熱噴涂是一種用于工程部件的表面噴涂和修復(fù)的工業(yè)技術(shù)，熱噴涂工藝非常便捷，幾乎能應(yīng)用在所有工業(yè)領(lǐng)域。通常將金屬、合金、金屬氧化物、金屬/陶瓷混合物、碳化物、線材、棒材以及各種復(fù)合材料沉積在不同的基體材料上，可以使基體材料或工件形成保護(hù)性或功能性表面涂層。
▲熱噴涂原理示意圖
熱噴涂粉末占熱噴涂材料總用量的70%以上，熱噴涂粉末的成分、分布、形貌和粒度因粉末制備方法而異。用于熱噴涂的粉末不僅需要滿足涂層要求的功能，還必須要滿足熱噴涂工藝的需求，要能保證粉體可以被流暢、穩(wěn)定、均勻地輸送到噴涂的焰流中，從而保證沉積效率及穩(wěn)定且均勻的涂層質(zhì)量。
▼熱噴涂粉末特性
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顆粒形貌 |
主要是指粉體顆粒的幾何形狀和表面特征，其中粉體的幾何形狀主要指粉末的球化程度，隨著球形度的提高，粉體的固態(tài)流動(dòng)性也越好，表面特征則是指粉末表面顏色和光滑程度等。一般球形、致密的粉末可獲得優(yōu)良的涂層。 |
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粒度分布 |
通常原始粉末按照顆粒尺寸可分為納米級(jí)（1~100nm）、亞微米級(jí)（100nm~1μm）和微米級(jí)（1μm以上），納米級(jí)和亞微米級(jí)粉末尺寸小、質(zhì)量輕，在熱噴涂過(guò)程中易被氣流吹散或被高溫火焰燒蝕掉不能直接用于熱噴涂，需要進(jìn)行粉末顆粒的尺寸增大處理，即通過(guò)二次造粒改善粉末物性后用于熱噴涂。熱噴涂粉末顆粒一般用目來(lái)衡量。在粉末樣品中用正負(fù)號(hào)和目數(shù)來(lái)表征粉末的粒度，如-120+300目表示粉末粒度小于120大于300目，目數(shù)越大粉末越細(xì)。 熱噴涂粉末應(yīng)滿足一定的粒度要求。用于火焰噴涂的金屬粉末一般小于120目，常用的是-180+320目；等離子噴涂的陶瓷粉末粒度一般是-140+320目或-500+300目；適于HVOF的粉末粒度一般在15~53μm，較細(xì)的粉末粒度也在5~25μm，有些HVOF設(shè)備可實(shí)現(xiàn)10μm以下超細(xì)粉體的噴涂。 |
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流動(dòng)性 |
流動(dòng)性是指粉末的流動(dòng)能力，是衡量粉末熱噴涂工藝性的重要指標(biāo)之一。通常采用霍爾流量計(jì)（Hallflowmeter）測(cè)量粉末流動(dòng)性，單位是s/50g，其物理意義是50g的某種粉末流經(jīng)具有一定孔徑的標(biāo)準(zhǔn)漏斗所需要的時(shí)間s。流動(dòng)數(shù)值越小說(shuō)明粉末的流動(dòng)性越好，流動(dòng)性好易實(shí)現(xiàn)均勻送粉，流動(dòng)性差容易堵塞送粉通道。合金粉末的流動(dòng)性一般較好，約為20~45s/50g。陶瓷粉末流動(dòng)性一般較差，約為50~120s/50g，有的甚至在霍爾流量計(jì)中出現(xiàn)起拱現(xiàn)象，不自流，無(wú)流動(dòng)性，在熱噴涂送粉器中通常采用振動(dòng)或攪拌實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制送粉。 |
