热喷涂制备近净尺寸涂层技术的发展及其前沿科技问题

李秉忠

（武汉材料保护研究所，武汉 430030）

摘  要：传统的热喷涂是一种粗放式的加工模式，喷涂材料的综合利用率仅为消耗材料的10 %~30 %。近净尺寸热喷涂是一种优质、高效、高精度、轻量化、成本低、少公害的免后加工或少加工的涂层制备技术，有广阔的发展前景。热喷涂近净尺寸涂层加工制造系统包括硬件系统（工艺流程优化）和软件支撑系统（基础、智能控制等），当前应重点攻克的技术问题是粉末（丝材）标准体系的建立、全工艺过程实时在线监控设备和数字化快速精确调控系统的开发。

关键词：热喷涂；近净尺寸；涂层加工；前沿技术；绿色制造

中国分类号：TG174.442         文献标志码：A       文章编号：1007–9289(2008)02–0007–04

The development of near net size coating which preparation by thermal spray and frontier scientific issues

LI Bing-zhong

（Wuhan Institute of material protection，Wuhan 430030，China）

Abstract：Conventional thermal spray is a coarse-styled process which makes use of the spray materials only by 10 %~30 %. Near net shaping thermal spray, as a kind of no or little post processing coating technology, which is of good quality, high efficiency, high precision, low cost, light mass and little pollution, possesses a wide development perspective. The coating processing and manufacturing system of near net shaping thermal spray consists of hardware system (technique flow optimization) and software support system (foundation, intelligent control, etc). And at present emphases should be laid on the foundation of the powder (or wire) standard system and the development of the real time online monitor-control equipment for whole technique process and the numerical quick precise control system.

Key words: thermal spray; near net shaping; coating processing; frontier technology; green manufacturing

0  引  言

热喷涂技术是一门先进的表面工程与强化技术^[1]。对于先进制造业所需要的许多关键基础零部件来说，采用热喷涂涂层以获得具有复合材料结构的制件，满足不同工况和特种功能的使用要求，已经是必不可少。现在，很多批量产品已经采用热喷涂技术进行生产，热喷涂技术的许多优点^[2]已为越来越多的产品设计人员所认识，涂层的系统设计到生产加工已融入到一些关键另部件从产品设计、生产加工到质量控制全过程之中，热喷涂已从传统意义上的单纯旧件修复发展成为现代制造业中举足轻重的一项新品制造加工技术工艺过程^[3]。

然而，由于技术原因，长期以来热喷涂加工总是处于一种粗放式加工模式，喷涂加工的零件的最终形位公差以及表面光洁度都要通过后序的机械加工来保证，由于涂层厚度和表面光洁度无法精确控制再加上机械加工机床本身的加工精度，为了保证最终的涂层尺寸和光洁度，往往尽可能多的留出加工余量，大量的价格昂贵合金涂层材料都要在后序的机械加工过程中被切（磨）削损失掉。此外，由于各种喷枪和喷涂材料沉积效率的问题，在喷涂过程中还有大约20 %~60 %的喷涂材料以飞溅的形式或烧损浪费掉，最终留在加工零件表面形成功能性涂层的喷涂材料的综合利用率仅为所消耗材料的10 %~ 30 %，既费材料又费工，这是目前影响到喷涂加工成本一个重要的因素。除此以外，由于涂层材料的馈送装置及控制精度、工艺过程控制的自动化程度以及工艺过程的在线监测和涂层厚度的实时检测等问题，导致热喷涂加工的成品率较低，往往只有50 %~85 %，导致目前热喷涂制品的成本相对较高，影响到这门技术的推广与应用。

1  热喷涂近净尺寸加工技术的内涵

制造业的发展，要求生产过程节约能源、材料，提高资源利用率，对环境的负面影响最小，人类社会的可持续发展离不开绿色制造，美国NSF设计与制造学部主任Martin Vega博士指出^[4]，未来制造业所面临的六大挑战性问题之一就是环境的相容性问题，其中十大关键技术之一就是“废弃物最小化加工工艺”。热喷涂近净尺寸涂层加工技术就是将目前大力提倡的绿色制造概念引入到热喷涂生产加工领域，改变传统的粗放式热喷涂加工模式，将最新的热喷涂材料、工艺和装备技术同现代信息及自动化研究成果相结合，将加工生产的热喷涂涂层由过去的粗糙、过分依赖后序机械加工改变为优质、高效、高精度、轻量化、低成本、无公害的免加工或少加工的表面改性覆盖层，使得喷涂完工后的机械零部件具有精确的外形、高的尺寸精度和形位精度、一步到位满足产品系统设计所要求的涂层外观、表面粗糙度、涂层孔隙率、涂层硬度以及其它性能指标，符合大规模产品加工生产所需要的连续性、重现性和可靠性要求，零件几何尺寸和质量性能必须能够重现和精确可控，完工后的零件可直接或只需少量机械加工就可投入使用，尽可能减少热喷涂材料和能源的消耗，避免和减少在后续机加工过程中产生的废弃物，把产品的生产过程对环境的影响降低到最低程度。

