熱噴涂是利用熱源將噴涂材料(粉末、線材或棒材)加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，用高速氣流使其霧化，并以一定速度噴射到基體表面，形成耐蝕、耐磨及耐高溫等特性涂層的方法。
火焰的熱能和動(dòng)能可以通過燃燒燃?xì)夂脱鯕獾幕旌衔锂a(chǎn)生，也可以通過電源產(chǎn)生。根據(jù)能源來源不同，常用的熱噴涂工藝有：火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂、超音速噴涂等。
（2）按材料成分可分為金屬及合金、自熔性合金、復(fù)合材料、陶瓷等。
（3）按噴涂層工作環(huán)境和使用要求可分為耐磨噴涂材科、耐腐蝕噴涂材料和結(jié)合底層材料等。
（4）按噴涂材料性質(zhì)可分為抗高溫氧化涂層、隔熱涂層、耐腐蝕涂層、耐磨涂層、導(dǎo)電涂層、絕緣涂層、功能性涂層、自潤滑涂層、粘接底層材料等。
由于熱噴涂涂層是由扁平、快速固化的液滴形成的，因此速度對于獲得層狀結(jié)構(gòu)涂層的密度起著重要作用。陶瓷涂層主要采用等離子噴涂法制備，而溫度敏感材料，如金屬陶瓷，更優(yōu)選采用火焰溫度較低的方法噴涂。
1、噴涂材料的選擇與特性：材料的熔點(diǎn)、粒徑大小、流動(dòng)性、化學(xué)成分、相含量等會(huì)影響涂層的質(zhì)量和性能，而粉末性質(zhì)和特性取決于粉末制造方法，即破碎和研磨、水和氣體霧化、噴霧干燥、團(tuán)聚和燒結(jié)等。
2.噴涂工藝參數(shù)：噴涂速度、噴涂距離、氣體流量、噴嘴形狀和角度等參數(shù)對涂層的厚度、均勻性和結(jié)合力有影響。
3. 基材表面處理：表面清潔度、粗糙度和預(yù)熱情況會(huì)影響涂層的附著力和穩(wěn)定性。
4. 噴涂環(huán)境和條件：溫度、濕度、空氣流動(dòng)情況等環(huán)境因素也會(huì)對涂層的質(zhì)量產(chǎn)生影響。
綜合控制以上因素可以有效提高熱噴涂涂層的質(zhì)量和性能。
典型的熱噴涂工藝特點(diǎn)及應(yīng)用材料
火焰絲材噴涂是指噴槍通過氣閥分別引入乙炔、氧氣和壓縮空氣，利用氧-乙炔燃燒火焰作為熱源，將連續(xù)、均勻送入火焰中的噴涂絲材端部加熱到熔化狀態(tài)，借助于高壓氣體將熔化狀態(tài)的絲材霧化成微粒，噴射到經(jīng)過預(yù)先處理的工件表面形成涂層。火焰絲材噴涂是機(jī)械部件維修和制備防腐涂層的常用方法，常用于生產(chǎn)防腐涂層和部件尺寸修整。金屬絲材常用于石油化工、管道及海洋市場中大型鋼結(jié)構(gòu)的表面噴涂，設(shè)備簡易便捷，成為車間大批量生產(chǎn)的主流選擇。
火焰絲材噴涂適用涂層材料廣泛，金屬、合金、陶瓷、復(fù)合材料等均可作為涂層材料，但只能噴涂線材或棒材。常見的火焰絲材噴涂材料有：Zn、Al及Zn-Al復(fù)合絲材、Ni-Al復(fù)合絲材、Mo絲、高Cr不銹鋼絲、蒙乃爾合金、青銅、Al2O3、Cr2O3及TiO2等�；鹧娼z材噴涂成本低、沉積效率高，非常適合噴涂Mo絲。在噴涂材料選擇過程中，需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境確定所需涂層的主要性能，如材料的摩擦系數(shù)、耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性、耐高低溫性等�；鹧娼z材噴涂通常用于防腐蝕、耐磨、導(dǎo)熱等涂層，廣泛應(yīng)用于建筑、制造業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。
