眾所周知，除少數貴金屬外，金屬材料會與周圍介質發生化學反應和電化學反應而遭受腐蝕，此外，金屬表面受各種機械作用而引起的磨損也極為嚴重。大量的金屬構件因腐蝕和磨損而失效，造成極大的浪費和損失。據一些工業發達國家統計，每年鋼材因腐蝕和磨損而造成的損失約占鋼材總產量的10%，損失金額約占國民經濟總產值的2-4%。如果將因金屬腐蝕和磨損而造成的停工、停產和相應引起的工傷、失火、爆炸事故等損失統計在內的話，其數值更加驚人、因此，發展金屬表面防護和強化技術，是各國普遍關心的重大課題、

　　隨著尖端科學和現代工業的發展，各工業部門越來越多地要求機械設備能在高參數(高溫、高壓、高速度和高度自動化)和惡劣的工況條件(如嚴重的磨損和腐蝕)下長期穩定的運行、因此，對材料的性能也提出更高要求。采用高性能的高級材料制造整體設備及零件以獲得表面防護和強化的效果，顯然是不經濟的，有時甚至是不可能的。所以，研究和發展材料的表面處理技術就具有重大的技術和經濟意義。而表面處理技術也在這種需求的推動下獲得了飛速的發展和提高。熱噴涂技術就是這種表面防護和強化的技術之一，是表面工程中一門重要的學科、所謂熱噴涂，就是利用某種熱源，如電弧、等離子弧、燃燒火焰等將粉末狀或絲狀的金屬和非金屬涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態，然后借助焰流本身的動力或外加的高速氣流霧化并以一定的速度噴射到經過預處理的基體材料表面，與基體材料結合而形成具有各種功能的表面覆蓋涂層的一種技術。

　　熱噴涂設備:

　　雖然因熱噴涂的方法不同其設備也各有差異，但依據熱噴涂技術的原理，其設備都主要由噴槍、熱源、涂層材料供給裝置以及控制系統和冷卻系統組成。下圖為等離子噴涂的設備配置圖、

　　熱噴涂工藝:

　　熱噴工藝過程如下：

　　工件表面預處理?;工件預熱?;涂?;涂層后處理

　　1、表面預處理

　　為了使涂層與基體材料很好地結合，基材表面必須清潔及粗糙，凈化和粗化表面的方法很多，方法的選擇要根據涂層的設計要求及基材的材質、形狀、厚薄、表面原始狀況以及施工條件等因素而定、凈化處理的目的是除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油漬、油漆及其他污物，關鍵是除去工件表面和滲入其中的油脂、凈化處理的方法有，溶劑清洗法、蒸汽清洗法、堿洗法及加熱脫脂法等、粗化處理的目的是增加涂層與基材間的接觸面，增大涂層與基材的機械咬合力，使凈化處理過的表面更加活化，以提高涂層與基材的結合強度、同時基材表面粗化還改變涂層中的殘余應力分布，對提高涂層的結合強度也是有利的、粗化處理的方法有噴砂、機械加工法(如車螺紋、滾花)、電拉毛等。其中噴砂處理是最常用的粗化處理方法，常用的噴砂介質有氧化鋁、碳化硅和冷硬鑄鐵等。噴砂時，噴砂介質的種類和粒度、噴砂時風壓的大小等條件必須根據工件材質的硬度、工件的形狀和尺寸等進行合理的選擇。對于各種金屬基體，推薦采用的砂粒粒度約為16－60號砂，粗砂用于堅固件和重型件的噴砂，噴砂壓力為0、5－0、7Mpa，薄工件易于變形，噴砂壓力為0、3－0、4Mpa。特別值得注意的一點是，用于噴砂的壓縮空氣一定要是無水無油的，否則會嚴重影響涂層的質量。噴涂前工件表面的粗化程度對大多數金屬材料來說2、5－13mmRa就夠了。隨著表面粗糙度的增加涂層與基體材料的結合增強，但是當表面粗糙度超過10mmRa后，涂層結合強度的提高程度便會減低。對于一些與基材粘結不好的涂層材料，還應選擇一種與基體材料粘結好的材料噴涂一層過渡層，稱為粘結底層，常用作粘結底層的材料有Mo、NiAl、NiCr及鋁青銅等、粘結底層的厚度一般為0、08－0、18mm。

