热喷涂涂层指南：HVOF、陶瓷和碳化钨涂层解决方案

什么是 热喷涂 以及该流程如何运作？

热喷涂是一组工业涂层工艺，其中以粉末、线材或棒材形式提供的原料被加热至熔融或半熔融状态，并高速喷射到准备好的基材表面上。撞击后，颗粒变平成薄煎饼状的“薄片”，与表面和彼此机械连锁，并迅速固化形成致密、粘附的涂层。基材本身在整个过程中保持相对凉爽，对于大多数方法来说通常低于 150°C，这意味着可以对热敏部件进行涂层，而不会导致基材变形或冶金变化。

驱动热喷涂的基本物理原理很简单：涂层质量由撞击时颗粒温度和速度的组合决定。较高的温度可改善颗粒熔化和板间粘合，而较高的速度可增加动能、减少孔隙率、提高涂层密度并增强粘合强度。不同的热喷涂工艺实现了这两个参数的截然不同的组合，这就是为什么工艺选择对于将涂层性能与应用要求相匹配至关重要。热喷涂可以将金属、合金、陶瓷、金属陶瓷（陶瓷金属复合材料）和聚合物沉积到几乎任何基材上——钢、铝、钛、陶瓷、玻璃，甚至一些塑料——使其成为工业制造中最通用的表面工程技术之一。

主要热喷涂工艺及其工作原理

热喷涂系列包含几种不同的工艺变体，每种工艺变体的不同之处在于所使用的热源、可达到的颗粒温度和速度以及所得涂层的微观结构和性能。了解这些差异对于工程师为特定应用选择工艺至关重要。

火焰喷涂（燃烧粉末和燃烧丝）

传统火焰喷涂是最古老、最简单的热喷涂工艺，利用氧气-燃料气体混合物（通常是氧气和乙炔或丙烷）的燃烧来熔化原料。颗粒速度相对较低，在 40–100 m/s 范围内，颗粒温度达到约 3,000°C。所得涂层具有相对较高的孔隙率（5-15%）、中等的附着强度（10-30 MPa），最适合需要以中等成本进行腐蚀防护、尺寸恢复或简单磨损防护的应用。火焰喷涂广泛用于钢结构和桥梁的锌、铝防腐涂层。

电弧喷涂

电弧喷涂使用两个自耗电极丝，它们一起馈送并连接到直流电源的相反极。在金属丝相遇的地方，电弧连续熔化金属丝尖端，高速压缩空气或氮气喷射使熔化的材料雾化并将其投射到基材上。电弧喷涂仅限于导电原料（主要是金属和合金），但可以以相对较低的运营成本提供高沉积速率（高达 50 公斤/小时）。广泛用于使用锌、铝、锌铝合金丝的海上结构物、船体、工业储罐的大面积防腐。

等离子喷涂（APS 和 VPS）

大气等离子喷涂（APS）通过使气体（通常是氩气、氮气、氢气或氦气）穿过等离子炬中阴极和阳极之间的高频电弧来产生等离子射流。等离子射流的温度可达 6,000–20,000°C，远远超过几乎任何材料的熔点，包括耐火陶瓷和超高温化合物。粉末原料被径向或轴向注入该射流中，熔化并加速至 200-600 m/s 的速度。 APS 是沉积陶瓷涂层的主要工艺，包括涡轮叶片和轮叶上氧化钇稳定氧化锆 (YSZ) 的热障涂层 (TBC)，以及用于磨损和腐蚀应用的氧化铝、氧化铬和二氧化钛涂层。真空等离子喷涂 (VPS) 在受控低压室中运行，可消除沉积过程中的氧化，并为关键的航空航天和医疗应用生产更致密、更高纯度的涂层。