火焰粉末噴涂是一種將金屬或非金屬粉末原料送入燃?xì)庋鯕鈿夥罩?通過高溫燃燒產(chǎn)生熱量，熔化材料并噴射到經(jīng)過預(yù)先處理的工件表面形成堅(jiān)硬的涂層。其系統(tǒng)通常由送粉器和噴槍組成，粉末通過載氣送至噴槍，混合氣體將熔融顆粒噴射至工件表面，快速固化形成涂層。適用于機(jī)器零件維修、修理和修整，以及用于間隙控制裝置的可磨耗涂層。這種噴涂工藝相對靈活，可應(yīng)用于金屬、合金、碳化物、聚合物甚至陶瓷粉末。
火焰粉末噴涂適用材料范圍廣泛，但無法噴涂高熔點(diǎn)及易氧化分解的材料。其中金屬粉末主要包括鐵基粉末、鎳基粉末等；非金屬粉末主要包括碳系粉末、硼系粉末和硅系粉末等；陶瓷粉末主要包括碳化硅、氧化鋁、氮化硼等。適用于火焰粉末噴涂的金屬材料主要是熔點(diǎn)較低的金屬及合金粉末，如：Zn、Al及Zn-Al粉末、Ni/Al粉末（Ni包Al、Al包Ni、NiCrAl、NiCrAlY等）、不銹鋼粉末等，粉末形貌為球形或近球形。
電弧絲材噴涂是一種利用電子流激發(fā)的等離子體原理，通過高速度電子束轟擊空氣和電極材料產(chǎn)生火花放電，形成高溫區(qū)域的技術(shù)。需要將兩根金屬絲作為自耗性電極，并以匹配的可控速度送入電弧噴槍，碰撞產(chǎn)生的熱量熔融金屬絲的尖端，再通過壓縮空氣將熔融金屬顆粒霧化，加速噴至工件表面上形成涂層。電弧內(nèi)的溫度可達(dá)到5000℃，粒子速度在100-300m/s范圍內(nèi)。這種噴涂只需電力和壓縮空氣來熔化金屬合金和純金屬絲，且噴涂和涂覆速度極快，與火焰噴涂涂層相比，電弧噴涂涂層孔隙率更低。適用于涂層焊管焊縫、活塞環(huán)、電容器、壓敏電阻、鍋爐壁和大型基礎(chǔ)設(shè)施。
電弧噴涂材料一般為絲材，分為實(shí)芯絲材和粉芯絲材。實(shí)芯絲材主要包含有色金屬絲材（如：鋁、鋅、銅和鎳等金屬及其合金）和黑色金屬絲材(碳素鋼絲和不銹鋼絲)兩種。碳素鋼絲是一種耐磨材料，作為噴涂材料，主要用于修復(fù)磨損件和機(jī)械零部件。如低碳鋼絲，硬度為（140~200） HB，價(jià)格低，易于削切加工，適用于滑動(dòng)磨損部件及軸承面、超差件修復(fù)、鑄件孔隙填補(bǔ)等。不銹鋼種類繁多，需充分了解其性能后選擇合適的材料。例如18-8型奧氏體不銹鋼絲：GB4240—881Cr18Ni9Ti，涂層組織主要為奧氏體，在腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)中化學(xué)穩(wěn)定性好，但耐磨性一般。噴涂層收縮性大，易開裂，作耐蝕涂層需進(jìn)行封孔處理，主要用于噴涂耐蝕涂層。粉芯絲材則是由金屬外皮包裹著一定粒度的不同類型的金屬、合金粉末、復(fù)合陶瓷粉末材料等構(gòu)成，粉芯絲材拓寬了電弧噴涂材料的應(yīng)用范圍，克服了諸多材料不宜做成絲材的缺點(diǎn)，還使一些不能導(dǎo)電的顆粒材料在電弧噴涂上得以應(yīng)用，并可制造特殊的合金涂層和金屬陶瓷復(fù)合材料涂層，是一種非常有發(fā)展前景的電弧噴涂材料，在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用。
超音速火焰 (HVOF) 噴涂使用氧氣和燃料形成可燃混合物，液體燃料 HVOF (HVOF-LF) 通常使用液體煤油作為燃料，氣體燃料 HVOF (HVOF-GF) 使用燃?xì)庥斜⒈�、氫氣或天然氣（甲烷）等。燃料在噴槍中與氧氣混合，混合物燃燒后通過噴嘴以超音速噴出，通常使用氮?dú)庾鳛檩d氣，將原料以粉末形式送入噴槍內(nèi)。氣體的燃燒在腔室中產(chǎn)生高溫和高壓，從而導(dǎo)致氣體通過噴嘴產(chǎn)生超音速流動(dòng)。當(dāng)粉末噴出噴槍時(shí)，點(diǎn)燃的氣體包圍并均勻加熱粉末材料，并推動(dòng)其到達(dá)工件表面，由于轉(zhuǎn)移到粉末顆粒上的動(dòng)能很高，粉末顆粒在燃燒室中以及在通過噴嘴的飛行過程中完全或部分熔化，產(chǎn)生的涂層具有可預(yù)見的化學(xué)均勻性和良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。在許多應(yīng)用場景中，需要耐磨和耐腐蝕的涂層來保護(hù)關(guān)鍵部件，超音速火焰 (HVOF) 噴涂工藝可制備很致密、具有精細(xì)微結(jié)構(gòu)的硬涂層，從而達(dá)到需要的保護(hù)功能。