在资源、环境的双重压力下，自上个世纪九十年代末期以来，热喷涂近净尺寸涂层加工技术引起了业内人士的高度关注，被越来越多的产品设计人员引入到一些关键零部件的设计和加工过程中，涌现了大量的应用实例。如自动档小汽车变速箱中采用的同步环、拨叉线材火焰喷钼（见图1、图2），图纸规定喷钼加工完成后不需后序加工直接装配使用，喷钼涂层的厚度尺寸公差应控制在±0.05 mm的范围内，涂层的其他性能指标如表面粗糙度、涂层的孔隙率和涂层硬度也应该控制在设计文件所规定的波动范围内；再如武汉材料保护研究所不久前承担完成的武汉钢铁公司冷轧硅钢板缠绕张力辊超音速火焰喷涂WC–Co–Cr金属陶瓷涂层（见图3），按照国外设计图纸规定要求，喷涂工件完成后不需后续加工直接投入使用，要求涂层厚度控制在(0.1±0.01) mm，涂层表面粗糙度控制在Ra5～8 μm，涂层硬度控制在(1 400±100) HV_0.2，涂层孔隙率控制在1 %的范围内；还有冶金行业大量使用的输送导向辊，采用感应重融的方法，在辊面熔覆喷焊耐磨抗高温氧化的自熔性镍基合金涂层，由于辊面感应重融喷焊层较为光滑，在严格控制径向尺寸的前提条件下，感应重融喷焊完成后就可直接投入使用，较传统的埋弧堆焊方法节省了大量堆焊粉末材料，后序的机械加工量大大降低，加工生产环境条件也得到大大改善（见图4）。热喷涂近（净）型（性）涂层加工技术逐渐在一些产品的加工制造过程中的使用，降低了生产成本。

2  热喷涂近净尺寸涂层加工制造系统及关键技术

2.1  热喷涂近净尺寸涂层加工制造技术的系统架构

    同其他表面强化处理工艺及其他热加工工艺相似，用热喷涂近净尺寸涂层加工制造技术生产机械零部件的过程，也是一个多工序组成的工艺流

Fig.4  Appearance comparision of induction cylindrical rod cladding surface and plasma welding surface

程，是一个系统工程，它包括硬件系统和软件系统两个部分。而热喷涂近净尺寸涂层加工制造，就是将热喷涂工艺系统工程的各道工序、各个环节，通过科学的研究、缜密的设计、参数的优化、系统的数值化控制与匹配、在线监控和实时检测、软件的开发与支撑的综合作用，最终获得尺寸精确、涂层性能稳定重现性好的制品。

热喷涂近净尺寸涂层加工制造技术的系统架构可用图5来表示。

2.2  影响热喷涂近净尺寸涂层加工过程的因素

从图5可以看出，仅就热喷涂技术的硬件系统而言，影响热喷涂近净尺寸涂层加工制造的产品质量因素主要有：

(1) 涂层材料方面：如粉末颗粒的形状、粒度和粒度分布，这直接影响馈送粉末的流动性和送粉均匀性；涂层材料的熔点、润湿性、液滴固化的收缩性等理化性能，则直接影响最终涂层的致密性和均匀性。当前急需编制适应于近净尺寸热喷涂粉末（丝材）的标准体系。

Fig.5  Near net shaping thermal spray coating manufacturing system framework plans

(2) 基体预处理方面：喷砂用磨料的的种类、粒度、喷砂工艺参数如空气压力、喷砂距离、喷砂角等，都会对基体表面粗糙度产生影响，因而对喷涂涂层的近净尺寸形成精度和涂层的结合力、涂层的表面粗糙度都会产生影响。

