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摩擦磨损(sun)造成(cheng)的(de)能量(liang)和物质(zhi)损(sun)失均(jun)源自材料(liao)表面(mian)，因(yin)此，各(ge)类表面(mian)工程技(ji)术已成(cheng)为提高零构(gou)件材料(liao)减摩、耐磨性(xing)能的(de)重(zhong)(zhong)要方(fang)法，其中最常(chang)见的(de)应(ying)用(yong)(yong)便是(shi)耐磨涂(tu)(tu)层(ceng)。市场上制(zhi)备(bei)材料(liao)表面(mian)涂(tu)(tu)层(ceng)的(de)方(fang)法较多，包括热(re)喷涂(tu)(tu)、化学气(qi)相(xiang)沉积(CVD)、物理气(qi)相(xiang)沉积(PVD)、电镀等(deng)，热(re)喷涂(tu)(tu)技(ji)术是(shi)应(ying)用(yong)(yong)最广泛的(de)表面(mian)工程技(ji)术之—，在航空发动机(ji)、重(zhong)(zhong)型(xing)燃气(qi)轮机(ji)等(deng)高端装备(bei)的(de)科(ke)研和生产中有着不可替(ti)代的(de)作用(yong)(yong)。

减摩耐(nai)磨涂(tu)层是(shi)热喷涂(tu)技(ji)(ji)术的重要应(ying)用领域，以(yi)航(hang)空发动(dong)机为例，机匣气(qi)路封严涂(tu)层、级间(jian)篦齿耐(nai)磨涂(tu)层、叶片(pian)榫头(tou)抗微动(dong)涂(tu)层、叶尖耐(nai)磨涂(tu)层、叶片(pian)阻尼台耐(nai)磨涂(tu)层等均采(cai)用热喷涂(tu)技(ji)(ji)术制备。因此(ci)，国内外研究人员对(dui)热喷涂(tu)技(ji)(ji)术及其在(zai)减摩耐(nai)磨涂(tu)层中的应(ying)用开发十分(fen)重视(shi)。

热喷(pen)涂(tu)涂(tu)层(ceng)在航空发动(dong)机(ji)上的应用(yong)

什么是热(re)喷涂？

热喷涂技术(shu)是(shi)利用热源将(jiang)粉末、丝材、棒材等原材料加热到熔融、半熔融或塑性软化状态，同时通过(guo)高速气流将(jiang)其加速喷射(she)撞(zhuang)击到经过(guo)预处(chu)理的工件表(biao)面，形(xing)成具有特定功(gong)能的涂层。与(yu)其他表(biao)面工程技术(shu)相比(bi)，热喷涂技术易(yi)于实现(xian)以(yi)高沉积速(su)率(lv)完(wan)成大(da)面积涂层(ceng)的生产，且(qie)喷(pen)涂(tu)过(guo)程可借助(zhu)机器人实现自动化，有利于保证批(pi)量(liang)(liang)生产中(zhong)涂(tu)层的生产效率(lv)和质量(liang)(liang)稳定。

热喷涂(tu)技术原理

热喷涂技术的局限(xian)性小(xiao)，对零件基(ji)材状态(tai)、预处理(li)没有过高的要求(qiu)，而且喷涂原料(liao)范围广，涵盖金(jin)属(shu)、合金(jin)、陶瓷(ci)、金(jin)属(shu)-陶瓷(ci)、高分子(zi)材料等。因(yin)此(ci)，热喷(pen)涂技术在航空(kong)航天、石油(you)化工(gong)、电子电气、汽(qi)车、医疗、海洋、矿业(ye)等领域得到了(le)越来越多的应(ying)用(yong)。

 

