北京矿冶研究总院金属材料研究所   (100044）  于月光   曾克里  宋希剑   崔   颖  魏  伟   林  峰

在热喷涂材料和热喷涂设备的共同发展推动下，我国的热喷涂技术得到了迅速的发展。国家“十一五”期间，热喷涂材料和技术在许多国家项目（尤其是军工项目）中得到了广泛的应用，并且越来越多的工业领域对热喷涂技术有强烈的了解和应用需求的意愿。

在SULZER METCO、PRAXAI R、GTV等国外出名的公司和国内科研院所、生产厂家的共同努力下，随着新的热喷涂工艺的不断涌现，热喷涂材料也走过了一个不断探索、更新、完善、再探索的发展过程。目前在国内市场上可得到的热喷涂材料种类繁多、品种齐全，热喷涂粉末有数百种，各类线材近百种，棒材数十种。成分包括金属、合金、金属陶瓷、陶瓷和塑料等，功能包括耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化、隔热、封严及恢复尺寸等。在现有产品的基础上，我国热喷涂材料的研究和发展呈现出以下方面的特点。

一、具有更高性能的新材料品种不断涌现

1. 底层涂层材料

对于航空发动机热端部件，在高温下将承受巨大的热冲击，因而涂层一方面要有保持较高的隔热性能，同时更要进一步提高涂层结合性能。国内外使用的热障涂层的面层较多使用的是氧化钇部分稳定的氧化锆等氧化物陶瓷，底层材料多为MCr Al Y 合金，这些材料多以粉末状态进行低压等离子（或HVOF ）喷涂。目前，国内出现了一种新的热障涂层，采用Ni Al W基合金作为底层材料，并以Ni Al W合金与氧化物陶瓷共同组成“金属－陶瓷”面层材料，工作温度为950℃。这种底层与面层材料的配合使用在国内外尚属先例。

这种新型的底层材料在镍铝基合金的基础上，适当

热加工

添加了W、Mo、Ti 等合金元素，具有极高的结合强度（等离子喷涂工艺，40～60MPa），可作为其他陶瓷涂层的底层材料。

2. 耐磨损涂层材料

耐磨损是热喷涂涂层的一项重要的工程性质。耐磨涂层用于一些具有相对运动的磨损零件上，抵抗磨料磨

损、粘着磨损和冲蚀磨损等。主要材料有WC、Cr C 、

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Al O/Ti O 等。

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在＜5 5 0 ℃的工作温度下，通常采用WC 作为耐磨硬质相，在传统Co- WC 系列的基础上，PRAXAI R 公司推出了W- 121、W124、W129 新型耐磨涂层粉末，该材料流动性更好，碳化物的分布更均匀、细小，喷涂沉积效率提高； SULZER METCO公司推出了WC10Co4Cr

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

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（Sul zer Metco 5860），这些材料的耐磨性、耐蚀性和韧性均得到了良好的平衡。HVOF 工艺喷涂的CoCr - WC 粉末，已经成功地应用于航空发动机等零部件，是镀硬铬的理想替代涂层。

在550～900℃的工作温度区间，通常采用Cr C 作

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为耐磨硬质相，它在金属型碳化物中抗氧化能力较强，常温硬度和高温硬度都相当高，以耐热Ni Cr 合金为粘结相，构成了一系列的喷涂粉，在市场上常见的有：

Cr C 7(Ni 20Cr)、Cr C 20 (Ni 20Cr)、Cr C 5(Ni 20Cr)、

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Cr C 30(Ni 20Cr) 、Cr C 39(Ni 20Cr)、Cr C 50(Ni 20Cr)

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等。

3. 热障涂层材料

传统的热障涂层一般由MCr Al Y 合金作为打底层，氧化钇部分稳定的氧化锆（Y S Z ）作为工作面层，工作温度在1200℃以下。在1200℃以上时，相变加剧，易烧结，氧传导率高，过渡层金属易被氧化，导致涂层的严重破坏。但随着现代高性能航空发动机、火箭发动机等的迅速发展，热端部件要求工作在1200℃以上的更高温度下，需要有新的热障涂层来满足这些更高的性能要求。

