皇帝的新裝”大家都很熟悉吧，故事中為國(guó)王定制的“神奇”外衣材質(zhì)特殊，色彩美艷，花紋巧妙，款式新潮，最重要的是只有愚蠢的人才看不到這一切。拋開故事的寓意，按照描述，小編覺得這件外衣真真是不錯(cuò)的（如果它存在的話）。

 
圖 1 皇帝的新裝

在航空制造領(lǐng)域，有這么一項(xiàng)技術(shù)，它可以制造出一件神奇的“外衣”，穿上了它，在設(shè)備維修中可以修舊利廢，使報(bào)廢的零部件“起死回生”；也可以在新產(chǎn)品制造中進(jìn)行強(qiáng)化和預(yù)保護(hù)，使其“益壽延年”。更重要的是，這些強(qiáng)大的功效只要是個(gè)人都能看的到！這項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)就是熱噴涂，一起來了解一下吧。

1.什么是熱噴涂

熱噴涂，是將熔融狀態(tài)的噴涂材料，通過高速氣流使其霧化噴射在零件表面上，形成噴涂層的一種金屬表面加工方法。達(dá)到防腐、耐磨、減摩、抗高溫、抗氧化、隔熱、絕緣、導(dǎo)電、防微波輻射等一系多種功能，同時(shí)節(jié)約材料和能源。

圖 2 熱噴涂的過程示意

我們把特殊的工作表面叫“涂層”，把制造涂層的工作方法叫“熱噴涂”，它是采用各種熱源進(jìn)行噴涂和噴焊的總稱。

2.熱噴涂原理

熱噴涂包含一系列過程，在這些過程中，細(xì)微而分散的金屬或非金屬的涂層材料，以一種熔化或半熔化狀態(tài)，沉積到一種經(jīng)過制備的基體表面，形成某種噴涂沉積層，涂層材料可以是粉狀、帶狀、絲狀或棒狀。

圖 3 熱噴涂原理

熱噴涂槍由燃料氣、電弧或等離子弧提供必需的熱量，將熱噴涂材料加熱到塑態(tài)或熔融態(tài)，再經(jīng)受壓縮空氣的加速，使受約束的顆粒束流沖擊到基體表面上。沖擊到表面的顆粒，因受沖壓而變形，形成疊層薄片，粘附在經(jīng)過制備的基體表面，隨之冷卻并不斷堆積，最終形成一種層狀的涂層。該涂層因涂層材料的不同可實(shí)現(xiàn)耐高溫腐蝕、抗磨損、隔熱、抗電磁波等功能。

圖 4 熱噴涂涂層形成過程

3.熱噴涂的優(yōu)點(diǎn)

基體材料不受限制，可以是金屬和非金屬，可以在各種基體材料上噴涂；可噴涂的涂層材料極為廣泛，熱噴涂技術(shù)可用來噴涂幾乎所有的固體工程材料,如硬質(zhì)合金、陶瓷、金屬、石墨等；噴涂過程中基體材料溫升小，不產(chǎn)生應(yīng)力和變形；操作工藝靈活方便，不受工件形狀限制，施工方便；涂層厚度可以從0.01至幾毫米；涂層性能多種多樣，可以形成耐磨、耐蝕、隔熱、抗氧化、絕緣、導(dǎo)電、防輻射等具有各種特殊功能的涂層；適應(yīng)性強(qiáng)及經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)。

 圖 5 熱噴涂良好的表面加工性

 圖 6 熱噴涂與高精度加工

4.熱噴涂的分類

1）火焰噴涂

利用火焰為熱源，將金屬與非金屬材料加熱到熔融狀態(tài)，在高速氣流的推動(dòng)下形成霧流，噴射到基體上，噴射的微小熔融顆粒撞擊在基體上時(shí)，產(chǎn)生塑性變形，成為片狀疊加沉積涂層，這一過程稱為火焰噴涂。

圖 7 火焰噴涂實(shí)景

圖 8 火焰噴涂原理

火焰噴涂技術(shù)的基本特點(diǎn)是：一般金屬、非金屬基體均可噴涂，對(duì)基體的形狀和尺寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能噴涂；涂層材料廣泛，金屬、合金、陶瓷、復(fù)合材料均可為涂層材料，可使表面具有各種性能，如耐腐蝕、耐磨；耐高溫、隔熱等；涂層的多孔性組織有儲(chǔ)油潤(rùn)滑和減摩性能，含有硬質(zhì)相的噴涂層宏觀硬度可達(dá)450HB,噴焊層可達(dá)65HRC；火焰噴涂對(duì)基體影響小，基體表面受熱溫度為200～250℃，整體溫度約70℃～80℃，故基體變形小，材料組織不發(fā)生變化。

圖 9 火焰噴涂涂層具有良好的綜合性能

2）電弧噴涂

電弧噴涂是將兩根被噴涂的絲或線狀導(dǎo)電材料作為自耗性電極，利用它們之間產(chǎn)生的電弧能量熔化電極材料，用高速壓縮空氣霧化并將其噴射到基體材料上的一種熱噴涂方法。由于以電弧為熱源，因此通常只針對(duì)金屬材料。

