1、熱噴涂涂層技術在汽車上的應用熱噴涂技術是表面工程領域內表面改性最有效的技術之一。它是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態，并以一定的速度噴射沉積到經過預處理的基體表面形成涂層的方法。選擇不同性能的涂層材料和不同的工藝方法，可制備減磨耐磨、耐腐蝕、抗高溫氧化、熱障功能、催化功能、電磁屏蔽吸收、導電絕緣、遠紅外輻射等功能涂層。涂層材料幾乎涉及到所有固態工程材料，包括金屬、金屬合金、陶瓷及它們的復合材料和其他非金屬無機材料，廣泛應用于汽車、生物、化工等領域。熱噴涂可提供各種性能的涂層，用在汽車上可以提高汽車的性能，減少汽車零部件的磨損并延長使用壽命，因此廣泛應用于汽車制造及維修業中。1.熱噴涂方

2、法及特點1.1火焰噴涂火焰噴涂是采用可燃性氣體的燃燒作為熱源，將金屬絲材或粉末熔融、霧化，吹噴于基體表面的方法。由于燃燒氣體的溫度的限制，噴涂材料的熔點一般低于2500。因此在工業中被廣泛應用。隨著超音速火焰噴涂技術的開發，其噴射速度高達音速的兩倍，熔融粒子的速度高達400ms，約為普通火焰噴涂的4倍和等離子的2倍。故涂層更為致密，結合強度大，另外這種方法有沉積率高，涂層性能穩定，特別適合于噴涂碳化物涂層，非常適宜在專用汽車中的應用。1.2電弧噴涂電弧噴涂是利用兩根連續送進的金屬絲之間產生的電弧作熱源來熔化金屬，用壓縮空氣把熔化的金屬霧化，并對霧化的金屬細滴加速使之噴向工件形成涂層的技術。電弧

3、噴涂技術與其他熱噴涂方法相比，其特點是：結合強度高；生產效率高，成本低；安全性好，噴涂質量穩定，能源利用率高。圖l所示為電弧噴涂的原理示意圖。此項技術可賦予工件表面優異的耐磨、防腐、防滑、耐高溫等性能，在機械制造、電力電子和修復領域中得到廣泛的應用。電弧噴涂技術具有以下優點：(1)生產率相對較高：電弧噴涂的生產率與電流成正比，一般相當于火焰噴涂的4倍；(2)涂層結合強度高；(3)涂層質量易于保證；(4)能源利用率高，能耗低；(5)可以方便地獲得“偽合金”涂層：當使用兩種不同材料的噴涂絲材時，獲得的是兩種材料的粒子緊密結合的“偽合金”涂層，涂層中還存在少量的合金與金屬間化合物；由于兼有兩者的性能

4、，因此“偽合金”涂層的性能較好；(6)設備造價低，使用維護方便：電弧噴涂的設備簡單，體積小，重量輕，設備移動方便。不需要瓶裝氣體、燃料，沒有水冷系統，且工作環境要求低，可以長時間在惡劣環境下工作。傳統的電弧噴涂技術，由于噴涂粒子速度低涂層受到嚴重氧化，使涂層質量和應用受到一定的限制。而高速活性電弧噴涂采用高壓氣流或燃料燃燒所產生的高速射流霧化噴涂材料熔滴，可以提高電弧穩定性，使噴涂粒子顯著加速，減少粒子與空氣的接觸時間，達到減少涂層氧化，顯著提高涂層質量的目的。資料表明，高速電弧噴涂在距噴槍噴嘴端面軸向距離80mm范圍內，氣流速度可達到600ms，金屬熔滴的霧化效果顯著提高，涂層粒徑僅為傳統電

5、弧噴涂粒徑的1318，涂層結合強度是電弧噴涂的15倍22倍，涂層孔隙率不大于2%。1.3爆炸噴涂爆炸噴涂是利用氣體爆炸產生的高能量，將噴涂粉末加熱、加速，使粉末顆粒以較高的溫度和速度轟擊工件表面而形成涂層。噴涂時，先將一定壓力、比例的氧氣和乙炔由進氣口通入水冷噴槍內腔，然后由供粉口送入粉末，接著火花塞點火，氧氣和乙炔的混合氣體燃燒并爆炸，產生高溫高速氣流，將粉末加熱，并以高速(超過音速約3倍)撞擊到基材表面，形成涂層，然后通入氮氣清理槍管，為下一次噴涂做準備。如此重復進行。爆炸噴涂涂層與基體結合強度可達100MPa以上、涂層致密、孔隙率小于1。工件熱損傷小。涂層均勻、厚度易控制。涂層硬度高、耐

