熱噴塗技術是一種將塗層材料 (粉末或絲材)送入某種熱源(電弧 、燃燒火焰 、等離子體等)中熔化 ，並利用高速氣流將其噴射到基體材料表麵形成塗層的工藝 。熱噴塗塗層具有耐磨損 、耐腐蝕 、耐高溫和隔熱等優良性能 ，並能對磨損 、腐蝕或加工超差引起的零件尺寸減小進行修複 ，在航空航天 、機械製造 、石油化工等領域中得到了廣泛的應用 。

熱噴塗技術較早出現在 20 世紀早期的瑞士 ，隨後在前蘇聯 、德國 、日本 、美國等國得到了不斷的發展 ，各種熱噴塗設備的研製 、新的熱噴塗材料的開發及新技術的應用 ，使熱噴塗塗層質量不斷得到提高並開拓了新的應用領域 。本文主要介紹火焰噴塗技術 ，等離子噴塗技術 ，超音速火焰噴塗技術 ，電弧噴塗技術 ，超音速電弧噴塗技術以及冷噴塗技術的研究現狀與發展 ，介紹了這些熱噴塗技術的研究發展與應用 ，並對熱噴塗技術的未來發展趨勢進行了展望 。

1 火焰噴塗技術

火焰噴塗技術作為一種新的表麵防護和表麵強化工藝 ，在近 20 年裏得到了迅速發展 ，已經成為金屬表麵工程領域中一個十分活躍的分支 。利用火焰為熱源 ，將金屬與非金屬材料加熱到熔融狀態 ，在高速氣流的推動下形成霧流 ，噴射到基體上 ，噴射的微小熔融顆粒撞擊在基體上時 ，產生塑性變形 ，成為片狀疊加沉積塗層 ，這一過程稱為火焰噴塗 。在設備維修中 ，它被用來補償零件表麵的磨損和改善性能 。將自熔性合金材料的噴塗層重新加熱熔化一遍使塗層致密 ，性能提高 ，重熔後的塗層稱為噴焊層 ，這一過程稱為噴焊 。火焰噴塗按噴塗材料的形態可以分為絲材火焰噴塗 、粉末火焰噴塗 、棒材火焰噴塗等 ；按噴塗焰流的形態又可分為普通火焰噴塗 、超音速火焰噴塗 、氣體爆燃式噴塗等 。

火焰噴塗技術的基本特點是 ：一般金屬 、非金屬基體均可噴塗 ，對基體的形狀和尺寸通常也不受限製 ，但小孔目前尚不能噴塗 ；塗層材料廣泛 ，金屬 、合金 、陶瓷 、複合材料均可為塗層材料 ，可使表麵具有各種性能 ，如耐腐蝕 、耐磨損 、耐高溫 、隔熱等 ：塗層的多孔性組織有儲油潤滑和減摩性能 ，含有硬質相的噴塗層宏觀硬度可達 450HB ，噴焊層可達 65HRC ；火焰噴塗對基體影響小 ，基體變形小 ，材料組織不發生變化 。火焰噴塗技術的缺點 ：噴塗層與基體結合強度較低 ，不能承受交變載荷和衝擊載荷 ；基體表麵製備要求高 ；火焰噴塗工藝受多種條件影響 ，塗層質量尚無有效檢測方法 。常用火焰噴塗方法有乙炔 - 氧焰粉末噴塗 、乙炔-氧焰線材噴塗等 。乙炔 - 氧焰粉末噴塗用的設備簡便可在現場施工適用於設備維修 。

2 等離子噴塗技術

等離子噴塗是一種材料表麵強化和表麵改性技術 ，可以使基體表麵具有耐磨損 、耐腐蝕 、耐高溫氧化 、電絕緣 、隔熱 、防輻射 、減磨和密封等性能 。等離子塗技術是采用由直流電驅動的等離子電弧作為熱源 ，將陶瓷 、合金 、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態 ，並以高速噴向經過預處理的工件表麵而形成附著牢固表麵層的方法 。等離子噴塗技術是繼火焰噴塗之後大力發展起來的一種新型多用途的精密噴塗方法 ，它具有超高溫特性 ，便於進行高熔點材料的噴塗 ，噴射粒子的速度高 ，塗層致密 ，粘結強度高等優點 。由於使用惰性氣體作為工作氣體 ，所以噴塗材料不易氧化 。目前隨著熱噴塗技術的飛速發展 ，熱噴塗技術的研究現狀與發展趨勢國際上等離子噴塗占有明顯優勢 ，並已開發出三陰極等離子噴塗 、高能等離子噴塗 、微弧等離子噴塗和懸浮等離子噴塗等多種新技術 。