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松裝密度 |
松裝比重又稱松裝密度，其物理意義是干粉末自然流入容器后，質(zhì)量與體積之比，單位是g/cm3。松裝比重的大小除了與粉末的成分有密切關(guān)系外，還與粉末的形狀、表面質(zhì)量有關(guān)。 團(tuán)聚顆粒的松裝密度越高，流動(dòng)性越好，相同噴涂工藝下與基體碰撞時(shí)的粒子動(dòng)能越高，獲得的涂層就越致密 |
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含氧量 |
對(duì)于合金粉而言，含氧量也是一個(gè)較重要的物性指標(biāo)。粉末中所含的氧元素一般是以氧化物的形式存在，這是由于粉末在制造過(guò)程中，金屬元素不可避免地受到輕微的氧化。氧化愈嚴(yán)重，含氧量愈高。粉末中所含氧化物是有害成分，導(dǎo)致涂層中產(chǎn)生氣孔、夾雜。對(duì)含氧量要嚴(yán)格限制。合金粉末的含氧量一般小于0.2%。 |
霧化制粉法是以快速運(yùn)動(dòng)的流體（霧化介質(zhì)）沖擊或以其他方式將金屬或合金液體破碎為細(xì)小液滴，繼之冷凝為固體粉末的粉末制取方法。霧化主要用于制造金屬和合金粉末，理論上，任何能形成液體的材料均可以進(jìn)行霧化制粉。根據(jù)霧化流體的種類可分為氣體霧化法和水霧化法。氣體霧化法制備的金屬粉末具有粒度細(xì)小、球形度好、純凈度高的特點(diǎn)。
霧化法適用于熔點(diǎn)在1600℃以下的金屬或合金，比如：Al及Al合金、Cu及Cu合金、Ni-（Cr）-Al系合金、Ni基及Co基合金等。對(duì)于制備氧化物和碳化物粉末，主要因?yàn)榇蠖鄶?shù)氧化物和碳化物的熔點(diǎn)較高不適于采用霧化法生產(chǎn)。
水霧化粉，不規(guī)則形狀，與氣霧化相比含氧量稍高
（來(lái)源：OerlikonMetco）
氣霧化粉(來(lái)源：同上)
霧化法包括二流霧化法：借助高壓水流或高壓氣流的沖擊來(lái)破碎液流，分氣體霧化和水霧化；離心霧化：借助于離心力破碎液流，分旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)霧化、旋轉(zhuǎn)電極霧化、旋轉(zhuǎn)坩堝霧化等；真空霧化：在真空中的霧化；超聲波霧化：利用超聲波能量來(lái)實(shí)現(xiàn)液流的破碎。
團(tuán)聚燒結(jié)法是目前制備熱噴涂粉末較常用的造粒方法，是指采用有機(jī)膠黏劑（比如聚乙烯二醇）將細(xì)微的原料粉末球磨混合制成料漿，通過(guò)噴霧干燥裝置將料漿制成一定粒度的前驅(qū)體粉末，然后再經(jīng)過(guò)脫脂、燒結(jié)、篩分得到適于熱噴涂用的粉末。
噴霧裝置是控制霧滴尺寸的關(guān)鍵，主要有4種類型：旋轉(zhuǎn)噴嘴、高壓噴嘴、氣動(dòng)噴嘴和超聲波噴嘴。不同噴嘴形成的霧滴尺寸數(shù)據(jù)：
大部分碳化物、氧化物原料的粒度都比較小，難以直接用于熱噴涂，團(tuán)聚燒結(jié)法則很好的將這些微細(xì)粒粉末聚合成熱噴涂用粉末，且粉末形貌呈多孔球形，流動(dòng)性好，制備能耗低。再熱噴涂過(guò)程中加熱速度快而均勻，噴涂效率高，常用于制備鈷基碳化物系金屬-陶瓷粉末、氧化物系陶瓷粉末。
▲團(tuán)聚燒結(jié)粉末（來(lái)源：同上）
