用的新進展
熱噴涂通過賦予材料表面優異的功能，從而滿足更高性能的使用需要或顯著延長零部件的服役壽命，并通過零部件的循環修復使用顯著延長材料的總體壽命。因而，減少了資源消耗，提高了資源利用效率。在我國大力推進循環經濟、建設節約型社會的今天，進一步推廣熱噴涂技術的應用意義重大。腐蝕與磨損是造成材料和零部件失效的主要原因，據報道發達國家因此造成的經濟損失約占國民經濟總產值的3%～5%。我國每年因腐蝕、磨損造成的損失已達幾千億元，這其中應有相當部分可以通過熱噴涂防護而挽回。因此熱噴涂技術在國民經濟發展中應用空間廣闊、潛力巨大。
近年來，我國的熱噴涂材料隨著整個熱噴涂技術的應用獲得了快速發展，新的熱噴涂材料研究開發工作也異常活躍。當前我國的熱噴涂技術已發展到了一個新的階段。首先，大量使用先進的進口設備，國產設備的技術顯著提高，有些已接近國外水平。其次，國內熱噴涂材料盡管整體上生產裝備有待改善，但已形成產品體系，個別材料品種已接近甚至超過國外先進水平，并具備了較強的新材料研發能力。三是在噴涂工藝研究包括涂層設計方面已能適應各種生產應用需要，在技術上已從早期的氧乙炔火焰噴涂金屬絲材、粉末向高速、高性能涂層發展。四是在國民經濟的各個工業領域形成規模化應用，形成專業化、系列化涂層應用，且從早先的修舊利廢為主發展至目前的新產品預保護和強化為主。實際上熱噴涂已成為工業新部件或復合材料生產手段的一部分。正如由電焊演變而來的電渣重熔已成為特殊鋼或合金冶煉生產的一種主要技術，熱噴涂正在成為實現工件或材料特殊表面性能的重要生產技術，并正在成為復合材料的制備工藝之一。
1. 材料組成的復合化與低雜質化
各類噴涂材料隨著應用對涂層性能需求的提高，單一或少組元的材料、雜質含量高的材料難于滿足要求。合金粉末向多元素合金化方向發展，而不同組份的復合趨向多組元化。針對冶金行業大量消耗使用的各種規格大型爐底輥，由于最高使用溫度超過1100℃，抗氧化、耐磨性要求苛刻，為了達到使用壽命需要，必須在MCrAlY基礎上進一步開發多組元的合金粉末。北京礦冶研究總院研究采用真空惰氣霧化法研究開發了CoCrAlTaYCA系7組元的合金粉末，合金粉末含8%～10%Ta，控制其氧含量低于0.1%，并將其與純Al2O3混合后進行爆炸噴涂，涂層結合強度可達100MPa，這種多元合金粉與氧化物陶瓷的復合材料高溫性能優異，使爐底輥壽命延長至一年。
針對航空應用的高溫封嚴涂層，要求涂層700℃以上保持良好可磨耗性能的同時具有較強的綜合性能，在Ni/Cg基礎上結合NiCr/Al進一步研究開發的“金屬/合金/非金屬”型NiCrAl/NiCg材料的等離子涂層滿足了嚴格的使用要求。
適用于常規機械部件表面強化或修復的低成本、一步噴涂耐磨涂層材料是將FeCrBSi合金粉末、碳化鎢、鎳鋁三種材料結合的新型熱噴涂材料。使重型車輛軸等磨損部件的壽命較之單獨采用FeCrBSi合金粉末噴涂提高顯著，且綜合成本降低，在生產中獲得了很好的應用效果。
在實芯、粉芯復合絲材中多組元的使用，充分發揮了涂層的綜合性能，如北京工業大學開發的FeCrNiBSiRE粉芯絲材電弧噴涂涂層的耐磨性為3Cr13的兩倍，具有良好的抗沖擊磨損性能，在電站鍋爐“四管”防護上獲得應用；北京有色金屬研究院開發的Ni-Cr-Ti合金絲電弧噴涂涂層性能達到TAFA公司的45CT水平，而價格僅為其1/3。
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