热喷涂技术的发展趋势
比较常见的一种分类方法是根据加热喷涂材料的热源类型进行分类，分为:①火焰，包括火焰喷涂、爆炸喷涂和超音速喷涂；(2)电弧，包括电弧喷涂和等离子喷涂；(3)电热法，包括电爆炸喷涂、感应加热喷涂和电容放电喷涂；④激光类:激光喷涂。1.火焰喷涂:火焰喷涂包括金属丝火焰喷涂和粉末火焰喷涂。
& amplt；1。gt；金属丝火焰喷涂法:是发明最早的喷涂方法。它将金属丝以一定的速度送入喷枪，使端头在高温火焰中熔化，然后被压缩空气雾化吹走，沉积在经过预处理的工件表面。
图1丝绸火焰喷涂装置示意图。
图2金属丝火焰喷涂示意图。
图1所示为线材火焰喷涂装置。图2是金属丝火焰喷枪的剖视图，其示出了金属丝火焰喷涂的基本原理。喷射源是喷嘴，金属丝从喷嘴中心穿过，通过喷嘴和气罩周围形成的环形火焰将金属丝的尖端连续加热到其熔点。然后被通过气罩的压缩空气雾化成喷射颗粒，被气流加速喷射到基体上，使熔融颗粒冷却到塑性或半熔融状态，并被氧化到一定程度。当颗粒与基底碰撞时，它们变平并粘附到基底的表面，然后与基底碰撞的颗粒变平并粘附到先前已经粘附到基底的颗粒，从而累积成涂层。
送丝依靠喷枪中空气涡轮或电动机的转动，可调节其转速来控制送丝速度。使用空气涡轮喷枪，送丝速度难以微调，受压缩空气的影响，其速度难以恒定，但喷枪重量轻，适合手动操作。用电动机运丝的喷涂设备调节方便，能保持恒定，喷涂自动化程度高，但喷枪体积大，只适合机械喷涂。在丝材火焰喷枪中，气体火焰主要用于熔化丝材，适合喷涂的丝材直径一般为1.8 ~ 4.8 mm .但有时也可以喷涂直径较大的棒材甚至一些条状，但此时必须配备专用喷枪。
& amplt；2 & ampgt；粉末火焰喷涂法:它与丝材火焰喷涂的区别在于喷涂材料是粉末而不是丝材。图3和图4分别是粉末火焰喷涂装置和原理的示意图。
图3粉末火焰喷涂的典型装置
图4粉末火焰喷涂示意图
在火焰喷涂中，乙炔和氧气通常结合起来提供热量，也可以使用甲基乙炔、丙烯(MPS)、丙烷、氢气或天然气。火焰喷涂可以喷涂金属、陶瓷、塑料等材料，应用非常灵活。喷涂设备轻便、简单、可移动，价格比其他喷涂设备低，是目前喷涂技术中广泛使用的方法。但是火焰喷涂也有明显的缺点。比如射流粒子速度低，火焰温度低，涂层的结合强度和涂层本身的综合强度低，用其他方法得到的孔隙率比用其他方法得到的孔隙率高。另外，火焰中心是氧化气氛，使用时要注意高熔点材料和易氧化材料。为改善火焰喷涂的不足，提高结合强度和涂层密度，可采用压缩空气或气流加快颗粒速度；也可以通过将压缩空气流从空气改变为惰性气体来降低氧化程度，但是这也增加了成本。
2.爆炸喷涂
爆炸喷涂:用氧气和乙炔气点燃燃烧，使气体膨胀爆炸，释放热能和冲击波。热能使喷涂粉末熔化，冲击波使熔化的粉末以700 ~ 800 m/s的速度喷涂在工件表面形成涂层。图5是爆炸喷枪的示意图。
图5爆炸喷涂示意图
一般来说，爆炸涂层形成的基本特征仍然是高速熔融颗粒与基体碰撞的结果。爆炸喷涂的最大特点是颗粒飞行速度快，动能高，因此爆炸喷涂涂层具有以下特点:①涂层与基体结合强度高；②致密涂层，孔隙率低；③加工后涂层表面粗糙度低；④工件表面温度低。爆炸喷涂可以喷涂金属、金属陶瓷、陶瓷材料，但由于价格高、噪音大、有氧化性气氛，国内外应用不广泛。目前世界上最成功的爆炸喷涂是美国联合碳化物公司林德分公司在1955获得的专利，其设备和工艺参数至今保密。在我国，爆炸喷涂设备是由中国航天工业航空材料研究所在1985左右研制成功的。就Co/WC涂层的性能而言，喷涂性能接近美国联合碳化物公司。
在爆炸喷涂中，当乙炔含量为45%时，氧-乙炔混合物的自由燃烧温度可为3140℃，但在爆炸条件下可能超过4200℃，因此大部分粉末可以熔化。粉末在高速枪中的传输长度比在等离子枪中长得多，这也是其粒子速度高的原因。