（1）三陰極等離子噴塗 。三陰極等離子噴槍由 3個陰極和由幾個被絕緣的環體串聯組成的噴嘴組成，隻有離陰極相對遠的一個環體作為陽極工作 。由於從三個陰極到同一個陽極產生的三個獨立電弧的長度穩定不變 ，三束等離子射流在匯流腔內匯聚成一束主等離子流 ，形成空心管狀射流從噴嘴噴出 ，從而產生了穩定的等離子噴射 。與傳統的等離子噴槍相比 ，這種噴槍的等離子噴射的穩定性有明顯改善 ，可以進行均質粉末加工 ，並有較高的沉積率和送粉率 。

（2）高能等離子噴塗 。高能等離子噴塗是為滿足陶瓷材料對塗層密度和結合強度以及噴塗效率的更高需求而開發的一種高能 、高速的等離子噴塗技術 ，其特點是在電弧電流與普通大氣等離子噴塗相當的條件下 ，利用較高的工作電壓提高功率 ，並采用更大的氣體流量來提高射流的流速 。高能等離子噴塗工藝采用高能等離子噴槍進行噴塗 。高能等離子噴槍采用獨特的設計方法拉長了等離子弧 ，提高了工作電壓 ，降低了工作電流 ，減少了陰陽極的損耗 ，提高了噴嘴的使用壽命。等離子弧中存在 3 個菱形馬赫錐 ，具有較高的射流速度 。高功率等離子噴塗係統能夠穩定工作在 200 kW 左右 ，等離子弧具有極高的熱能和速度 ，可為沉積優質塗層提供充足的功率 。

（3）微等離子噴塗 。微等離子噴塗的特點是具有層流等離子射流 、功率低 、基體受熱低 、噪聲小 ，可在極薄的基體上進行噴塗 。這種噴塗方法的功率雖低但能量集中 ，其束斑直徑小 ，所以仍可噴塗各種材料 ，特別適宜製備小零件及薄壁件的精密塗層且該設備重量輕適合於現場的維修工作 。

（4）懸浮式送粉等離子噴塗 。懸浮式送粉等離子噴塗是一種采用液料送粉方式 ，可直接噴塗納米粉末且可以形成超薄納米塗層的新型噴塗技術 。懸浮等離子噴塗采用液料為介質 ，使用分散劑將粒子分散在液料中行成懸浮液 ，通過液料送粉器將懸浮液送入到等離子弧中 ，液料溶劑迅速蒸發 ，溶劑中的粉末被等離子弧加熱熔化噴射到基體上形成塗層 。這種方式克服了噴塗粒子半徑的限製 ，不僅實現了非團聚的納米粉末直接進行噴塗 ，而且可製備塗層厚度較薄的超薄塗層 。

（5）反應等離子噴塗 。反應等離子噴塗是對真空等離子噴塗進一步改進的結果 ，該方法在真空等離子噴塗過程中在噴嘴出口處的等離子射流中加入反應氣體(如 N2) ，反應氣體與加熱中的噴塗顆粒相互作用進而得到新的生成物 。用這種方法可以獲得 TiN塗層 ，這是靠噴塗鈦粉和注入 N2反應後得到的 。TiN具有高熔點 、高硬度 、耐磨損、耐腐蝕等特點並且還具有優良的導電性和超導性 。

（6）真空等離子噴塗 。真空等離子噴塗(又叫低壓等離子噴塗)是在氣氛可控的 ，真空的密封室內進行噴塗的技術 。因為工作氣體經過等離子化後 ，是在低壓氣氛中邊膨脹體積邊噴出的 ，所以噴流速度是超音速的 ，而且非常適合於對氧化高度敏感的材料 。

（7）氣穩等離子噴塗 。氣穩等離子噴塗的原理是由等離子噴槍(等離子弧發生器)產生等離子射流(電弧焰流) 。噴槍的電極(陰極)和噴嘴(陽極)分別接整流電源的正 、負極 ，向噴槍供給工作氣體(Ar 、N2等) ，通過高頻火花引燃電弧 。電弧將氣體加熱到很高的溫度 ，使氣體電離，在熱收縮效應 、自磁收縮效應和機械效應的作用下 ，電弧被壓縮 ，產生非轉移性等離子弧 。高溫等離子氣體從噴嘴噴出後 ，體積迅速膨脹 ，形成高溫高速等離子射流 。送粉氣流推動粉末進入等離子射流後 ，被迅速加熱到熔融或半熔融狀態 ，並將等離子射流加速，形成飛翔基材的噴塗離子束 ，陸續撞擊到經預處理的基材表麵 ，形成塗層 。大氣等離子噴塗用氬氣、氮氣 、氫氣作為等離子氣 。

