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聊城（山东）金恒防腐工程有限公司
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行业新闻
热喷涂表面覆膜技术原理及应用
点击数：800发布时间：2015-04-30 08:39:55
引言
工业中的高温、冲击、磨损、腐蚀等使各类设备和零部件往往因表面首先损坏而引起设 备故障，造成停机甚至报废，严重影响企业的正常生产，并造成巨大的经济损失。表面工程 正是针对材料的表面失效， 研究和开发表面防护措施而发展起来的一门新兴的应用科学。 其 特点是多学科交叉，多种材料和多种加工工艺相互结合，应用面广，实用性强。 表面工程首先分析材料表面失效原因， 然后设计和优选合适的材料并采用相应的加工工 艺形成表面工作层，提高基材的抗高温、抗磨损、耐腐蚀、隔热等性能。一般表面层很薄， 用料少， 成本相对低， 但却能提高性能几倍至十几倍。 此外， 这一技术既可用于制造新部件， 也可修复废旧机件，修复后的机件寿命和性能一般可达到和超过原机件。因此，表面工程的 综合经济效益是十分显著的。
热喷涂技术的概念及原理
热喷涂技术在国家标准 GB/T18719—2002《热喷涂 术语、分类》中定义：热喷涂技 术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态， 并以一定的速度喷射沉积到经过预处理 的基体表面形成涂层的方法。热喷涂技术在普通材料的表面上，制造一个特殊的工作表面， 使其达到：防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系多 种功能，使其达到节约材料，节约能源的目的，我们把特殊的工作表面叫涂层，把制造涂层 的工作方法叫热喷涂。
当高温熔融粒子以高速撞击基体表面时，将发生液体的横向流动，导致扁平 化，于此同时经快速冷却、凝固粘附在基体表面。整体涂层由大量粒子逐次沉积 而形成。涂层的性能与涂层材料本身密切相关。选择合适的材料，可以获得具有 优越的耐磨损、耐腐蚀、耐热、绝热、耐辐射等性能的保护涂层，也可使材料表 面获得具有导电、绝缘、磁、电等性能的功能涂层。典型的热喷涂涂层结构见图一。
热喷涂分类方法
作为新型的实用工程技术目前尚无标准的分类方法，一般按照热源的种类，喷涂 材料的形态及涂层的功能来分。平常接触较多的一种分类方法是按照加热喷涂材料的 热源种类来分的，按此可分为：①火焰类，包括火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂； ②电弧类，包括电弧喷涂和等离子喷涂；③电热法,包括电爆喷涂、感应加热喷涂和电 容放电喷涂；④激光类：激光喷涂。
火焰类喷涂
1、火焰喷涂：火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。 线材火焰喷涂法：是最早发明的喷涂法。它是把金属线以一定的速度送进喷枪里， 使端部在高温火焰中熔化，随即用压缩空气把其雾化并吹走，沉积在预处理过的工件 表面上。 粉末火焰喷涂法：它与丝材火焰喷涂的不同之处是喷涂材料不是丝材而是粉末。 图二是粉末火焰喷涂原理示意图。
图二、粉末火焰喷枪结构及喷涂原理示意图 将各种不同材料（金属、合金、陶瓷、碳化物等）制成的粉末，采用重力或压力送粉方 式送入喷枪，借助气流进入火焰区被熔化，高速气流或保护性气体可进一步对熔滴雾化、加 速，最后喷射到工件表面形成涂层。由于粉末较轻、容易飞散，因此沉积效率和喷涂速度都 不及线材火焰喷涂。但由于粉末材料制备容易、品种多、功能全面，其应用面比线材喷涂广 泛的多。 2、爆炸喷涂 爆炸喷涂： 利用氧气和乙炔气点火燃烧， 造成气体膨胀而产生爆炸，
释放出热能和冲击波,热能使喷涂粉末熔化,冲击波则使熔融粉末以 700～800m/s 的 速度喷射到工件表面上形成涂层。图三是燃气爆炸喷枪示意图。