常见热喷(pen)涂材(cai)料及应(ying)用

影响热喷涂涂层性能(neng)的(de)主要因素是原料在(zai)喷涂(tu)焰流中的熔(rong)融(rong)状态（温度(du)）和飞行速度（微粒(li)的动能）。在(zai)大气(qi)等离子喷涂之后出现(xian)的(de)各种热(re)喷涂技术，无(wu)一不(bu)是通(tong)过提高(gao)微粒温度或速度来获(huo)得性能优异(yi)的涂(tu)(tu)(tu)(tu)层。此(ci)外，由于等(deng)离子(zi)喷涂(tu)(tu)(tu)(tu)、爆炸喷涂(tu)(tu)(tu)(tu)等(deng)技(ji)术无(wu)法(fa)使用纳米粉体进料(liao)，在制(zhi)备(bei)纳米结构涂(tu)(tu)(tu)(tu)层时只能通过造粒(li)将其(qi)制(zhi)为微米级粉体用于喷涂(tu)(tu)(tu)(tu)，喷涂(tu)(tu)(tu)(tu)工艺和涂(tu)(tu)(tu)(tu)层性能均受到限制(zhi)。因此(ci)，研究人员还开发了悬浮(fu)液等(deng)离子(zi)喷涂(tu)(tu)(tu)(tu)(SSPS)，以便获(huo)得特定组织的纳米结构涂(tu)(tu)(tu)(tu)层。

几种常(chang)见热喷涂技术(shu)在耐磨涂层应用中的差异

1.大气等离子喷涂

大气(qi)等离子(zi)喷涂(APS)是应用最早、最广(guang)的一种热喷涂技(ji)术，整(zheng)个喷涂过程在大气(qi)环(huan)境下进(jin)行(xing)。APS通常利用Ar、N₂和(he)He作为(wei)工作介质，其核心部(bu)件是(shi)等(deng)离(li)子(zi)喷枪，工作原理(li)是(shi)在阳极和(he)阴极之间(jian)通入上(shang)述工作气体作为(wei)介质，使其电离(li)并产生等(deng)离(li)子(zi)弧(hu)，通过等(deng)离(li)子(zi)弧(hu)的作用进一步将喷涂材料(liao)加热至熔融或半熔融状态后进行(xing)喷涂。

大气等离(li)子喷涂

APS制备的涂层因具有较高的结(jie)合强(qiang)度等特(te)点而(er)成为摩(mo)擦学界研究的(de)热点，具有(you)较高的(de)温度，但其(qi)(qi)喷(pen)涂过程中(zhong)微粒的(de)飞(fei)行速度较低（约300 m/s），导(dao)致微粒在焰流中(zhong)易出现氧化、分解或过热等问题(ti)，难以满(man)足较高的(de)工(gong)况(kuang)要求。因此，研究人(ren)员在其(qi)(qi)基础上研究出微粒飞(fei)行速度更(geng)高的(de)超音速等离(li)子喷(pen)涂。

2.超音速等离子喷涂

超(chao)音(yin)速(su)(su)等(deng)离(li)子喷(pen)涂(tu)(SPS)技术是利用等(deng)离(li)子弧与(yu)高速(su)(su)气流(liu)混(hun)合(he)时出现的(de)“扩(kuo)展弧”可以得(de)到稳定聚集的(de)超(chao)音(yin)速(su)(su)等(deng)离(li)子射(she)流(liu)，相比(bi)于大气等(deng)离(li)子喷(pen)涂(tu)，微粒飞行速度更(geng)高，微粒以更大(da)的(de)动(dong)能撞击(ji)基体(ti)，有利(li)于产生更强(qiang)烈的(de)钉扎作用和更好的(de)铺展，涂(tu)层致密度(du)和结合强(qiang)度(du)也就更高。

采(cai)用SPS技术制备出的涂层具(ju)有致密的层状(zhuang)结(jie)构、较高的粘接强度等优异(yi)性(xing)能，它不(bu)仅适用于制备高熔点(dian)陶瓷涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)，还适用于制备金属-陶瓷复(fu)合涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)和常规金属涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)。目前，SPS已(yi)经成为较前沿的(de)热喷涂(tu)(tu)技术(shu)，并得到市场认可。

