热喷涂技术是一种将涂层材料 (粉末或丝材)送入某种热源(电弧、燃烧火焰、等离子体等)中熔化，并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成涂层的工艺。热喷涂涂层具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温和隔热等优良性能，并能对磨损、腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复，在航空航天、机械制造、石油化工等领域中得到了广泛的应用。

热喷涂技术较早出现在 20 世纪早期的瑞士，随后在前苏联、德国、日本、美国等国得到了不断的发展，各种热喷涂设备的研制、新的热喷涂材料的开发及新技术的应用，使热喷涂涂层质量不断得到提高并开拓了新的应用领域。本文主要介绍火焰喷涂技术，等离子喷涂技术，超音速火焰喷涂技术，电弧喷涂技术，超音速电弧喷涂技术以及冷喷涂技术的研究现状与发展，介绍了这些热喷涂技术的研究发展与应用，并对热喷涂技术的未来发展趋势进行了展望。

1 火焰喷涂技术

火焰喷涂技术作为一种新的表面防护和表面强化工艺，在近 20 年里得到了迅速发展，已经成为金属表面工程领域中一个十分活跃的分支。利用火焰为热源，将金属与非金属材料加热到熔融状态，在高速气流的推动下形成雾流，喷射到基体上，喷射的微小熔融颗粒撞击在基体上时，产生塑性变形，成为片状叠加沉积涂层，这一过程称为火焰喷涂。在设备维修中，它被用来补偿零件表面的磨损和改善性能。将自熔性合金材料的喷涂层重新加热熔化一遍使涂层致密，性能提高，重熔后的涂层称为喷焊层，这一过程称为喷焊。火焰喷涂按喷涂材料的形态可以分为丝材火焰喷涂、粉末火焰喷涂、棒材火焰喷涂等；按喷涂焰流的形态又可分为普通火焰喷涂、超音速火焰喷涂、气体爆燃式喷涂等。

火焰喷涂技术的基本特点是：一般金属、非金属基体均可喷涂，对基体的形状和尺寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能喷涂；涂层材料广泛，金属、合金、陶瓷、复合材料均可为涂层材料，可使表面具有各种性能，如耐腐蚀、耐磨损、耐高温、隔热等：涂层的多孔性组织有储油润滑和减摩性能，含有硬质相的喷涂层宏观硬度可达 450HB，喷焊层可达 65HRC；火焰喷涂对基体影响小，基体变形小，材料组织不发生变化。火焰喷涂技术的缺点：喷涂层与基体结合强度较低，不能承受交变载荷和冲击载荷；基体表面制备要求高；火焰喷涂工艺受多种条件影响，涂层质量尚无有效检测方法。常用火焰喷涂方法有乙炔 - 氧焰粉末喷涂、乙炔-氧焰线材喷涂等。乙炔 - 氧焰粉末喷涂用的设备简便可在现场施工适用于设备维修。

2 等离子喷涂技术

等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性技术，可以使基体表面具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。等离子涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固表面层的方法。等离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，它具有超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂，喷射粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高等优点。由于使用惰性气体作为工作气体，所以喷涂材料不易氧化。目前随着热喷涂技术的飞速发展，热喷涂技术的研究现状与发展趋势国际上等离子喷涂占有明显优势，并已开发出三阴极等离子喷涂、高能等离子喷涂、微弧等离子喷涂和悬浮等离子喷涂等多种新技术。

（1）三阴极等离子喷涂。三阴极等离子喷枪由 3个阴极和由几个被绝缘的环体串联组成的喷嘴组成，只有离阴极相对远的一个环体作为阳极工作。由于从三个阴极到同一个阳极产生的三个独立电弧的长度稳定不变，三束等离子射流在汇流腔内汇聚成一束主等离子流，形成空心管状射流从喷嘴喷出，从而产生了稳定的等离子喷射。与传统的等离子喷枪相比，这种喷枪的等离子喷射的稳定性有明显改善，可以进行均质粉末加工，并有较高的沉积率和送粉率。