图三、燃气爆炸喷枪示意图 3、超音速喷涂 超音速火焰喷涂（也称高速氧燃气喷涂）技术是近年来国际热喷涂界研
究的热门领域，类似于爆炸喷涂，它是一种连续不断的燃气压缩、点燃、膨胀加速过程。超 音速喷枪相对简单、小巧，可以手工操作。其喷枪结构与工作原理见图四。
图四 超音速喷涂的特点是速度高（喷咀出口速度高达成 1500 米∕秒以上。熔滴打在工作上的速 度大致在（ 700 — 1000 米∕秒） ，涂层致密度最高（孔隙率 <2% ） ，结合强度高，表面光 洁度高，可以喷涂厚涂层（ 0.3 — 0.5mm ） 。另一方面，超音速喷涂过程，粉末受热温度 较低，特别适合于喷涂碳化钨等易氧化、失碳和降解的硬质耐磨涂层。涂层无相变现象，硬 质相保留率高。喷涂同类材料，比用等离子喷涂和火焰喷涂有更高的硬度和结合力。
电弧类喷涂
1、电弧喷涂： 电弧喷涂：在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧，因电弧产
生的热使金属焊丝逐渐熔化，熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成涂层。电 弧喷涂按电弧电源可分为直流电弧喷涂和交流电弧喷涂。
图五、电弧喷枪结构及喷涂原理示意图 2、等离子喷涂： 等离子喷涂：包括大气等离子喷涂，保护气氛等离子喷涂，真
空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的 一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷 涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气 体，所以喷涂材料不易氧化。 3、真空等离子喷涂（又叫低压等离子喷涂） 真空等离子喷涂是在气氛可控的，
4～40Kpa 的密封室内进行喷涂的技术。因为工作气体等离子化后，是在低压气氛中 边膨胀体积边喷出的，所以喷流速度是超音速的，而且非常适合于对氧化高度敏感的 材料。 4、水稳等离子喷涂 前面说的等离子喷涂的工作介质都是气体， 而这种方法的工
作介质不是气而是水，它是一种高功率或高速等离子喷涂的方法，其工作原理是：喷 枪内通入高压水流，并在枪筒内壁形成涡流，这时，在枪体后部的阴极和枪体前部的 旋转阳极间产生直流电弧，使枪筒内壁表面的一部分蒸发、分解，变成等离子态，产 生连续的等离子弧。由于旋转涡流水的聚束作用，其能量密度提高，燃烧稳定，因此， 可喷涂高熔点材料，特别是氧化物陶瓷，喷涂效率非常高。
三 电热法
1、电爆喷涂：在线材两端通以瞬间大电流，使线材熔化并发生爆炸。此法专用 来喷涂气缸等内表面。 2、感应加热喷涂：采用高频涡流把线材加热，然后用高 3、电容放电加热：利用电容放电把线材加热， 压气体雾化并加速的喷涂方法。
然后用高压气体雾化并加速的喷涂方法。
热喷涂设备
DF-3000 超音速火焰喷涂 设备组成 DF-3000 超音速火焰喷 枪； DF-3000 送粉器； DF-3000 控制柜；
技术性能参数表
组件 性能特点 能实现喷涂过程的自动化操 DF-3000 作，而且对系统进行实时监 测，动态的控制喷枪的工作过 控制柜 程，能够对系统故障立即作出 响应。 项目内容 控制类型 丙烷压力/流量 氧气压力/流量 空气压力/流量 氢气压力 送粉方式 单筒容积 采用氮气为送粉气，粉末从送 DF-3000 粉筒中落下，随着转盘的转 动，到达粉末出口处，连同送 送粉器 粉气一起离开送粉器进入喷 枪中。 送粉气 送粉气压力 送粉器流量 送粉速度 送粉精度 喷涂粉末大小 火焰速度 火焰温度 喷枪功率 DF-3000 采用丙烷作为燃料，氧气为助 燃气体，空气和水做冷却。在 超音速火 整个点火过程中，加入氢气， 焰枪 使点火更易实现。 粉末颗粒速度 最大送粉速度 冷却方式 冷却水流量 最小涂层气孔率 最大涂层结合强度
符合安全规范的标准化 气管、水管、电缆。
