熱噴涂粉末特性概述

崔珊 周鵬 周超

摘 要：熱噴涂技術近年來發展迅速，熱噴涂粉末在熱噴涂過程中十分重要，除了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。本文主要對熱噴涂粉末基本特性進行概述，粉末的流動性和松裝密度受到粉末球化程度、粒度、表面粗糙度和粉末內部的孔洞等多種因素綜合影響；而粉末球化程度也化學成分有關，粉末內部孔洞受到制備工藝影響。

關鍵詞：熱噴涂粉末 粒度分布 流動性 松裝密度

中圖分類號：TQ174 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（b）-0066-02

熱噴涂是一種表面強化技術， 是通過某種熱源（等離子體、電弧、燃燒火焰等）將涂層材料（粉末或絲材）熔化形成熔滴，并利用高速氣流加速，令其噴射依次碰撞到基體材料表面，沉積形成涂層，從而使工件表面具有耐高溫、耐腐蝕、絕緣、導電、抗輻射、抗氧化等優良性能[1]。熱噴涂技術，尤其是等離子噴涂技術，在航空航天、機械電子、通信、化工等眾多領域受到廣泛應用。

熱噴涂粉末在熱噴涂過程中占據極其重要的地位。其制備方法多種多樣，目前，常用的熱噴涂粉末制備方法有：噴霧造粒法、球磨法、氣體霧化法、燒結破碎法、包覆法等[2]。不同的制備方法獲得的粉末形貌不同，性質不同，從而影響涂層的質量和性能。

1 熱噴涂粉末特性

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、穩定、均勻地輸送到噴涂的焰流中，從而保證沉積效率及穩定且均勻的涂層質量。因此，熱噴涂用粉末的形貌、粒度分布、流動性及松裝密度等粉末的基本特性，都會對熱噴涂涂層的沉積效率和涂層的性能造成一定影響。

1.1 粉末的顆粒形貌

熱噴涂粉末的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，粉體的固態流動性也越好。粉末本身的化學成分不同，球化程度也存在差異，但都應該保證噴涂的送粉過程能夠順利進行。表面特征則是指粉末表面顏色和光滑程度等。

常見的熱噴涂用合金粉末大部分是通過霧化法制得的，霧化制粉的方法和霧化制粉的工藝參數都會影響粉末的球化程度。通過霧化法制備的熱噴涂用金屬粉末，在顆粒內部有時會存在著大小不一的細小孔洞，有些孔洞完全封閉在顆粒內，而有些孔洞穿透至顆粒表面，當噴涂工藝不當時，將會直接影響涂層的質量[3]。通常采用光學金 相顯微鏡來觀察這一類孔洞，而顆粒的形狀和表面特征可以通過掃面電子顯微鏡來表征。

1.2 粉末的粒度分布

粉末的粒徑大小及粒度分布是粉末顆粒的重要物理性能之一，熱噴涂粉末的粒度大小及粒度范圍的選擇主要由噴涂工藝方法和噴涂工藝規范參數來確定。粉末粒度的測定方法有：篩分析法、圖像測量計算法、沉降分析法、X-光小角度衍射法、掃描電鏡法等，這些方法各具有其優缺點。而掃描電鏡由于其放大倍數方便調節、且可調節范圍寬，也常常被用來作為簡單的粉末粒度分析。

熱噴涂用粉末的粒徑范圍通常為50～150?m（-300目～+100目）。粉末的松裝密度、流動性和涂層的質量都會受到粉末的粒度范圍及其粒度級別組成的直接影響。朱暉朝[4]等分別用3種不同粒度（5～40?m、22.5～45?m、5～22.5?m）的氧化鋁粉末采用大氣等離子噴涂制備涂層，對涂層結構和性能進行檢測發現，22.5～45?m粉末和5～22.5?m粉末在焰流中具有較高的溫度和動能，涂層的結合強度和顯微硬度較5～40?m粉末高，且涂層的孔隙率較低，較大的孔隙少，此外，5～22.5?m粉末的沉積率最高，但涂層的生產效率較低，22.5～45?m的粉末沉積的涂層綜合性能好，生產效率較高。

