熱噴涂涂層性能的最大潛能取決于熱噴涂材 料自身性能及其組織結構特征，因此，具有不同 成分與結構的噴涂材料的研發是制備滿足不同服 役應用要求涂層的物質基礎。影響涂層性能的粉 末參數主要有：成分、取決于制備方法的結構與 形貌、粉末粒度。盡管適合于特殊環境的新型熱 噴涂材料不斷出現，但基于迄今的開發與應用， 已經形成了幾類重要熱噴涂材料：金屬線材，Ni 基與 Co 基合金粉末，MCrAlY 粉末，硬質金屬 粉末，金屬陶瓷硬質合金粉末、陶瓷粉末、復合 粉末，自熔合金粉末等，國外廠商基本可以提供常規噴涂材料。

國內粉末生產廠家由于生產工藝 水平的不斷提高，和粉末粒度管理水平的上升， 大部分常用金屬粉末與 Co 基 WC 硬質合金粉末 的質量明顯提高，基本可以替代進口粉末。由于 涂層服役環境的復雜性，需要針對具體服役條件 通過對基礎材料體系合金化進行材料設計而發展 一些特殊粉末，如耐更高溫度的熱障涂層材料、 含氧量較低的小尺度金屬合金粉末（面向冷噴涂 與增材制造）、面向功能涂層制備的高純陶瓷粉末。 

冷噴涂經過近 20 年的研究，已經具備了應 用的基礎，但是由于冷噴涂高效沉積對金屬粉末 具有特殊的要求，包括顆粒尺寸小，粒度范圍小、 且粉末含氧量低，而國內尚沒有適用于冷噴涂的 粒徑小于 50μm 的商用金屬粉末，特別是鈦合 金與鎳基高溫合金粉末。針對冷噴涂，需要開發 的粉末包括高性能金屬陶瓷（如納米結構 WCCo）粉末的設計與制造、真空冷噴涂亞微米陶瓷 粉末的制造工藝、以及其他納米結構與非晶結構 粉末等。

其次，隨著液料熱噴涂與 PS-PVD 快速 發展，針對這類方法所需要的液料與特殊結構的 粉末的研究開發也將是熱噴涂材料領域挑戰性的 問題。 由于熱噴涂工藝的特點，涂層中存在一定量 的孔隙，而且沉積粒子之間僅存部分有限的結 合，使得涂層在承載力學載荷下服役時表現出使 用性能顯著低于同類鑄態塊體，而且在腐蝕環境 下腐蝕介質將通過孔隙達到涂層與基體界面發生 腐蝕，最終導致涂層過早失效。

針對這一特征， 在上世紀 50 年代研發了自熔合金涂層材料，使 得涂層經過火焰重熔處理后可以獲得與鐵基合金 基體形成冶金結合的、致密的、具有優異耐腐蝕 與耐磨損性能的 Ni 基、Fe 基與 Co 基涂層，滿 足許多重要場合的應用。然而，重熔處理需要將 涂層加熱至超過 1000oC 的高溫，許多場合因不 允許加熱或變形、以及結構尺寸問題無法使涂層 通過重熔后應用。Ni-Al 復合粉末具有基于其加 熱后的放熱反應提升溫度可增強與基體冶金結合 的自粘結效應，高熔點 Mo 與 W 等粉末粒子在 完全熔化狀態下噴射向鐵基或鎳基合金基體表面上時，也因在鋪展過程中熔化基體表面而呈現冶 金粘結效應。

因此，如何設計制備在噴涂粒子沉 積過程中即可形成冶金結合的具有自粘結效應的 粉末、以及可制備沉積態下腐蝕介質不滲透的致 密涂層用粉末，將是未來金屬粉末制造的挑戰之 一。近期西安交大發明了難熔金屬包覆鎳基或鐵 基粉末的復合粉末設計方法，通過等離子噴涂產 生超高溫熔滴，在隨后的碰撞鋪展過程中，引起 基體或同類材料涂層表面的微熔而形成顯著的冶 金結合，實現粘結與自粘結效應，采用氣罩等離 子噴涂制備了類塊體致密的高結合強度合金涂層 [34,35]。這意味著通過材料設計并結合工藝控制， 有望實現迄今尚未突破的粒子間充分結合的致密 涂層的制備。