超音速(su)等离子喷涂

一个比较典型的(de)应(ying)用(yong)是热喷涂(tu)(tu)(tu)(tu)Mo涂(tu)(tu)(tu)(tu)层，Mo具有高(gao)(gao)熔(rong)点(dian)(2620℃)、高(gao)(gao)硬(ying)度、高(gao)(gao)强度、抗高(gao)(gao)温(wen)粘(zhan)结(jie)(jie)等优点(dian)，热喷涂(tu)(tu)(tu)(tu)Mo涂(tu)(tu)(tu)(tu)层作(zuo)为(wei)耐磨(mo)涂(tu)(tu)(tu)(tu)层被广泛应(ying)用(yong)于(yu)(yu)材料表(biao)面强化(hua)或尺寸修复，Mo也可(ke)以作(zuo)为(wei)热喷涂(tu)(tu)(tu)(tu)耐磨(mo)涂(tu)(tu)(tu)(tu)层的(de)增(zeng)强相。由于(yu)(yu)Mo熔(rong)点(dian)高(gao)(gao)，以往(wang)主要采用(yong)APS制备(bei)，但APS钼涂(tu)(tu)(tu)(tu)层易出现的(de)孔(kong)隙降低了它的(de)硬(ying)度和耐磨(mo)性(xing)。不(bu)过(guo)SPS技术虽(sui)可(ke)制备(bei)出结(jie)(jie)构(gou)致密且结(jie)(jie)合强度高(gao)(gao)的(de)涂(tu)(tu)(tu)(tu)层，但是在喷涂(tu)(tu)(tu)(tu)过(guo)程中(zhong)仍存在碳(tan)(tan)化(hua)物脱碳(tan)(tan)、粉末氧(yang)化(hua)等问题。

3.超音速空气(qi)燃料喷涂

超音(yin)速(su)空气燃(ran)料喷涂(tu)(HVAF)是(shi)在超音(yin)速(su)火焰喷涂(tu)(HVOF)技术(shu)的(de)(de)基(ji)础上(shang)发(fa)展起(qi)来的(de)(de)，两种喷涂(tu)技术(shu)的(de)(de)主要不同(tong)点(dian)是(shi)HVAF采用(yong)压缩空气为燃(ran)料代替氧气，两(liang)者在火(huo)焰(yan)温度和(he)粒子飞(fei)行速度方(fang)面也都(dou)有一(yi)定差异。

超(chao)音(yin)速火焰喷(pen)涂

（超(chao)音速空气燃料喷涂是(shi)将(jiang)氧气替换为(wei)压(ya)缩空气）

HVOF被广泛用于金属(shu)-陶瓷耐磨涂层的制(zhi)备，包括(kuo)WC-Co、WC-Co-Cr、NiCr-CrgCz等涂层；但(dan)是(shi)HVOF工艺中，碳(tan)化物在喷涂焰流中易发生脱碳(tan)而(er)生成(cheng)脆性(xing)相，极(ji)大地(di)影响(xiang)了涂层的耐磨性(xing)。

HVAF工(gong)艺(yi)火焰温度(du)(du)较低(di)(di)（低(di)(di)于2000°C），但粒子喷射速度(du)(du)更(geng)高，较低(di)(di)的(de)(de)火焰温度(du)(du)改善了(le)原始粉末的(de)(de)过熔和过度(du)(du)氧化的(de)(de)问题，涂层中(zhong)(zhong)氧化物含量明显减少，也有利于抑制喷涂原料中(zhong)(zhong)纳(na)米微粒在(zai)喷涂过程中(zhong)(zhong)的(de)(de)长(zhang)大(da)，在(zai)很大(da)程度(du)(du)上(shang)改善了(le)HVOF技(ji)术导致(zhi)喷涂原料热退化的(de)(de)现象。因此，相比HVOF技(ji)术，HVAF技(ji)术能以较高的(de)(de)沉积效率(lv)，制备出孔隙(xi)率(lv)低(di)(di)、与基体(ti)结(jie)合强度(du)(du)高的(de)(de)涂层。

HVAF较低的焰流温度有(you)助于进一步抑(yi)制喷涂过程中非晶材料的过热(re)和结(jie)晶，在制备铁基(ji)非晶涂(tu)层方(fang)面有着明显的优势。铁(tie)基非晶(jing)材料(liao)具有低成(cheng)本、高强度、高耐磨性等优点(dian)(dian)，并且(qie)热喷(pen)涂过程中熔融(rong)粒子冷凝(ning)速(su)度极高，利于非晶(jing)的形成(cheng)，所(suo)以(yi)热喷(pen)涂铁(tie)基非晶(jing)涂层是硬质耐磨涂层的研(yan)究(jiu)热点(dian)(dian)。

