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我國熱噴涂粉末材料的應用與發(fā)展現(xiàn)狀
時間：2022-01-04?? 瀏覽：5497次

北京礦冶研究總院金屬材料研究所   (100044）  于月光   曾克里  宋希劍   崔   穎  魏  偉   林  峰

在熱噴涂材料和熱噴涂設備的共同發(fā)展推動下

，我國的熱噴涂技術得到了迅速的發(fā)展。國家“十一五”期間
，熱噴涂材料和技術在許多國家項目（尤其是軍工項目）中得到了廣泛的應用
，并且越來越多的工業(yè)領域對熱噴涂技術有強烈的了解和應用需求的意愿。

在SULZER METCO

、PRAXAI R
、GTV等國外出名的公司和國內科研院所、生產廠家的共同努力下
，隨著新的熱噴涂工藝的不斷涌現(xiàn)
，熱噴涂材料也走過了一個不斷探索、更新
、完善
、再探索的發(fā)展過程。目前在國內市場上可得到的熱噴涂材料種類繁多
、品種齊全
，熱噴涂粉末有數(shù)百種，各類線材近百種
，棒材數(shù)十種
。成分包括金屬、合金
、金屬陶瓷
、陶瓷和塑料等，功能包括耐磨
、耐腐蝕
、抗高溫氧化、隔熱
、封嚴及恢復尺寸等
。在現(xiàn)有產品的基礎上，我國熱噴涂材料的研究和發(fā)展呈現(xiàn)出以下方面的特點
。

一

、具有更高性能的新材料品種不斷涌現(xiàn)

1. 底層涂層材料

對于航空發(fā)動機熱端部件，在高溫下將承受巨大的熱沖擊

，因而涂層一方面要有保持較高的隔熱性能
，同時更要進一步提高涂層結合性能。國內外使用的熱障涂層的面層較多使用的是氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯等氧化物陶瓷，底層材料多為MCr Al Y 合金
，這些材料多以粉末狀態(tài)進行低壓等離子（或HVOF ）噴涂
。目前，國內出現(xiàn)了一種新的熱障涂層
，采用Ni Al W基合金作為底層材料
，并以Ni Al W合金與氧化物陶瓷共同組成“金屬－陶瓷”面層材料，工作溫度為950℃
。這種底層與面層材料的配合使用在國內外尚屬先例
。

這種新型的底層材料在鎳鋁基合金的基礎上，適當

image

熱加工

添加了W

、Mo
、Ti 等合金元素，具有極高的結合強度（等離子噴涂工藝
，40～60MPa）
，可作為其他陶瓷涂層的底層材料。

2. 耐磨損涂層材料

耐磨損是熱噴涂涂層的一項重要的工程性質

。耐磨涂層用于一些具有相對運動的磨損零件上
，抵抗磨料磨

損、粘著磨損和沖蝕磨損等

。主要材料有WC
、Cr C 、

3 2

Al O/Ti O 等

。

23 2

在＜5 5 0 ℃的工作溫度下

，通常采用WC 作為耐磨硬質相，在傳統(tǒng)Co- WC 系列的基礎上
，PRAXAI R 公司推出了W- 121
、W124、W129 新型耐磨涂層粉末
，該材料流動性更好
，碳化物的分布更均勻、細小
，噴涂沉積效率提高
； SULZER METCO公司推出了WC10Co4Cr

（Sul zer Metco 5849）、WC 12Co 35(Cr C/20(Ni 20Cr))

32

（Sul zer Metco 5860）

，這些材料的耐磨性
、耐蝕性和韌性均得到了良好的平衡。HVOF 工藝噴涂的CoCr - WC 粉末
，已經成功地應用于航空發(fā)動機等零部件
，是鍍硬鉻的理想替代涂層
。

在550～900℃的工作溫度區(qū)間，通常采用Cr C 作

3 2

為耐磨硬質相

，它在金屬型碳化物中抗氧化能力較強
，常溫硬度和高溫硬度都相當高，以耐熱Ni Cr 合金為粘結相
，構成了一系列的噴涂粉
，在市場上常見的有：

Cr C 7(Ni 20Cr)、Cr C 20 (Ni 20Cr)

、Cr C 5(Ni 20Cr)、

3 2 3 2 3 2

Cr C 30(Ni 20Cr)

、Cr C 39(Ni 20Cr)
、Cr C 50(Ni 20Cr)

3 2 3 2 3 2

等。

3. 熱障涂層材料

傳統(tǒng)的熱障涂層一般由MCr Al Y 合金作為打底層

，氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯（Y S Z ）作為工作面層
，工作溫度在1200℃以下。在1200℃以上時
，相變加劇
，易燒結，氧傳導率高
，過渡層金屬易被氧化
，導致涂層的嚴重破壞。但隨著現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機
、火箭發(fā)動機等的迅速發(fā)展
，熱端部件要求工作在1200℃以上的更高溫度下，需要有新的熱障涂層來滿足這些更高的性能要求
。