6、磨性好。爆炸噴涂可用微機控制，易于實現自動化。1.4等離子噴涂等離子噴涂是采用非轉移型等離子弧為熱源，噴涂材料為粉末的熱噴涂方法。利用電流電弧放電，把高溫加熱的氬氣、氮氣、氦氣等氣體部分電離成離子束，在電弧放電部位四周強制流過的低溫氣體，產生收縮效應，使電弧放電部位斷面縮小，導致能量密度和電流密度升高，最高溫度可達200O0。由于等離子噴涂溫度高，氣體可控制，可以用來噴涂各類高熔點的金屬、氧化物和其他各種陶瓷材料。最近10年開發的真空等離子噴涂設備，不僅使涂層的品種擴大，質量提高，而且可以進行新材料的合成和材料表面改性。近幾十年來等離子噴涂技術發展很快，目前已開發出真空等離子噴涂、可控氣氛等離

7、子噴涂、溶液等離子噴涂和超音速等離子噴涂。2.0 熱噴涂技術在汽車工業中的應用2.1 在汽車制造業上的應用在汽車發動機上，活塞環要承受氣缸中高溫、高壓燃氣的作用，在高速及潤滑困難的條件下因磨損壽命很短，所以對活塞環材料除了具有高的強度及沖擊韌性外，還要耐熱、耐磨。對活塞環的合金鋼、鑄鐵、不銹鋼基體采用HVOF工藝，噴涂上Cr3C2NiCr涂層，可以提高活塞環的耐磨性；采用等離子噴涂對氣缸孔噴涂鉬合金，可以提高氣缸的耐腐蝕、耐磨及耐高溫性能；鋁合金氣門挺桿上采用電弧噴涂優質碳素鋼涂層可以減輕挺桿質量并減少磨損；此外，對噴油嘴、傳感器、氣門、曲軸等噴涂鉬、金屬陶瓷、陶瓷和合金涂層可提高該零部件使用

8、壽命3倍5倍。在汽車變速箱上，換檔同步環，依靠摩擦作用實現同步，噴涂上一層鋁鉬合金后，可使齒輪工作時具有自鎖緊功能，保證行車安全、平穩；換檔撥叉對變速箱換檔操縱性能、可靠性及其壽命影響很大，因此，在產品設計中，對撥叉的工作面進行Cu-A1和NiAl熱噴涂處理，就可以提高撥叉的耐磨性、潤滑性和疲勞強度。在汽車制動系統中，在鋼基體上噴涂氧化鋯可以作為剎車盤材料，可以提高剎車盤的耐磨性。在車身成型過程中，在車頂與車前面板焊縫處會產生一凹陷區，以前彌補這一缺陷的方法是將多余的焊料打磨掉，因而降低了焊縫的強度?，F在已開始采用電弧噴涂硅青銅的方法來添補這一接縫區，這樣既美化了車身外觀，又增強了焊縫強度。在

9、汽車電器及控制裝置上，氧傳感器用于檢測排氣中氧的含量，傳感器探頭需要承受高溫并且耐腐蝕，對鉑和氧化鋯基體采用等離子噴涂上含Al2O3-MgO陶瓷涂層，可保護傳感器探頭，對燃油噴射進行更加精確的閉環控制，從而減少燃油消耗并降低汽車排放；在點火系統中，對分電器轉子的鋼基體采用等離子噴涂上A1203-Ti02陶瓷涂層，可以降低分電器噪音；在鋁合金基體上噴涂Fe3O4涂層，作為磁性傳感材料用于轉矩傳感器上。2.2在汽車維修過程中的應用在汽車行駛過程中因磨損而失效的零部件可以采用熱噴涂技術將尺寸恢復到原始尺寸并進行加工處理，這樣在不降低使用性能的條件下，可以減少維修成本。載重汽車發動機負荷大，工作時主軸

10、瓦與主軸承座孔內表面沿圓周方向相對運動，導致軸承瓦背和座孔磨損，其圓度、圓柱度誤差超差，嚴重時，還會發生“抱軸”故障，使缸體報廢。對這種情況，可以對磨損量較大的軸承座孔采用熱噴涂工藝，通過加工使之恢復到標準尺寸。對于氣缸、活塞、曲軸等運動部件因磨損產生的失效，都可以采用熱噴涂方法來修復。如對因磨損而失效的汽車齒輪軸，采用G314鐵基合金粉作為噴涂材料進行等離子噴涂，修復后可完全達到原來的質量要求，延長了使用壽命，具有明顯的經濟效益。3.0 汽車上常用涂層簡介3.1Zn(-R)涂層隨著全球環保法規越來越嚴格的要求、汽車制造技術的提高及汽車使用壽命的延長，現代汽車制造企業對汽車零部件防護性鍍涂層的