La Zr O 的热膨胀系数略低于YSZ，但作为补偿，它的

2 2 7 弹性模量较低，在2 0 0 0 ℃以下的工作温度下不发生相变，状态稳定，因此，该材料预计可以作为一种在更高温度下使用的新型热障涂层材料，国外（尤其是德国）科研人员在这方面进行了较为深入的研究，并有大量科技文献报道，国内科研院所也开始了研究工作。

4. 耐高温热腐蚀材料

抗高温涂层材料一般同时具备抗高温氧化、抗高温腐蚀及抗高温磨损性能。抗高温氧化涂层一般用于高于 550℃的氧化腐蚀环境中，目前常用的材料有Ni 基和Co 基合金，一些氧化物、碳化物陶瓷同时应用于高温氧化环境中。合金材料除了抗高温氧化、腐蚀，主要用于功能陶瓷涂层的中间结合层外，同样用于磨损零件的修复。如燃气轮机的导向叶片、阀座、活塞杆、密封室、轴承和轴套等。

典型的耐高温热腐蚀涂层材料是Ni Cr - Cr C （如

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1375VM），涂层采用HVOF 工艺制备，该材料作为电站锅炉“四管”的防护涂层在国外已经得到了普遍应用，应该说是解决锅炉“四管”热腐蚀问题的理想方案，但它的问题是材料和喷涂成本高，现场操

作较困难。目前，国内的科研院所正在研究将HVOF 设备及送粉器进行适当改造，制成锅炉“四管”防护涂层专用的HVOF 系统，以方便现场操作。这方面的工作已取得了相当好的成效，预计很快将会得到推广。

在钢铁冶金行业，日本TOKAL O公司将热喷涂已成功地应用于连铸连轧工序中的炉内退火辊、炉底输送辊、导辊及热镀锌沉没辊等工件，所用涂层材料均为金属陶瓷复合粉。如高温（工作温度约1100℃）退火辊，采用

MCr Al Y+ Al O 材料，爆炸喷涂工艺制备涂层，已经取

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得了很好的效果；镀锌沉没辊过去采用Co- WC 和CoCr WC 系列粉末，现在日本的FUJ I MI 公司开发了含硼化物的复合粉，WC、Co、Cr 及硼化物（WB、MoB ），WC

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是耐磨组分，Co作为粘结剂，占5%～15%，Cr 与Co 形成固溶体，抗高温氧化，硼化物对熔融锌有抗蚀性，在锌液中有稳定性，该材料在国外已用于生产，国内企业正在研究中。

二、纳米粉末或超细粉末的应用

纳米粒子具有表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应，从而改变了固体材料表面的形态、组织结构和应力状态。在化学成分相同的情况下，若采用纳米粒子制备热喷涂材料，在工件表面形成具有声、光、电、磁等特异性能的纳米结构涂层, 将赋予其更优异的耐高温、防腐蚀、耐磨损和抗疲劳等力学性能，从而达到有效地延长其使用寿命、提高生产力的目的。

( 1) 纳米铝粉包覆的复合涂层材料。国内研究单位克服了纳米铝粉极易燃烧、爆炸且易团聚的技术难题，在保持铝粉高活性的同时保证了其使用的安全性，使用的纳米铝粉的平均粒径为50～120nm，使用该铝粉研制的新产品，如铝包镍（KF －6）（见图1）、镍铬铝粉末（KF －110）、镍铬铝钴氧化钇复合粉末（KF －113）、铁铬镍铝碳化钨复合粉末（KF －91）等，具有优异的结合强度、抗弯强度、硬度和耐磨性等，在航空、航天、石化和石油等工业部门得到了良好的应用。

( 2) 美国I NCO公司采用机械研磨方法, 已成功地加工了Ni 、I nconel 718、316 不锈钢等纳米喷涂粉末，并在粉末中加入防止粗化的抑制剂、合金促进剂、涂层/ 基体润滑剂等， 经喷涂后仍能保持其纳米特性。

