通過特定的工藝在基材表面形成特定的涂層，可以有效改善材料的表面性能，與之相關的技術包括氣相沉積、電化學沉積、高能束表面處理和熱噴涂等，其中熱噴涂是用專用設備把某種固體物質加熱熔化或軟化并加速噴射到工件表面，形成一種覆蓋物薄層（涂層）以獲所需性能的工藝方法。

熱噴涂實例（等離子噴涂，來源：laserax）

熱噴涂所用材料種類繁多，諸如金屬、合金、陶瓷等均可作為噴涂材料， 陶瓷氧化物中，氧化鋁是用量大、用途廣的品種之一。氧化鋁因具有熔點高，硬度大，化學性質穩定，有較好的絕緣性等特性，其涂層被廣泛應用于耐磨，耐蝕，耐高溫，絕緣等相關領域。

一、熱噴涂的基本原理

熱噴涂技術是采用氣體、液體燃料或電弧、等離子弧、激光等作熱源，使合金、陶瓷、氧化物、碳化物以及它們的復合材料等噴涂材料（絲狀、棒狀、粉末）加熱到熔化或半熔化狀態，通過高速氣流使其霧化，然后噴射、沉積到經過預處理的工件表面，從而形成附著牢固的表面層的加工方法。熱噴涂工藝示意圖如下：

熱噴涂工藝示意圖

熱噴涂技術工藝方法很多，各有特點，無論何種工藝方法，噴涂過程中形成涂層的原理和涂層結構基本一致。熱噴涂形成涂層的過程一般經歷四個階段：噴涂材料加熱熔化階段、霧化階段、飛行階段、碰撞沉積階段。

熱噴涂碰撞沉積示意圖

二、氧化鋁的熱噴涂方式

熱噴涂技術的核心是對熱噴涂材料進行加熱使之熔化或半熔化并加速沉積到經過預處理的工件表面形成涂層，因此，熱源的應用和控制對熱涂過程至關重要。目前熱噴涂采用的熱源主要有氣（液）體燃燒火焰、電弧和等離子弧等，如下是常見的熱噴涂技術分類。

常用的熱噴涂技術分類

不過熱噴涂種類雖多，但由于本身設備的限制，很多熱噴涂技術并不能用于氧化鋁陶瓷涂層的制備。目前較為常用的熱噴涂氧化鋁方式主要有兩種，一個是具有高熱源（15000 K） 的等離子噴涂，另一個則是具有高焰流速度（500~700m/s）的爆炸噴涂。

1、等離子噴涂

等離子體被稱為除氣、液、固態外的第四態，即在高溫下電離了的“氣體”，在這種“氣體”中正離子和電子的密度大致相等，故稱為等離子體。等離子噴涂技術是以等離子焰流（即非轉移型等離子弧）為熱源制備涂層的工藝方法。

等離子噴涂的原理如下圖所示，等離子噴涂時噴嘴（陽極）與噴槍（陰極）分別與直流電源的正負極相連，陰極與陽極產生的非轉移型等離子弧將Ar、N₂等工作氣體加熱解離成高溫等離子氣，在機械壓縮、熱壓縮和自磁壓縮的共同作用下，從噴嘴高速(1000~2000m/s)噴出,形成高速的等離子焰流；噴涂粉末被送粉氣輸送到噴嘴處的焰流中，熔化并以大于150m/s的速度噴射到基體上，層層堆疊形成涂層。

等離子噴涂原理示意圖

等離子噴涂的焰流溫度很高，適合于高熔點材料如氧化物的噴涂，主要用于制備耐磨減摩用化鉻涂層、耐磨用氧化鋁涂層、隔熱用熱障涂層等陶瓷涂層。

2、爆炸噴涂

爆炸噴涂是將一定量的噴涂粉末注入噴槍的同時，引入一定量的按一定比例配制的氧-乙炔混合氣體，將混合氣體點燃產生爆炸能量（溫度可高達3300℃），使粉末加熱到高塑性或熔融狀態，以每秒4~8次的頻率高速（可達700-760m/s）撞擊工件表面形成高結合強度和高致密度的涂層，每爆炸噴射一次，隨即有一股脈沖氮氣流清洗槍管。爆炸噴涂的最大特點是涂層非常致密，氣孔率很低，與基體結合性強，表面平整，可噴涂金屬陶瓷、氧化物及特種金屬合金。

爆炸噴涂原理示意圖

爆炸噴涂因其涂層的質量高，受到了各行業廣泛的認同和歡迎。目前爆炸噴涂已在能源工業、汽車工業、紡織工業、鋼鐵工業及造紙行業等部門內得到了快速的發展和應用，較成功的涂層主要是耐磨涂層，主要有碳化鎢(WC)涂層、碳化鉻涂層、氧化鋁涂層、碳化鈦涂層等。

參考資料：

[1] 吳子健，吳朝軍，曾克里，王全勝編. 現代熱噴涂技術[M]. 北京：機械工業出版社, 2018.01.

[2] 孫明磊.爆炸噴涂Al2O3復合涂層的制備及其摩擦學性能研究[D].蘭州理工大學，2023

[3] 趙運才，何揚著. 《高溫超聲深滾噴涂金屬陶瓷涂層的組織結構及其摩擦學性能》2024

編輯整理：粉體圈Alpha