PLC 控制 0.6~0.7Mpa 1.2Mpa 0.7~0.8Mpa 65~100L/min 150~170L/min 300~350L/min 基本参数 尺寸/重量
600ⅹ600ⅹ 1760mm 130kg
0.35Mpa（点火使用） 双筒刮盘式 2.5L 氮气 1.3Mpa 10~14L/min 0~150g/min ±3% 5~200um 2100m/s 2700℃ 100KW（换算值） 550~650m/s 150g/min 水冷+气冷 9.5L/min，压力 0.3Mpa 1% 70MPa 330ⅹ230ⅹ 50mm 2.7kg 110kg 500ⅹ280ⅹ 1260mm
热喷涂的发展趋势和特点
热喷涂是一种表面强化技术,是表面工程技术的重要组成部分，一直是我国重点 推广的新技术项目，随着科技发展，热喷涂技术目前在国内已取得了比较广泛的推广应用， 近年来发展的趋势和特点是： (1) 大面积长效防护技术得到了广泛应用，对于长期暴露在户外大气的钢铁结构件，采 用喷涂铅、锌及其合金涂层代替传统的刷油漆方法，实行阴极保护进行长效大气防腐，近年 来得到迅速发展。如电视铁塔、桥梁、公路设施、水闸门、微波塔、高压输电铁塔、地下电 缆支架、航标浮鼓、竖井井筒等大型工程都采用了喷涂铅、锌及其合金方法进行防腐。 (2) 采用热喷涂技术修复与强化大型关键设备及进口零部件国产化， 近年来这方面已有许 多成功应用实例。如： 一米 七轧机、高速风机转子、大型挤压机栓塞、大型齿轮、电极挤 压成型喷、大功率汽车曲轴等，这些工作的进行，一是解决了生产急需；二是节约了大量外 汇。 (3) 超音速火焰喷涂技术的应用随着我国热喷涂技术的发展与提高， 对喷涂层质量要求也 越来越高。近年来美国等国家发展起来的高速燃气（ HVOF ）法是制备高质量涂层的一种 新的工艺方法。 (4)气体爆燃式喷涂技术进一步得到了应用，该项喷涂技术由于粒子飞行速度可达 800M /S 以上，涂层与基体结合强度可达 100MPa 以上，孔隙率＜ 1 ％，在某些领域里应用， 优于其他喷涂方法。 (5)氧乙炔火焰塑料粉末喷涂技术发展迅速如前所述，国内近年来已有多家生产制造氧乙 炔火焰塑料粉末喷涂设备，采用该项工艺技术，已在化工贮藏、管道、陶瓷行业、沪泥机板 框、印染行业的导布辊、煤炭行业带式运输机铸件（铸铁）托轮、石油行业注塑设备，以及 表面装潢。
工业中的高温、冲击、磨损、腐蚀等使各类设备和零部件往往因表面首先损坏而引起设 备故障，造成停机甚至报废，严重影响企业的正常生产，并造成巨大的经济损失。表面工程 正是针对材料的表面失效， 研究和开发表面防护措施而发展起来的一门新兴的应用科学。 其 特点是多学科交叉，多种材料和多种加工工艺相互结合，应用面广，实用性强。 表面工程首先分析材料表面失效原因， 然后设计和优选合适的材料并采用相应的加工工 艺形成表面工作层，提高基材的抗高温、抗磨损、耐腐蚀、隔热等性能。一般表面层很薄， 用料少， 成本相对低， 但却能提高性能几倍至十几倍。 此外， 这一技术既可用于制造新部件， 也可修复废旧机件，修复后的机件寿命和性能一般可达到和超过原机件。因此，表面工程的 综合经济效益是十分显著的。
热喷涂技术的概念及原理
热喷涂技术在国家标准 GB/T18719—2002《热喷涂 术语、分类》中定义：热喷涂技 术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态， 并以一定的速度喷射沉积到经过预处理 的基体表面形成涂层的方法。热喷涂技术在普通材料的表面上，制造一个特殊的工作表面， 使其达到：防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系多 种功能，使其达到节约材料，节约能源的目的，我们把特殊的工作表面叫涂层，把制造涂层 的工作方法叫热喷涂。
当高温熔融粒子以高速撞击基体表面时，将发生液体的横向流动，导致扁平 化，于此同时经快速冷却、凝固粘附在基体表面。整体涂层由大量粒子逐次沉积 而形成。涂层的性能与涂层材料本身密切相关。选择合适的材料，可以获得具有 优越的耐磨损、耐腐蚀、耐热、绝热、耐辐射等性能的保护涂层，也可使材料表 面获得具有导电、绝缘、磁、电等性能的功能涂层。典型的热喷涂涂层结构见图一。