3 超音速火焰噴塗技術的原理與應用

超音速火焰噴塗(簡稱 HVOF)是 20 世紀 80 年代初在普通火焰噴塗的基礎上發展起來的一種新型熱噴塗技術 。它是利用氫 、乙炔、丙烯 、煤油等做燃料 ，用氧氣作助燃劑 ，在燃燒室或特殊的噴嘴中燃燒 ，產生高達 2000~3000℃ 、2100 m/s 以上速度的超音速燃燒火焰 ，同時將粉末送進火焰中 ，產生熔化或半熔化的粒子 ，高速撞擊在基體表麵上沉積形成塗層 ，其超音速火焰製備的塗層比普通火焰噴塗或等離子噴塗製備的塗層結合強度更高更致密 。HVOF 發展非常迅速 ，從 1982 年美國的James.A. Browning 開發出超音速火焰噴塗裝置 Jet KoteI 以來 ，僅 10餘年 HVOF 工藝及裝置取得了長足的進展 ，其優異的塗層質量及與自動控製係統的結合使用 ，代表了現代熱噴塗技術發展的方向 。超音速火焰噴塗是近年來國際上發展較快的一種熱噴塗工藝 。它的特點是 ：焰流速度極快 ，可達到 2200 m/s ，這要比其他熱噴塗工藝的焰流速度快 5~10 倍 。由於速度快 ，粉末粒子攜帶強大的動能打擊在基體上 ，使塗層致密度極高可達到 98% ~99.8% ，而其他熱噴塗工藝隻達到 80% ~90% 。高速度帶來的另一個好處是 ：在粒子打擊基體的瞬間 ，動能幾乎全部轉化為熱能 ，使粒子再一次獲得加熱的機會 ，部分地補償了焰流溫度的不足 。

超音速火焰由於受燃燒焰流溫度的限製 ，與等離子熱源相比速度高而溫度低(約為 3000℃) 、對於 WC-CO 係硬質合金 ，可以有效地抑製 WC 在噴塗過程中的分解 ，塗層不僅結合強度高 、致密 ，而且可以較大限度地保留粉末中的硬質耐磨 WC 相 ，因此塗層耐磨損性能優越與爆炸噴塗層相當大幅度超過等離子噴塗層 ，也優於電鍍硬鉻層與噴焊層 ，目前已獲得了廣泛的發展 。

4 電弧噴塗技術

電弧噴塗具有生產效率高 ，成本低 ，工件受熱小等優點 ，在高效防腐 、維修 、設備製造和特殊功能塗層的製備方麵應用廣泛 ，在熱噴塗中占有重要的地位 。但是與等離子噴塗和超音速火焰噴塗相比 ，普通電弧噴塗的塗層質量較低 ，結合強度約 20 MPa  ，孔隙率3%~10% ，限製了電弧噴塗的應用 。近年來 ，高能高速噴塗成為熱噴塗發展的重要方向特別是粒子速度受到普遍關注 。粒子速度對塗層質量有決定性的作用 ，熱噴塗塗層質量的改善往往是粒子速度提高的結果 。與等離子噴塗 、超音速火焰噴塗相比 ，普通電弧噴塗粒子速度較低 ，由此可見粒子速度成為製約電弧噴塗發展的重要因素 。為了提高電弧噴塗的粒子速度 、改善霧化效果 ，人們采用了多種方案 。二次霧化將粒子速度提高到約 200m/s ，與普通電弧噴塗 100 m/s 相比粒子速度有了明顯的改善 ，但與超音速火焰噴塗 800 m/s 相比差距仍然較大 。將火焰噴塗與電弧噴塗結合 ，利用高速燃氣加速電弧噴塗的粒子 ，這種方式噴塗設備結構複雜 ，成本相對較高 ，還降低了係統的安全性 ，使用受到一定的限製 。普通電弧噴塗塗層質量較低 ，而塗層的使用環境越來越苛刻 ，因此其應用在工業中受到限製 。

5 超音速電弧噴塗技術

在超音速火焰噴塗(HVOF)技術基礎上 ，相繼開發了超音速電弧噴塗技術(HVAF-Arc)和超音速空氣燃料火焰噴塗(HVAF) 。超音速電弧噴塗技術是一種集成常規電弧噴塗和超音速火焰噴塗的新型噴塗技術 。采用燃料和空氣的混合氣燃燒產生的超音速射流 ，霧化電弧熔化的粒子並對粒子進行加速 ，使熔融的高速粒子噴射到基體表麵形成致密的塗層 。通過控製燃料和空氣的比例 ，使用過量的燃料可以防止粒子在飛行過程中被氧化 ，提高塗層的質量 。超音速空氣燃料火焰噴塗噴槍由主燃燒室和次燃燒室組成 。主燃燒室包括混合腔 、反應燃燒室 、內噴嘴以及送粉嘴構成 ；次燃燒室主要由外噴嘴 、次級燃料和壓縮空氣組成 。噴塗粉末被軸向送入到燃燒室和噴嘴中加熱加速 。超音速火焰空氣噴塗是為製備高致密度 、無氧化的金屬和金屬碳化物塗層而開發的 ，其顯著特點是噴塗過程中粒子被加熱但不熔化 ，粒子的表麵溫度保持在低於其熔點100~200℃ ，而噴塗粒子具有很高的速度 ，速度可達700~850m/s 。超音速空氣燃料火焰噴塗製備 WC 塗層具有很強的耐磨損性能 、低的殘餘應力以及較高的沉積效率 。

