热喷涂是一种表面强化技术,是通过某种热源(等离子体、电弧、燃烧火焰等)将涂层材料(粉末或丝材)熔化形成熔滴,并利用高速气流加速,令其喷射依次碰撞到基体材料表面,沉积形成涂层,从而使工件表面具有耐高温、耐腐蚀、绝缘、导电、抗辐射、抗氧化等优良性能。热喷涂技术,尤其是等离子喷涂技术，在航空航天、机械电子、通信、化工等众多领域受到广泛应用。
热喷涂粉末在热喷涂过程中占据极其重要的地位。其制备方法多种多样,目前,常用的热喷涂粉末制备方法有：喷雾造粒法、球磨法、气体雾化法、烧结破碎法、包覆法等。不同的制备方法获得的粉末形貌不同，性质不同，从而影响涂层的质量和性能。
一
热喷涂粉末特性
用于热喷涂的粉末不仅需要满足涂层要求的功能，还必须要满足热喷涂工艺的需求,要能保证粉体可以被流畅、稳定、均匀地输送到喷涂的焰流中,从而保证沉积效率及稳定且均匀的涂层质量。因此，热喷涂用粉末的形貌、粒度分布、流动性及松装密度等粉末的基本特性，都会对热喷涂涂层的沉积效率和涂层的性能造成一定影响。
1.1粉末的颗粒形貌
热喷涂粉末的颗粒形貌主要是指粉体颗粒的几何形状和表面特征。其中粉体的几何形状主要指粉末的球化程度,随着球形度的提高,粉体的固态流动性也越好。粉末本身的化学成分不同,球化程度也存在差异,但都应该保证喷涂的送粉过程能够顺利进行。表面特征则是指粉末表面颜色和光滑程度等。
常见的热喷涂用合金粉末大部分是通过雾化法制得的,雾化制粉的方法和雾化制粉的工艺参数都会影响粉末的球化程度。通过雾化法制备的热喷涂用金属粉末,在颗粒内部有时会存在着大小不一的细小孔洞,有些孔洞完全封闭在颗粒内,而有些孔洞穿透至颗粒表面,当喷涂工艺不当时,将会直接影响涂层的质量。通常采用光学金相显微镜来观察这一类孔洞,而颗粒的形状和表面特征可以通过扫面电子显微镜来表征。
1.2粉末的粒度分布
粉末的粒径大小及粒度分布是粉末颗粒的重要物理性能之一,热喷涂粉末的粒度大小及粒度范围的选择主要由喷涂工艺方法和喷涂工艺规范参数来确定。粉末粒度的测定方法有:筛分析法、图像测量计算法、沉降分析法、X一光小角度衍射法、扫描电镜法等,这些方法各具有其优缺点。而扫描电镜由于其放大倍数方便调节、且可调节范围宽,也常常被用来作为简单的粉末粒度分析。
热喷涂用粉末的粒径范围通常为50~150μm(-300目~+100目)。粉末的松装密度、流动性和涂层的质量都会受到粉末的粒度范围及其粒度级别组成的直接影响。朱晖朝"等分别用3种不同粒度(5~40μm、22.5~45 μm、5~22.5 μm)的氧化铝粉末采用大气等离子喷涂制备涂层，对涂层结构和性能进行检测发现，22.5~45 μm粉末和5~22.5 μm粉末在焰流中具有较高的温度和动能,涂层的结合强度和显微硬度较5~40 μm粉末高，且涂层的孔隙率较低,较大的孔隙少,此外,5~22.5 μm粉末的沉积率最高,但涂层的生产效率较低,22.5~45μm的粉末沉积的涂层综合性能好,生产效率较高。
1.3粉末的流动性
流动性(Flow ability)是粉末的一项基本特性,是指粉末流动的难易程度。用一定量的粉末自由流过标准漏斗所需的时间来表征,单位为s/50g,用时越短,则表示流动性越好,反之则流动性越差5。流动性太差,在混合时容易粘附或团聚,导致难以混合均匀,但是流动性太好,容易与其他粉末分离,也不易混合均匀,即使混合均匀,在出料、装粉、输送等过程中,均容易导致分层,因此,粉末的流动性是生产工艺中必须考虑的一个重要性能。
粉末的流动性能受很多因素的影响,如粉末的颗粒形状、尺寸、粗糙度、干湿度等。一般来说,粉末球形度越高流动性越好。粉末流动性还与颗粒间粘附作用有关,颗粒表面如果吸附气体、水分或其他成形剂会降低影响粉末的流动性,而粉末流动性直接影响混合均匀性。此外,粉末流动性对喷涂工艺的送粉过程及喷涂效率也有一定的影响,粉末的颗粒大小越均匀,流动性越好,喷涂过程送粉通畅,粉末在喷涂火焰中受热均匀,涂层组织越均匀，致密性越好,涂层与基体的结合强度越高。
1.4粉末的松装密度
粉末的松装密度(Free holding density)是粉末的一种工艺性能。指粉体流经标准漏斗自由充满规定容器后所测量得的堆积密度,用松散填装状态下单位体积粉末的质量(g/cm³)来表征。测量粉末松装密度的常见方法有3种:漏斗法;振动漏斗法;斯柯特容量计法。对于在一定条件下能够自由流动的粉末,一般采用漏斗法;对于难以自由流动的粉末,考虑采取另外两种方法。
粉末的松装密度受很多因素影响,例如:粉末的粒度组成、表面粗糙度、粉末颗粒内部的孔洞数量和大小以及粉末的球化程度等因素,因此它也会影响喷涂涂层的质量。通常来说,这些因素和粉末的制备方法和工艺条件有关。一般情况下,粉末的松装密度会随颗粒尺寸和颗粒球状系数的增大而增大,随颗粒表面粗糙度的增大而减小。郭永明等分别采用团聚造粒法和烧结破碎法制备用于热喷涂的WC-12Co粉末,团聚造粒的粉末球形度相对较好,疏松多孔,松装密度较低,为4.5~5.1g/cm³,烧结破碎型颗粒呈多角块状,结构较为致密,松装密度为6.3~6.8g/cm³。
二
结语
热喷涂粉末材料经过几十年的发展,制备方法和生产设备和不断进步,热喷涂粉末的质量得到提高,成本也有大幅度的下降。无论是何种热喷涂粉末,都应该尽量提高其球化程度、表面光滑度,使其粒度分布均匀,且具备较好的流动性和较高的松装密度值。随着热喷涂技术的快速发展和广泛应用,高质量热喷涂粉末的需求量不断增加,这也将带动新型热喷涂粉末制备技术的发展。