如何賦予粉末在大氣氣氛中具有自 去氧化物清潔效應，制備純凈的金屬合金涂層， 是粉末設計與制備的另一挑戰性問題。 熱障涂層系列材料的開發面臨著巨大的機 遇。包括具有優越耐腐蝕抗氧化性能、分別面向 LPPS、HVOF、冷噴涂的 MCrAlY 材料與 NiAl 基粉末，高純度具有抗燒結性能的 6-8wt%Y2O3 穩定 ZrO2（8YSZ）粉末，面向下一代 TBC 的耐 高溫稀土氧化物陶瓷材料，如晶體結構穩定的稀 土氧化物La2Zr2O7、Gd2Zr2O7、摻雜改性YSZ等。 這一類材料隨著兩機的開發與應用，未來將產生 巨大需求。

除 YSZ 外，其他性能穩定的熱障陶 瓷涂層材料，尚難以找到給國內涂層制備單位供 應用于生產的耐高溫陶瓷粉末，而國外供應商目 前并不對國內提供面向下一代TBC的涂層材料。 針對半導體生產設備需求，對高純 Y2O3 粉末需 求也將不斷增加。

針對面向燃氣輪機封嚴的高孔隙率涂層制 備，如圖 13 所示 [36]，為滿足壓氣機到高溫透平 不同溫域的運行要求，需要一系列可磨耗封嚴涂 層材料。而如何結合適用于相應材料的工藝控制 制備滿足可磨耗需求的孔隙率大于 50%、且滿足 耐沖刷與沖蝕要求的金屬合金與陶瓷涂層也將面 臨巨大的挑戰。 

開發具有自粘結與環境自強化效應的熱噴涂 智能涂層材料也將具有挑戰性。Al 包 Ni 盡管通 過金屬間化合物的生成焓可呈現一定的自粘結效應，但其效果有待進一步開發。針對服役環境， 開發在對應環境下具有環境服役條件強化效應的 材料也將具有重要意義，如近年來的研究表明， 適用于高溫磨損的金屬間化合物材料、基于服役 環境可調控鈍化膜結構的耐腐蝕智能涂層材料、 滿足寬溫域的自潤滑減摩復合涂層材料、具有長 效超疏水耐腐蝕耐結霜結冰涂層材料等的開發， 將有助于進一步拓展熱噴涂技術的應用領域。

熱噴涂加工服務為高附加價值的加工技術， 如圖 2 所示，取決于熱噴涂工藝技術水平的熱噴 涂加工產值接近整個熱噴涂市場的 77%，因此， 根據不同服役要求確立相應的熱噴涂技術是推動 熱噴涂技術應用的基礎。熱噴涂的應用主要提供 耐磨損、耐腐蝕、耐高溫與隔熱等材料保護延壽 功能、與基于材料自身物理化學性能的功能，而 這些功能都是基于熱噴涂材料并結合特殊的組織 結構特征實現的，以下以主要使用性能與領域分 別說明技術現狀與面臨的主要問題。

4.1 熱噴涂工藝技術應用的關鍵問題

 熱噴涂涂層是通過一定速度的半熔或完全熔 融粒子依次碰撞基體、通過沿表面橫向流動變形 與快速冷卻凝固等基本過程在表面依次不斷堆積 而形成的。針對一定的材料，通過熱源加熱與加 速形成的粒子在碰撞基體前的基本參數有溫度、速度、顆粒尺寸與化學成分，這些參數的監控 是確保涂層具有組織與性能一致性的基礎。為保 證涂層具有足夠的結合強度，首先需要進行保持 基體表面清潔與一定粗糙度的預處理。

通常通過 噴砂粗化處理使涂層與基體間形成良好的機械結 合，為此，噴涂粒子通常碰撞在較高粗糙度的表 面，盡管較高速度的碰撞可提高鋪展熔融粒子的 變形能力而填充粗糙表面的低凹區域，但不完全 的填充以及遮擋效應不可避免殘留一定的孔隙。 