1.3 粉末的流動性

流動性（Flow ability）是粉末的一項基本特性，是指粉末流動的難易程度。用一定量的粉末自由流過標準漏斗所需的時間來表征，單位為s/50g，用時越短，則表示流動性越好，反之則流動性越差[5]。流動性太差，在混合時容易粘附或團聚，導致難以混合均勻，但是流動性太好，容易與其他粉末分離，也不易混合均勻，即使混合均勻，在出料、裝粉、輸送等過程中，均容易導致分層，因此，粉末的流動性是生產工藝中必須考慮的一個重要性能。

粉末的流動性能受很多因素的影響，如粉末的顆粒形狀、尺寸、粗糙度、干濕度等。一般來說，粉末球形度越高流動性越好。粉末流動性還與顆粒間粘附作用有關，顆粒表面如果吸附氣體、水分或其他成形劑會降低影響粉末的流動性，而粉末流動性直接影響混合均勻性。此外，粉末流動性對噴涂工藝的送粉過程及噴涂效率也有一定的影響，粉末的顆粒大小越均勻，流動性越好，噴涂過程送粉通暢，粉末在噴涂火焰中受熱均勻，涂層組織越均勻，致密性越好，涂層與基體的結合強度越高。

1.4 粉末的松裝密度

粉末的松裝密度（Free holding density）是粉末的一種工藝性能。指粉體流經標準漏斗自由充滿規定容器后所測量得的堆積密度，用松散填裝狀態下單位體積粉末的質量（g/cm3）來表征。測量粉末松裝密度的常見方法有3種：漏斗法；振動漏斗法；斯柯特容量計法。對于在一定條件下能夠自由流動的粉末，一般采用漏斗法；對于難以自由流動的粉末，考慮采取另外兩種方法。

粉末的松裝密度受很多因素影響，例如：粉末的粒度組成、表面粗糙度、粉末顆粒內部的孔洞數量和大小以及粉末的球化程度等因素，因此它也會影響噴涂涂層的質量。通常來說，這些因素和粉末的制備方法和工藝條件有關。一般情況下，粉末的松裝密度會隨顆粒尺寸和顆粒球狀系數的增大而增大，隨顆粒表面粗糙度的增大而減小。郭永明[6]等分別采用團聚造粒法和燒結破碎法制備用于熱噴涂的WC-12Co粉末，團聚造粒的粉末球形度相對較好，疏松多孔，松裝密度較低，為4.5～5.1g/cm3，燒結破碎型顆粒呈多角塊狀，結構較為致密，松裝密度為6.3～6.8g/cm3。

2 結語

熱噴涂粉末材料經過幾十年的發展，制備方法和生產設備和不斷進步，熱噴涂粉末的質量得到提高，成本也有大幅度的下降[7]。無論是何種熱噴涂粉末，都應該盡量提高其球化程度、表面光滑度，使其粒度分布均勻，且具備較好的流動性和較高的松裝密度值。隨著熱噴涂技術的快速發展和廣泛應用，高質量熱噴涂粉末的需求量不斷增加，這也將帶動新型熱噴涂粉末制備技術的發展。

參考文獻

[1] 蔡宏圖，江濤，周勇.熱噴涂技術的研究現狀與發展趨勢[J].裝備制造技術，2014（6）：28-32.

[2] 郭雙全，馮云彪，葛昌純，等.熱噴涂粉末的制備技術[J].材料導報，2010，24（S2）：196-200.

[3] 程漢池，栗卓新，湯春天.噴霧造粒在熱噴涂中的應用研究[J].中國化工裝備，2005，7（4）：19-24.

[4] 朱暉朝，鄧春明，周克崧，等.不同氧化鋁粉末等離子噴涂氧化鋁涂層的性能[J].材料研究與應用，2009，3（3）：153-157.

[5] 中華人民共和國國家標準.GB/T1482-1984，金屬粉末流動性的測定標準漏斗法（霍爾流速計）[S].1984.

[6] 郭永明，王海軍，李緒強，等.WC-12Co粉末形態對其涂層組織性能的影響[J].熱噴涂技術，2011，3（3）：10-14.

[7] 于月光，曾克里，宋希劍，等.我國熱噴涂粉末材料的應用與發展現狀[J].機械工人，2005（9）：16-18.