冷喷涂

冷喷涂与其他热喷涂工艺有根本的不同：它不是熔化原料，而是使用加热至 200-1,000°C 的高压载气（氮气或氦气）通过会聚-发散拉瓦尔喷嘴将固态颗粒加速至 500-1,200 m/s 的超音速。粘合完全通过冲击时的动能和塑性变形发生，不涉及熔化。这消除了氧化、相变和残余拉应力，产生具有残余压应力的完全致密、无氧涂层。冷喷涂越来越多地用于铜电气涂层、航空航天结构上的耐腐蚀铝修复以及磨损或损坏金属部件的增材制造修复。

超音速火焰喷涂：超音速火焰喷涂 和 高压空气滤清器 工艺详细信息

超音速火焰喷涂包含两个密切相关的高速燃烧过程——高速氧燃料（超音速火焰喷涂）和高速空气燃料（HVAF）——它们代表了在要求苛刻的工业应用中沉积致密、坚硬、耐磨涂层的最广泛使用的热喷涂方法。这两种工艺都实现了高颗粒速度和受控颗粒温度的结合，产生具有极低孔隙率、高硬度和优异粘合强度的涂层微观结构。

HVOF 工艺机械和设备

在 HVOF 中，燃气（通常是氢气、丙烷、丙烯、天然气或煤油等液体燃料）在专门设计的燃烧室中在高压（通常为 5-10 巴）下与氧气一起燃烧。热燃烧气体通过收敛-扩散喷嘴膨胀，产生温度约为 2,700–3,100°C 且速度超过 1,500–2,000 m/s 的超音速气体射流。粉末原料在喷嘴喉部被轴向注入气流中，在那里被携带、加热和加速。颗粒冲击速度通常为 600 至 900 m/s，生成的涂层孔隙率低于 1%，WC-Co 体系的硬度值超过 1,200 HV，拉伸附着强度高于 70 MPa。苏尔寿美科 DJ2700、普莱克斯 Tafa JP-5000 和 GTV HVOF 系统等 HVOF 喷枪是全球航空航天、石油和天然气以及模具应用中使用的行业标准。

HVAF：低温替代方案

HVAF 用压缩空气代替氧气作为氧化剂，与 HVOF 相比，可将燃烧温度降低至大约 1,900–2,000°C，同时保持甚至增加气体速度。较低的火焰温度对于碳化物基原料特别有利：在 HVOF 中，过多的热量会导致碳化钨 (WC → W2C → W) 脱碳以及钴或铬粘合剂的氧化，从而降低涂层硬度和耐磨性。 HVAF 的较低温度大大减少了这些有害反应，而较高的颗粒速度仍然产生极其致密、坚硬的涂层。 Uniquecoat Technologies 和 Kermetico 等 HVAF 系统已证明 WC-Co 涂层硬度值超过 1,400 HV，孔隙率低于 0.5%，优于许多 HVOF 基准。此外，压缩空气比工业级氧气便宜得多，与 HVOF 相比，运营成本可降低 40-60%。

比较 HVOF、HVAF、APS 和冷喷涂的关键参数

碳化钨涂层：特性、等级和工业用途

通过超音速火焰喷涂沉积的碳化钨 (WC) 涂层代表了最苛刻工业环境中磨损保护的黄金标准。碳化钨是已知最硬的材料之一 - 块状烧结 WC 的硬度值为 2,400 HV - 当与金属粘结相结合并通过 HVOF 或 HVAF 沉积时，它产生的涂层在磨料、侵蚀和滑动磨损应用中优于镀硬铬、化学镀镍和大多数其他表面处理。

WC-Co：基础等级

WC-Co 粉末原料通常由 12-17 wt% 的钴粘合剂配制而成，是使用最广泛的碳化钨热喷涂组合物。钴基体为固有的脆性 WC 相提供韧性和延展性，从而生产出具有优异的硬度（HVOF 涂层为 1,000–1,300 HV）、断裂韧性和耐磨性平衡的金属陶瓷。 WC-Co 涂层的厚度为 0.1–0.5 毫米，通常用于泵柱塞、液压杆、泥浆泵叶轮、挤压模具和工业辊表面。 WC-Co 的主要限制是它在酸性或含氯化物环境中容易腐蚀，其中钴粘合剂优先溶解，从而破坏了 WC 框架的结构完整性。

