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概述

采用熱噴涂技術不僅能提高機器設備的耐磨損性、耐腐蝕性、耐侵蝕性、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，而且能賦予普通材料特殊的功能，諸如高溫超導涂層、生物涂層、金剛石涂層、固體氧燃料電池（SOFCs）電極催化涂層等，因此，熱噴涂技術必然會愈來愈引起人們的重視，并在各個工業(yè)領域獲得越來越廣泛的應用。但是，實際零部件因其材質、形狀、大小及其應用環(huán)境、服役條件等存在很大差別，要想成功采用熱噴涂涂層來解決所面臨的技術問題，必須遵循特定的過程，其中，最重要的有以下五個關鍵過程。
 

1.準確分析問題所在，明確涂層性能要求；

2.合理進行涂層設計，包括正確選擇噴涂材料、設備、工藝及遵循嚴格的涂層  質量性能評價體系等；

3.優(yōu)化涂層制備工藝；

4.嚴格控制涂層質量；

5.涂層技術的經濟可行性分析。

涂層設計起著承上啟下的作用，是采用熱噴涂技術成功解決實際問題的基礎，是所有環(huán)節(jié)中最重要的環(huán)節(jié)之一，在進行涂層設計時要考慮涂層所涉及到的各個環(huán)節(jié)，具有明顯的系統特性。因此，為了獲得滿足使用性能要求的涂層，在進行噴涂前，必須進行周密、合理的涂層設計。
熱噴涂涂層設計的主要內容包括：第一，根據零部件表面所處的工況條件或對已經發(fā)生表面失效的零部件的分析結果，確定零件表面涂層或表面涂層體系的技術要求，包括結合強度、硬度、厚度、孔隙多少及大小、耐磨性、耐蝕性、耐熱性或其它性能等；第二，運用所掌握的熱噴涂技術基礎知識（包括噴涂材料、噴涂工藝、涂層性能等），進行經濟技術可行性分析，以滿足性能要求為基礎，考慮涂層經濟性，進而選擇恰當的噴涂材料、設備及工藝方法；第三，編制合理的涂層制備工藝規(guī)范；最后，提出嚴格的涂層質量檢測與控制標準、零件包裝運輸條件等?，F在，更為嚴格的要求甚至包括對噴涂原材料生產廠商提出全面質量管理要求。所有上述內容構成一個完整的熱噴涂涂層設計的全過程。
需要特別指出的是，熱噴涂涂層的性能雖然主要取決于噴涂材料的性能，但還明顯受到所選定的噴涂設備和噴涂工藝的影響。同一種噴涂材料，當采用不同的噴涂設備、不同的噴涂工藝參數進行噴涂時，所得涂層的性能會存在很大差別。此外，涉及制備涂層的其它各個環(huán)節(jié)都會決定最終的涂層性能，如表面預處理、冷卻措施、涂層加工等，因此，只有對制備涂層的各個過程進行全面的質量控制，才可能獲得性能滿足要求的、質量穩(wěn)定的涂層。