（2）高能等离子喷涂。高能等离子喷涂是为满足陶瓷材料对涂层密度和结合强度以及喷涂效率的更高需求而开发的一种高能、高速的等离子喷涂技术，其特点是在电弧电流与普通大气等离子喷涂相当的条件下，利用较高的工作电压提高功率，并采用更大的气体流量来提高射流的流速。高能等离子喷涂工艺采用高能等离子喷枪进行喷涂。高能等离子喷枪采用独特的设计方法拉长了等离子弧，提高了工作电压，降低了工作电流，减少了阴阳极的损耗，提高了喷嘴的使用寿命。等离子弧中存在 3 个菱形马赫锥，具有较高的射流速度。高功率等离子喷涂系统能够稳定工作在 200 kW 左右，等离子弧具有极高的热能和速度，可为沉积优质涂层提供充足的功率。

（3）微等离子喷涂。微等离子喷涂的特点是具有层流等离子射流、功率低、基体受热低、噪声小，可在极薄的基体上进行喷涂。这种喷涂方法的功率虽低但能量集中，其束斑直径小，所以仍可喷涂各种材料，特别适宜制备小零件及薄壁件的精密涂层且该设备重量轻适合于现场的维修工作。

（4）悬浮式送粉等离子喷涂。悬浮式送粉等离子喷涂是一种采用液料送粉方式，可直接喷涂纳米粉末且可以形成超薄纳米涂层的新型喷涂技术。悬浮等离子喷涂采用液料为介质，使用分散剂将粒子分散在液料中行成悬浮液，通过液料送粉器将悬浮液送入到等离子弧中，液料溶剂迅速蒸发，溶剂中的粉末被等离子弧加热熔化喷射到基体上形成涂层。这种方式克服了喷涂粒子半径的限制，不仅实现了非团聚的纳米粉末直接进行喷涂，而且可制备涂层厚度较薄的超薄涂层。

（5）反应等离子喷涂。反应等离子喷涂是对真空等离子喷涂进一步改进的结果，该方法在真空等离子喷涂过程中在喷嘴出口处的等离子射流中加入反应气体(如 N2)，反应气体与加热中的喷涂颗粒相互作用进而得到新的生成物。用这种方法可以获得 TiN涂层，这是靠喷涂钛粉和注入 N2反应后得到的。TiN具有高熔点、高硬度、耐磨损、耐腐蚀等特点并且还具有优良的导电性和超导性。

（6）真空等离子喷涂。真空等离子喷涂(又叫低压等离子喷涂)是在气氛可控的，真空的密封室内进行喷涂的技术。因为工作气体经过等离子化后，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。

（7）气稳等离子喷涂。气稳等离子喷涂的原理是由等离子喷枪(等离子弧发生器)产生等离子射流(电弧焰流)。喷枪的电极(阴极)和喷嘴(阳极)分别接整流电源的正、负极，向喷枪供给工作气体(Ar、N2等)，通过高频火花引燃电弧。电弧将气体加热到很高的温度，使气体电离，在热收缩效应、自磁收缩效应和机械效应的作用下，电弧被压缩，产生非转移性等离子弧。高温等离子气体从喷嘴喷出后，体积迅速膨胀，形成高温高速等离子射流。送粉气流推动粉末进入等离子射流后，被迅速加热到熔融或半熔融状态，并将等离子射流加速，形成飞翔基材的喷涂离子束，陆续撞击到经预处理的基材表面，形成涂层。大气等离子喷涂用氩气、氮气、氢气作为等离子气。

