热喷涂技术的应用领域扩大

热喷涂工艺已经有近百年的历史了，它于1910年首先由瑞士的Max Ulrich Schoop发明，Schoop于1913年制做出世界首台丝材喷枪，并在其后逐渐完善和得到应用。20世纪20年代，日本人去瑞士考察后，发明了以交流电为热源的电弧热喷涂装置，但因交流电不稳定、效率低、涂层质量差等原因，这种交流电弧热喷涂技术及装置未能得到实际的推广和应用。后来德国改用直流电源后，电弧喷涂才有了真正的实用价值，1938年，美国研制成功了电弧丝材喷枪，其后又研制出粉末氧-乙炔火焰喷枪。1953年，当时的联邦德国研制出自熔性合金粉，这是喷涂材料发展的一次重大突破（使粉末喷涂材料从单一金属向合金材料发展，从低熔点材料向高熔点材料发展，从低耐磨性向高耐磨性发展的里程碑）。20世纪50年代后期，美国又相继研制出爆炸喷涂和等离子喷涂，满足了当时航空、导弹等尖端技术对涂层性能的需要。20世纪60～70年代，是喷涂材料发展十分活跃的时期，美国、加拿大、瑞士、联邦德国、比利时等国分别研制生产出系列的复合粉、多种自熔合金粉、陶瓷粉、金属陶瓷粉和自粘结复合粉等，这其中包括以Ni-Al为基础的放热型复合粉，这些材料的出现以及材料生产技术的不断完善，使得喷涂材料更加齐备和商品化，满足了当时直到今天人们在这方面的需求。进入20世纪80年代以来，特别是21世纪初，新型装备的研制成功扩大了热喷涂技术的应用领域。根据热源的种类，热喷涂方法主要分类如图7-3所示。

图7-3 热喷涂方法根据热源种类的分类

4.1.1 热喷涂工艺

热喷工艺过程如下：

工件表面的预加工→工件表面预处理→工件预热→喷涂→涂层后处理

1.工件表面的预加工 预加工的目的：一是使工件表面适合于涂层沉积，增加结合面积；二是有利于克服涂层的收缩应力。对工件的某些部位作相应预加工以分散涂层的局部应力，增加涂层的抗剪能力。常用的方法是切圆角和预制涂层槽。工件表面粗车螺纹也是常用的方法之一，尤其在喷涂大型工件时常用车削螺纹来增加结合面积。车削螺纹应注意两个问题，首先是螺纹截面要适合于喷涂，矩形截面或半圆形截面不利于涂层的结合。此外，螺纹不宜过深，否则将喷涂过厚，增加成本。也可对涂覆表面进行“滚花”或将车削螺纹和滚花结合起来。

2.工件表面预处理 表面预处理是涂层制备的第一步，也是非常重要的一步。表面预处理的质量直接影响涂层的结合强度。表面预处理的目的是将待喷表面处理成适合喷涂、有足够结合面、且具有一定活性的表面。为了使涂层与基体材料很好地结合，基材表面必须清洁及粗糙，净化和粗化表面的方法很多，方法的选择要根据涂层的设计要求及基材的材质、形状、厚薄、表面原始状况以及施工条件等因素而定。

净化处理的目的是除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油渍、油漆及其他污物，关键是除去工件表面和渗入其中的油脂。净化处理的方法有，溶剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法等。

粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接触面，增大涂层与基材的机械咬合力，使净化处理过的表面更加活化，以提高涂层与基材的结合强度。同时基材表面粗化还改变涂层中的残余应力分布，对提高涂层的结合强度也是有利的。粗化处理的方法有喷砂、机械加工法（如车螺纹、滚花）、电拉毛等。其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法，常用的喷砂介质有氧化铝、碳化硅和冷硬铸铁等。喷砂时，喷砂介质的种类和粒度、喷砂时风压的大小等条件必须根据工件材质的硬度、工件的形状和尺寸等进行合理的选择。对于各种金属基体，推荐采用的砂粒粒度约为16～60号砂，粗砂用于坚固件和重型件的喷砂，喷砂压力为0.5～0.7MPa，薄工件易于变形，喷砂压力为0.3～0.4MPa。特别值得注意的一点是，用于喷砂的压缩空气一定要是无水无油的，否则会严重影响涂层的质量。喷涂前工件表面的粗化程度对大多数金属材料来说R_a=（2.5～13）µm就够了。随着表面粗糙度的增加，涂层与基体材料的结合增强，但是当表面粗糙度超过R_a=10µm后，涂层结合强度的提高程度便会减低。对于一些与基材粘结不好的涂层材料，还应选择一种与基体材料粘结好的材料喷涂一层过渡层，称为粘结底层。常用作粘结底层的材料有Mo、NiAl、NiCr及铝青铜等。粘结底层的厚度一般为0.08～0.18mm。