而另一方面，粒子碰撞沉積的暫短過程中經歷的 急速冷卻不能使液態熔融粒子與已凝固的粒子充 分潤濕而在界面形成完全結合，層疊粒子間存在 大量未結合界面。涂層孔隙率取決于噴涂方法與 工藝參數，大幅度提高粒子速度可顯著降低涂層 的孔隙率，但粒子間化學或冶金結合通常有限， 對于等離子噴涂陶瓷涂層的系統研究表明，平均 結合率小于表觀粒子間面積的三分之一 [37]，而 試驗與理論建模研究表明涂層的力學與熱學及電 學性能均受控于粒子層間的結合狀態 [38]。因此， 基于涂層性能與界面結合之間關系反推其他類傳 統工藝制備的熱噴涂涂層的粒子間結合率也與等 離子噴涂陶瓷涂層相當。

熱噴涂涂層呈現與其他加工方法得到的材料 完全不同的上述層狀組織結構特征，賦予了涂層 獨特的性能特征。由于基于孔隙結構的調控可以 滿足各種苛刻的服役需求，可以認為熱噴涂涂層 技術的有效應用依賴于涂層孔隙缺陷的控制。如 界面結合有限的多孔層狀結構特征賦予了陶瓷涂 層較低的熱導率與較高的熱應變緩和能力，使得 等離子噴涂陶瓷作為熱障涂層得到了廣泛應用， 又如在存在液態潤滑劑的條件下一定量的孔隙因 可存儲潤滑劑而具有減摩作用；作為人工骨植入 體表面涂層，增加孔隙率可改善人體骨的生長特 性及人體組織與植入體的結合特性。

另一方面， 這一結構特征又使得涂層表現出較低的力學性 能，如強度、彈性模量、斷裂韌性等均為鑄態塊 體的 1/10~1/3 水平，在需要承載較高載荷的應用 場合（如高應力磨損服役狀態），如何使涂層滿 足高性能服役要求成為確立工藝技術的挑戰。又 如，在耐腐蝕環境，腐蝕介質將沿孔隙達到涂層/ 基體界面發生腐蝕而致使涂層脫落失去保護作 用，因此，耐腐蝕材料涂層在應用時都需要進行 必要的封孔處理，或進行重熔處理，而另一方面， 如何在噴涂態即可達到腐蝕介質不滲入的致密涂 層制備或結構控制又是熱噴涂技術面臨的重要挑 戰。

 針對具有沉積粒子層間結合有限的多孔層狀 結構特征，近期研究表明，通過工藝控制與材料 設計可實現碰撞陶瓷液態熔融粒子與已沉積粒子 之間的結合的控制 [39]，如圖 14 所示，針對一定 熔點的材料，根據圖 14 給出的臨界結合溫度， 當在沉積溫度大于臨界溫度的條件下噴涂涂層 時，沉積的粒子層間將形成充分的結合，從而顯 著改善由粒子間結合控制的諸多涂層性能。為基 于這一結果改善粒子間結合，簡單將基體預熱至 臨界溫度以上是一種簡便的方法，但對于大工件 將難以實現，而采用合理的熱輸入快速加熱方法， 只要實現在熔融粒子束流達到基體表面前使表面 溫度，即沉積溫度達到臨界溫度，即可實現充分 結合的效應，因此，針對熔點較高的陶瓷材料， 如何通過工藝方法的發展確保臨界條件的實現也 將是挑戰性技術問題。

另一方面，依據圖 14 所 示結果，當材料的熔點低于約 1500℃時，其臨 界溫度將降至室溫以下，這意味著可以在室溫噴 涂沉積粒子間充分結合的陶瓷涂層。采用熔點約 為 1370℃的鈦酸鉀制備的陶瓷涂層的斷裂面形 貌如圖 15 所示 [40]，因粒子間結合充分而呈現與 傳統陶瓷涂層的層狀結構完全不同的特征，反而 與燒結致密陶瓷塊材相同，該結果對推動陶瓷涂 層應用的發展、拓展陶瓷涂層新的應用領域具有 重要意義。 

因此，熱噴涂涂層技術應用所面臨的關鍵問 題是：針對特定的服役條件所要求的服役性能， 需要通過噴涂材料與方法的選擇，且通過工藝優 化制備具有滿足服役要求的組織結構與性能的涂 層。針對傳統熱噴涂應用領域，主要面臨的問題 包括進一步提高涂層性能與長壽命要求的挑戰， 其次，基于戰略材料短缺與價格上升以及調控政 策引起的低成本壓力的挑戰。以下將簡述幾個典 型領域熱噴涂技術所面臨的挑戰。