　　2、預熱

　　預熱的目的是為了消除工件表面的水分和濕氣，提高噴涂粒子與工件接觸時的界面溫度，以提高涂層與基體的結合強度；減少因基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的應力而導致的涂層開裂、預熱溫度取決于工件的大小、形狀和材質，以及基材和涂層材料的熱膨脹系數等因素，一般情況下預熱溫度控制在60-120℃之間、

　　3、噴涂

　　采用何種噴涂方法進行噴涂主要取決于選用的噴涂材料、工件的工況及對涂層質量的要求。例如，如果是陶瓷涂層，則最好選用等離子噴涂；如果是碳化物金屬陶瓷涂層則最好采用高速火焰噴涂；若是噴涂塑料則只能采用火焰噴涂；而若要在戶外進行大面積防腐工程的噴涂的話，那就非靈活高效的電弧噴涂或絲材火焰噴涂莫屬了。總之，噴涂方法的選擇一般來說是多樣的，但對某種應用來說總有一種方法是最好的。預處理好的工件要在盡可能短的時間內進行噴涂，噴涂參數要根據涂層材料、噴槍性能和工件的具體情況而定，優化的噴涂條件可以提高噴涂效率、并獲得致密度高、結合強度高的高質量涂層、

　　4、涂層后處理

　　噴涂所得涂層有時不能直接使用，必須進行一系列的后處理、用于防腐蝕的涂層，為了防止腐蝕介質透過涂層的孔隙到達基材引起基材的腐蝕，必須對涂層進行封孔處理、用作封孔劑的材料很多，有石臘、環氧樹脂、硅樹脂等有機材料及氧化物等無機材料，如何選擇合適的封孔劑，要根據工件的工作介質、環境、溫度及成本等多種因素進行考慮、對于承受高應力載荷或沖擊磨損的工件，為了提高涂層的結合強度，要對噴涂層進行重熔處理(如火焰重熔、感應重熔、激光重熔以及熱等靜壓等)，使多孔的且與基體僅以機械結合的涂層變為與基材呈冶金結合的致密涂層、有尺寸精度要求的，要對涂層進行機械加工、由于噴涂涂層具有與一般的金屬及陶瓷材料不同的特點，如涂層有微孔，不利于散熱；涂層本身的強度較低，不能承受很大的切削力；涂層中有很多硬的質點，對刀具的磨損很快等，因而形成了噴涂涂層不同于一般材料的難于加工的特點、所以必須選用合理的加工方法和相應的工藝參數才能保證噴涂層機械加工的順利進行和保證達到所要求的尺寸精度、

　　從熱噴涂技術的原理及工藝過程分析，熱噴涂技術具有以下一些特點、

　　1、由于熱源的溫度范圍很寬，因而可噴涂的涂層材料幾乎包括所有固態工程材料，如金屬、合金、陶瓷、金屬陶瓷、塑料以及由它們組成的復合物等、因而能賦予基體以各種功能(如耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、絕緣、隔熱、生物相容、紅外吸收等)的表面、

　　2、噴涂過程中基體表面受熱的程度較小而且可以控制，因此可以在各種材料上進行噴涂(如金屬、陶瓷、玻璃、布疋、紙張、塑料等)，并且對基材的組織和性能幾乎沒有影響，工件變形也小、