3.工件预热 预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度，以提高涂层与基体的结合强度；减少因基材与涂层材料的热膨胀差异造成的应力而导致涂层开裂。预热温度取决于工件的大小、形状和材质，以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素，一般情况下，预热温度控制在60～120℃之间。

4.喷涂 根据工件的材料、技术要求及工作条件等来选用粘结底层及工作层用材料。选料时参阅其

他有关资料。一般情形下，薄涂层选用细粉，厚涂层选用粗粉。零件喷涂的主要目的是补偿磨损尺寸。一般，喷涂后必须机械加工达到尺寸和形位精度要求，因此确定涂层厚度时，应考虑加工余量，并考虑喷涂后工件热态与冷态的尺寸差异。补偿层厚度以0.4～1mm为宜，局部厚度应≤3mm。加工余量一般可取0.4～0.8mm。对于工件磨损量小，只喷涂自粘结复合材料，其厚度应≤0.3mm。以涂层材料性能、厚度及粒度确定喷涂参数，包括压缩空气的压力、喷距、喷枪与工件的相对运动速度等。这些参数除参考有关资料外，应注意积累经验数据。预处理好的工件要在尽可能短的时间内进行喷涂，喷涂参数要根据涂层材料、喷枪性能和工件的具体情况而定。

5.涂层后处理 喷涂所得涂层有时不能直接使用，必须进行一系列的后处理。用于防腐蚀的涂层，为了防止腐蚀介质透过涂层的孔隙到达基材而引起基材的腐蚀，必须对涂层进行封孔处理。用作封孔剂的材料很多，有石蜡、环氧树脂、硅树脂等有机材料及氧化物等无机材料，如何选择合适的封孔剂，要根据工件的工作介质、环境、温度及成本等多种因素进行考虑。

对于承受高应力载荷或冲击磨损的工件，为了提高涂层的结合强度，要对喷涂层进行重熔处理（如火焰重熔、感应重熔、激光重熔以及热等静压等），使多孔的且与基体仅以机械结合的涂层变为与基材呈冶金结合的致密涂层。

有尺寸精度要求的，要对涂层进行机械加工。由于喷涂涂层具有与一般的金属及陶瓷材料不同的特点，如：涂层有微孔，不利于散热；涂层本身的强度较低，不能承受很大的切削力；涂层中有很多硬的质点，对刀具的磨损损耗大等，因而形成了喷涂涂层不同于一般材料的难于加工的特点。所以必须选用合理 的加工方法和相应的工艺参数才能保证喷涂层机械加工的顺利进行和保证达到所要求的尺寸精度。

4.1.2 线材火焰喷涂

它是利用氧乙炔燃烧火焰将喷涂材料加热熔化或软化，在高速焰流的作用下将其吹散雾化，高速喷射到基材表面形成涂层，喷涂的原理如图7-4所示。

图7-4 线材火焰喷涂原理

1.工艺特点 线材火焰喷涂设备轻便简单，可移动，价格也低于其他喷涂设备，经济性也好，是目前喷涂技术中使用较广泛的一种方法。但喷出的颗粒速度小，火焰温度低，涂层的粘结强度及涂层本身的综合强度都比较低，此外火焰中心为氧化气氛，不适宜于高熔点材料和易氧化材料的喷涂。为提高涂层的结合强度及降低孔隙率，可采用压缩空气或气流加速装置来提高颗粒速度。