4.2 主要涂層應用領域與挑戰及機遇 

4.2.1 耐磨損涂層的現狀與機遇 

統計表明磨損與腐蝕造成的損失，在發達國 家約占該國家 GDP 的 3%-5%，而發展中國家則 高達至 10%，由此引起零部件在加工與生產中性 能下降、最終失效。熱噴涂技術一直作為有效減 磨與防腐蝕技術的最重要方法得到應用。

作為耐磨涂層技術，從自熔合金涂層、Co 基 WC 硬質合 金涂層到氧化物陶瓷涂層，都已獲得廣泛應用。 然而應該周知，除自熔合金以外，其他材料的噴 涂態涂層，其耐磨損性能都低于同成分的鑄造塊 體材料，而且涂層的耐磨損性能隨載荷的大小會 發生顯著的變化 [41]。如 HVOF 鎳青銅涂層的耐沖 蝕性能在小能量沖蝕下基本與鑄造塊體相當，但 在高能量沖蝕下沖蝕速度則超過塊體的 3 倍 [42]。 

因此，研究開發高性能耐磨涂層制備技術提升涂 層耐磨損性能的空間依然很大。由于熱噴涂涂層 具有與其他加工方法制備的材料完全不同的組織 結構特征，如前所述呈現界面有限結合的多孔層 狀結構，扁平粒子具有獨特的快速冷卻凝固而引 起的細晶組織，這使得在低應力磨損條件下沉積 顆粒自身的特性影響涂層的耐磨性，而粒子之間 的結合狀態對涂層的磨損影響不大，但在高應力 磨損條件下，磨損過程中因界面有限結合引起的 粒子整體脫落帶來的材料損失影響將隨應力水平 的增加而嚴重。

然而，對于這一與塊體材料不同 的載荷磨損效應問題迄今并沒有得到重視，使得 耐磨涂層的設計與壽命預測缺乏系統的數據。由 于涂層的耐磨損性是磨損方式、磨損服役條件、 涂層成分與組織、涂層性能及其交互作用的復雜 函數，特別是粒子脫落引起的增磨效應，使得磨 損分析復雜化，眾多文獻報道的解釋甚至存在矛 盾 [43,44]。

針對熱噴涂耐磨涂層的研究得到一致認 可的共識主要有以下幾個方面。 

1) 與鑄態塊體相比，涂層的耐磨損性表現出 更顯著的載荷依賴性，即在小載荷下耐磨性能表 現出類似塊體的行為，而當載荷超過某一值時， 由于受粒子界面結合的影響使磨損量顯著增加為 塊體的數倍。

 2) 噴涂中脫碳有限的 HVOF 致密 Co 基 WC 涂層表現出優異的耐磨性能，在低應力載荷下耐 磨損性能隨 WC 顆粒尺寸的減小而增加，但 WC 顆粒尺寸受粘結相熔化后的溶解脫碳的限制，難 以顯著減小，即使低溫的 HVAF 可使用的最小 WC 不小于 0.5μm，因此，納米 WC-Co 硬質合 金涂層的潛力尚未通過熱噴涂發揮。高應力載荷 下 WC 基涂層的磨損速度顯著高于同類硬質合金塊材，通過高溫熱處理愈合粒子界面防止源于沿 界面開裂脫落可提高耐磨性，但脆性相的出現又 使得裂紋易沿粒子界面擴展 [45,46]。 

3) 涂層耐沖蝕、微動、疲勞磨損性能因受裂 紋沿粒子界面擴展的影響通常顯著低于同類鑄態 塊材，盡管沖蝕性能受沖蝕粒子入射角度的影響 顯著，陶瓷涂層表現出與塊體陶瓷類似的角度依 賴性，但金屬涂層在高角度下的磨損速度顯著高 于塊體。 

4) 對于粘著磨損，摩擦磨損行為顯著受到潤 滑材料的影響，包括存儲在涂層孔隙中的液體潤 滑劑或作為涂層一部分的固體潤滑劑。固體潤滑 劑可以通過粉末加入，也可以通過噴涂中原位氧 化形成；不同的固體潤滑劑存在一定的有效減摩 溫度范圍，因此，含多組元潤滑劑的涂層才可呈 現出寬溫域的減摩效應 [47-49]。 