La Zr O 的熱膨脹系數(shù)略低于YSZ

，但作為補償，它的

2 2 7 彈性模量較低

，在2 0 0 0 ℃以下的工作溫度下不發(fā)生相變
，狀態(tài)穩(wěn)定，因此
，該材料預計可以作為一種在更高溫度下使用的新型熱障涂層材料
，國外（尤其是德國）科研人員在這方面進行了較為深入的研究，并有大量科技文獻報道
，國內科研院所也開始了研究工作
。

4. 耐高溫熱腐蝕材料

抗高溫涂層材料一般同時具備抗高溫氧化、抗高溫腐蝕及抗高溫磨損性能

?div id="m50uktp" class="box-center"> ？垢邷匮趸繉右话阌糜诟哂?550℃的氧化腐蝕環(huán)境中
，目前常用的材料有Ni 基和Co 基合金，一些氧化物
、碳化物陶瓷同時應用于高溫氧化環(huán)境中
。合金材料除了抗高溫氧化、腐蝕
，主要用于功能陶瓷涂層的中間結合層外
，同樣用于磨損零件的修復。如燃氣輪機的導向葉片
、閥座
、活塞桿、密封室
、軸承和軸套等
。

典型的耐高溫熱腐蝕涂層材料是Ni Cr - Cr C （如

3 2

1375VM），涂層采用HVOF 工藝制備

，該材料作為電站鍋爐“四管”的防護涂層在國外已經得到了普遍應用
，應該說是解決鍋爐“四管”熱腐蝕問題的理想方案，但它的問題是材料和噴涂成本高
，現(xiàn)場操

作較困難

。目前，國內的科研院所正在研究將HVOF 設備及送粉器進行適當改造
，制成鍋爐“四管”防護涂層專用的HVOF 系統(tǒng)
，以方便現(xiàn)場操作。這方面的工作已取得了相當好的成效
，預計很快將會得到推廣
。

在鋼鐵冶金行業(yè)，日本TOKAL O公司將熱噴涂已成功地應用于連鑄連軋工序中的爐內退火輥

、爐底輸送輥
、導輥及熱鍍鋅沉沒輥等工件，所用涂層材料均為金屬陶瓷復合粉
。如高溫（工作溫度約1100℃）退火輥
，采用

MCr Al Y+ Al O 材料，爆炸噴涂工藝制備涂層

，已經取

2 3

得了很好的效果

；鍍鋅沉沒輥過去采用Co- WC 和CoCr WC 系列粉末，現(xiàn)在日本的FUJ I MI 公司開發(fā)了含硼化物的復合粉
，WC
、Co、Cr 及硼化物（WB
、MoB ）
，WC

2

是耐磨組分

，Co作為粘結劑，占5%～15%
，Cr 與Co 形成固溶體
，抗高溫氧化，硼化物對熔融鋅有抗蝕性
，在鋅液中有穩(wěn)定性
，該材料在國外已用于生產，國內企業(yè)正在研究中
。

二

、納米粉末或超細粉末的應用

納米粒子具有表面效應、小尺寸效應

、宏觀量子隧道效應
，從而改變了固體材料表面的形態(tài)、組織結構和應力狀態(tài)
。在化學成分相同的情況下，若采用納米粒子制備熱噴涂材料
，在工件表面形成具有聲
、光、電
、磁等特異性能的納米結構涂層, 將賦予其更優(yōu)異的耐高溫
、防腐蝕、耐磨損和抗疲勞等力學性能
，從而達到有效地延長其使用壽命
、提高生產力的目的。

( 1) 納米鋁粉包覆的復合涂層材料

。國內研究單位克服了納米鋁粉極易燃燒
、爆炸且易團聚的技術難題，在保持鋁粉高活性的同時保證了其使用的安全性
，使用的納米鋁粉的平均粒徑為50～120nm
，使用該鋁粉研制的新產品，如鋁包鎳（KF －6）（見圖1）
、鎳鉻鋁粉末（KF －110）
、鎳鉻鋁鈷氧化釔復合粉末（KF －113）、鐵鉻鎳鋁碳化鎢復合粉末（KF －91）等
，具有優(yōu)異的結合強度
、抗彎強度、硬度和耐磨性等
，在航空
、航天
、石化和石油等工業(yè)部門得到了良好的應用。

( 2) 美國I NCO公司采用機械研磨方法, 已成功地加工了Ni

、I nconel 718
、316 不銹鋼等納米噴涂粉末，并在粉末中加入防止粗化的抑制劑
、合金促進劑
、涂層/ 基體潤滑劑等， 經噴涂后仍能保持其納米特性
。