2.线材火焰喷涂设备

（1）设备构成。典型的线材火焰喷涂设备的组成如图7-5所示，包括燃料和氧气供给系统、压缩空气供给系统、线材源、喷涂枪等。

图7-5 线材火焰喷涂系统设备组成示意图

（2）供气系统。线材火焰喷涂必须同时具有氧气、燃气（乙炔）、压缩气体，对三气性能的要求见表7-1：

表7-1 线材火焰喷涂对氧气、乙炔、压缩气体的要求

（3）喷枪。喷枪是线材火焰喷涂的主要喷涂工具。按照氧-燃气的混合方式分类有等压式喷枪和射吸式喷枪两种。射吸式喷枪是通过氧气气流吸入乙炔，操作方便，使用安全，是通常采用的枪型。按喷枪中驱动丝材的动力分类，可分为气动式和电动式喷枪。气动式喷枪又分为气动涡轮和气动马达喷枪。为了调节丝材的送进速度并能自动稳定，喷枪有自身或附加的调速装置，调速器随采用的动力不同，有机械式、机电式、电子式和风动式调速器等。目前国内常采用的射吸式线材火焰喷涂喷枪的外形如图7-6所示。

图7-6 线材火焰喷枪外形

喷涂角度的减少，会降低涂层质量，在喷涂工作位置允许的情况下，喷涂角度应为90°，对于喷涂角度小于45°的部位，工件的质量和涂层后处理更应该认真对待，角度与碳钢涂层性能的关系见表7-2。

4.1.3 粉末火焰喷涂

粉末火焰喷涂是利用氧、乙炔火焰作热源，把加热到熔化或近熔化状态的合金粉末喷到经过预先处理 的零件表面上形成要求涂层的工艺，如图7-7所示。燃料最常用的是乙炔，也有用丁烷气、丙烷气的，在进行粉末火焰喷涂时，根据要求可以使用或不使用辅助空气。不同燃料气体火焰温度见表7-3。压缩空气作用之一是冷却要喷涂的零件，并加速粉末熔粒；作用之二是作为集中收敛气流，大大提高粉末熔粒的速度，空气通过与火焰相互作用，形成较强的氧化环境。

表7-2 角度与碳钢涂层性能的关系

图7-7 粉末火焰喷涂原理图

表7-3 不同燃料气体火焰温度

1.工艺特点 粉末火焰喷涂设备简单，操作方便，容易掌握，适于现场维修施工。由于采用粉末火焰喷涂材料，因此应用材料范围广，可制备多种性能的涂层，尤其适合于制备耐磨涂层，或耐磨损和耐腐蚀性能兼具的涂层。粉末火焰喷涂可以喷涂的材料有：Ni-Al放热型自粘结材料、不锈钢、自熔性合金或自熔性合金与Ni-Al或Mo的混合物、Ni-Cr合金、Mo、铝青铜合金、WC/Co陶瓷等材料。图7-8所示为粉末火焰喷枪的外形。

2.常见的缺陷及解决办法

（1）疏松多孔。由于变形不够，微粒之间没有粘结，切削加工时涂层会剥离，剥离后呈现黑斑。克服的办法如加大火焰、火焰热量要集中、减少出粉量和送粉气流；保持适宜的喷涂距离，不可过近或过远；喷嘴与工件形成的喷射角不可过多偏离垂直方向；喷涂粉末的粒度最好在150～250目，粒度区间窄一些比较好，实际使用可分别过筛按级使用，粒度太小，粉末容易过烧氧化，造成烟雾。

图7-8 粉末火焰喷枪的外形

（2）剥落和裂纹。产生的主要原因是：工件预处理不合格，油污、锈斑、灰尘、潮气等未除尽；工件预热温度过高，待喷表面氧化；镍包铝喷涂时烟雾过大或喷涂时喷枪移动速度过慢，夹杂物漂浮，污染了喷涂表面；工件预热不够，打底层过薄且与基材结合不牢；一次喷涂太厚，且不均匀，或者涂层温度过高、喷枪距离太近，使涂层过热，收缩过大，产生了较大的内应力。当内应力大于喷涂层与基材的结合强度极限时，喷涂层就会与基材剥离，当喷涂层内应力超过喷涂层自身强度时，喷涂层就会出现开裂。