先把混合好的原料置于特定的加熱爐（如電弧爐）中進(jìn)行加熱，至原料熔融后再制成一定尺寸的鑄錠，再借助某種破碎設(shè)備對(duì)冷卻凝固后的鑄錠進(jìn)行破碎處理從而獲得粉末，這種制備粉末的方法就叫做熔融破碎法。一些脆性大、容易被破碎的材料一般都采用熔融破碎法來(lái)制備相應(yīng)的粉末。
▲熔融粉碎粉（來(lái)源：同上）
熔融破碎法制備的粉末成分均勻程度大大的提高、偏析現(xiàn)象極大的減小，這是因?yàn)槿刍幚碛欣诔煞志鶆蚧?，粉末致密呈不?guī)則塊狀。大部分熱噴涂粉末都可以采用熔融破碎法制取，比如氧化物系陶瓷粉末、碳化鉻粉末、鈷基碳化鎢系金屬陶瓷粉末等。但是在破碎機(jī)粉碎鑄錠時(shí)會(huì)引入鐵雜質(zhì)，需要添加一步物化法除雜工藝，即通過(guò)電磁吸附或溶劑溶解來(lái)去除。
▲融合和壓碎氧化鋁熱噴涂粉末
來(lái)源：Saint-Gobain Coating Solutions
燒結(jié)破碎法首先是將細(xì)微的原料粉末經(jīng)高溫?zé)Y(jié)成型，然后采用破碎機(jī)對(duì)燒結(jié)體進(jìn)行機(jī)械粉碎制得粉末的工藝。相對(duì)熔融破碎法，燒結(jié)破碎法制備粉末的溫度較低。一些高熔點(diǎn)材料的鑄錠難以破碎成粉體，無(wú)法用熔融破碎法制備，而燒結(jié)破碎法通過(guò)控制燒結(jié)參數(shù)能夠得到容易破碎的燒結(jié)體，能很好的解決這一問(wèn)題。
燒結(jié)破碎法可用于制備的熱噴涂粉末有：鎢粉、鉬粉等高熔點(diǎn)金屬粉體，鈷基碳化物系金屬陶瓷粉體，氧化鉻系陶瓷粉體等。但所制得的粉體形貌與熔融破碎法制備的粉體相似，也是多棱角不規(guī)則塊體粉末流動(dòng)性差，影響噴涂效果。
殼核結(jié)構(gòu)復(fù)合粉末兼有殼、核兩種材料的優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于電力、催化及熱噴涂等領(lǐng)域，具備殼核結(jié)構(gòu)的粉末一般采用包覆法制備，將一層材料通過(guò)機(jī)械融合法或者復(fù)合化包覆另一種材料。
機(jī)械融合法適用于熔點(diǎn)相差懸殊的兩種材料，先將粉末加熱到兩者熔點(diǎn)之間，熔點(diǎn)低的材料處于熔融或半熔化狀態(tài)，熔點(diǎn)高的材料仍是固態(tài)，通過(guò)機(jī)械混合，兩種材料不斷焊合，熔點(diǎn)低的材料不斷包覆高熔點(diǎn)材料，形成殼核結(jié)構(gòu)的復(fù)合粉體。復(fù)合化是將韌性相差懸殊的材料，通過(guò)不斷混合形成的包覆材料。
等離子體球化處理技術(shù)的原理是：利用熱等離子的高溫環(huán)境，載氣將粉體送入高溫等離子體中，粉體顆粒迅速吸熱后表面（或整體）熔融，并在表面張力作用下縮聚成球形液滴，進(jìn)入冷卻室后驟冷凝固而將球形固定下來(lái)，從而獲得球形粉體。
▲射頻等離子體球化示意圖
致密的球形粉末大部分是通過(guò)熱等離子體處理獲得的，主要有直流(DC)等離子體和射頻(RF)等離子體球化粉末，其中最常用的是射頻放電等離子體。射頻等離子體焰炬的溫度較高,可達(dá)10000K高溫,對(duì)難熔金屬，陶瓷也能達(dá)到球化效果,可以用于粉末材料的二次改造,改變其粉末形貌，增大粉末顆粒的球形度,減少不規(guī)則粉末及缺陷粉末。
▲等離子球化球形鉭粉（來(lái)源：TEKNA）
鉭熔點(diǎn)高達(dá)3017°C