3.超音速喷涂
为了对抗美国碳化物公司的爆炸喷涂，20世纪60年代初，美国人J.Browning发明了超音速火焰喷涂技术，被称为Jet-Kote，并于1983获得美国专利。近年来，国外超音速火焰喷涂技术发展迅速，出现了许多新型设备，在许多领域正在取代传统的等离子喷涂。在国内，武汉材料保护研究所、北京钢铁研究院、北京泰德新技术材料有限公司也在进行这方面的研究，生产自己的超音速喷涂装置。
图6超音速火焰喷枪
燃料航空煤油和助燃剂(O2)按一定比例通入燃烧室混合爆炸，燃烧产生的高温气体高速通过膨胀管获得超音速。同时引入送粉气体(Ar或N2)，沿燃烧头中的碳化钨中心套定量送入高温气体，喷涂在工件上形成涂层。
一般喷涂机喷嘴出口处产生的火焰流的速度是音速的四倍，即1520m/s左右，最高可达2400m/s(具体与燃烧气体种类、混合比、流量、粉末质量、粉末流量等有关。).粉末对工件表面的冲击速度估计为550-760m/s，相当于爆炸喷涂。Jet-Kote法的高速关键在于根据流体力学原理合理设计制造一种喷嘴，这种喷嘴称为拉瓦尔管的膨胀管。
图7拉瓦尔管
根据流体力学，对于一维可压缩流体，有:ds/s =(m & amp；sup2-1)dv/v
式中:S——管道的横截面积；M=v/v声音(马赫数)；v-流体速度
从公式中我们可以看出，当V&时；gt；v音，即m &；gt；在1处，dv和ds的符号相同，即流体速度随管道截面积的增大而增大(ds为正)。当v &；lt；v音，即m &；lt；在1处，dv的符号与ds相反，即随着管道截面积的减小(ds为负)，流体速度也增大。因此，只要管道设计合理，流体在低速时可以在管道的某一段(如AB)达到音速，过了这一段就会得到超音速。超音速喷涂法具有以下特点:
①粉末颗粒温度低，氧气轻(这主要是由于粉末颗粒在高温下停留时间短，在空气中暴露时间短，所以涂层中氧化物含量低，化学成分和相组成稳定性强)，但只适合喷涂金属粉末、Co-Wc粉末和低熔点TiO2陶瓷粉末；
②粉末颗粒高速运动。
③粉末粒度小(10 ~ 53 & gt；微米)，分布范围较窄，否则无法熔化。
④涂层结合强度高，致密，无分层。
⑤涂层表面粗糙度低。
⑥喷涂距离可在大范围内变化，不影响喷涂质量。
⑦可获得比爆炸喷涂更厚的涂层，残余应力也有所改善。
⑧喷洒效率高，操作方便。
⑨噪声(120dB以上)，需要有隔音和保护装置。1，电弧喷涂:
电弧喷涂:在两种丝状金属材料之间产生电弧，金属丝因电弧产生的热量而逐渐熔化，熔化部分被压缩气流喷射到基体表面形成涂层。电弧喷涂按电弧电源可分为DC电弧喷涂和交流电弧喷涂。直流电:运行稳定，涂层结构致密，效率高。通讯:噪音大。电弧产生的温度与电弧气体介质、电极材料种类、电流有关(例如Fe材料，电流为280 A，电弧温度为6100K)。但一般来说，电弧喷涂粉末颗粒比火焰喷涂粉末颗粒含有更多的热量，飞行速度更快。因此，当熔融颗粒撞击基底时，形成局部微观冶金结合的可能性要大得多。因此，涂层与基体的结合强度比火焰喷涂高1.5 ~ 2.0倍，喷涂效率也更高。电弧喷涂还可以方便地制造合金涂层或“伪合金”涂层。通过使用具有不同成分的两根线材和使用不同的进给速度，可以获得不同的合金成分。电弧喷涂类似于火焰喷涂设备，同样具有成本低、一次性投资少、使用方便等优点。但由于电弧喷涂的明显不足，喷涂材料必须是导电焊丝，所以只能用金属，不能用陶瓷，限制了电弧喷涂的应用范围。近年来，为了进一步提高电弧喷涂涂层的性能，国外对设备和技术进行了很大的改进，并公布了许多专利。例如，将甲烷作为雾化气体添加到压缩空气中，以降低涂层的氧含量。日本还将传统的圆丝改为方丝，以提高喷涂速度和涂层的结合强度。
2、等离子喷涂:
等离子喷涂:包括大气等离子喷涂、保护性大气等离子喷涂、真空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。等参线喷涂技术是继火焰喷涂之后发展起来的一种新型多用途精密喷涂方法，具有以下特点:①超高温特性，便于喷涂高熔点材料。②喷涂颗粒速度快，涂层致密，结合强度高。③由于采用惰性气体作为工作气体，喷涂材料不易被氧化。
& amplt；1。gt；等离子体的形成(以N2为例)
图8等离子体产生过程示意图。
0 K时，N2分子的两个原子程呈哑铃状，只在x、Y、Z、Y、Z方向运动。
大于10 k时，开始旋转；
大于10000 k时，原子振动，分子相互碰撞，分子就会离解，变成单原子；
N2+Ud——& amp；gt；其中Ud是离解能。
如果温度再升高，原子就会电离:n+ui-&；gt；N++e其中Ui是电离能。
气体电离后，空间中不仅有原子，还有正离子和自由电子。这种状态被称为等离子体。
等离子体可分为三类:①高温高压等离子体，电离度100%，温度几亿度，用于核聚变的研究；②低温低压等离子体，电离度小于65438±0%，温度只有50 ~ 250度；③高温低压等离子体，约1%气体被电离，温度数万度。离子、自由电子和非电离原子的动能接近热平衡。热喷涂使用的就是这种等离子体。
& amplt；2 & ampgt；喷涂原理:
图9等粒子喷涂原理
等离子弧用于等离子喷涂，离子弧是压缩弧。与自由弧项相比，弧柱细，电流密度高，气体电离度高，因而具有温度高、能量集中、电弧稳定性好的特点。
根据电源连接方式的不同，等离子弧有三种形式:
①非转移弧:指阴极与喷嘴之间产生的等离子弧。在这种情况下，阳极连接到喷嘴，工件不带电，从而在阴极和喷嘴内壁之间产生电弧。工作气体被阴极和喷嘴之间的电弧加热，导致全部或部分电离，然后从喷嘴喷出，形成等离子火焰(或等离子射流)。这种等离子弧用于等离子喷涂。
②转移电弧:电弧离开喷枪，转移到被加工零件上的等离子弧。这种情况下，喷嘴不接电源，工件接阳极，电弧在喷枪的阴极和阳极(工件)之间飞来飞去，工作气体绕着电弧进给，然后从喷嘴喷出。这种等离子弧用于等离子切割、等离子弧焊接和等离子弧熔炼。
③组合电弧:非转移电弧点燃转移电弧加热金属粉末，转移电弧加热工件在其表面产生熔池。在这种情况下，喷嘴和工件连接到正电极。这种等离子弧用于等离子喷焊。
等离子喷涂时，首先在阴极和阳极(喷嘴)之间产生DC电弧，将引入的工作气体加热电离成高温等离子体，从喷嘴喷出，形成等离子火焰。等离子火焰的温度很高，中心温度可达30000 k，喷嘴出口温度可达；15000~20000 k .火焰速度在喷嘴出口处可达1000 ~ 2000 m/s，但衰减很快。粉末被送粉气体送入火焰中熔化，并被火焰流加速至高于150m/s的速度，喷涂在基体材料上形成薄膜。
图10等离子火焰的温度分布
& amplt；3 & ampgt；等粒子喷涂设备:等离子喷涂设备主要包括:
①喷枪:其实就是一个非转移弧等离子体发生器，是最关键的部件，它集中了整个系统的电、气、粉、水。
②电源:用于向喷枪提供直流电。通常是全波硅整流器。
③送粉器:用于储存喷涂粉末并根据工艺要求将粉末输送到喷枪的装置。
④热交换器:主要用于有效冷却喷枪，延长喷嘴寿命。
⑤供气系统:包括工作气体和送粉气体的供应系统。
⑥控制箱:用于调节和控制水、电、气、粉。
& amplt；4 & ampgt；等粒子喷涂过程；
在等离子喷涂过程中，影响涂层质量的工艺参数很多，主要包括:
①等离子气体:气体的选择原则主要是基于可获得性和经济性。N2气体价格便宜，离子火焰焓值高，传热快，有利于粉末的加热熔化，但不适用于容易发生氮化反应的粉末或基体。Ar气电离势低，等离子弧稳定，电弧火焰短，适用于喷涂小型或薄型零件。另外，Ar气有很好的保护作用，但是Ar气焓值低，价格昂贵。气体流量直接影响等离子火焰流的焓和速度，从而影响喷涂效率、涂层孔隙率和结合力。如果流速过高，气体将从等离子体射流中带走有用的热量，这将增加喷涂颗粒的速度，减少喷涂颗粒在等离子体火焰中的“停留”时间，导致颗粒没有达到变形所必需的半熔融或塑性状态。导致涂层的结合强度、密度和硬度较差，沉积速率也会显著降低。反而会使电弧电压值不合适，大大降低喷涂粒子的速度。极端情况下会导致喷涂材料过热，导致喷涂材料过度熔化或汽化，导致熔化的粉末颗粒聚集在喷嘴或粉末喷嘴中，然后以较大的球状沉积到涂层中，形成较大的空腔。
②电弧功率:如果电弧功率过高，电弧温度升高，更多的气体会转化为等离子体。在高功率、低工作气体流量的情况下，几乎所有的工作气体都会转化为活性颗粒流，颗粒的火焰温度也很高，可能会导致部分喷涂材料汽化，改变涂层成分，喷涂材料的蒸汽会凝结在基体与涂层之间或涂层之间，造成附着力差。此外，喷嘴和电极可以被烧蚀。但如果电弧功率过低，会得到一些温度较低的离子气体和等离子火焰，造成颗粒加热不充分，涂层的结合强度、硬度和沉积效率较低。
③供粉:供粉速度必须与输入功率相适应。过大会出现生粉(未熔)，降低喷涂效率；太低的话，粉末氧化严重，基体过热。进料位置也会影响涂层结构和喷涂效率。一般来说，粉末必须送到火焰中心，才能得到最好的加热和最高的速度。
④喷涂距离和喷涂角度:喷枪到工件的距离影响喷涂颗粒与基体碰撞时的速度和温度，涂层和喷涂材料的特性对喷涂距离非常敏感。喷涂距离过大，粉末颗粒温度和速度下降，结合力、孔隙率和喷涂效率明显下降。如果太小，基材温度会升得太高，基材和涂层会被氧化，影响涂层的结合。在发动机温升允许的情况下，喷射距离应更小。
喷涂角度:指火焰轴线与被喷涂工件表面之间的角度。当角度小于45度时，由于“阴影效应”的影响，涂层结构会劣化形成孔洞，导致涂层疏松。
⑤喷枪与工件的相对移动速度:喷枪的移动速度应保证涂层平整，无回喷痕迹。也就是说，每一笔的宽度要完全重叠。在满足上述要求的前提下，喷涂作业一般采用较高的喷枪移动速度，可以防止局部热点和表面氧化。
⑥基体温度控制:理想的喷涂工件是在喷涂前将工件预热到喷涂过程中要达到的温度，然后采取喷气冷却措施，使工件在喷涂过程中保持原来的温度。近年来，在等离子喷涂的基础上发展了几种新的等离子喷涂技术，如:
3.真空等离子喷涂(也称为低压等离子喷涂)
真空等离子喷涂是在4 ~ 40kpa可控气氛的密封室内进行的喷涂技术。因为等离子体后的工作气体是在低压气氛下膨胀体积的同时喷出的，所以喷射速度是超音速的，非常适合对氧化高度敏感的材料。
4.水稳定等离子喷涂
上面提到的等离子喷涂的工作介质是气体，但是这种方法的工作介质是水而不是气体。它是一种高功率或高速等离子喷涂方法。其工作原理是高压水流入喷枪，在枪管内壁形成涡流。此时，枪体后部的阴极与枪体前部的旋转阳极之间产生DC电弧，使枪管内壁表面的一部分蒸发分解成等离子体状态，产生连续的等离子体电弧。由于旋转涡流水的聚束效应，其能量密度提高，燃烧稳定。因此，可以以高喷涂效率喷涂高熔点材料，尤其是氧化物陶瓷。1.电爆喷涂:在金属丝两端施加大的瞬时电流，使金属丝熔化爆炸。这种方法是专门用来喷涂气缸内表面的。
2.感应加热喷涂:用高频涡流加热金属丝，然后用高压气体雾化加速。
3.电容放电加热:通过电容放电加热金属丝，然后用高压气体雾化加速。具有高密度能量的激光束被导向靠近零件的基底表面的方向，同时基底被辅助激光加热器加热。此时，细粉末以倾斜的角度被吹入激光束中。图11激光喷涂
熔化粘结到基体表面，形成薄的表面涂层，与基体形成良好的结合(喷涂环境可选择大气气氛或惰性气体气氛，或真空)。