4.1.4 粉末火焰喷焊

合金粉末氧-乙炔喷焊是将各种合金粉末，经氧-乙炔焰流加热，高速喷射并熔融到固态基材表面上，实现冶金结合，形成所需性能的致密喷焊层的一种工艺。在喷焊过程中，粉末材料虽然全部熔化，但基材金属并未熔化，有别于堆焊。喷焊之所以能形成冶金结合的原因是由于接触界面上熔融的合金粉末与基材在高温下发生了化学作用，固态的基材表面为液态合金所熔解，形成了一层新的表面合金。这层合金熔点较低，促进了喷焊层和基材的相互扩散、渗透，提高了结合效果。通过对喷焊层金相组织的研究，可以看到界面上的这一层表面合金层如图7-9所示。

图7-9 HT300基体与喷焊互熔层金相组织（160×）

喷焊工艺 在进行喷焊之前，首先要了解各种金属材料对喷焊的适应性，以便制订合理的施工方案。各种金属材料对喷焊过程的适应性见表7-4。如钢种含有与氧亲和力较强的元素含量过高时，在预加热过程中容易生成氧化物，而且B、Si元素又不易将其还原，故这类钢不适于采用喷焊的方法进行表面强化处理。这类元素有铝、镁、钛、铌、钒、钨和钼等。但含钨和钼小于3%，含铝、钛、镁等总量小于0.5%的钢种可喷焊。

表7-4 各种金属材料对喷焊的适应性

4.1.5 陶瓷棒火焰喷涂

陶瓷棒火焰喷涂是20世纪50年代初由美国的Nortom公司为适应空间技术的发展而发明的，在以后相当长的时间里，一直由Nortom公司提供烧结陶瓷棒，而由Metallizing公司提供线材火焰喷涂枪改装的专用陶瓷棒火焰喷枪。其外形如图7-10所示。

图7-10 陶瓷棒火焰喷枪的外形

陶瓷棒火焰喷涂的工作原理与线材火焰喷涂相同。这种喷涂方法最初用于导弹制造中对喷嘴喷涂氧化锆绝缘层，随后就很快扩散到很多领域，如用于制造、修复及改进工件的性能。目前最基本而常用的陶瓷棒有氧化铝、氧化锆、氧化铬等。陶瓷棒火焰喷涂是利用氧乙炔燃烧的热源，将连续、均匀送入火焰中的陶瓷棒加热、熔融，再通过高压气体雾化成微粒状，直接喷射到预先处理过的工件表面，连续沉积形成涂层。它具有可手提操作、灵活方便的特点。棒材喷涂中，粒子熔化完全，涂层中不含有未熔粒子，粒子以160～240m/s的高速撞击母材，粒子间结合强度高，涂层韧性好。对基体母材的热影响小，压缩空气除了起到雾化作用外，还对基体有冷却作用。它广泛地应用于零部件耐磨损、耐冲刷、耐高温、耐腐蚀涂层及绝缘涂层的制备。

4.1.6 电弧喷涂技术

电弧喷涂是由两根作为喷涂材料而不断被消耗的载流金属丝短路，产生连续电弧而使金属丝端部熔融，用高速冷空气射流使熔化的金属丝端部雾化溅射到基材表面。电弧喷涂所用的两根线状涂层材料由送丝轮自动导入，当在两根线状涂层材料之间通过大电流时将产生电弧，线状材料在电弧的高温作用下迅速熔化，并由压缩空气作用成小液滴被喷射到基体表面形成涂层，其原理如图7-11所示。

图7-11 电弧喷涂原理

1.电弧喷涂电源特性 目前电弧喷涂大多采用外特性和动特性适于电弧喷涂特点的专用电源，即电源外特性是平特性或略带上升的外特性，而动特性有足够大的电流上升速率，平直或略带上升的外特性比陡降外特性有大得多的电流自调节性能。当弧长变小时，电流能迅速增大，加速金属丝的熔化而恢复弧长；当弧长变大时，电流又能迅速减小，降低金属丝的熔化速度而恢复弧长。电弧产生原理如图7-12所示，电弧电压与电流的关系如图7-13所示，电弧电压与电弧长度的关系如图7-14所示。

图7-12 电弧产生原理

(www.xing528.com)