WC-CoCr：增强耐腐蚀性和耐磨性

WC-CoCr 粉末等级，最常见的是 WC-10Co-4Cr（10 wt% 钴，4 wt% 铬），通过将铬掺入粘结相来解决 WC-Co 的腐蚀限制。铬形成钝化的 Cr2O₃ 氧化物层，可抵抗弱酸性环境（pH 4-10）和海洋大气中的侵蚀。 HVOF 喷涂 WC-10Co-4Cr 涂层的硬度值为 1,050–1,250 HV，孔隙率低于 0.5%，在海水和稀酸暴露中的耐腐蚀性明显优于 WC-Co。由于 REACH 和同等环境法规要求消除六价铬电镀的监管压力，该牌号已成为航空航天起落架部件中硬铬电镀的首选替代品。包括波音、空客在内的飞机制造商及其一级供应商已将 WC-10Co-4Cr HVOF 涂层认定为致动器杆、液压缸和起落架部件上的直接硬铬替代品。

WC-Ni 和 WC-NiCr：适用于高腐蚀性环境

对于涉及强腐蚀性介质（包括浓酸、强碱或高温氧化气体）的应用，指定使用镍或镍铬粘合剂的 WC 牌号。与钴基粘合剂相比，WC-12Ni 和 WC-15Ni 涂层在更宽的 pH 范围内具有出色的耐化学性，因为镍本质上更耐腐蚀。 WC-NiCr 牌号类似于 Inconel 系列合金，可扩展工作温度范围，并在高达 500°C 的温度下提供抗氧化性。与 WC-Co（通常为 900-1,100 HV）相比，这些牌号牺牲了一些硬度，但对于化学加工设备、造纸和纸浆机械以及暴露于剧烈腐蚀磨损的船用柴油发动机部件至关重要。

碳化物粒径对涂层性能的影响

粉末原料中 WC 碳化物颗粒的尺寸显着影响喷涂行为和最终涂层性能。传统的 WC 粉末含有 1–5 μm 范围内的碳化物颗粒。亚微米和纳米结构 WC 粉末（碳化物晶粒 <500 nm）的开发是为了利用 Hall-Petch 硬化效应——较小的晶粒尺寸可产生更硬的涂层。然而，纳米结构 WC 粉末在 HVOF 喷涂过程中更容易脱碳，因为较高的表面积与体积比会加速碳损失反应。 HVAF 喷涂具有较低的火焰温度，明显更适合纳米结构 WC 原料，并且可以生产硬度超过 1,500 HV 的涂层，同时脱碳最少。双峰 WC 粉末（混合微米级和纳米级碳化物）在硬度、韧性和工艺稳定性之间提供了实用的折衷方案。

陶瓷热喷涂涂层：材料、工艺和应用

陶瓷热喷涂涂层的功能与金属和金属陶瓷涂层有着根本不同的功能。它们的主要作用包括隔热（热障涂层）、电绝缘、极端温度下的抗氧化和热腐蚀，以及在金属涂层会氧化或软化的高温环境中防止磨料和侵蚀磨损。陶瓷材料的高熔点（氧化铝熔点为 2,072°C，氧化锆熔点为 2,715°C）使得大气等离子喷涂 (APS) 成为主要的沉积工艺，因为只有等离子炬才能产生足够的热量来可靠地完全熔化这些耐火材料。

氧化钇稳定氧化锆 (YSZ) 热障涂层

从经济价值和工程重要性来看，YSZ是最重要的陶瓷热喷涂涂层材料。氧化锆 (ZrO2) 在冷却时会经历破坏性的四方相到单斜相的转变，从而导致体积膨胀和破裂。添加 6–8 wt% 的氧化钇 (Y2O₃) 可在室温下亚稳定地稳定四方相，从而形成具有极低导热率 (~2.3 W/m·K)、高热膨胀系数 (~11 × 10⁻⁶ /°C) 和出色的耐热循环性的材料。 APS 沉积的 YSZ TBC 以 100-600 μm 的厚度涂覆在燃气轮机和航空发动机的热部部件（燃烧室衬套、过渡管道、涡轮轮叶和叶片）上的金属粘结层（通常为 MCrAlY 合金）上。 TBC 可将金属表面温度降低 100–300°C，使涡轮机入口温度超过镍高温合金基体的熔点，从而显着提高热力学效率和发动机功率输出。