4.爆炸喷涂(tu)

爆(bao)炸(zha)喷涂技(ji)术的原理是(shi)利用气(qi)体(ti)爆(bao)炸(zha)后产生的能量将(jiang)粉末原料加热熔(rong)化(hua)，使其以极高(gao)速度沉积在工件表(biao)面，形成坚固的涂层。该技(ji)术在航空发动(dong)机等关键零部(bu)件修复和耐磨(mo)防护中表(biao)现出无(wu)法替代的优势，受到世(shi)界范围的研究(jiu)和重视，已(yi)成为(wei)生产高(gao)质(zhi)量耐磨(mo)涂层最有(you)效的技(ji)术。

爆(bao)炸喷涂

爆(bao)炸喷涂也特(te)备适(shi)合(he)制备多相(xiang)复合涂(tu)层，例如用(yong)于弹性(xing)箔(bo)片气体轴承启停阶段的润滑(hua)防护的宽温域固体润滑(hua)涂(tu)层(ceng)NiCr-Cr₂O₃-Ag-BaF₂/CaF₂涂层(PS304)，其中(zhong)金属粘接相、润(run)滑相（软金属Ag、氟(fu)化物共晶）、陶瓷耐(nai)磨(mo)相之间(jian)理化性能差别大，采用爆炸喷涂的(de)(de)结合强度(du)高(gao)于APS、HVOF所制(zhi)备的(de)(de)该涂层，同时相比于HVOF，爆炸喷涂可以沉积(ji)更多的(de)(de)BaF₂/CaF₂。

由于(yu)爆炸喷涂(tu)是脉冲式进行的(de)，基(ji)体(ti)受(shou)热时间(jian)短，碳化物粉末(mo)原料(liao)发(fa)生氧(yang)化、脱碳现象的(de)程度较其他热喷涂(tu)技术低，因而可以保证涂(tu)层(ceng)组织与粉末(mo)成分的(de)一(yi)致性(xing)，这(zhei)一(yi)特点也使其在沉积易分解材料方面具有一定优势。

5.超低压等离子喷涂

超低(di)压等(deng)离(li)子(zi)(zi)喷涂技术(shu)(VLPPS)是(shi)在(zai)(zai)低(di)压/真(zhen)空(kong)等(deng)离(li)子(zi)(zi)喷涂(LPPS)技术(shu)的(de)(de)基础上，通过熔(rong)化液滴(di)在(zai)(zai)进(jin)(jin)一(yi)步降低(di)压力的(de)(de)真(zhen)空(kong)室(shi)(shi)中(zhong)，同时(shi)大幅提(ti)高等(deng)离(li)子(zi)(zi)喷枪(qiang)功率，将粉(fen)未加(jia)热、加(jia)速，并达(da)到一(yi)定比例的(de)(de)气化，最终沉积形(xing)成涂层。LPPS在(zai)(zai)5000 ~20000Pa下进(jin)(jin)行(xing)(xing)，而VLPPS是(shi)在(zai)(zai)小于100Pa的(de)(de)低(di)压室(shi)(shi)中(zhong)应用100 kW以上大功率等(deng)离(li)子(zi)(zi)喷枪(qiang)进(jin)(jin)行(xing)(xing)喷涂。

