２０１０年第６期 鞍钢技术
ＡＮＧＡＮＧ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ 总第３６６期
热喷涂技术在冶金行业的应用及其发展
吕家舜 ，卫军强 ，李锋 ，杨洪刚 （１．鞍钢股份有限公司技术中心，辽宁鞍山１１４００９；
２．上海宝世威石油钢管制造有限公司，上海２００９４１）
摘要：阐述了热喷涂技术的优缺点及其应用领域。详细介绍了热喷涂技术在冶金领域的
应用情况，以及各种涂层的特性和涂层后处理技术等，并对热喷涂技术在冶金行业的发展进行
了展望。
关键词：热喷涂；涂层应用；功能涂层；重熔处理
中图分类号：ＴＧ１７４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—４６１３（２０１０）０６—０００９—０６
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｐｒａｙｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ
ａｎｄ Ｉｔｓ Ｔｒｅｎｄ ｉｎ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
Ｌｖ Ｊｉａｓｈｕｎ ，Ｗｅｉ Ｊｕｎｑｉａｎｇ ，Ｌｉ Ｆｅｎｇ ，Ｙａｎｇ Ｈｏｎｇｇａｎｇ （１．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ａｎｇａｎｇ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ａｎｓｈａｎ １ １４００９，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ；２．Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｓｔｅｅｌ Ｐｉｐｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｔｄ．ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｂａｏｓｈｉｗｅｉ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００９４１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｉｎ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏａｔｉｎｇ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｐｏｓｔ——ｔｒｅａｔｉｎｇ ｔｅｃｈ．．
ｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ．Ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｇ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ｍｅｔａｌ—
ｌｕ ｃａｌ ｉｎｄｕｓｔｒｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｔｉｎｇ；ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｃｏａｄｎｇ；ｒｅｍｅｌｔｉｎｇ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
热喷涂技术是通过某种热源将某些材料加热
至熔融或半熔融状态，然后喷射到涂敷的基体表
面，形成一层性能优于原来基体的涂层，从而使原
工件具有更加优异的表面性能，或者是使工件获
得一种或几种原来基体材料不具备的表面性能膜
状组织¨ 。这些表面性能包括耐磨、耐腐、耐
热、抗氧化、隔热、绝缘、导电、密封、消毒、防微波
辐射以及其他各种特殊的物理化学性能。目前，
包括航空、航天、原子能设备、电子等尖端技术在
内的很多领域内，热喷涂技术都得到了广泛应用，
并取得了良好的经济效益 。
吕家舜，工程师，硕士，２００４年毕业于辽宁工程技术大学材料 加工工程专业，现从事镀锌产品开发及工艺研究工作。 喷涂材料包括金属、陶瓷和塑料等。喷涂层