11、耐腐蝕性能提出了越來越嚴格要求的同時又對鍍層提出了耐熱性能、摩擦系數的要求，以適應現代汽車發動機的工況環境及滿足現代汽車裝配技術發展的需要，具體要求和指標見表1。目標：功能性防腐12年，裝飾性防腐6年。鍍鋅鈍化是汽車零件最常見的防護性處理工藝，然而由于鋅的電位較負，鍍鋅層作為陽極鍍層會很快遭到腐蝕，進而發生基體材料的腐蝕。因此鍍鋅工藝已跟不上現代汽車嚴酷的使用環境與苛刻的質量要求。一批耐蝕性能更好，而且具有耐熱、低氫脆性、良好加工性能的鋅合金鍍層如鍍ZnNi、ZnFe、ZnTi、ZnCo、ZnSn等合金鍍層在現代汽車上獲得應用。ZnAl、ZnMg合金鍍層的耐腐蝕性能更加優良，作為汽車鋼板的鍍層

12、正在研究開發中。表4(數據來源同表1)列出鋅合金鍍層極其優良的耐腐蝕性能(在外部環境中暴露4年)表 汽車使用環境測試結果表 汽車用鋅鋁圖層的性能要求Zn-Al噴涂ZnA1合金涂層主要集中在Zn15wtA1合會涂層上。因為當Al含量大于15時，材料將變硬變脆致使材料不易拉拔成絲材，因此鋁含量的提高十分困難。Zn-15A1合會涂層兼具純Zn、純Al涂層優異性能、又相互補充了各自技術的缺陷，因此，綜合了Zn、A1涂層各自的性能優點。首先，Zn能夠為涂層提供有效的電化學活性，使涂層具有優異陰極保護性能，其次，Al在噴涂時能夠形成A12O3強化涂層，從而使其耐磨性和抗蝕性都就明顯提高。Zn15wtA1合

13、金涂層電化學性質在靜特性與相似電位方面接近Zn，在動特性方面與Al相似，腐蝕速率與Al相近，其綜合性能要明顯優于純Zn、純Al涂層。另外，鋅鋁合會絲材在熱噴涂時，與純鋅絲噴涂時相比，噴涂過程穩定，不易產生有毒煙霧，生產環境友好。因此，近年來獲得了廣泛的應用。Zn-A1-Mg涂層和Zn-Al-Mg-Re涂層為了進一步提高涂層的耐蝕性能，研究者在噴涂材料中添加了少量的Mg或者Mg+Re元素，并通過噴涂不同材料的絲材或噴涂粉芯絲材的方法獲得相應的Zn-Al-Mg涂層或者Zn-AlMg-Re涂層。對于Zn-A1-Mg涂層來說，Mg元素在涂層中的作用是形成尖晶石氧化膜以改善涂層中Al的陰極保護作用，且A

14、l-Mg薄層具有一定的自封閉能力。Zn-Al-Mg系列合金涂層也展開了研究，徐濱士等采用高速電弧噴涂粉芯絲材技術制備了不同Al、Mg含量的Zn-A1-Mg系列合金涂層，并通過鹽霧腐蝕試驗和電化學腐蝕試驗研究了Al、Mg對涂層耐腐蝕性能的影響。對于Zn-Al-Mg-Re涂層來說，RE元素的主要作用是細化霧化熔滴的尺寸，改善噴涂霧化效果。試驗表明RE加入后涂層中扁平顆粒厚度明顯變薄，噴涂層的孔隙率明顯較小，涂層的抗腐蝕性能有所提高。3.2納米結構金屬陶瓷涂層 納米結構金屬陶瓷涂層就是采用噴涂技術，在金屬基體上制備具有金屬和陶瓷優點的納米結構的金屬陶瓷涂層，使材料具有更加優異的性能。它的特點是能有機