圖 10 電弧噴涂實(shí)景

 圖 11 電弧噴涂原理

電弧噴涂的基本特點(diǎn)是：由于熔粒溫度高、噴涂粒子變形量大，因此獲得的涂層與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度較高，一般是火焰噴涂涂層的1.5-2.5倍；噴涂效率可隨電弧電流增大而顯著提升，比一般火焰噴涂提高2-6倍；電弧噴涂能量利用率高達(dá)57%-67%，而火焰噴涂?jī)H為5%-13%；電弧噴涂與其他方法相比，成本最低，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作成本僅為火焰噴涂的10%；另外由于使用電和壓縮空氣，不用氧氣、乙炔等易燃?xì)怏w，其安全性大大提高。

圖 12 電弧噴涂獲得高致密性涂層

3）等離子噴涂

常規(guī)狀態(tài)下原子是呈電中性的，氣體也是不導(dǎo)電的；但如果從外界給予氣體分子和原子相當(dāng)?shù)哪芰繒r(shí)，就會(huì)造成電子脫離原子成為自由電荷，此時(shí)原子變成帶正電荷的離子，即氣體的電離現(xiàn)象，利用電離氣體進(jìn)行噴涂即等離子噴涂。

圖 13 等離子噴涂實(shí)景

圖 14 等離子噴涂原理

等離子噴涂是一種新型多用途的精密噴涂方法，具有超高溫特性，便于進(jìn)行高熔點(diǎn)材料的噴涂；同時(shí)噴射粒子的速度高，涂層致密，粘結(jié)強(qiáng)度高；另外由于其使用惰性氣體作為工作氣體，所以涂層材料不易氧化。

圖 15 等離子噴涂涂層金相

4）爆炸噴涂

爆炸噴涂是在特殊設(shè)計(jì)的燃燒室里，將氧氣和乙炔氣按照一定的比例混合后引爆，使得料粉加熱熔融并使顆粒高速撞擊在零件表面形成涂層。爆炸噴涂的最大特點(diǎn)是粒子飛行速度高，動(dòng)能大，因此具有良好的應(yīng)用前景。

圖 16 爆炸噴涂噴槍

圖 17 爆炸噴涂原理

爆炸噴涂的基本特點(diǎn)是：由于粒子的高速性，涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度高，涂層致密，氣孔率很低，一般小于1%；涂層表面粗糙度低，耐磨性好，硬度較高；另外爆炸過程中碳化物及碳化物基粉末材料不會(huì)發(fā)生碳分解和脫碳現(xiàn)象，因此涂層組織與粉末成分保持良好一致性；另外由于工件受到爆炸熱氣流沖擊時(shí)間短，工件溫升可控制在100℃以下，所以不會(huì)發(fā)生組織相變和工件變形。

圖 18 爆炸噴涂高速攝影

5.熱噴涂與航空制造

由于熱噴涂材料來源廣泛、制備工藝穩(wěn)定、涂層成分結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、涂層質(zhì)量可控、可制備多種功能及防護(hù)涂層，并可自動(dòng)化生產(chǎn)，使熱噴涂技術(shù)在航空制造技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)的關(guān)鍵零部件——壓氣機(jī)葉片榫頭、機(jī)匣、封嚴(yán)篦齒、燃燒室、渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、軸頸、軸承座、封嚴(yán)環(huán)、噴管等數(shù)以千計(jì)的零件需進(jìn)行熱噴涂制備涂層，涂層的應(yīng)用是航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性及服役壽命大幅度提高。 

圖 19 航空發(fā)動(dòng)機(jī)大量使用熱噴涂技術(shù)

 圖 20 航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱噴涂技術(shù)種類一覽

圖 21 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣與熱噴涂涂層

1）高溫可磨耗封嚴(yán)涂層噴涂

高溫可磨耗封嚴(yán)涂層作為發(fā)動(dòng)機(jī)部件的重要涂層之一，用來調(diào)控高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件與機(jī)匣之間的間隙，對(duì)保持發(fā)動(dòng)機(jī)的效率十分關(guān)鍵。該種涂層摩擦系數(shù)低，可磨耗性能優(yōu)異，同時(shí)抗高溫氧化性能及燃?xì)鉀_刷性能優(yōu)良。高溫可磨耗封嚴(yán)涂層厚度一般超過1.5mm，必須采用機(jī)器人自動(dòng)等離子噴涂技術(shù)，噴涂參數(shù)計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制、涂層厚度在線監(jiān)測(cè)，這樣有利于涂層組織結(jié)構(gòu)及厚度均勻，穩(wěn)定涂層冶金質(zhì)量。

圖 22 封嚴(yán)涂層結(jié)構(gòu)示意

圖 23 封嚴(yán)涂層用于調(diào)控機(jī)匣與轉(zhuǎn)子間隙

圖 24 封嚴(yán)涂層用于發(fā)動(dòng)機(jī)整流環(huán)

2）熱障涂層噴涂技術(shù) 

熱障涂層廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)及地面燃?xì)廨啓C(jī)，保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件，如燃燒室、渦輪葉片、火焰噴管等，可大幅度提高部件壽命、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、降低部件溫度或提高燃?xì)鉁囟?。其中，熱沖擊壽命和熱導(dǎo)率為熱障涂層的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。沒有優(yōu)異的抗熱沖擊性能，熱障涂層就不能在可靠性要求極高的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得成功應(yīng)用。把涂層壽命做到數(shù)千、數(shù)萬(wàn)小時(shí)是熱噴涂涂層成功應(yīng)用于商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵所在。

圖 25 空心氧化鋁球熱障涂層微觀結(jié)構(gòu)

圖 26 渦輪葉片與熱障涂層

圖 27 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室熱障涂層驗(yàn)證試驗(yàn)