在HVOF工藝中，顆粒完全或僅部分熔化，具體取決于火焰溫度、顆粒停留時(shí)間、材料熔點(diǎn)和導(dǎo)熱率等因素。由于大多數(shù) HVOF 噴槍和系統(tǒng)的熔化能力有限，HVOF 噴涂主要應(yīng)用于金屬陶瓷和金屬涂層。HVOF典型的耐磨涂層基于金屬陶瓷，即金屬陶瓷復(fù)合材料，主要結(jié)合了金屬基體的各種混合物，包括鈷、鉻和鎳，以及碳化鎢或碳化鉻。最常見的組合有WC-Co12 、 WC- Co17、Cr2C3-NiCr等，廣泛用于需要高耐磨性的應(yīng)用中。研究用于高溫腐蝕的其他金屬陶瓷包括 WC-CoCr、TiC-CoCr、NbC-CoCr等。TiC金屬碳化物是介于WC-Co和Cr3C2-NiCr之間的耐磨和耐腐蝕噴涂材料，可以應(yīng)用到700°C以上，TiC不易與Co和Ni形成非晶和準(zhǔn)穩(wěn)定相。HVOF 涂層的高溫耐腐蝕性也得到了深入研究,例如:Cr3C2-NiCr、NiCrBSi、Stellite-6和Ni-20Cr等涂層。鍍層的耐高溫腐蝕性能一般可歸因于鍍層表面形成鎳、鉻或鈷的氧化物和尖晶石。所有涂層的高溫耐腐蝕性均優(yōu)于裸露的鎳基高溫合金。根據(jù)相關(guān)研究表明：Cr2o3、Nio、NiCr2O4和Coo的形成可能有助于涂層耐高溫腐蝕性能的發(fā)展。在循環(huán)氧化中NiCrBSi涂層也被發(fā)現(xiàn)對于降低900℃ Na2SO4 -60% V2O5熔鹽環(huán)境中的腐蝕速率非常有效。
HVOF 涂層的孔隙率非常低（低于 1%），適合保護(hù)基材材料免受腐蝕。由于硬度高、與基材的結(jié)合強(qiáng)度高以及層間結(jié)合良好，HVOF 涂層廣泛用于磨損保護(hù)應(yīng)用，例如紙張和紙漿加工輥以及造紙機(jī)中的其他耐磨部件。
大氣等離子噴涂原理是通過等離子噴槍(又稱等離子弧發(fā)生器)產(chǎn)生等離子焰流，在帶正電的極（陽極）和帶負(fù)電的極（陰極）之間產(chǎn)生強(qiáng)電弧,將工藝氣體流體電離成等離子體狀態(tài),然后將粉末材料注入等離子體射流中,粉末顆粒被迅速加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，隨著離子流高速撞擊噴射至工件表面上。大氣等離子噴涂工藝主要用于防護(hù)磨損和腐蝕、隔熱、維修等功能。大氣等離子噴涂技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的熱噴涂技術(shù)，幾乎沒有材料限制，等離子體的高溫足以瞬間熔化目前已知的任何材料。因此等離子噴涂技術(shù)可以形成涂層的種類及應(yīng)用相當(dāng)廣泛，尤其是噴涂高熔點(diǎn)、陶瓷材料，等離子噴涂具有很大的優(yōu)勢，由于使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴涂材料不易氧化。因此，大氣等離子噴涂通常用于熱防護(hù)、耐磨、耐腐蝕、尺寸控制及部件修整等眾多情況。