氧化铝和氧化铝-二氧化钛涂层

氧化铝 (Al2O₃) 热喷涂涂层是陶瓷磨损和电气绝缘应用的主力。 APS 沉积氧化铝涂层的硬度值可达 800–1,000 HV，具有出色的抗滑动和磨料磨损性能、超过 15 kV/mm 的电绝缘介电强度以及对多种酸和碱的良好耐化学性。广泛应用于纺织机械导轨、泵衬、印刷辊、电子元件夹具等。氧化铝-二氧化钛 (Al2O3-TiO2) 混合物（最常见的 TiO2 含量为 3%、13% 和 40%）通过引入金红石 TiO2 相（充当氧化铝片之间的粘合剂）来改变纯氧化铝的微观结构，从而提高内聚强度并减少微裂纹。 13% TiO2 混合物是最受欢迎的配方，在同等喷涂参数下提供优于纯氧化铝的硬度 (~850 HV)、韧性和涂层密度的平衡组合。

氧化铬 (Cr2O₃) 涂层

APS 沉积的氧化铬涂层是可实现的最硬的陶瓷热喷涂涂层之一，其值达到 1,200–1,400 HV，接近 HVOF 喷涂 WC 金属陶瓷的值。氧化铬具有卓越的硬度，加上其对许多有机溶剂、弱酸和碱的耐化学性，使其在印刷和包装行业的刮墨刀反向辊（网纹辊）、纺织纤维导向应用以及处理轻度腐蚀性磨料浆料的泵组件中特别有价值。铬涂层独特的深绿色到黑色是使用中的实用标识。氧化铬在强还原性气氛中或在高温下与可氧化金属接触时表现不佳，在高温下氧化铬可以充当氧化剂。

二氧化钛 (TiO2) 和尖晶石涂层

纯二氧化钛 APS 涂层具有独特的摩擦学特性：由于形成有利于剪切的金红石相，TiO2 在某些滑动接触条件下表现出自润滑行为，这使其对于需要低摩擦和适度耐磨性的应用具有吸引力。尖晶石涂层（MgAl2O4 和 ZnAl2O4）在感应加热设备和电阻加热应用中用作热障底涂层和电绝缘层，这些应用需要在高达 1,400°C 的温度下兼具电绝缘性和热稳定性。莫来石 (3Al2O3·2SiO2) 涂层应用于燃气轮机中的碳化硅和氮化硅陶瓷部件，以提供环境屏障涂层 (EBC) 功能，保护硅基基材在高温下免受水蒸气的侵蚀。

表面处理：涂层质量的基础

无论采用哪种热喷涂工艺或选择的涂层材料，喷涂前进行的表面处理的质量是决定涂层附着强度和长期性能的最有影响力的因素。热喷涂涂层主要通过机械联锁（熔化的碎片锚定到表面粗糙度轮廓中）进行粘合，而不是通过冶金或化学粘合。表面处理不充分是导致现场应用中大多数涂层过早失效的原因。