5) 除粘著磨損以外，其他磨損受涂層粒子界 面的影響顯著，因此，只有自熔合金涂層、激光 重熔涂層或高溫熱處理涂層表現出與塊體類似的 磨損行為 [50]。 

考慮到熱噴涂耐磨涂層為重要的熱噴涂應用 之一，又是提高高端機械裝備可靠性與延長壽命 的重要的方法，而目前除自熔合金涂層外，噴涂 態涂層基本沒能完全發揮熱噴涂材料的潛力，其 潛能一般僅發揮出 1/10~1/3 的水平。因此，有必 要開展基于材料設計與粒子加熱控制的涂層制備 規律與闡明涂層組織結構、磨損條件與磨損效能 之間關系的基礎研究，解決主要關鍵挑戰性問題。 

首先，對于不同的磨損機制，深入系統研究 磨損條件、磨損行為、涂層組織結構與性能、磨 損速度之間的關系，建立系統的數據庫，不僅可 以合理解釋涂層的磨損行為，而且可有效實現基 于零部件使用壽命的涂層等壽命協調優化設計。 針對低應力磨損，納米結構涂層，包括納米 結構WC-Co涂層 [18]、陶瓷涂層[51]，具有巨大潛力， 冷噴涂與溫噴涂技術的發展為納米結構 WC 基高 性能涂層的制備提供了方法 [18,52]。如何真正通過 粉末材料設計與工藝開發，實現高性能納米結構 硬質合金涂層的高效低成本實用化制備仍然是挑 戰性的問題。

具有自潤滑修復能力的減摩涂層設計將賦予 涂層優越的長效耐磨損性能。針對寬溫域高溫自 潤滑減摩涂層，通過添加石墨、hBN、 納米陶瓷 顆 粒（ 如 Cr2O3, TiO2）、MoS2、Ag、BaF2 以 及 CaF2 等材料制備復合涂層，有望調控涂層使其具 有寬溫域減摩效應 [47-49,53]。如何通過復合粉末的 設計制備耐磨與減摩優越的涂層制備也需要從材 料設計到工藝技術開發的整體系統研究。 

4.2.2 耐腐蝕防護涂層技術的挑戰與機遇 

耐腐蝕涂層制備是熱噴涂技術的另一類重 要的應用領域。涂層的耐腐蝕性能取決于涂層的 化學成分及其均勻性、涂層的組織結構?；诓?料科學的發展，迄今已經發展了面向不同服役環 境的耐腐蝕材料，典型的材料包括常溫環境的 Zn 基與 Al 基合金、鎳基自熔合金、NiCr 合金、 MCrAlY 合金，以及其他具有在特定環境下具有 優越耐腐蝕性的金屬等。線材火焰噴涂或電弧噴 涂 Zn 基與 Al 基合金涂層并結合合適的封孔處理， 業已證明可以實現鋼結構的長效腐蝕防護。 

無論是基于犧牲陽極保護、還是基于耐腐蝕 材料自身的陰極保護，作為耐腐蝕涂層都需要涂 層阻止腐蝕介質通過涂層中的孔隙滲入涂層 / 基 體界面，因為界面腐蝕將導致涂層脫落而過早失 效。涂層的多孔結構特征使得即使采用 HVOF 或 爆炸噴涂制備的表觀非常致密的涂層也不能阻止 腐蝕介質長期浸泡中的滲入，因此，通常需要對 長效腐蝕防護熱噴涂涂層進行合適的封孔封孔效果隨孔隙率與孔隙尺寸的減小而變差，因 此，開發適合于不同溫度環境且對不同結構孔隙 實現有效封閉的有機或無機封孔劑材料依然是熱 噴涂長效耐腐蝕涂層應用面臨的挑戰。 

另一方面，通過材料并結合工藝的開發沉積 在噴涂態下不發生液態腐蝕介質浸滲的致密涂層 也是該領域的另一大的挑戰。最近的研究表明， 通過原位噴丸冷噴涂工藝的發展，已經可制備水 溶性腐蝕介質難以滲入的合金涂層（圖 8）[23,24]， 這將為耐腐蝕涂層的制備提供方法。其次，通過 難熔金屬包覆結構復合金屬粉末的設計，等離子 噴涂制備高結合強度的高韌性金屬合金涂層，再 通過后噴丸致密化處理，也有望制備腐蝕介質浸滲的鎳基或鐵基合金涂層 [34,35]。