　　3、設備簡單、操作靈活，既可對大型構件進行大面積噴涂，也可在指定的局部進行噴涂；既可在工廠室內進行噴涂也可在室外現場進行施工、

　　4、噴涂操作的程序較少，施工時間較短，效率高，比較經濟、

　　隨著熱噴涂應用要求的提高和領域的擴大，特別是噴涂技術本身的進步，如噴涂設備的日益高能和精良，涂層材料品種的逐漸增多、性能逐漸提高，熱噴涂技術近十年來獲得了飛速的發展，不但應用領域大為擴展，而且該技術已由早期的制備一般的防護涂層發展到制備各種功能涂層；由單個工件的維修發展到大批的產品制造；由單一的涂層制備發展到包括產品失效分析、表面預處理、涂層材料和設備的研制、選擇，涂層系統設計和涂層后加工在內的噴涂系統工程；成為材料表面科學領域中一個十分活躍的學科。并且在現代工業中逐漸形成象鑄、鍛、焊和熱處理那樣的獨立的材料加工技術。成為工業部門節約貴重材料、節約能源、提高產品質量、延長產品使用壽命、降低成本、提高工效的重要的工藝手段，在國民經濟的各個領域內得到越來越廣泛的應用。

　　1、氧乙炔火焰噴涂(焊)

　　是最早的一種噴涂方法。它是利用氧和乙炔的燃燒火焰將粉末狀或絲狀、棒狀的涂層材料加熱到熔融或半熔融狀態后噴向基體表面而形成涂層的一種方法。它具有設備簡單、工藝成熟、操作靈活、投資少、見效快的特點。它可制備各種金屬、合金、陶瓷及塑料涂層，是目前國內最常用的噴涂方法之一。但是，由該方法制備的涂層孔隙度較大，與基體材料的結合強度也較低。但是，對于自熔合金而言，如若采用燃燒火焰將其一次噴融或將噴涂層進行二次重熔(有火焰重熔、感應重熔和爐熔等)的方法則稱為噴焊，噴焊涂層由于與基體材料呈冶金結合狀態，因而與基體材料的結合強度大大提高，可以應用于沖擊大、負荷重的工況下，如連續鑄造拉矯輥、熱軋矯直輥表面采用鎳基自熔合金噴焊涂層進行強化，均獲得了十分良好的耐蝕、耐磨和抗熱疲勞的強化效果、

　　2、爆炸噴涂(D-GUN)

　　本方法是利用氧和可燃性氣體的混合氣，經點火后在噴槍中爆炸，利用脈沖式氣體爆炸的能量，

　　將被噴涂的粉末材料加熱、加速轟擊到工件表面而形成涂層。氣體燃燒和爆炸的結果可產生超音速高能氣流，爆炸波的傳播速度高達3000m/s，其中心溫度可達3450℃，粉末粒子的飛行速度可達1200m/s。因而爆炸噴涂層涂層致密，與基體的結合強度高，最高可達24kg/mm2、該法的缺點是噪音大，而且爆炸是不連續的，因而效率較低。爆炸噴涂是20世紀50年代由美國聯合碳化物公司發明，但問世后許多年都由該公司所壟斷，不對外出售技術和設備，只在其服務公司內為用戶進行噴涂加工，主要噴涂陶瓷和金屬陶瓷，進行航空發動機的維修、

　　3、高速火焰噴涂(HVOF)

　　高速火焰噴涂（或稱超音速火焰噴涂）是20世紀80年代出現的一種高能噴涂方法，它的開發是繼等離子噴涂之后熱噴涂工業最具創造性的進展。雖然高速火焰噴涂方法可噴涂的材料很多，但由于其火焰含氧少溫度適中，焰流速度很高，能有效地防止粉末涂層材料的氧化和分解，故特別適合碳化物類涂層的噴涂。該設備發展到第三代，性能有了大幅度的提高，例如JP-5000、DJ-2700等設備其室壓達到8-12bar，功率達到100-120kw，噴涂效率可達10kg/h(WC-Co)，涂層厚度可達數mm，涂層性能已能達到爆炸噴涂的水平。在許多工業部門獲得廣泛的應用、如航空發動中的耐磨涂層、造紙機械用的鏡面涂層等、近年來，由于電鍍鉻工藝的環境污染問題，電鍍鉻工業在一些工業發達國家受到嚴格的限制，并逐漸被淘汰，采用高速火焰噴涂涂層代替鍍鉻層的應用越來越受到工業界的關注和重視、