• 喷砂： 最普遍采用的制备方法，使用角状氧化铝 (Al2O3) 或高速推进的钢砂，同时清洁表面的氧化物、污染物和先前的涂层，并形成受控的表面粗糙度轮廓。大多数热喷涂涂层的目标 Ra 值为 4–10 μm。喷砂介质的选择很重要：对于不能接受钢砂铁污染的基材（例如钛或镍高温合金部件），首选氧化铝砂。必须优化砂粒尺寸和喷射压力，以避免将介质碎片嵌入表面或引起过度的地下冷加工。
• 化学清洗和脱脂： 喷砂前，所有表面必须不含油、脱模剂、加工冷却剂和有机污染物。喷砂前进行溶剂脱脂（丙酮、IPA 或蒸气脱脂）或碱清洗。至关重要的是，喷砂表面必须在规定的时间范围内进行喷涂——对于正常湿度下的钢基材，通常为 2-4 小时——以防止再氧化，从而大大降低附着力。
• 掩蔽和尺寸控制： 不需涂覆的区域必须使用可重复使用的硅胶面罩、金属塞或高温遮蔽胶带进行保护。对于起落架执行器或泵柱塞等精密设计的部件，必须在喷涂前验证基材尺寸，以便在涂层和喷涂后研磨操作后最终的研磨和精加工尺寸满足公差。
• 粘合层应用： 对于需要增强附着力或减轻基材和面漆之间热膨胀失配的应用（尤其是陶瓷 TBC 系统），在陶瓷面漆之前先涂敷金属粘合涂层。 MCrAlY 合金（其中 M = Ni、Co 或 Ni Co）通过 HVOF、VPS 或低压等离子喷涂 (LPPS) 喷涂至 75–150 μm 的厚度，在使用过程中形成热生长氧化物 (TGO) 层，固定陶瓷面涂层。

提高涂层性能的喷涂后处理

喷涂后的热喷涂涂层通常受益于沉积后处理，可细化其微观结构、密封残余孔隙、改善表面光洁度或消除内应力。适当的后处理取决于涂层材料、应用环境和所需的最终性能。

满足尺寸和表面光洁度要求的磨削和研磨

大多数热喷涂涂层的沉积尺寸稍大，随后研磨或研磨至最终尺寸和表面光洁度。对于液压杆和起落架上的 WC-Co 和 WC-CoCr 涂层，使用金刚石砂轮进行外圆磨削可实现 Ra 0.1–0.4 μm 的表面粗糙度值，以及 ±0.01 mm 或更好的尺寸公差。必须仔细控制磨削参数，以避免脆性陶瓷或金属陶瓷涂层出现微裂纹，特别是在干磨削中：水基冷却剂至关重要。对于氧化铝等陶瓷涂层，同样需要金刚石磨削，因为传统磨料的硬度不足以有效加工这些材料。

密封剂浸渍

热喷涂涂层本质上包含互连和孤立的孔隙网络。在腐蚀环境中，这些孔隙为电解溶液渗透涂层并侵蚀基材提供了途径。密封剂浸渍——通过真空浸渍或表面应用施加低粘度有机密封剂，例如环氧树脂、酚醛树脂或PTFE基化合物——填充开放孔隙并密封涂层以防止腐蚀进入。密封是钢结构上热喷涂锌和铝防腐涂层以及潮湿环境中 APS 陶瓷涂层的标准做法。对于 200°C 以上的应用，必须使用基于磷酸盐或硅酸盐化学的无机密封剂而不是有机材料。

热处理和热等静压 (HIP)

热喷涂金属涂层的真空或受控气氛热处理可以促进层间扩散结合，消除残余应力，并且对于 NiCrBSi 等自熔合金来说，可以引发液相烧结反应，使涂层致密至接近零孔隙率，并与基材形成真正的冶金结合。这种“熔化”过程在 1,000–1,100°C 下进行，产生的涂层附着力超过 300 MPa，接近涂层材料本身的内聚强度。热等静压 (HIP) 应用于复杂航空航天部件上的涂层，同时使用高温和高惰性气体压力来封闭所有残余孔隙，并指定用于任何缺陷都可能限制寿命的关键涡轮机部件。

行业应用：热喷涂涂层发挥最大价值的地方

热喷涂涂层应用于各行各业。下表列出了主要行业的主要涂层要求和最常用的热喷涂解决方案：

热喷涂涂层的质量控制和测试方法

确保热喷涂涂层的质量需要一个系统的测试程序，以验证沉积过程中使用的工艺参数和最终涂层的性能。航空航天和关键工业应用中的质量计划受 AMS 2447（热喷涂涂层）、AMS 2448 和客户特定流程批准等规范的约束，这些规范要求以规定的频率进行记录测试。