图7-13 电弧电压与电流关系

图7-14 电弧电压与电弧长度关系

2.电弧喷涂设备 电弧线材喷涂设备由电弧控制设备、送丝系统、压缩空气系统和电弧喷枪等组成。图7-15所示为全套的电弧喷涂系统简图。

图7-15 电弧喷涂设备系统简图

电弧喷涂虽然可以采用一般的弧焊整流电源，但由于弧焊整流电源具有陡降的外特性，电弧工作电压在40V以上，使喷涂过程中喷涂丝的碳烧损严重，导致涂层硬度降低。因此，已被在外特性和动特性更合适的硅整流电源所取代。

硅整流电源具有结构简单、坚固耐用、噪声小、维修方便等特点。硅整流电源属于平特性，具有良好的弧长自调节机制，弧长随外界因素而变动。电弧喷涂技术的核心是所用丝材的成分和构成。电弧喷涂丝材包括实心丝材和粉芯丝材两种，粉芯丝材的出现给电弧喷涂技术带来了生机。粉芯丝材既克服了高合金成分难以拔丝的困难，同时还能使一些不导电的颗粒材料（陶瓷及碳化物）填充到粉芯丝材中，在电弧喷涂上得以应用。粉芯丝材兼具实心丝材和粉末的优点，拔丝容易，并且使不导电的粉末材料也能应用于电弧喷涂，大大拓宽了电弧喷涂技术的应用范围，特别是促进了电弧喷涂技术在耐磨抗蚀领域中的研究 和应用。

3.超音速电弧喷涂 超音速电弧喷涂（Supers-onic Arc Spraying）是在普通电弧喷涂（Arc Spraying）基础上发展起来的新技术。其工作原理与普通电弧喷涂技术一样，其主要区别在于提高雾化压力和流速。通常采用拉瓦尔喷管来实现空气的加速，或利用液态燃料燃烧产生的高速火焰焰流作为熔滴雾化气流，从而实现喷涂粒子的加速，其原理如图7-16、图7-17所示。

图7-16 拉瓦尔喷管加速

图7-17 液态燃料燃烧加速

相比普通电弧喷涂，超音速电弧喷涂具有涂层致密强硬，结合强度高，可达50～70MPa，是普通电弧喷涂结合强度的2倍；粒子喷射速度大，雾化效果好，颗粒细小，形成的涂层致密度高（孔隙率≤0.5%），所以涂层的耐磨性、耐腐蚀性显著提高。由于超音速电弧喷涂在喷涂时，其工件喷涂表面的温升不超过100K，所以喷涂对工件因受热变形影响极小，不会导致喷涂的工件变形，对工件的组织结构更不会有影响。

4.1.7 等离子喷涂

通过等离子喷枪（又称等离子弧发生器）产生等离子焰流。喷枪的钨电极（阴极）和喷嘴（阳极）分别接电源负极和正极（工件不带电），通过高频火花引燃电弧，使供给喷枪的工作气体（Ar或N₂）在电弧的作用下电离成等离子体。在机械压缩效应、自磁压缩效应和热压缩效应的联合作用下，电弧被压缩，形成非转移型等离子弧。送粉器输送粉末喷涂材料进入等离子弧，并被迅速加热至熔融或半熔融状态，随等离子流高速撞击经预处理的基材表面，并在基材表面形成牢固的喷涂层。从而使零件被喷涂表面获得不同的硬度、耐磨、耐热、耐腐蚀、绝缘、隔热、润滑等各种特殊物理化学性能，以满足零件不同工作条件的要求，其原理如图7-18所示。

图7-18 等离子喷涂原理

等离子喷涂涂层的组织细密，氧化物夹杂含量和孔隙率都低，孔隙率可控制在2%～5%。涂层与基体的结合及涂层颗粒之间的结合形式除了以机械结合为主以外，还可以产生微区冶金结合和物理结合。涂层结合强度较高，最高可超过60MPa；基体材质不受限制，可以是金属和非金属，可以在各种基体材质上喷涂；可喷涂的涂层材料范围广，基体温升小，几乎不产生应力，不易变形；涂层厚度可在较大范围内变化，从0.01mm到几毫米；工件大小不受限制，既可对大型设备进行大面积喷涂，也可对工件的局部进行喷涂。