热喷涂分类方法
作为新型的实用工程技术目前尚无标准的分类方法，一般按照热源的种类，喷涂 材料的形态及涂层的功能来分。平常接触较多的一种分类方法是按照加热喷涂材料的 热源种类来分的，按此可分为：①火焰类，包括火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂； ②电弧类，包括电弧喷涂和等离子喷涂；③电热法,包括电爆喷涂、感应加热喷涂和电 容放电喷涂；④激光类：激光喷涂。
火焰类喷涂
1、火焰喷涂：火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。 线材火焰喷涂法：是最早发明的喷涂法。它是把金属线以一定的速度送进喷枪里， 使端部在高温火焰中熔化，随即用压缩空气把其雾化并吹走，沉积在预处理过的工件 表面上。 粉末火焰喷涂法：它与丝材火焰喷涂的不同之处是喷涂材料不是丝材而是粉末。 图二是粉末火焰喷涂原理示意图。
图二、粉末火焰喷枪结构及喷涂原理示意图 将各种不同材料（金属、合金、陶瓷、碳化物等）制成的粉末，采用重力或压力送粉方 式送入喷枪，借助气流进入火焰区被熔化，高速气流或保护性气体可进一步对熔滴雾化、加 速，最后喷射到工件表面形成涂层。由于粉末较轻、容易飞散，因此沉积效率和喷涂速度都 不及线材火焰喷涂。但由于粉末材料制备容易、品种多、功能全面，其应用面比线材喷涂广 泛的多。 2、爆炸喷涂 爆炸喷涂： 利用氧气和乙炔气点火燃烧， 造成气体膨胀而产生爆炸，
释放出热能和冲击波,热能使喷涂粉末熔化,冲击波则使熔融粉末以 700～800m/s 的 速度喷射到工件表面上形成涂层。图三是燃气爆炸喷枪示意图。
图三、燃气爆炸喷枪示意图 3、超音速喷涂 超音速火焰喷涂（也称高速氧燃气喷涂）技术是近年来国际热喷涂界研
究的热门领域，类似于爆炸喷涂，它是一种连续不断的燃气压缩、点燃、膨胀加速过程。超 音速喷枪相对简单、小巧，可以手工操作。其喷枪结构与工作原理见图四。
图四 超音速喷涂的特点是速度高（喷咀出口速度高达成 1500 米∕秒以上。熔滴打在工作上的速 度大致在（ 700 — 1000 米∕秒） ，涂层致密度最高（孔隙率 <2% ） ，结合强度高，表面光 洁度高，可以喷涂厚涂层（ 0.3 — 0.5mm ） 。另一方面，超音速喷涂过程，粉末受热温度 较低，特别适合于喷涂碳化钨等易氧化、失碳和降解的硬质耐磨涂层。涂层无相变现象，硬 质相保留率高。喷涂同类材料，比用等离子喷涂和火焰喷涂有更高的硬度和结合力。
电弧类喷涂
1、电弧喷涂： 电弧喷涂：在两根焊丝状的金属材料之间产生电弧，因电弧产
生的热使金属焊丝逐渐熔化，熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成涂层。电 弧喷涂按电弧电源可分为直流电弧喷涂和交流电弧喷涂。
图五、电弧喷枪结构及喷涂原理示意图 2、等离子喷涂： 等离子喷涂：包括大气等离子喷涂，保护气氛等离子喷涂，真
空等离子喷涂和水稳等离子喷涂。等粒子喷涂技术是继火焰喷涂之后大力发展起来的 一种新型多用途的精密喷涂方法，它具有：①超高温特性，便于进行高熔点材料的喷 涂。②喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高。③由于使用惰性气体作为工作气 体，所以喷涂材料不易氧化。 3、真空等离子喷涂（又叫低压等离子喷涂） 真空等离子喷涂是在气氛可控的，
4～40Kpa 的密封室内进行喷涂的技术。因为工作气体等离子化后，是在低压气氛中 边膨胀体积边喷出的，所以喷流速度是超音速的，而且非常适合于对氧化高度敏感的 材料。 4、水稳等离子喷涂 前面说的等离子喷涂的工作介质都是气体， 而这种方法的工