• 显微硬度测试（HV0.3或HV0.1）： 在金相截面上测量的维氏显微硬度是最常见的涂层质量指标。每个涂层等级都指定了最小硬度值 - 例如，根据大多数航空航天规范，HVOF 的 WC-10Co-4Cr 必须至少达到 1,050 HV0.3。在涂层厚度上至少取 10 个压痕并取平均值，拒绝偏离平均值超过 ±15% 的任何单个值。
• 通过图像分析测量孔隙率： 金相横截面通过真空环氧树脂浸渍制备以保留孔隙，抛光至 1 μm 金刚石光洁度，并通过光学或扫描电子显微镜检查。图像分析软件测量孔隙的面积分数，通常要求 HVOF 金属陶瓷涂层的孔隙率低于 1%，APS 陶瓷涂层的孔隙率低于 5%。
• 拉伸附着力测试（ASTM C633）： 涂层附着力的测量方法是通过将小车（直径 25 毫米）环氧树脂粘合到涂层表面，然后对其施加张力直至失效。失效载荷除以粘合面积即可得出粘合强度（单位为 MPa）。失效模式——粘合剂（涂层-基材界面）、内聚力（涂层内）或环氧树脂失效——被记录下来，因为它提供了有关涂层质量的诊断信息。
• X射线衍射（XRD）物相分析： 对于 WC 基涂层，XRD 用于检测和量化 HVOF 过度加热过程中形成的脱碳产物（W2C、W 金属）。 ASME 对海底阀门 WC-CoCr 涂层的要求等规范对 XRD 可检测到的 W2C 含量设置了最大限制，以确保喷涂过程得到适当控制。
• 通过涡流或磁感应测量厚度： 使用金属基材上的非破坏性电磁方法或通过比较喷涂前和喷涂后表面轮廓的轮廓测量来验证涂层厚度。厚度一致性确保后研磨操作能够在不暴露基材的情况下达到指定的最终尺寸。

选择正确的热喷涂解决方案：实用的决策框架

为特定应用选择最佳的热喷涂工艺和涂层材料需要对使用环境、基材限制、性能要求和经济考虑因素进行系统评估。以下决策框架指导工程师解决关键问题：

• 定义主要失效模式： 部件是否因磨料磨损、侵蚀、粘着磨损、微动、腐蚀、氧化或热疲劳而失效？每种故障模式最好通过特定的涂层类别来解决。 HVOF 对 WC 金属陶瓷的磨损和侵蚀点；热截面零件的热疲劳通过APS指向YSZ TBC；钢结构的电偶腐蚀指的是电弧喷锌或铝。
• 评估基材温度敏感性： 如果基材是热处理钢，温度不得超过150°C，则适合采用HVOF或冷喷涂；如果是耐高温的镍高温合金涡轮叶片，则适合采用VPS或低压等离子喷涂。聚合物基材需要冷喷涂或专门的低温火焰喷涂工艺。
• 评估几何和访问约束： 大的平面或圆柱形表面可以很容易地用自动机器人喷涂系统进行涂覆。复杂的内孔、盲孔特征和底切对视线热喷涂工艺提出了重大挑战，并且可能需要专门的喷枪配置或替代涂层技术。
• 考虑数量和生产经济性： 对于大批量汽车或消费产品部件，电弧喷涂或火焰喷涂可提供最低的单个部件成本。对于小批量、高价值的航空航天或石油和天然气部件，涂层性能直接决定资产寿命和安全性，HVOF 或 HVAF 较高的运营成本完全可以通过所提供的性能溢价来证明。
• 验证法规和规范要求： 受 OEM 或适航机构规范管辖的航空航天应用可能会要求特定的工艺、涂层材料和供应商资格。 REACH 或美国国防部指令下的硬铬替代计划指定 HVOF WC-CoCr 作为合格的替代品。环境许可可能会限制某些喷涂材料的使用（例如，含钴粉尘需要严格的封闭和过滤）。