等离子喷涂在热喷涂技术领域中占有相当重要的地位，特别是随着现代航空航天技术的发展，高性能的陶瓷涂层是一种具有较大发展前景的新型高温材料，它既具有无机材料的耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀等优良性能，又能保持与原有基材的结构强度，是目前解决高科技中材料热障、耐磨、易腐蚀的最现实的技术方案之一，日益受到人们的广泛重视，是一项具有广阔应用前景的技术，等离子喷涂的分类如图7-19所示。

图7-19 等离子喷涂的分类

1.大气等离子喷涂 大气等离子喷涂使用氩气、氮气、氢气作为离子气，经电离产生等离子高温射流，将输入的材料熔化或熔融喷射到工件表面形成涂层，主要用于制备金属陶瓷、陶瓷涂层。大气等离子喷涂设备比较复杂，成套设备由电源、高频振荡器（引弧装置）、控制设备、粉末加料器、喷涂冷却系统与气路系统组成。图7-20所示为等离子喷涂设备组成示意图，辅助设备包括喷涂柜、通风除尘装置、带动喷枪及工件运动的机械装置等。

图7-20 等离子喷涂设备的组成

对于大气等离子喷涂的等离子气体，国内一般选用氮气或氩气作为等离子喷涂的主气，用氢气作为辅助气体。氮气（N₂）为双原子气体，分解能大，热导率高，焓值高。氩气（Ar）是单原子气体，没有分解能，热导率和焓值均比N₂低得多。氢气（H₂）不仅分解能大，其热导率比N₂、Ar高几十倍，在N₂或Ar中加入少量的H₂可显著提高等离子弧电压。所以，喷涂高熔点材料，如ZrO₂、Al₂O₃、WC等，主气应选氮气并混加少量氢气（具体数值根据电弧电压而定）；喷涂金属合金、金属碳化物等，则可以选氩气为主气，氢气为辅助气。若从降低成本方面考虑，应尽量使用氮气作为工作气体，氮气的价格约为氩气的1/3。

2.低压等离子喷涂 低压等离子喷涂（LPPS）又称真空等离子喷涂（VPS），是在一个低真空的密室空间进行的等离子喷涂。如图7-21所示，等离子喷枪、工件及机械运转装置全部置于密闭室内，在室外对喷涂进行控制。当喷涂产生等离子弧后，等离子射流进入低真空环境，其形态和特性都将发生变化。等离子喷枪置于密封舱室内，由机械手进行操作，将舱室抽至真空状态进行喷涂即为真空等离子喷涂（VPS），舱室为低压状态时称为低压真空等离子喷涂（LPPS），舱室的气氛也可以为惰性气氛或其他保护气氛。由于低压或气氛可控，等离子焰流加长，粒子加热更充分，氧化减少，涂层的质量可以得到明显改善，并且扩大了热喷涂在沉积金刚石膜、超导体氧化物涂层方面的应用。

图7-21 低压等离子喷涂示意图

由于在一个低压密闭室内进行，喷涂前密闭室内的压力抽至约0.13～1.3kPa真空度，喷涂时真空度为0.2～2.6kPa的低压条件；真空等离子喷涂与大气等离子喷涂相比，具有射流速度快、温度较低、喷涂室气氛可控等特点，所制备的涂层比较致密、含氧量低、成分与粉末较为接近；由于在低压条件下进行喷涂，工件的预热温度可以提高，促使基体表面活化，同时由转移弧清理基体表面，有利于涂层与基体结合强度提高；采用惰性气氛喷涂时，熔融粒子不易产生氧化和氮化，涂层的成分可达到与粉末材料的成分一致。可以喷涂活性强的金属如Ti等，还能采用更微细粉末进行喷涂；可喷涂材料范围大，如喷涂高硬度、耐高温、耐腐蚀等材料，可将低熔点材料或高氧亲和力的材料相混合，利于混合的粉末或将不同材料混入等离子火焰中，以获得特殊性能的涂层。