15、地把金屬材料的強韌性、易加工性等和陶瓷材料的耐高溫、耐磨和耐腐蝕等特性結合起來。而且涂層的可加工性好，涂層損壞后可再進行噴涂。噴涂涂層技術的應用領域十分廣泛，主要有： 1)熱障涂層。對于承受溫度高達1100 的燃氣輪機部件，已超過了鎳基高溫合金使用的溫度極限(1075)，有效的解決辦法是涂敷絕熱性好的高熔點金屬陶瓷涂層，稱熱障涂層。熱障涂層主要用于航空、艦船及陸用燃氣輪機的受熱部件以及民用內燃機、增壓渦輪、冶金工業用噴氧槍等器件。 2)抗高溫黏著磨損涂層。熱處理爐輥、支承輥、燒結爐輥等高溫輥子多在8001 200高溫下運行，采用噴涂技術，在高溫爐輥表面噴涂金屬陶瓷涂層，具有良好的耐高溫、抗氧化

16、、抗黏著、防節瘤和自清理凈化功能，既可顯著提高爐輥使用壽命，又能生產表面光潔質量優良的鋼材。 3)耐磨損耐腐蝕涂層?；S用高壓往復式計量泵柱塞，采用噴涂Al2O3，一TiO2復合涂層代替傳統的鍍鉻工藝，其使用壽命提高了6倍。在低應力滑動磨損和磨蝕工況下，幾乎所有原有鍍鉻的制品都可以用熱噴陶瓷涂層代替。3.2.1 納米陶瓷涂層在活塞環上的應用 如果說內燃機的質量好壞、性能優劣及科技含量的高低影響和制約了汽車工業的發展，那么，完全有理由相信：內燃機活塞環技術的發展同樣深刻地影響著內燃機的生存與發展。在往復式內燃機中，活塞環既是運動件，又是密封件?；钊h要在高速的往復運動狀態下，在高溫、高壓燃氣的

17、作用下完成對汽缸壁的密封作用?；钊h與汽缸這對摩擦副的耐磨性能至關重要，它直接影響到內燃機的使用壽命、可靠性和效率。發動機工作時，活塞及活塞環在汽缸內做高速往復直線運動，并通過機油所形成的油膜與汽缸內壁緊密接觸。在正常情況下，由于油膜的隔離和緩沖作用，活塞及活塞環并不與汽缸直接接觸，但是，在某些特定的情況下，兩者會直接接觸，發生滑動摩擦，并產生大量的熱量 ，若散熱條件得不到有效改善，可能會融化活塞、活塞環或汽缸內壁金屬表面，使滑動摩擦面融合在一起，在活塞的高速運動中產生縱向拉痕，嚴重時兩者抱死，即發生所謂的拉缸現象 。 為了提高汽缸和活塞環之間的耐磨性和活塞環的耐熱性，通常采用的方法是將活塞環

18、進行鍍鉻處理以及對汽缸表面進行滲氮處理。而采用等離子噴涂納米結構金屬陶瓷涂層工藝，在活塞環的表面涂上一定厚度的納米結構的金屬陶瓷涂層可以提高活塞環的耐磨、耐熱性。由于納米材料和陶瓷材料均具有特殊的性能，因此，噴涂了這種涂層的活塞環，即使內燃機在長時間過熱的情況下工作也不會出現環被“燒傷”的現象，而且活塞環的工作表面仍保持良好潤滑狀況 。 3.2.2納米陶瓷涂層在曲軸軸瓦上的應用 發動機曲軸與軸瓦之間是滑動摩擦。柴油機軸瓦的理想工作狀態是處于完全液體潤滑狀態，即軸瓦與軸頸表面被一層油膜完全隔開而不直接接觸。軸瓦失效的直接原因是潤滑不足或油膜間隙被破壞。潤滑不足會導致潤滑局部惡化或短期沒有潤滑油，

19、當嚴重不足或持續時間長時，軸承表面溫度顯著上升。隨著溫度升高，軸瓦和軸頸產生膨脹和變形，二者的間隙逐漸減小，導致金屬與金屬接觸的嚴重程度提高，軸頸中的潤滑油發生燃燒，使得溫度在原來的基礎上進一步升高。然后發生粘結、撕裂軸承表面或使軸承在軸承孔中旋轉，嚴重時會發生上下瓦重疊，使曲軸和軸承孔損壞。為了提高軸瓦的耐磨性、耐熱性，采用在軸瓦內測表面噴涂一層耐摩擦、耐高溫的納米結構金屬陶瓷涂層，可以使耐磨性提高數倍甚至數1O倍。正是由于納米材料的加入，在使涂層致密化的同時，又起到了增韌補強的作用，這是涂層耐磨性能得以提高的根本所在。同時，納米材料和金屬陶瓷材料自身所具有的耐高溫性能，降低了曲軸和軸瓦之間