的形成包括喷涂材料的加热熔化阶段、熔滴的雾
化阶段、粒子的飞行阶段和粒： 的喷涂阶段。涂
层与基体的结合有机械结合、扩散结合、物理结合
和冶金结合。在使用放热型喷：徐材料或采用高温
热源喷涂时，熔融态的喷涂材料粒子会与熔化态
的基体产生焊接现象，形成微区的冶金结合，提高
涂层与基体的结合强度。喷涂层内的粒子之间的
结合以机械结合为主，而扩散结合、物理结合、冶
金结合等也共同起作用。
１热喷涂技术特点
热喷涂方法大体可分为火焰喷涂法、爆炸喷
・－——９－－
—— 吕家舜等：热喷涂技术在冶金行业的应用及其发展 ＜鞍钢技术）２ｏｌｏ年第６期 总第３６６期
涂法、超音速喷涂法、电弧喷涂法、等离子喷涂法
等。
１．１火焰喷涂
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。
火焰喷涂法是目前喷涂技术中使用较广泛的
一种工艺。采用火焰喷涂法技术，可以制备各种
纯金属、合金、陶瓷及塑料等涂层【４ Ｊ。
１．２爆炸喷涂
爆炸喷涂是先将一定比例的氧气和乙炔由供
气口送人冷喷枪的燃烧室，经火花塞点火，氧气和
乙炔混合气体发生爆炸式燃烧，然后由送粉器将
喷涂粉末送入燃烧室，其热能将喷涂粉末加热到
一定状态，最后在爆炸冲击波的作用下把粉末颗
粒喷向工件表面而形成涂层 。
爆炸喷涂法是一项技术难度较大、工艺性能
较强的新技术，也是一种高能喷涂方法。与一般
火焰喷涂相比，必须提供足够高的气体压力，气体
的消耗量也很大＂ 。
１．３电弧喷涂
电弧喷涂是利用燃烧于两根连续送进的金属
丝之间的电弧来熔化金属，用高速气流把熔化的
金属雾化，并对雾化的金属粒子加速使它们喷向
工件形成涂层的技术。电弧喷涂法对各种金属材
料都能喷涂，大量地应用于防腐、耐磨等工程。目
前，电弧喷涂法已经从一种粗糙的高喷涂率的技
术演化为能以低成本生产具有高质量涂层的较为
精密的手段 。
１．４等离子喷涂
等离子喷涂是用等离子体发生器（等离子喷
枪）产生等离子体，同时送粉器管中输送的粉末
在等离子体焰流中被加热至熔化状态，并高速喷
涂在工件表面而形成涂层。等离子喷涂是继火焰
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，近几年来在我国发展较快 Ｊ。
２热喷涂技术在冶金领域的应用
冶金工业生产的特征为：冶金工业生产从矿
石到金属材料，每一环节的主体设备都处于高磨
一１０一 损、高负荷、高温和腐蚀等极其恶劣的工况条件
下，这些因素导致生产设备的失效，使冶金工业成
为国民经济的耗材耗能大户。热喷涂技术在连铸
结晶器短边铜板、冷轧热镀锌机组沉没辊、连续退
火机组炉辊、冷轧工艺辊等方面有着广泛的应
用 。
宝钢的毕刚对连铸结晶器铜板热喷涂进行了
研究…Ｊ，热喷涂涂层试样取自于正式结晶器铜板
产品，为超音速火焰喷涂镍基金属陶瓷涂层，厚度
１ ｍｍ。试验结果表明，热喷涂涂层不论是高温硬
度衰减，还是高温摩擦磨损性能方面，都远远优于
镍电镀层。热喷涂涂层比镍电镀层具有更为优异
的综合性能，高温显微硬度约为镍电镀层的４倍，
高温耐磨性能约为镍电镀层的５倍。因此，随着
结晶器长边铜板热喷涂技术的突破，绿色环保热
喷涂技术将会逐步替代传统电镀技术。
在带钢热镀锌过程中，沉没辊和稳定辊均浸
泡于锌液中，通常辊体材料均采用不锈钢，但是不
锈钢耐熔融状态的锌液侵蚀能力较差，现在通常
的做法是使用ＷＣ—Ｃｏ涂层，有了钴基碳化钨涂
层后，大大提高了辊子的使用寿命，同时也提高了
带钢的表面质量 。
对于热镀铝锌、热镀铝来说，由于镀液的温度
更高（６００℃以上），侵蚀能力更强，大大缩短了沉
没辊的使用寿命，提高了成本，现有的ＷＣ—Ｃｏ涂
层已经不能满足要求，迫切需要开发新的涂层品
种。
由于长期高温的作用，冷轧连续退火炉中的
炉辊表面容易出现结瘤现象。结瘤是带钢在炉内
产生划伤、硌印、麻点的根本原因，因而防止炉辊
结瘤是炉内带钢质量的重要保证。维持炉辊表面
粗糙度是保证带钢在炉内正常运行，解决滑动和
跑偏的重要措施，另外还需要炉辊有良好的耐热
冲击性能。选择有效的热喷涂涂层能够帮助解决
这些问题，常用的涂层材料包括：ＭＣｒＡ１Ｙ、Ｃｒ３Ｃ—
ＮｉＣｒ及ＭＣｒＡＩＹ＋Ａ１２０３等 。
随着ＤＰ、ＴＲＩＰ等新型高强度钢的发展，对于
连续退火炉辊的要求也在不断提高。带钢强度的
提高必然带来炉内张力的增加，这就要求炉辊有