3.液稳等离子喷涂 液稳等离子喷涂采用水、乙醇、甲醇作为稳定液体，相应地产生氧化、中性或还原性的等离子体。液稳等离子喷涂由于其功率大、成本低、喷涂速度快等优点已被广泛采用。液稳等离子喷涂又称为水稳等离子喷涂，是以水为工作介质的等离子喷涂，其工作原理是高压水从切向孔进入漩涡腔内，强烈旋转的水流在漩涡腔内形成一个具有一定长度和直径的水流漩涡，电弧穿过水流漩涡空心通道在石墨阴极和旋转阳极之间产生高温电弧，使涡流表面产生蒸汽，于是水的蒸发、热气的受热与电离便产生等离子弧。其他所转移的能量被弧束与水表面之间的蒸汽所吸收，并产生热量进而使蒸汽电离。蒸汽进一步分解和电离，为电弧稳定燃烧提供条件，其喷涂原理见图7-22。

液稳等离子喷涂输出功率大（150～200kW），涂层结合强度是气体等离子喷涂涂层的2～3倍，并且涂层致密，其硬度、耐磨性和耐热冲击性能也有很大提高；喷涂效率高，喷涂能力最大为50kg/h，涂层厚度可达20mm，而且可以喷涂分散性较大的粉末，因而特别适合陶瓷部件的喷涂成形；喷涂介质只采用单一的自来水，简单、经济，可喷涂低质廉价的粉末；涂层质量好，可制备陶瓷涂层。但液稳等离子弧工艺具有弧焰不太稳定，电极易腐蚀等缺点，而且设备系统庞大，喷枪结构复杂、笨重，价格昂贵。液稳等离子喷涂用于大面积、高速率作业，尤其适用于批量喷涂氧化物材料。

图7-22 液稳等离子喷涂原理

4.1.8 爆炸喷涂

爆炸喷涂是20世纪50年代由美国联合碳化物公司发明，问世后多年都由该公司所垄断，不对外出售技术和设备，只在其服务公司内为用户进行喷涂加工，主要喷涂陶瓷材料，进行航空发动机的维修。我国爆炸喷涂设备主要引进的是乌克兰科学院材料研究所和焊接研究所“第聂泊”型和“捷米顿”型两类设备，通过消化、吸收发展了自己的爆炸喷涂技术。

1.爆炸喷涂原理 爆炸喷涂是利用混合气体爆炸的能量将具各种功能的粉末材料加热，并加速轰击到工件表面上，使之形成坚固涂层，由于气体的爆炸燃烧可产生超过音速3倍的超音速高能气流，其冲击波传播速度可达3000m/s，中心温度可达3450℃，因此爆炸喷涂所产生的涂层具有极强的结合力，其原理如图7-23所示。

图7-23 爆炸喷涂的原理

2.爆炸喷涂的特点 爆炸喷涂最大的特点就是以突然爆发的热能加热熔化喷涂材料，并利用爆炸冲击波产生的高压把喷涂粉末材料高速喷射到工件基本表面形成涂层。其主要特点如下：

（1）可喷涂的材料范围广，从低熔点的铝合金到高熔点的陶瓷，粉末粒度为10～120µm。

（2）涂层的孔隙率在所有热喷涂工艺中是最低的，涂层与基体材料的结合强度是目前热喷涂工艺中最高的，其结合强度超过了目前采用的传统测量方法的极限。喷涂陶瓷粉末时，涂层的结合强度可达70MPa，喷涂金属陶瓷粉末时，涂层结合强度可达175MPa。

（3）由于间歇式的工作特性，该工艺对基体材料的温度影响非常小，对精密零部件或低熔点材料的表面喷涂特别实用。

（4）可以喷涂部分碳化物。在喷涂碳化物或碳化物基粉末材料时，这些材料中的碳化物不会像一般氧_-乙炔火焰喷涂、等离子喷涂时那样发生分解、脱碳现象，从而保证涂层成分的可控制性和涂层性能。

（5）高的涂层性能保证了该工艺能够满足高标准的要求：如航空发动机、内燃机、汽车、冶金、采矿和石油机械等。

（6）产生的噪声大（高达180dB），需要在专用的隔音间中进行，并由设在隔音室外的微机控制，喷涂时产生粉末飞散现象，使爆炸喷涂的使用受到一定的限制。

（7）爆炸喷涂频率为2～10次/s，每次只能形成直径约为25mm一个圆域的涂层，效率较低。

（8）爆炸喷涂的喷涂粉末从喷枪中喷出，只能以直线行进，所以喷涂受基材形状限制较大，对于形状复杂的工件很难喷涂。

4.1.9 超音速火焰喷涂

超音速火焰喷涂是热喷涂领域中的一项新技术，是继等离子喷涂之后的又一重大发明，超音速火焰喷涂大幅度提高了涂层的结合强度、密度、硬度，同时降低了涂层中的氧化物含量，使涂层更加纯净。