20、的干摩擦，使損失減小到最低限度。 3.2.3 納米陶瓷涂層在離合器摩擦面片上的應用汽車離合器靠摩擦來傳遞動力。當汽車行駛時，離合器的主動部件和從動盤相互壓緊而一起旋轉，但在起步、換檔過程中，主、從動件之間相對摩擦，從動盤摩擦片發熱并發生磨損。離合器的使用壽命主要取決于其從動盤摩擦片的耐磨性 J。通常汽車離合器從動盤摩擦片采用樹脂基石棉材料做成。在160以上樹脂片自身及其對偶件的磨損量都急劇增大，而金屬陶瓷片在250以上仍保持很好的耐磨性，其對偶的磨損也很小。另一方面，金屬陶瓷摩擦材料對鑄鐵的摩擦系數要比樹脂石棉片對鑄鐵的摩擦系數高一些，因此用金屬陶瓷摩擦片的離合器在同一夾緊載荷下，能比采用樹脂

21、片的離合器提供更大的摩擦力矩，亦即在保證相同的扭矩容量下所用的夾緊載荷可減小125，從而使離合器接合更柔和， 在相同夾緊力下扭矩可提高28以上。另外，還可以在離合器摩擦片表面噴涂一層納米結構金屬陶瓷涂層材料，可以進一步增強其耐磨性和耐熱性能，提高了離合器摩擦片的使用壽命3.3 WC-Co涂層熱噴涂WC-Co涂層具有較高硬度和耐磨性，廣泛地應用于提高基體金屬耐磨性的許多領域。WC,Co基合金中，WC是彌散硬質相Co是粘結劑，把wc彌散硬質相顆粒粘結在一起，隨著Cc含量的增加，合金耐磨性提高。因此廣泛應用于汽車領域的的耐磨性構件，如活塞環，曲軸等。目前制備WCCo涂層的熱噴涂方法主要有等離子噴涂(

22、APS)、爆炸噴涂(DGun)、冷噴涂(ColdSpray)及超音速火焰噴涂(HVOF)四種方法。等離子噴涂技術的顯著特點是等離子體射流溫度高，由于等離子焰流溫度過高(>10000)，速度較低，因此在制備WC-Co涂層時WC顆粒會因高溫及在等離子射流中停留時間長，導致過熱、氧化、脫碳及燒結，從影響涂層的耐磨性，致使等離子噴涂在制備WC-Co涂層方面的應用受到了限制。爆炸噴涂制備的WC-Co涂層，結合強度是等離子噴涂的2倍以上，涂層硬度比等離子噴涂高50以上，涂層孔隙率可低于05，因此它發明以來就是制備WC-Co涂層的主要工藝方法，其不足之處是噴涂成本高，生產效率低。冷噴涂技術的出現，為W

23、C-Co涂層的制備提供了另一種可選擇的制備方法。對于WC-Co涂層，冷噴涂可以有效避免其它噴 涂方法帶來的WC的分解問題。但是由于冷噴涂是在溫度低于熔點的環境中進行，沉積過程是依靠WC-Co粒子的塑性變形來進行的，噴涂中WC-Co粒子變形能力有限，使得WC-Co涂層難以實現高效沉積，這種工藝方法目前仍在不斷發展及完善。超音速火焰(High Velocity OxyFuel，簡稱HVOF)噴涂技術是20世紀80年代發展起來的一種高速火焰噴涂工藝，其突出的特點是火焰速度高，可達2000ms以上，溫度較等離子噴涂低，約為3000，可有效防止噴涂過程中粒子的過度氧化，特別適合噴涂加熱后易于分解的WC-

24、Co金屬陶瓷材料。HVOF噴涂優異的低溫、高速特性使WC-Co金屬陶瓷涂層保持良好的組織結構，涂層具有結合強度高，致密性好，耐磨性能優越等優點。由于 HVOF噴涂的WC-Co涂層質量與爆炸噴涂的質量相當，并且HVOF噴涂成本相對爆炸噴涂低，噴涂效率高，因此HVOF工藝出現后快速地取代了爆炸噴涂。HVOF工藝發展迅速，根據使用燃料及助燃劑種類的不同，目前已有Jet Kote、JP5000、DiamondJet、HVAF、ACHVAF等不同種類的超音速火焰噴涂方法可供選擇，因此擴大了WC-Co涂層制備時噴涂方法及參數的選擇范圍 3.4 鉬涂層鉬的外觀似鋼，具有銀灰光澤，比重為1022，它對酸、堿和熔融金屬有很高的抗蝕能力。鉬硬而且堅韌，既有很高的硬度，又有一定的塑性，還具有很高