低压(ya)等离子(zi)喷涂

（超低(di)压是(shi)采(cai)用更(geng)低(di)的真(zhen)空室压力）

传统的(de)(de)(de)热喷涂技术主要用(yong)于制备(bei)厚(hou)度(du)(du)超过100um的(de)(de)(de)涂层，由于VLPPS的(de)(de)(de)焰(yan)流(liu)温度(du)(du)和速度(du)(du)分布(bu)比LPPS更均匀(yun)，且(qie)覆盖面(mian)积(ji)大(da)，且(qie)等离(li)子体(ti)(ti)焰(yan)流(liu)及喷射距离(li)较长，适用(yong)于快速制备(bei)大(da)面(mian)积(ji)、致密均匀(yun)的(de)(de)(de)薄涂层，可填补在大(da)型基材上制备(bei)厚(hou)度(du)(du)为5~100um涂层(ceng)技术的空白。VLPPS涂层(ceng)的微观形貌既可以呈(cheng)现出层(ceng)状结(jie)构（类(lei)似于(yu)APS和LPPS涂层(ceng)），也可以呈(cheng)现出柱状结(jie)构（类(lei)似于(yu)PVD或(huo)CVD涂层(ceng)）。

目前，VLPPS作(zuo)为一(yi)项前沿(yan)的(de)热(re)喷(pen)涂技(ji)术(shu)多被(bei)用于(yu)制备热(re)障涂层(ceng)，研究(jiu)人员(yuan)主要研究(jiu)其抗氧化性能，应用该技(ji)术(shu)制备减(jian)摩(mo)耐磨涂层(ceng)的(de)相(xiang)关研究(jiu)较少。

热障(zhang)涂层

6.悬浮液等(deng)离子(zi)喷(pen)涂(tu)

纳(na)米(mi)(mi)结构有(you)利于(yu)提高涂(tu)层(ceng)韧性、耐磨性等(deng)方面(mian)，但由于(yu)纳(na)米(mi)(mi)颗粒(li)的粒(li)径(jing)小、质量(liang)小，传统的热喷涂(tu)过(guo)程中无法(fa)在常规条件下直接注入纳(na)米(mi)(mi)粉末(mo)原(yuan)料，从而出现粉末(mo)团聚，堵塞进粉系统等(deng)问题。此(ci)外纳(na)米(mi)(mi)粉末(mo)由于(yu)热能较高，在喷涂(tu)过(guo)程中会迅速分解。悬(xuan)浮(fu)液等(deng)离(li)子喷涂(tu)(SSPS)技术的出现解决了这一(yi)问题，它的核(he)心原(yuan)理是将原(yuan)始粉末(mo)和水(shui)或(huo)有(you)机溶剂混合在一(yi)起形成悬(xuan)浮(fu)液，主要用于(yu)纳(na)米涂层的(de)制(zhi)备，应用此方法制备纳米涂层时(shi)可在很大(da)程度上(shang)避免出(chu)现粉(fen)末(mo)团聚、堵塞进粉(fen)系统等问题。

悬浮液(ye)等离(li)子喷(pen)涂中(zhong)悬浮液(ye)液(ye)滴变化

由于粒子在注入(ru)等离(li)子射流(liu)之前就(jiu)为液态(tai)，焰流(liu)密(mi)度(du)较高(gao)(gao)，因此SSPS中等离(li)子体流(liu)向基体的热(re)流(liu)密(mi)度(du)比常规APS在相(xiang)同(tong)功率水平下的热(re)流(liu)密(mi)度(du)要高(gao)(gao)一个(ge)数量级，可以制备(bei)传统喷涂技术不(bu)能制备(bei)的涂层，如直接(jie)将APS工艺(yi)无法喷涂的(de)颗粒（如SiC）掺入陶瓷基体中。

7.高(gao)速电弧喷涂

电弧喷涂(tu)(tu)技术主(zhu)要应(ying)(ying)用(yong)于防护涂(tu)(tu)层中，其原理(li)是应(ying)(ying)用(yong)2根连(lian)续且均匀送进的金属(shu)丝(si)短接产生电弧，并以此熔化金属(shu)丝(si)，外加压缩空气(qi)使熔融(rong)颗(ke)粒(li)雾(wu)化并且加速，熔融(rong)的液滴撞击经过预处理(li)的基材(cai)表(biao)面发生变形、展(zhan)平，并快速凝固、沉积，逐渐形成涂(tu)(tu)层。