更高的承载能力，新型高强钢一般要求更高的退
火温度，这就要求炉辊有更好的耐热能力。此外，
这些高强度钢中的合金元素含量特别是Ｓｉ、Ｍｎ ２０１０年第６期 鞍钢技术
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等的含量一般均较高，Ｓｉ的氧化物在带钢表面富
集，通过摩擦、粘结转移到炉辊表面，Ｍｎ元素与涂
层中的一些化学稳定性较差的Ｃｒ２Ｏ Ａ１ Ｏ，等化
合成一些复杂氧化物，形成积瘤。因此需要开发
新的性能更好、更能满足连续退火炉工艺要求的 热喷涂涂层材料 引。
３涂层种类及应用情况
３．１热障涂层
热障涂层是一种具有良好隔热性能的陶瓷材
料，涂到航空发动机的关键热端部件表面，厚度一
般不超过０．５ ｍｍ，能有效避免航空涡轮发动机热
端关键部件与高温燃气直接接触，从而为发动机
热端部件提供有效保护。近几年来，随着航空发
动机向高流量比、高涡轮进口温度和高推重比方
向发展，发动机燃气温度进一步提高，使得热障涂
层技术显得更加重要，有关涂层制备方法的研究
在国内外更加活跃¨ 。制备热障涂层常用的热
喷涂方法有火焰喷涂、爆炸喷涂、等离子喷涂等，
其中爆炸喷涂工艺是热障涂层制备技术研究的重
点 。
３．２纳米涂层
热喷涂过程中，纳米颗粒的熔融行为与普通
颗粒的熔融行为有所不同。普通颗粒在喷涂时仅
是表面熔融，但纳米颗粒因其比表面积大、活性
高、熔点相对降低而易被加热熔融。由于熔融程
度较好，纳米颗粒在碰到基体后变形剧烈，平铺性
明显较普通颗粒好，涂层致密，孔隙率低，加之纳
米材料自身所具有的特殊性能，热喷涂纳米结构
涂层表现在性能上就是结合强度大、硬度和塑性
同时提高、耐腐蚀性好、断裂强度好、划痕抗力提
高等 。
纳米涂层的开发研究还不十分成熟，但是由
纳米粉体材料形成的表面纳米结构，其潜在的应
用范围涉及整个高新技术产业、民用工业和国防
等重要领域，从涡轮叶片的热障涂层到转动件的
耐磨和耐腐蚀涂层，以及高性能战机的隐身涂层
等，潜在的经济规模十分巨大。
目前，利用热喷涂技术制备纳米涂层主要采
用两种方式：
（１）制备具有部分纳米特征的宏观涂层，即
在制备时将含量相对较少的纳米颗粒加入传统涂 层中，使传统涂层成为纳米颗粒弥散强化的、具有
一定纳米特征的复合涂层。
（２）制备完全由纳米颗粒构成的宏观涂层，
即让厚度在微米甚至毫米量级的宏观涂层完全由
纳米颗粒构成，而赋予涂层极为优异的工程性 能 驯。
热喷涂纳米结构涂层主要存在两个问题：
（１）纳米颗粒的输送问题。纳米粉体不能直
接用于热喷涂，否则会产生烧损和飞扬等问题，并
且由于纳米材料本身的表面与界面效应，纳米颗
粒极易团聚，流动性差，会给输送管道造成一定的
堵塞。为了充分利用纳米颗粒的优良性能并满足
现有工艺技术的要求，须将纳米材料制备成能够
直接热喷涂的微米级纳米结构喂料。
（２）纳米颗粒的烧结长大问题。纳米粒子比
表面积大，表面活性高，致使熔点下降，喷涂过程
中容易烧结长大而改变性状，最终影响到涂层中
纳米晶结构的保持 。
３．３非晶涂层
非晶合金具有较高的强度、硬度和优良的耐
磨、耐蚀及磁学性能。国内外对热喷涂非晶合金
涂层材料进行了大量研究。在镍基体系有
Ｎｉ２ｚｒ２ Ｔｉ２Ｓｉ２Ｓｎ、Ｎｉ２ｃｒ２Ｍｏ２Ｂ等非晶涂层；铁基非
晶涂层体系Ｆｅ２Ｃｒ２Ｍｏ２（Ｃ，Ｂ）、Ｆｅ２Ｃｒ２Ｐ２Ｃ、
Ｆｅ２ｃｒ２Ｍｏ２Ｐ２Ｃ、Ｆｅ２Ｃｒ２Ｓｉ２Ｂ２Ｍｎ等非晶涂层均具优
良的抗腐蚀性能 。最近还发现更多组元的
Ｆｅ Ｃｒ Ｍｎ Ｍｏ２Ｗ：Ｂ Ｃ Ｓｉ系列结构非晶金属具有
极好的抗腐蚀性能。
制备大块三维的非晶合金在技术上难度很
大，但采用等离子喷涂、超音速火焰喷涂等技术可
将非晶粉末喷涂在廉价的性能较差的金属表面上
形成致密的、结合强度较高的非晶涂层，是材料表
面非晶化的一种好方法。等离子喷涂时熔粒的冷
却速度可达１０５～１０６ Ｋ／ｓ，这种高速冷却可在涂
层中产生非晶态相的组织结构。国外热喷涂非晶
合金涂层研究重点是非晶合金涂层的抗腐蚀、抗
磨损性能，并已开始商业化推广。而国内主要是
研究非晶合金涂层材料制备工艺，对抗腐蚀和抗
磨损等应用性能研究较少，实际应用尚未见报道。
３．４生物活性涂层
生物活性羟基磷灰石与生物组织有良好的相
容性，可以制成各种关节和牙齿。等离子喷涂
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