(3) 喷涂设备及工艺方面：喷枪和送粉（丝）器是影响热喷涂近净尺寸涂层加工质量的主要喷涂机械设备。前者通过焰流速度和火焰温度，直接影响喷涂材料的熔化状态和撞击基体表面的动能，从而影响涂层的结合强度、孔隙率和沉积效率；后者则通过其控制喷涂粉末（或丝材）的精确度，也直接影响涂层材料的熔化状态和涂层的精度。随着现代科学技术的发展与应用，新型热喷涂工艺如超音速等离子喷涂、超音速火焰喷涂、气体燃爆喷涂、冷喷涂术的出现，涂层的表观质量如表面粗糙度得到大幅度降低，涂层的致密度大大提高。此外，热喷涂焰流以及雾化粒子流温度速度分布实时在线监控系统的研发成功，多工艺多参数数值化控制平台的出现，高精度送粉器（精度达±5 %）的面世，这些都为热喷涂生产少加工或不加工的近净尺寸和性能符合设计图纸要求的部件提供了切实可行的硬件支持。

在工作机械方面计算机控制的喷涂机器人，可进行六个自由度三维空间任何位置的喷涂，操控喷枪的定位精度可达±5 % mm，控制系统储存有1000个区位的运动程序，这些都为各种几何形状的关键机械零部件实现近净尺寸涂层热喷涂加工提供了保证。

适应近净尺寸喷涂的发展，当前急需加强热喷涂涂层形成机理研究以及涂层数值化模拟计算机仿真模型的建立；加强热喷涂加工全工艺过程实时在线监控设备和数值化快速精确调控系统的开发；建立热喷涂典型工艺规范数据库专家系统等。

3  热喷涂近净尺寸涂层的应用开发

当前热喷涂近净尺寸涂层加工部件的应用大致可以分为以下两种类型，今后有广阔的开发空间。

3.1  免后续加工型

喷涂态的热喷涂涂层，具有一种毛化的、亚光的表面，这是一种颇具特色的大有用处的表面状态。这种表面，具有如下一些特点，如果喷涂生产加工的涂层能够达到近净尺寸的要求，无需任何后续机加工，就可以直接使用。

(1) 独特的摩擦学特性。具有高而稳定的摩擦因数，耐磨性优异，广泛应用于各种磨阻涂层制品，如高速列车刹车片，航空母舰飞机跑道，冶金工业的张力辊、解板辊、退火炉传送辊，造纸印刷行业用传送辊等。这种涂层表面，还具有很好的储油结构，能有效地减少运动摩擦副的磨损，提高制件使用寿命（如同步环、拨叉等）。

(2) 很好的波长吸收功能。选择合适的涂层材料，能够获得红外辐射和红外吸收功能、X光吸收、太阳能吸收、中子吸收与屏蔽、雷达波散射等特种功能涂层。

(3) 较好的催化特性。因其比表面积大、表面活性强，因而在光催化、燃烧催化、化学催化等领域显示出很好的效果。

(4) 在新能源和环境保护、生物医学工程方面正崭露头角，如生产高温燃料电源、控制汽车污染的氧传感器、人工关节等。

(5) 不需加工的热喷涂涂层，在高温部件应用方面更是卓有成就，如火箭喷管、燃气轮机叶片、石油裂化装置用燃气喷嘴、冶金工业用喷氧栓等。

3.2  少加工型

这种类型的热喷涂制件，其喷涂态涂层与工件的要求尺寸相差很小，一般只需进行磨削加工或抛磨处理就能使用。因而涂层材料的消耗降低，加工工时减少，有利于提高工效和降低成本。

化纤工业在纺织生产过程中，其导丝、纺丝、卷绕、加捻等工序中，有几十处摩擦点，其支承部件（如槽辊、罗拉辊、张力辊、导轮、摩擦轮、锥形定杯的等）表面，遭受高速化纤丝的纤维磨损，只需经简单的抛光处理，就能使喷涂态涂层的表面粗糙度达到Ra1.5~2.5 μm的桔皮状表面，它既消除了涂层微粒的尖角和毛疵，又不损伤纺丝的表面，从而保证其强度和韧性，又使其表面具有合适的粗糙度，有利于纺丝的“加捻”、“变形”和传送，有利于生产高质量的纺丝，这是其他材料和涂层难于实现的。而且，涂覆陶瓷涂层的化纤纺机部件，其使用寿命还比镀铬或热处理件提高5～20倍。