　　4、電弧噴涂

　　電弧噴涂是在兩根絲狀的金屬材料之間產生電弧，電弧產生的熱使金屬絲熔化，熔化部分由壓縮空氣氣流霧化并噴向基體表面而形成涂層。該工藝也具有設備一次投資少，使用方便、效率高等特點，但噴涂材料必須是導電的金屬及合金絲，因而其應用受到了一定的限制， 但它的高效率使得它在噴涂Al、Zn及不銹鋼等大面積防腐應用方面成為首選工藝。

　　5、等離子噴涂(APS)

　　當某種氣體如氮、氬、氫及氦等通過一壓縮電弧時產生電離而形成電中性的等離子體(是物質除氣、液、固態外的第四態)、等離子弧的能量集中溫度很高， 其焰流的溫度在萬度以上，可以將所有固態工程材料熔化、以這種高溫等離子體作熱源將涂層材料熔化制備涂層的工藝就是等離子噴涂。國內外已有數百種材料用于等離子噴涂，是應用較普遍的噴涂方法。 等離子噴涂涂層的致密度及與基體材料的結合強度均比火焰噴涂涂層和電弧噴涂涂層的高，而且也是制備陶瓷涂層的最佳工藝、等離子技術中引人注目之處是設備的大容量化和高輸出功率化，目前氣體等離子噴涂設備已有200kw的設備出售， 不但大大提高了噴涂效率，也使涂層質量更為改善，因而可以實現大面積高質量涂層的連續生產，如柔性印刷用網紋輥鏡面陶瓷層以及高分子薄膜電暈處理用陶瓷絕緣涂層的制備等、

　　6、低壓等離子噴涂(LPPS)

　　等離子噴涂可以在不同氣氛和不同壓力下實現，當噴涂作業在氣氛可控的負壓密封容器內進行時就成為低壓等離子噴涂。低壓等離子噴涂的優點是：焰流速度高、粒子動能大，形成的涂層致密、結合強度高；低壓環境下可對基體進行預熱和進行反向轉移弧電清理，進一步提高涂層與基體的結合強度；由于沒有大氣污染，涂層材料不氧化成分變化小，因而可以進行活性金屬如Ti、Ta、Nb等的噴涂；還可使形成等離子體的氣體在噴涂過程中與涂層材料進行反應，形成特殊化合物涂層。由于具有以上特點， 低壓等離子噴涂主要用于制備航空工業等高科技領域的涂層，如飛機渦輪發動機葉片抗高溫氧化和熱腐蝕的MCrAlY(M= Co、Ni、Fe)涂層，以及制備人體人工植入體用生物功能涂層、

　　7、水穩等離子噴涂

　　水穩等離子噴涂是一種高功率和高速等離子噴涂方法，它是在由高速旋轉的水形成的隧道里產生的弧中，水蒸氣分解形成O2和H2的等離子工作氣的噴涂方法。與氣體等離子噴涂方法相比，其焰流溫度更高體積更大更長，特別是能量更高，因而特別適合于高熔點氧化物陶瓷的大量噴涂。其主要優點是：輸出功率大(150-200kw)，涂層結合強度是氣體等離子噴涂涂層的2 -3倍，并且涂層致密，其硬度、耐磨性和耐熱沖擊性能也有很大提高；噴涂效率高，噴涂能力最大為50kg/h， 涂層厚度可達20mm，而且可以噴涂分散性較大的粉末，因而特別適合陶瓷部件的噴涂成形；只需水和空氣，運行成本低，比其他噴涂方法經濟。本方法的缺點是焰流為氧化焰，不適噴涂容易氧化的材料。此外，噴涂槍體積較大，比較笨重、

　　熱噴涂原理

　　1、熱噴涂涂層的形成

　　熱噴涂時，涂層材料的粒子被熱源加熱到熔融態或高塑性狀態，在外加氣體或焰流本身的推力下，霧化并高速噴射向基體表面，涂層材料的粒子與基體發生猛烈碰撞而變形、展平沉積于基體表面，同時急冷而快速凝固，顆粒這樣遂層沉積而堆積成涂層。