6 爆炸噴塗技術

爆炸噴塗是在特殊設計的燃燒室裏 ，將氧氣和乙炔氣按一定的比例混合後引爆 ，使料粉加熱熔融並使顆粒高速撞擊在零件表麵形成塗層的方法 。爆炸噴塗的特點是粒子飛行速度高 ，動能大 ，所以爆炸噴塗塗層具有以下特點 ：塗層和基體的結合強度高 ；塗層致密 ，氣孔率很低 ；塗層表麵加工後粗糙度低 ；工件表麵溫度低 。在爆炸噴塗中 ，當乙炔含量為45 %時 ，氧-乙炔混合氣體可產生3140℃的自由燃燒溫度 ，但在爆炸條件下可能超過4200℃ ，所以絕大多數粉末能夠熔化 。粉末在高速槍中被輸運的長度遠大於等離子槍 ，這也是其粒子速度高的原因 。爆炸噴塗可噴塗金屬 、金屬陶瓷及陶瓷材料 ，但是由於該設備價格高 ，噪音大 ，屬氧化性氣氛等原因 ，國內外應用還不廣泛 。爆炸噴塗的特點 ：爆炸噴塗的特點就是以突然爆炸的熱能加熱融化噴塗材料 ，並利用爆炸衝擊波產生的高壓把噴塗粉末材料高速噴射到工件基體表麵形成塗層 ，其主要優點如下 ：可噴塗的材料範圍廣 ，從低熔點的鋁合金到高熔點的陶瓷 ；工件熱損傷小 ；塗層的厚度容易控製 ；爆炸噴塗塗層的粗糙度低 ；噴塗過程中 ，碳化物及碳化物基粉末材料不會產生碳分解和脫碳現象 ；氧氣的消耗少，運行成本低 。

7 冷噴塗技術

熱噴塗技術的冷噴工藝是 20 世紀 80 年代中期開發的 ，但隻在近年來才受到愈來愈多的關注 。冷噴原理是噴塗材料不再加熱融化 ，而是隻加熱到約500℃或稍高一些的中等溫度 ，通過高速噴塗粒子撞擊基體表麵時產生塑性變形來構成塗層。冷噴過程中 ，高壓熱氣體 ，通常為氮氣氦氣或它們的混合物 ，通過拉瓦爾噴嘴被加速到超音速 ，噴塗材料以粉末形式注入氣流並噴向基體 ，噴塗粒子超過一定速度就可在衝擊過程中產生致結合牢固的密性塗層 。冷噴工藝需要高的氣壓(>315 MPa)和高的氣流量(>90m3/h) 。根據設備情況 ，氣體溫度可加熱到約800℃ ，粒子速度可達1000 m/s 以上 。冷噴塗層有如下特點 ：塗層致密度高 ，噴塗材料氧化程度低 ，基體吸收的熱量少 ，噴塗材料形變大 ，相及成分穩定 。然而正是以上提到的冷噴工藝特點 ，噴塗粉末尺寸分布和噴塗材料特性對於冷噴工藝比對其它工藝影響更大 ，在某種程度上 ，粒子的延展性是獲得致密塗層的關鍵 。冷噴塗是一種金屬噴塗工藝 ，但是它不同於傳統熱噴塗工藝(例如超速火焰噴塗 、等離子噴塗 、爆炸噴塗等傳統熱噴塗技術) ，它不需要將噴塗的金屬粒子融化 ，所以噴塗基體表麵產生的溫度不會超過150℃ 。冷噴塗的理論基礎是 ：壓縮空氣加速金屬粒子到臨界速度(超音速) ，金屬粒子直擊到基體表麵後發生物理形變 ，金屬粒子撞扁在基體表麵並牢固附著 。

8 結束語

熱噴塗技術由於具有極大的優勢而被廣泛的應用在工程領域中 。介紹火焰噴塗技術 、等離子噴塗技術 、超音速火焰噴塗技術 、電弧噴塗技術 、超音速電弧噴塗技術以及冷噴塗技術的研究發展現狀和應用等 ，並介紹這些熱噴塗技術的研究發展與應用 。熱噴塗技術將能夠開發出新型的技術 ，從而能夠製備性能優越的塗層 ，所以熱噴塗技術將在工程領域得到更為廣泛的應用 。