零件工藝分析

零件工況分析是熱噴涂涂層設計的基礎，要獲得經濟、高效、高質量的涂層，首先必須對零部件的性能要求及工況條件進行準確分析，為選擇涂層種類和材料提供依據。
根據失效分析理論，失效模式分析是失效分析的核心內容，是導致零部件失效的物理和（或）化學變化過程，在該過程中，零部件的尺寸、形狀、狀態(tài)或性能發(fā)生了變化，并由此引起整個機械產品的失效，例如，磨損失效、疲勞失效、腐蝕失效等。而決定零部件失效模式的主要因素包括零部件材料的性質和狀態(tài)等內在因素和零部件工況條件等外在因素，其中，引起零部件失效的外在因素，即應力、環(huán)境和時間，是失效的誘發(fā)因素，通過零部件工況條件的深入分析可以了解清楚這些因素。
1．應力因素
力是零部件工作的條件。應力的種類、大小與狀態(tài)的不同組合是引起不同失效模式的重要的或決定性因素。應力種類包括持久、交變、沖擊、接觸、磨擦、沖刷等；應力狀態(tài)包括單純的拉伸、壓縮、剪切、扭轉、彎曲等應力和復合作用的拉彎、壓彎、彎扭、拉扭、拉剪、彎剪、扭剪等應力。應力因素可以單獨、也可以與其它因素耦合在一起來誘發(fā)零部件的失效。
2．環(huán)境因素
環(huán)境因素主要包括溫度和介質兩大因素。工作溫度一般可分為低溫、常溫、中溫、高溫和超高溫五類；工作介質包括氣相（真空、特殊氣體、鄉(xiāng)村大氣、城市大氣、工業(yè)大氣等）、液相（淡水、海水、油、酸、堿、液態(tài)金屬等）、固相（接觸、摩擦、沖刷等）等。環(huán)境因素與應力因素一樣，既可以單獨、也可以與其它因素耦合在一起來誘發(fā)零部件的失效。
3．時間因素
時間不能作為獨立因素來誘發(fā)失效產生，沒有應力和環(huán)境因素的存在，時間因素就失去了意義。但是，當時間因素與應立因素和環(huán)境因素耦合在一起時，它就變成一個非常重要的因素。
上述各種不同外界因素對零部件的失效起著各不相同的影響，從而產生不同的失效模式，各種主要失效模式與最主要、最典型的誘發(fā)因素之間的關系可參見相關資料。在進行熱噴涂涂層設計時，要特別注重對零部件表面失效產生影響的因素進行重點分析，這些因素可能單獨作用于零部件，也可能耦合作用于零部件，而在耦合作用下，對零部件的破壞作用要嚴重得多。例如，醋酸泵柱塞表面涂層，該涂層使用工況要求既耐磨損又耐腐蝕，如果不考慮醋酸腐蝕僅考慮提高耐磨性能，采用超音速火焰噴涂WC/Co、Cr3C2-NiCr類涂層均能滿足要求，但該類涂層在醋酸條件下的耐腐蝕性能均被列為“不好”和“不推薦”涂層，因此，綜合考慮，不能選用該噴涂材料及工藝來制備醋酸泵柱塞表面涂層。
除了上述外在因素，零部件材料的性質和狀態(tài)等內在因素也對零部件的失效有重要影響，因此，在具體分析時，要把零部件工況條件與零部件性能要求以及不同基體材料與不同工藝、不同噴涂材料與不同噴涂工藝所制造的零部件性能結合起來，才有可能設計出高質量的、合理的涂層。