等離子噴涂中涂層的硬度與基體材料的硬度有關(guān)，噴涂材料硬度越高，涂層越硬，因此，大氣等離子噴涂時(shí)要選擇合適的涂層材料。常見的大氣等離子噴涂材料體系包含：金屬合金、陶瓷材料、復(fù)合材料、金屬間化合物、熱障涂層、金屬涂層、功能性材料等。在噴涂過程中，基體與涂層之間產(chǎn)生摩擦導(dǎo)致磨損和粘著。為了改善這種情況，人們嘗試采用合金涂層來提高涂層耐磨性。例如：采用 Co、 Ni合金材料制成的合金涂層，其耐磨性比基體材料高1~2倍；采用 NiCoCrAlY和 NiCr等材料制成的合金涂層，其耐磨性比基體材料高10~20倍。另外，F(xiàn)eAl金屬間化合物是一種低廉的耐高溫氧化材料，常用于耐氧化涂層。由于材料中Al容易氧化，大氣等離子噴涂涂層中會(huì)含有一些氧化物。而YSZ則常用于熱障涂層，因長期暴露在1200℃以上的溫度下會(huì)發(fā)生相變和燒結(jié)。這些變化導(dǎo)致相變引起的體積膨脹應(yīng)力和燒結(jié)引起的孔隙率降低，導(dǎo)致應(yīng)變?nèi)菹藿档秃土鸭y擴(kuò)展失效。因此，需要考慮其晶體結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)，探索能夠在更高溫度下工作且具有更好相穩(wěn)定性的材料。鋯酸釓和鉭酸鹽是潛在合適的陶瓷層材料。
爆炸噴涂的工藝原理是利用氧氣和乙炔燃燒產(chǎn)生爆炸，釋放出熱能和沖擊波，熱能使噴涂粉末熔化，沖擊波則使熔融粉末以700～800m/s的速度噴射到工件表面上形成涂層。爆炸噴涂工藝是一種間歇式噴涂，一般的噴涂頻率在4次/秒-8次/秒。爆炸噴涂過程將特定壓力、比例的氧氣和燃?xì)猓ㄒ胰玻┳⑷胨鋰姌屓紵�，通過火花塞將混合氣體點(diǎn)燃、爆炸，載氣攜帶粉末由供粉口進(jìn)入燃燒室與高溫、高速氣流共同從噴口噴出，同時(shí)粉末被加熱、加速撞擊基體表面，變形、凝固，隨后通入氮?dú)馇謇順尮�，為下一次噴涂做�?zhǔn)備，如此往復(fù)，形成涂層。
爆炸噴涂可選擇不同的燃料，例如乙炔，乙炔 丙烷，乙炔 氮?dú)獾�，選擇不同的爆炸氣體，可以調(diào)節(jié)爆炸氣體溫度，以適用于不同的粉體材料。適合爆炸噴涂的材料有金屬、例如Cu-In-Ni、NiCr、MCrAlY；金屬與氧化物的混合物、例如CoCrAlTaY Al2O3；金屬碳化物，例如WC-Co，NiCr-Cr3C2和部分低熔點(diǎn)氧化物，例如氧化鋁，氧化鋁-氧化鈦。與等離子噴涂方法相比，爆炸噴涂容易獲得致密結(jié)構(gòu)的涂層。與HVOF相比爆炸噴涂材料范圍更廣。另外爆炸噴涂由于氣體流量小，產(chǎn)生的熱量低，爆炸時(shí)對零件的熱沖擊小，適合噴涂有疲勞性能要求的零件。由于爆炸噴涂的靈活性較差，不能到現(xiàn)場噴涂，另外設(shè)備大，不適合噴涂較小的內(nèi)孔零件。
爆炸噴涂已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如在鋼鐵領(lǐng)域，爆炸噴涂Al2O3 CoNiCrAlYTa 用于高溫退火爐內(nèi)傳送輥；爆炸噴涂氧化鋁用于絕緣涂層，絕緣性超過等離子噴涂，但是涂層內(nèi)應(yīng)力大。
圖：爆炸噴涂核泵密封環(huán)（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
熱噴涂技術(shù)在很多領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景，比如航空航天、汽車工業(yè)和能源領(lǐng)域。未來，隨著材料科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，熱噴涂技術(shù)可能會(huì)更加精確、高效，并且能夠涵蓋更多的材料種類，這將使其在各個(gè)行業(yè)中發(fā)揮更大的作用。同時(shí)，隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，開發(fā)出更環(huán)保的噴涂材料也是將來熱噴涂技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。