( 3)美國I nf ramat 公司用噴霧干燥法制備的WC/Co

、

Al O/Ti O 納米噴涂材料( 見圖2) , 采用等離子和HVOF

2 3 2

噴涂工藝均可得到納米結構涂層。

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圖1   納米鋁粉包覆的鋁包鎳粉末

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圖2   納米Al 2O3/Ti O2

image

三

、制備方法的不斷革新

1. 霧化法制粉

霧化法制粉更多的采用惰性氣體霧化工藝

，制成的合金粉末氧含量低、球形度好
，噴涂工藝性和涂層性能均有較明顯提高
。為了降低由于氣體霧化帶來的成本提高問題，國內生產廠家已開始采用液化氣體儲罐
，并同時使用氣體循環(huán)系統(tǒng)
。

2. 采用氣流分級工藝

傳統(tǒng)的粉末分級方法是采用篩分法，即采用篩網對粉末進行分級

，但當粉末的粒度＜45μm時
，如J P－5000 要求粉末的粒度為－45+15μm ，采用篩分法無法達到要求
，此時采用氣體分級方法是惟一的選擇
。 3. 噴霧干燥制粉工藝得到普遍應用

該工藝方法可制備WC -Co、Mo粉

、Ni Cr -Cr C
、

3 2

Al O/Ti O 和Cr O 等。

2 3 2 2 3

4. 柔性線材

柔性線材的特性在于將粉末通過橡膠拌和

，壓制成柔性線材（彈性線繩）
。法國、美國
、俄羅斯等國在解決陶瓷細粉的噴涂進料問題時
，使用有機外殼包裹的柔性線材，目前在發(fā)達國家已被廣泛用于先進火焰噴涂工藝的操作
。但使用橡膠與粉末均勻拌和制成柔性線材尚未見先例
。這種柔性線材極便于噴涂操作，且粉末成分均勻( 見圖3)
。采用火焰線材噴涂工藝
。

image

圖    3

5. 液態(tài)噴涂材料

在制備納米涂層的過程中

，由于普通納米粉末流動性差，單個顆粒質量小
，很難直接用來熱噴涂
，所以必須進行團聚造粒處理。團聚體粉末經熱等離子體噴涂后
，一部分被熔化而轉變成涂層中微米結構組織
，未熔化部分撞擊基體變形成為涂層中的納米結構組織，因此后面在涂層中獲得納米－微米結構混合涂層
。目前
，發(fā)展了一種全新的技術路線，并采用金屬鹽和直流等離子體噴涂
，可直接制備出納米結構涂層
。

四、加強噴涂工藝適應性的研究

涂層材料是隨著熱噴涂設備和工藝的發(fā)展而發(fā)展的

，

image

2. 粉末壓饋強度的控制

對于復合粉末

，若粉末粒子本身的結合強度不夠，在噴涂的飛行過程中
，粉末粒子極易產生碎裂
，造成噴涂時的動能不足，從而嚴重影響了噴涂的沉積效率
。日本FUJ I MI 公司率先開展了粉末壓饋強度的研究，對噴涂粉末生產和涂層質量的提高將有重大的意義
。

五

、定型材料質量的日益提高

熱噴涂粉末材料在幾十年發(fā)展過程中，已形成了數(shù)百個品種

，有的品種隨著熱噴涂技術的進步被逐漸淘汰
，有的品種經過實踐的考驗證明是非常有應用價值的產品，被用戶所認可而逐漸成為定型產品
，如WC- Co
、Ni Cr -

Cr C 等。這些定型產品的質量提高應歸功于：

3 2

(1)研究和生產設備的改善    材料的進步歸根結底是設備的進步

，隨著等離子
、火焰超音速、爆炸
、冷噴等噴涂設備
，以及霧化、噴霧干燥
、燒結
、包覆和團聚等粉末生產設備的不斷進步
，熱噴涂粉末材料的質量得到迅速提高，成本也有大幅度的下降
，在這方面國內廠家的進步更加明顯
。

(2)各企業(yè)質量管理體系的建立     I SO9000質量管理體系是被實踐證明非常有效的質量管理體系，它的建立和有效運行將給熱噴涂材料的生產企業(yè)和應用廠家提供滿意的產品

，使各個環(huán)節(jié)的企業(yè)都來關心質量
、重視質量，為質量的提高獻計獻策
，真正促進了熱噴涂行業(yè)的發(fā)展
。

六、結語

隨著科學技術的不斷發(fā)展

，熱噴涂技術逐漸被一些關鍵的工業(yè)領域所認識和認可
，已經成為一個大產業(yè)。作為熱噴涂技術的核心之一
，熱噴涂材料正吸引越來越多的企業(yè)參與其中
，發(fā)展勢頭迅猛。