粘結底層材料選擇

當需要在金屬基體上噴涂陶瓷涂層工作層時，由于陶瓷涂層材料在化學鍵、晶體結構和熱物理性能等方面與金屬材料存在相當大的差別，有必要先在金屬基體上噴涂一層合金粘結底層，提高表面陶瓷涂層與基體金屬之間結合強度的同時，還可以緩解兩者之間熱物理性能的差別。在基體尺寸形狀或結構難于進行噴砂或粗化處理時，也推薦采用粘結底層。此外，對于工作層雖然為金屬，但其熱物理性能與基體金屬相差較大，或兩者的潤濕性很差時，也推薦采用粘結底層。
1.常用粘結底層材料的性能要求
一般來講，作為粘結底層噴涂材料應具有以下四方面的性能特點：
(1）與基體表面結合強度高，甚至能產生微區(qū)冶金結合。特別是具有“自粘結”效應的Ni-Al型復合粉末，在熱噴涂過程中，Ni與Al能發(fā)生化學反應，生成金屬間化合物，并釋放出大量熱量，甚至這一反應過程能夠持續(xù)到粉末碰撞到基體表面時仍在進行，該效應十分有利于變形粒子與基體表面形成微區(qū)冶金結合，從而提高粘結合底層與基體之間的結合強度。
(2）具有抗氧化耐腐蝕能力。特別是作為陶瓷涂層的粘結底層，當在高溫下工作時，環(huán)境中的氧氣和腐蝕介質能夠通過陶瓷涂層的孔隙侵入到粘結底層，這就要求粘結底層在高溫下能形成致密的氧化物保護膜，以保護基體金屬不被氧化和環(huán)境介質的腐蝕。
(3）涂層表面具有合適的粗糙度，它不僅能為噴涂工作層提供良好的粗化表面，有利于提高工作層與粘結底層之間的結合強度，而且對工作層表面的粗糙度也有直接影響。
(4）具有合適的熱物理性能，特別是熱膨脹系數、熱導率等，最好介于基體材料和工作層之間，以減小兩者之間的熱膨脹不匹配性，降低涂層內的熱應力和體積應力，有利于提高涂層的使用壽命。
鑒于粘結底層的重要性，在進行涂層設計時，應綜合考慮基材熱物理特性和具體工況條件謹慎選擇。
2.粘結底層材料選擇方法
在進行涂層設計時，針對粘結底層的選擇，主要考慮以下兩方面因素的影響。
(1）粘結底層與基體材料的相容性。當基材為普通碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鎳鉻合金、鋁、鎂、鈦、鈮等材料時，可選用具有“自粘結”效應的噴涂粉末作為粘結底層材料，涂層十分致密，孔隙率低，能顯著提高表面工作層與基體之間的結合強度。但要注意，該類粘結底層在酸性、堿性和中性鹽的電解液中不耐腐蝕，不易在該類液態(tài)化學腐蝕條件下用作粘結底層。
當基材為銅及銅合金時，應優(yōu)先選用鋁青銅作粘結底層，由于Cu和Al之間在熱噴涂過程中也會發(fā)生放熱反應，生成金屬間化合物，因此，鋁青銅在銅及銅合金表面具有一定的自粘結性，有利于提高涂層與基體之間的結合強度，且該涂層具有良好的抗熱沖擊性和抗氧化性。
當基材為塑料及聚合物類基體時，為避免基材表面被高溫粒子燒焦而出現“焦化”，從而影響工作層與塑料基體之間的結合，常常選擇低熔點金屬（如Zn、Al等）或塑料加不銹鋼復合粉末作為粘結底層材料。塑料加不銹鋼復合粉末是由塑料粉末和不銹鋼粉末復合而成的粉末，主要用作塑料類基體上噴涂高熔點金屬、陶瓷或金屬陶瓷涂層時的粘結底層材料。其中的塑料組分質軟，且流平性好，使涂層與基體塑料有良好的粘結強度，并使塑料基體的受熱減至最小；而不銹鋼組分則具有良好的耐化學腐蝕性能，可形成鑲嵌在塑料涂層中的硬質顆粒，有利于形成粗糙表面，為噴涂工作層提供比較理想的“錨固”結構，此外，不銹鋼組分還有利于把噴涂焰流的熱量散開，從而避免塑料基體產生局部過熱或焦化，對提高粘結底層與基體的結合強度有利。
當基材為石墨基體時，為防止石墨和鎢在高溫下發(fā)生反應生成碳化鎢，引起石墨脆化，可噴涂鉭作為粘結底層。此外，鉭涂層與鋼基體之間也能形成自粘結結合。
值得注意的是，在熱噴涂技術中，鉬（Mo）也被作為一種具有自粘結效應的粘結底層來廣泛使用。這是因為Mo在400℃下，會迅速發(fā)生氧化，生成具有揮發(fā)性的MoO3，產生急劇升華，裸露出的鉬的熔滴對大多數金屬及其合金的干凈平滑表面有極好的潤濕鋪展性能，從而形成自粘結效應。除金屬外，它還能夠粘結在陶瓷、玻璃等非金屬表面，但在銅及銅合金、鍍鉻表面、氮化表面和硅鐵表面等除外。
此外，具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能和耐蝕性能的確NiCr合金，雖然不具有自粘結效應，但也是廣泛使用的一種粘結底層材料。
(2）粘結底層與工況條件。作為整個涂層的一部分，粘結底層的選用也必須滿足工況使用要求。由于應用涉及的工況環(huán)境很多，也很復雜，下面僅從工作溫度和腐蝕環(huán)境兩個方面進行闡述。
1)工作溫度。每一種粘結底層材料都有其適宜的工作溫度范圍，熱噴涂技術中常用粘結底層材料的特性及最高使用溫度如表所示。

粘結底層特性及最高使用溫度

2) 腐蝕介質。對于在腐蝕介質中工作的涂層，進行涂層設計時要特別注意，粘結底層及工作層均應首先具備抵抗工作介質腐蝕的能力，此時，選擇粘接底層時，應以耐工作介質腐蝕作為優(yōu)先考慮條件，在此基礎上，再考慮盡可能提高結合強度，如果粘結底層選擇不當，涂層壽命很難滿足使用需求。例如，某醋酸泵軸套防腐耐磨涂層選用Al2O3-TiO2陶瓷涂層作工作層，當采用Ni-Al型粘結底層時，其使用壽命很短，大約只有兩周時間，有時甚至出現“脫殼”現象；而當選用Mecto 700（Ni20Cr10W9Mo4Cu1C1B1Fe）時，其使用壽命可長達1.5-2年。由表中所列的常用粘結底層特性可知，Ni-Al型粘結底層均不耐電解質溶液腐蝕，Ni-Cr(80/20)可耐多種化學介質腐蝕及氣體腐蝕的能力，而Mo可耐多種強腐蝕介質腐蝕。一些金屬涂層與所適應的環(huán)境介質如表所示。

部分金屬涂層及其適應的介質