3 超音速火焰喷涂技术的原理与应用

超音速火焰喷涂(简称 HVOF)是 20 世纪 80 年代初在普通火焰喷涂的基础上发展起来的一种新型热喷涂技术。它是利用氢、乙炔、丙烯、煤油等做燃料，用氧气作助燃剂，在燃烧室或特殊的喷嘴中燃烧，产生高达 2000~3000℃、2100 m/s 以上速度的超音速燃烧火焰，同时将粉末送进火焰中，产生熔化或半熔化的粒子，高速撞击在基体表面上沉积形成涂层，其超音速火焰制备的涂层比普通火焰喷涂或等离子喷涂制备的涂层结合强度更高更致密。HVOF 发展非常迅速，从 1982 年美国的James.A. Browning 开发出超音速火焰喷涂装置 Jet KoteI 以来，仅 10余年 HVOF 工艺及装置取得了长足的进展，其优异的涂层质量及与自动控制系统的结合使用，代表了现代热喷涂技术发展的方向。超音速火焰喷涂是近年来国际上发展较快的一种热喷涂工艺。它的特点是：焰流速度极快，可达到 2200 m/s，这要比其他热喷涂工艺的焰流速度快 5~10 倍。由于速度快，粉末粒子携带强大的动能打击在基体上，使涂层致密度极高可达到 98% ~99.8%，而其他热喷涂工艺只达到 80% ~90%。高速度带来的另一个好处是：在粒子打击基体的瞬间，动能几乎全部转化为热能，使粒子再一次获得加热的机会，部分地补偿了焰流温度的不足。

超音速火焰由于受燃烧焰流温度的限制，与等离子热源相比速度高而温度低(约为 3000℃)、对于 WC-CO 系硬质合金，可以有效地抑制 WC 在喷涂过程中的分解，涂层不仅结合强度高、致密，而且可以较大限度地保留粉末中的硬质耐磨 WC 相，因此涂层耐磨损性能优越与爆炸喷涂层相当大幅度超过等离子喷涂层，也优于电镀硬铬层与喷焊层，目前已获得了广泛的发展。

4 电弧喷涂技术

电弧喷涂具有生产效率高，成本低，工件受热小等优点，在高效防腐、维修、设备制造和特殊功能涂层的制备方面应用广泛，在热喷涂中占有重要的地位。但是与等离子喷涂和超音速火焰喷涂相比，普通电弧喷涂的涂层质量较低，结合强度约 20 MPa ，孔隙率3%~10%，限制了电弧喷涂的应用。近年来，高能高速喷涂成为热喷涂发展的重要方向特别是粒子速度受到普遍关注。粒子速度对涂层质量有决定性的作用，热喷涂涂层质量的改善往往是粒子速度提高的结果。与等离子喷涂、超音速火焰喷涂相比，普通电弧喷涂粒子速度较低，由此可见粒子速度成为制约电弧喷涂发展的重要因素。为了提高电弧喷涂的粒子速度、改善雾化效果，人们采用了多种方案。二次雾化将粒子速度提高到约 200m/s，与普通电弧喷涂 100 m/s 相比粒子速度有了明显的改善，但与超音速火焰喷涂 800 m/s 相比差距仍然较大。将火焰喷涂与电弧喷涂结合，利用高速燃气加速电弧喷涂的粒子，这种方式喷涂设备结构复杂，成本相对较高，还降低了系统的安全性，使用受到一定的限制。普通电弧喷涂涂层质量较低，而涂层的使用环境越来越苛刻，因此其应用在工业中受到限制。

5 超音速电弧喷涂技术

在超音速火焰喷涂(HVOF)技术基础上，相继开发了超音速电弧喷涂技术(HVAF-Arc)和超音速空气燃料火焰喷涂(HVAF)。超音速电弧喷涂技术是一种集成常规电弧喷涂和超音速火焰喷涂的新型喷涂技术。采用燃料和空气的混合气燃烧产生的超音速射流，雾化电弧熔化的粒子并对粒子进行加速，使熔融的高速粒子喷射到基体表面形成致密的涂层。通过控制燃料和空气的比例，使用过量的燃料可以防止粒子在飞行过程中被氧化，提高涂层的质量。超音速空气燃料火焰喷涂喷枪由主燃烧室和次燃烧室组成。主燃烧室包括混合腔、反应燃烧室、内喷嘴以及送粉嘴构成；次燃烧室主要由外喷嘴、次级燃料和压缩空气组成。喷涂粉末被轴向送入到燃烧室和喷嘴中加热加速。超音速火焰空气喷涂是为制备高致密度、无氧化的金属和金属碳化物涂层而开发的，其显著特点是喷涂过程中粒子被加热但不熔化，粒子的表面温度保持在低于其熔点100~200℃，而喷涂粒子具有很高的速度，速度可达700~850m/s。超音速空气燃料火焰喷涂制备 WC 涂层具有很强的耐磨损性能、低的残余应力以及较高的沉积效率。