1.超音速火焰喷涂的原理 超音速火焰喷涂是将气态或液态燃料与高压氧气混合后在特定的燃烧室或喷嘴中燃烧，产生的高温、高速的燃烧焰流被用来喷涂。由于燃烧火焰的速度是音速的数倍，目视可见焰流中明亮的“马赫节”，故称为超音速火焰喷涂，其原理如图7-24所示。

图7-24 超音速火焰喷涂原理图

2.超音速火焰喷涂的特点 超音速喷枪的结构独特，在燃烧室的末端即咽喉部位采用了拉瓦尔曲线设计，使得燃烧室的压力增加，通过该处的焰流获得数倍于音速的速度；而且采用了径向内送粉的方式，使得粉末在10～30cm的枪管内得到充分的加热和加速，虽然温度不是很高（2870℃），但由于能量集中、受热均匀，因此熔化得非常好；此外，由于粉末粒子的动能大、速度快，粒子在空气中的飞行时间极短，被氧化的机会极少，再加上喷枪系统本身的温度不高（2870℃），所以涂层中几乎没有氧化物，空隙率也极低（小于2%），涂层致密，剪切强度和结合强度都非常高（可达到60MPa以上），而且涂层内的残余应力几乎都是压应力，这样就使得涂层可以具有很大的厚度而不至于产生裂纹和剥落，尤其是WC-Co涂层，超音速火焰喷涂更具优越性。

4.1.10 激光熔覆技术

激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术。激光表面熔覆技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。

1.激光熔覆原理 激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。

2.激光熔覆特点 激光熔覆技术是一项新兴的零件加工于表面改型技术，具有应用灵活、耗能小、热输入量较低、引起的热变形较小、不需要后续加工或加工很小、过程易于实现自动化等优点。激光熔覆技术应用到表面处理上，可以极大地提高零件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐疲劳等力学性能，可以极大提高材料的使用寿命。同时，还可以用于废品件的处理，大量节约加工成本。激光溶覆应用到快速制造金属零件，所需设备少，可以减少工件制造工序，节约成本，提高零件质量，广泛应用于航空、军事、石油、化工、医疗器械等各个方面。

4.1.11 塑料粉末火焰喷涂技术

塑料粉末火焰喷涂是近些年来发展起来的一种获取塑料涂层的新工艺，它不同于目前广泛应用的“流化床式”和静电喷塑。塑料粉末火焰喷涂主要用于改善材料表面的物理、化学和力学性能，并兼有装饰表面的作用。目前，该技术已逐步应用于产品制造、设备维修以及防腐涂层的制备等方面。

1.塑料火焰喷涂原理 塑料火焰喷涂是采用特制的送粉器和火焰喷塑枪，借助氧乙炔火焰产生热量，压缩空气做保护气的喷射焰流，将所喷塑料粉末加热到塑态或熔融状态，喷涂到经过预处理的工作表面，形成连续、均匀、无孔隙的塑料涂层。

2.塑料粉末火焰喷涂的特点 塑料粉末火焰喷涂主要用于以防腐蚀为目的粉末涂装。其特点是涂层较厚，涂敷简单，装备轻便易携带，可现场施工。与其他喷涂工艺相比、有如下特点；

（1）设备简单，不需要用大型的设备及专用机床、烘箱等。

（2）工艺简便、易于掌握，塑料火焰喷涂工艺程序简单，工艺连续性要求低，工艺参数少，操作人员只需经短时间训练就可掌握，经几次试验，可制定出合理的工艺规范。

（3）可以在100%的相对湿度、低温等环境条件下施工。粉末涂料不含溶剂，喷涂后无需干燥养护时间，即喷即用；可涂覆多种基体材料，如钢铁、混凝土等。