　　2、熱噴涂涂層的結構特點

　　熱噴涂涂層形成過程決定了涂層的結構特點，噴涂層是由無數變形粒子相互交錯呈波浪式堆疊在一起的層狀組織結構，涂層中顆粒與顆粒之間不可避免地存在一些孔隙和空洞，并伴有氧化物夾雜。涂層剖面典型的結構如下圖，其特點為：

　　＊呈層狀

　　＊含有氧化物夾雜

　　＊含有孔隙或氣孔

　　3、熱噴涂涂層的結合機理

　　涂層的結合包括涂層與基體的結合和涂層內部的結合。涂層與基體表面的粘結力稱為結合力，涂層內部的粘結力稱為內聚力。涂層中顆粒與基體之間的結合以及顆粒之間的結合機理，目前尚無定論，通常認為有以下幾種方式。

　　（1）機械結合

　　碰撞成扁平狀并隨基體表面起伏的顆粒和凹凸不平的表面相互嵌合，貝以顆粒的機械聯鎖而形成的結合（拋錨效應），一般來說，涂層與基體的結合以機械結合為主。

　　（2）冶金－化學結合

　　這是當涂層和基體表面產主冶金反應，如出現擴散和合金化時的一種結合類型。當噴涂后進行重熔即噴焊時，噴焊層與基體的結合主要是冶金結合。

　　（3）物理結合

　　顆粒與基體表面間由范德華力或次價鍵形成的結合。

　　4。涂層的殘余應力

　　當熔融顆粒碰撞基體表面時，在產生變形的同時受到激冷而凝固，從而產生收縮應力。涂層的外層受拉應力，基體有時也包括涂層的內層則產生壓應力。涂層中的這種殘余應力是由熱噴涂條件及噴涂材料與基體材料的物理性質的差異所造成的。它影響涂層的質量、限制涂層的厚度。工藝上要采取措施以消除和減少涂層的殘余應力。

　　熱噴涂涂層的性能

　　1、化學成分

　　由于涂層材料在熔化和噴射過程中，在高溫下會與周圍介質發生作用生成氧化物、氮化物，以及在高溫下會發生分解，因而涂層的成分與涂層材料的成分是有一定的差異的，并在一定程度上影響涂層的性能。如MCrAlY氧化后會影響其耐蝕性，而WC－Co經氧化和高溫分解后其耐磨性會降低。通過噴涂方法的選擇可以避免和減輕這一現象的發生。如采用低壓等離子噴涂可大大減少涂層材料的氧化，而高速火焰噴涂則可以防止碳化物的高溫分解。

　　2、孔隙度

　　熱噴涂涂層中不可避免地存在著孔隙，孔隙度的大小與顆粒的溫度和速度以及噴涂距離和噴涂角度等噴涂參數有關。一般來說，溫度及速度都低的火焰噴涂和電弧噴涂涂層的孔隙度都比較高，一般達到百分之幾，甚至可達百分之十幾。而高溫的等離子噴涂涂層及高速的超音速火焰噴涂涂層則孔隙度較低。最低可達0、5％以下。

　　3、硬度

　　由于熱噴涂涂層在形成時的激冷和高速撞擊，涂層晶粒細化以及晶格產生畸變使涂層得到強化，因而熱噴涂涂層的硬度比一般材料的硬度要高一些，其大小也會因噴涂方法的不同而有所差異。

　　4、結合強度

　　熱噴涂涂層與基體的結合主要依靠與基體粗糙表面的機械咬合（拋描效應）。基材表面的清潔程度、涂層材料的顆粒溫度和顆粒撞擊基體的速度以及涂層中殘余應力的大小均會影響涂層與基體的結合強度，因而涂層的結合強度也與所采用的噴涂方法有關。

　　5、冷熱疲勞性能

　　對于一些在冷熱循環狀態下使用的工件，其涂層的抗冷熱疲勞（或稱熱震）性能至關重要，如若該涂層的抗熱震性能不好，則工件在使用過程中便會很快開裂甚至剝落。涂層抗熱震性能的好壞主要取決于涂層材料與基體材料的熱膨脹系數差異的大小和涂層與基體材料結合的強弱。