( 3)美国I nf ramat 公司用喷雾干燥法制备的WC/Co、

Al O/Ti O 纳米喷涂材料( 见图2) , 采用等离子和HVOF

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喷涂工艺均可得到纳米结构涂层。

图1   纳米铝粉包覆的铝包镍粉末

图2   纳米Al ₂O₃/Ti O₂

三、制备方法的不断革新

1. 雾化法制粉

雾化法制粉更多的采用惰性气体雾化工艺，制成的合金粉末氧含量低、球形度好，喷涂工艺性和涂层性能均有较明显提高。为了降低由于气体雾化带来的成本提高问题，国内生产厂家已开始采用液化气体储罐，并同时使用气体循环系统。

2. 采用气流分级工艺

传统的粉末分级方法是采用筛分法，即采用筛网对粉末进行分级，但当粉末的粒度＜45µm时，如J P－5000 要求粉末的粒度为－45+15µm ，采用筛分法无法达到要求，此时采用气体分级方法是惟一的选择。 3. 喷雾干燥制粉工艺得到普遍应用

该工艺方法可制备WC -Co、Mo粉、Ni Cr -Cr C 、

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Al O/Ti O 和Cr O 等。

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4. 柔性线材

柔性线材的特性在于将粉末通过橡胶拌和，压制成柔性线材（弹性线绳）。法国、美国、俄罗斯等国在解决陶瓷细粉的喷涂进料问题时，使用有机外壳包裹的柔性线材，目前在发达国家已被广泛用于先进火焰喷涂工艺的操作。但使用橡胶与粉末均匀拌和制成柔性线材尚未见先例。这种柔性线材极便于喷涂操作，且粉末成分均匀( 见图3) 。采用火焰线材喷涂工艺。

图    3

5. 液态喷涂材料

在制备纳米涂层的过程中，由于普通纳米粉末流动性差，单个颗粒质量小，很难直接用来热喷涂，所以必须进行团聚造粒处理。团聚体粉末经热等离子体喷涂后，一部分被熔化而转变成涂层中微米结构组织，未熔化部分撞击基体变形成为涂层中的纳米结构组织，因此后面在涂层中获得纳米－微米结构混合涂层。目前，发展了一种全新的技术路线，并采用金属盐和直流等离子体喷涂，可直接制备出纳米结构涂层。

四、加强喷涂工艺适应性的研究

涂层材料是随着热喷涂设备和工艺的发展而发展的，

2. 粉末压馈强度的控制

对于复合粉末，若粉末粒子本身的结合强度不够，在喷涂的飞行过程中，粉末粒子极易产生碎裂，造成喷涂时的动能不足，从而严重影响了喷涂的沉积效率。日本FUJ I MI 公司率先开展了粉末压馈强度的研究，对喷涂粉末生产和涂层质量的提高将有重大的意义。

五、定型材料质量的日益提高

热喷涂粉末材料在几十年发展过程中，已形成了数百个品种，有的品种随着热喷涂技术的进步被逐渐淘汰，有的品种经过实践的考验证明是非常有应用价值的产品，被用户所认可而逐渐成为定型产品，如WC- Co、Ni Cr -

Cr C 等。这些定型产品的质量提高应归功于：

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(1)研究和生产设备的改善    材料的进步归根结底是设备的进步，随着等离子、火焰超音速、爆炸、冷喷等喷涂设备，以及雾化、喷雾干燥、烧结、包覆和团聚等粉末生产设备的不断进步，热喷涂粉末材料的质量得到迅速提高，成本也有大幅度的下降，在这方面国内厂家的进步更加明显。

(2)各企业质量管理体系的建立     I SO9000质量管理体系是被实践证明非常有效的质量管理体系，它的建立和有效运行将给热喷涂材料的生产企业和应用厂家提供满意的产品，使各个环节的企业都来关心质量、重视质量，为质量的提高献计献策，真正促进了热喷涂行业的发展。

六、结语

随着科学技术的不断发展，热喷涂技术逐渐被一些关键的工业领域所认识和认可，已经成为一个大产业。作为热喷涂技术的核心之一，热喷涂材料正吸引越来越多的企业参与其中，发展势头迅猛。