作介质不是气而是水，它是一种高功率或高速等离子喷涂的方法，其工作原理是：喷 枪内通入高压水流，并在枪筒内壁形成涡流，这时，在枪体后部的阴极和枪体前部的 旋转阳极间产生直流电弧，使枪筒内壁表面的一部分蒸发、分解，变成等离子态，产 生连续的等离子弧。由于旋转涡流水的聚束作用，其能量密度提高，燃烧稳定，因此， 可喷涂高熔点材料，特别是氧化物陶瓷，喷涂效率非常高。
三 电热法
1、电爆喷涂：在线材两端通以瞬间大电流，使线材熔化并发生爆炸。此法专用 来喷涂气缸等内表面。 2、感应加热喷涂：采用高频涡流把线材加热，然后用高 3、电容放电加热：利用电容放电把线材加热， 压气体雾化并加速的喷涂方法。
然后用高压气体雾化并加速的喷涂方法。
热喷涂设备
DF-3000 超音速火焰喷涂 设备组成 DF-3000 超音速火焰喷 枪； DF-3000 送粉器； DF-3000 控制柜；
技术性能参数表
组件 性能特点 能实现喷涂过程的自动化操 DF-3000 作，而且对系统进行实时监 测，动态的控制喷枪的工作过 控制柜 程，能够对系统故障立即作出 响应。 项目内容 控制类型 丙烷压力/流量 氧气压力/流量 空气压力/流量 氢气压力 送粉方式 单筒容积 采用氮气为送粉气，粉末从送 DF-3000 粉筒中落下，随着转盘的转 动，到达粉末出口处，连同送 送粉器 粉气一起离开送粉器进入喷 枪中。 送粉气 送粉气压力 送粉器流量 送粉速度 送粉精度 喷涂粉末大小 火焰速度 火焰温度 喷枪功率 DF-3000 采用丙烷作为燃料，氧气为助 燃气体，空气和水做冷却。在 超音速火 整个点火过程中，加入氢气， 焰枪 使点火更易实现。 粉末颗粒速度 最大送粉速度 冷却方式 冷却水流量 最小涂层气孔率 最大涂层结合强度
符合安全规范的标准化 气管、水管、电缆。
PLC 控制 0.6~0.7Mpa 1.2Mpa 0.7~0.8Mpa 65~100L/min 150~170L/min 300~350L/min 基本参数 尺寸/重量
600ⅹ600ⅹ 1760mm 130kg
0.35Mpa（点火使用） 双筒刮盘式 2.5L 氮气 1.3Mpa 10~14L/min 0~150g/min ±3% 5~200um 2100m/s 2700℃ 100KW（换算值） 550~650m/s 150g/min 水冷+气冷 9.5L/min，压力 0.3Mpa 1% 70MPa 330ⅹ230ⅹ 50mm 2.7kg 110kg 500ⅹ280ⅹ 1260mm
热喷涂的发展趋势和特点
热喷涂是一种表面强化技术,是表面工程技术的重要组成部分，一直是我国重点 推广的新技术项目，随着科技发展，热喷涂技术目前在国内已取得了比较广泛的推广应用， 近年来发展的趋势和特点是： (1) 大面积长效防护技术得到了广泛应用，对于长期暴露在户外大气的钢铁结构件，采 用喷涂铅、锌及其合金涂层代替传统的刷油漆方法，实行阴极保护进行长效大气防腐，近年 来得到迅速发展。如电视铁塔、桥梁、公路设施、水闸门、微波塔、高压输电铁塔、地下电 缆支架、航标浮鼓、竖井井筒等大型工程都采用了喷涂铅、锌及其合金方法进行防腐。 (2) 采用热喷涂技术修复与强化大型关键设备及进口零部件国产化， 近年来这方面已有许 多成功应用实例。如： 一米 七轧机、高速风机转子、大型挤压机栓塞、大型齿轮、电极挤 压成型喷、大功率汽车曲轴等，这些工作的进行，一是解决了生产急需；二是节约了大量外 汇。 (3) 超音速火焰喷涂技术的应用随着我国热喷涂技术的发展与提高， 对喷涂层质量要求也 越来越高。近年来美国等国家发展起来的高速燃气（ HVOF ）法是制备高质量涂层的一种 新的工艺方法。 (4)气体爆燃式喷涂技术进一步得到了应用，该项喷涂技术由于粒子飞行速度可达 800M /S 以上，涂层与基体结合强度可达 100MPa 以上，孔隙率＜ 1 ％，在某些领域里应用， 优于其他喷涂方法。 (5)氧乙炔火焰塑料粉末喷涂技术发展迅速如前所述，国内近年来已有多家生产制造氧乙 炔火焰塑料粉末喷涂设备，采用该项工艺技术，已在化工贮藏、管道、陶瓷行业、沪泥机板 框、印染行业的导布辊、煤炭行业带式运输机铸件（铸铁）托轮、石油行业注塑设备，以及 表面装潢。