在喷涂时，有时只允许或只需要在零件上喷涂一种材料。如在铜的基体上喷涂铜及其合金时，只允许直接用铜及其合金粉末喷涂；如果先喷涂一层镍包铝反而是不可取的，因为铜基体的导热系数大，在其上喷涂镍包铝，得不到自粘结性涂层。但是在多数情况下，单一材料的涂层是不能满足要求的，往往需要选用多种材料的复合涂层系统。常用的复合涂层系统有：多层复合涂层、混合粉涂层、复合粉涂层。
1．多层复合涂层和混合粉涂层
在高温工作环境下往往需选用在高温下稳定的和耐热性能良好的耐高温氧化物涂层，如氧化铝、氧化锆、锆酸镁作为涂层材料。但它有很多不足之处：(1)氧化物与金属的结合强度较低；(2)氧化物涂层往往含有10～15%的气孔，并且其中一部分是通孔，介质可以通过气孔与基体发生作用；(3)氧化物的膨胀系数较低，与金属不匹配，抗热震性能不好。因此广泛地采用在氧化物涂层下施加底层的方法来弥补这些缺点。另外在某些情况下，选用底层的目的是防止表层与基体的相互作用。例如为防止钨涂层与石墨基体生成碳化钨，而在石墨基体上先喷涂钽作底层。
对底层的要求是：(1)它与基体及与后续的涂层结合良好；(2)涂层比较致密，抗氧化性好；(3)膨胀系数介于基体和后续涂层之间，以减少因热膨胀系数的不同而引起的应力。常用的底层材料有Mo、Ni-Al等自粘结材料。其中Ni-A1的应用较为广泛，它的优点是：能与多种材料粘结，结合强度较高，涂层本身致密，抗氧化性能好。但在铜合金等材料上不适用。
为提高陶瓷耐热涂层的抗热震性，通常采用多层复合涂层；为使金属基体向陶瓷表层逐步过渡，采用了三层的复合层，即：金属底层、金属陶瓷过渡层和陶瓷表层，金属陶瓷过渡层可以采用三种方法。第一种是金属与陶瓷粉末混合喷涂，这种方法比较简便，也是可行的。但由于两种粉末的比重不同，混合粉在送粉过程中成分变得不均匀，而且两种粉末的熔点、比热、导热率相差悬殊，要使这两种粉末都充分熔化，就必须分别严格控制两种粉末的粒度。第二种是分别用两个送粉器从两个送粉口把金属和陶瓷两种粉末送入焰流。使熔点高、导热率低的陶瓷粉从焰流的上游送入，以增加粉末与高温区的接触时间，从而得到充分加热；易熔化的金属粉末从焰流下游送入，使得金属粉不至于过热和蒸发。第三种是采用包复粉末，例如镍包氧化铝等。这种粉末中每粒氧化铝粉均包有一层镍，因此所得涂层成分比较均匀恒定，不会产生偏析。缺点是粉末的成本较高。
近来复合耐热涂层也有采用阶梯涂层的。如用多台送粉器的送粉系统制造以镍钴铬铝钇与氧化锆两组分成连续变化的阶梯涂层。这种涂层系统的抗热震性与抗氧化性都优于Ni-A1(或Ni-Cr)、Ni-A1(或Ni-Cr)+ZrO2、ZrO2的三层涂层系统，可用于更重要的航空发动机部件上。
2．复合粉末涂层
复合粉末的出现显著地扩大了涂层材料的应用范围，改善了涂层性能。它具有以下独特性能：
（1）可根据需要，采用不同的制造方法，制备出具有不同要求的综合性能的涂层，特别是金属或合金与非金属陶瓷制成的复合粉末涂层，更是其他方法难以达到的；
（2）具有单一颗粒的非均质性与粉末整体的均质性的统一。所得的表面涂层具有均匀的综合物理化学性能。因此，在贮运和使用过程中，就不会出现成分偏析倾向，从而避免了由此造成的涂层质量不均匀的缺陷；
（3）芯核材料受到包覆层或包覆粉末的保护，能够避免或减少热喷涂过程中，因高温火焰的作用而产生的元素的氧化烧损、失碳、挥发等现象，从而获得高性能的涂层；
（4）选择适当的组分配制复合粉末，使在热喷涂的火焰温度下，粉末组分间能够发生化学反应，生成熔点比粉末各组分的熔点更高的金属间化合物，伴随着放出大量的热，对粉粒和基体表面辅助加热，得到致密的涂层；
（5）喷涂复合粉末与喷涂混合粉末相比，不仅涂层性能优异，而且喷涂速率和沉积效率也要高的多，从而可以提高劳动生产率。