6 爆炸喷涂技术

爆炸喷涂是在特殊设计的燃烧室里，将氧气和乙炔气按一定的比例混合后引爆，使料粉加热熔融并使颗粒高速撞击在零件表面形成涂层的方法。爆炸喷涂的特点是粒子飞行速度高，动能大，所以爆炸喷涂涂层具有以下特点：涂层和基体的结合强度高；涂层致密，气孔率很低；涂层表面加工后粗糙度低；工件表面温度低。在爆炸喷涂中，当乙炔含量为45 %时，氧-乙炔混合气体可产生3140℃的自由燃烧温度，但在爆炸条件下可能超过4200℃，所以绝大多数粉末能够熔化。粉末在高速枪中被输运的长度远大于等离子枪，这也是其粒子速度高的原因。爆炸喷涂可喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷材料，但是由于该设备价格高，噪音大，属氧化性气氛等原因，国内外应用还不广泛。爆炸喷涂的特点：爆炸喷涂的特点就是以突然爆炸的热能加热融化喷涂材料，并利用爆炸冲击波产生的高压把喷涂粉末材料高速喷射到工件基体表面形成涂层，其主要优点如下：可喷涂的材料范围广，从低熔点的铝合金到高熔点的陶瓷；工件热损伤小；涂层的厚度容易控制；爆炸喷涂涂层的粗糙度低；喷涂过程中，碳化物及碳化物基粉末材料不会产生碳分解和脱碳现象；氧气的消耗少，运行成本低。

7 冷喷涂技术

热喷涂技术的冷喷工艺是 20 世纪 80 年代中期开发的，但只在近年来才受到愈来愈多的关注。冷喷原理是喷涂材料不再加热融化，而是只加热到约500℃或稍高一些的中等温度，通过高速喷涂粒子撞击基体表面时产生塑性变形来构成涂层。冷喷过程中，高压热气体，通常为氮气氦气或它们的混合物，通过拉瓦尔喷嘴被加速到超音速，喷涂材料以粉末形式注入气流并喷向基体，喷涂粒子超过一定速度就可在冲击过程中产生致结合牢固的密性涂层。冷喷工艺需要高的气压(>315 MPa)和高的气流量(>90m3/h)。根据设备情况，气体温度可加热到约800℃，粒子速度可达1000 m/s 以上。冷喷涂层有如下特点：涂层致密度高，喷涂材料氧化程度低，基体吸收的热量少，喷涂材料形变大，相及成分稳定。然而正是以上提到的冷喷工艺特点，喷涂粉末尺寸分布和喷涂材料特性对于冷喷工艺比对其它工艺影响更大，在某种程度上，粒子的延展性是获得致密涂层的关键。冷喷涂是一种金属喷涂工艺，但是它不同于传统热喷涂工艺(例如超速火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等传统热喷涂技术)，它不需要将喷涂的金属粒子融化，所以喷涂基体表面产生的温度不会超过150℃。冷喷涂的理论基础是：压缩空气加速金属粒子到临界速度(超音速)，金属粒子直击到基体表面后发生物理形变，金属粒子撞扁在基体表面并牢固附着。

8 结束语

热喷涂技术由于具有极大的优势而被广泛的应用在工程领域中。介绍火焰喷涂技术、等离子喷涂技术、超音速火焰喷涂技术、电弧喷涂技术、超音速电弧喷涂技术以及冷喷涂技术的研究发展现状和应用等，并介绍这些热喷涂技术的研究发展与应用。热喷涂技术将能够开发出新型的技术，从而能够制备性能优越的涂层，所以热喷涂技术将在工程领域得到更为广泛的应用。