早期的(de)电弧(hu)(hu)(hu)(hu)喷(pen)涂(tu)(tu)技(ji)(ji)术(shu)制备的(de)涂(tu)(tu)层存在(zai)(zai)孔隙(xi)率较大(da)、与基体的(de)结(jie)(jie)合强(qiang)度较低等问题，因此(ci)，研究人员在(zai)(zai)普通(tong)电弧(hu)(hu)(hu)(hu)喷(pen)涂(tu)(tu)技(ji)(ji)术(shu)的(de)基础(chu)上研究出高速(su)电弧(hu)(hu)(hu)(hu)喷(pen)涂(tu)(tu)技(ji)(ji)术(shu)(HVAS)。HVAS对喷(pen)枪部分进行了优(you)化(hua)，在(zai)(zai)一定程(cheng)度上提高了雾(wu)化(hua)气体压(ya)力和流速(su)，缩短(duan)了粒(li)(li)子飞(fei)行时(shi)间，降低了粒(li)(li)子被氧化(hua)的(de)程(cheng)度，提高了粒(li)(li)子变形(xing)与合金化(hua)程(cheng)度，从(cong)而改善了涂(tu)(tu)层的(de)微观结(jie)(jie)构。相(xiang)比普通(tong)的(de)电弧(hu)(hu)(hu)(hu)喷(pen)涂(tu)(tu)，HVAS具有较高的(de)电弧稳定性、沉(chen)积(ji)效率以及涂层组织致密程度。

总(zong)结

不同(tong)的热喷(pen)涂(tu)(tu)工(gong)艺和涂(tu)(tu)层(ceng)适用于(yu)不同(tong)的工(gong)况，需选(xuan)择合适的涂(tu)(tu)层(ceng)材料以(yi)及相应的热喷(pen)涂(tu)(tu)工(gong)艺才能制备适应工(gong)况要(yao)求(qiu)的减(jian)摩耐磨涂(tu)(tu)层(ceng)，依据(ju)上述技(ji)术特点总结如下：

不同热喷涂耐磨(mo)涂层的应用领域

不同热喷涂工艺的优缺点及适用情况

基于工(gong)业与科技的(de)快速发(fa)展(zhan)，机械设(she)备的(de)工(gong)况(kuang)要求越来(lai)越高(gao)，需要研制出性能更加优异的(de)减摩耐磨涂(tu)层(ceng)。一方面，可从(cong)涂(tu)层(ceng)材(cai)料的(de)组分入(ru)手，设(she)计出具(ju)有高强度、硬度或具有自润滑功能的新材料体(ti)系，如(ru)在(zai)硬质的陶瓷(ci)涂(tu)层(ceng)(ceng)或(huo)金属-陶瓷(ci)涂(tu)层(ceng)(ceng)中添加具有自润滑(hua)作用(yong)的润滑(hua)相（如(ru)石(shi)墨、二硫化钼、高分(fen)子材料等），提(ti)高涂(tu)层(ceng)(ceng)的减摩(mo)性能；另一(yi)方面，可从(cong)优化热喷涂(tu)工艺入手，研究(jiu)不同(tong)体(ti)系涂(tu)层(ceng)(ceng)的最佳工艺参(can)数(shu)，为(wei)后续的研究(jiu)工作奠定基础。除上述两方面外，还需在(zai)提(ti)高涂(tu)层(ceng)(ceng)质量(liang)的同(tong)时降低成本，才能更好地令(ling)该(gai)技(ji)术(shu)应用(yong)在(zai)实际生产(chan)中。

参考来源：

1. 热喷涂制备耐磨涂层的研(yan)究(jiu)进展，党哲、高东强（陕西科技(ji)大学机电工程(cheng)学院）；

2. 热喷(pen)涂技术(shu)应用及研究进展与挑战，李长(zhang)久（热喷(pen)涂技术(shu)）；

3. 等离子喷涂(tu)陶瓷(ci)耐磨涂(tu)层的(de)研(yan)究进展，安(an)家财(cai)、杜三明、肖(xiao)宏滨(bin)、张永振（热(re)加工(gong)工(gong)艺）；

4. 热喷涂技术的装备应用(yong)现状(zhuang)及发展前(qian)景，陈(chen)永雄、罗政刚、梁秀兵、胡(hu)振峰、黄昊（中国表(biao)面工(gong)程）。

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