通過研究發展 噴涂態具有阻止液態腐蝕介質浸滲能力的涂層制 備技術，將為許多化工容器的腐蝕防護提供方法， 拓展熱噴涂技術在化工領域的應用。因此，結合 化工領域與海洋裝備技術發展的要求，與腐蝕相 關的關鍵課題首先包括以 Al 合金、Ti 合金、NiCr 合金為材料，開展可阻止液態介質浸滲的噴涂態 致密涂層制備工藝基礎研究。 針對高溫腐蝕與氧化，Co 基或 Ni 基合金， 特別是 MCrAlY 合金具有優異的性能，通過 LPPS、HVOF 或冷噴涂減少制備中的材料氧化， 經適當的高溫處理即可愈合未結合界面而封閉涂 層中的貫通孔隙；即使不進行熱處理，高溫服役 環境引起的擴散也將產生服役原位強化效應。

熱噴涂耐腐蝕陶瓷材料涂層由于陶瓷扁平粒子內的 網狀裂紋與粒子間未結合界面構成網絡結構貫通 孔隙，不具備阻止腐蝕介質滲透的能力，需要制 備致密的耐腐蝕粘結打底層確保涂層的有效應用。 

近期的研究表明通過控制沉積溫度可以實現粒子 界面結合顯著改善的陶瓷涂層，有望為耐腐蝕陶 瓷涂層的制備提供方法。 智能耐腐蝕涂層材料與技術將是未來涂層開 發的另一類挑戰。

傳統熱噴涂涂層中不可避免存 在孔隙，除了發展基于封孔劑有效滲入而實現孔 隙封閉的封孔材料外，基于腐蝕產物主動填充封 閉孔隙而阻止腐蝕的進一步發生將是期待通過材 料開發實現的一種戰略 [54]。

其次，基于熱噴涂涂 層表面粗糙特征以及熱噴涂氣相沉積的微納階層 結構，發展多功能超疏水熱噴涂涂層的研究近年 來受到關注 [55,56]，由于該類涂層還具有自清潔、 抗結霜結冰等特性，基于超疏水涂層技術的發展， 通過阻止水溶性腐蝕液體的潤濕浸入有望成為耐 腐蝕涂層制備的新策略，但如何設計制備即使發 生表面磨損也可維持長效超疏水特性將是這類涂 層獲得應用的。

4.2.3 地面重型燃氣輪機與航空發動機涂層與挑戰 

如前所述北美與歐洲等發達國家中，地面重 型燃氣輪機與航空發動機涂層占據了熱噴涂應用 的主要市場（~60%），而在我國由于迄今不具備 高性能燃氣輪機發動機制造技術，因此，國內基本不具備大規模應用或經過實踐考核的用于高性 能燃機的可靠熱噴涂實用技術。

然而，國內許多 研究機構近年來開展了大量的具有重要指導意義 的基礎研究，積累了大量的基礎數據，隨著發動 機研發專項全面實施的牽引，與該領域相關的高 溫合金涂層、隔熱熱障涂層、可磨耗封嚴涂層等 制備技術的發展與應用將迎來巨大的機遇。

這將涉及以下幾個方面： 

1) 高可靠性與穩定性的熱噴涂系統的開發， 包括大氣等離子噴涂（層狀陶瓷涂層制備）， LPPS 兼用的 PS-PVD 系統的發展（LPPS 制備 MCrAlY 涂層，PS-PVD 制備柱狀結構涂層）， HVOF（低成本 MCrAlY 制備），冷噴涂（高性 能粘結層可控制備），SPS 或 SPPS（低成本柱狀 結構 TBC 制備）等，還包括噴涂過程檢測與監測 系統。 

2) 高性能噴涂材料的發展，包括適合于不同 工藝的高性能粘結層粉末材料、YSZ 基陶瓷粉末 材料、高溫下晶體結構穩定的耐高溫陶瓷粉末材 料，可磨耗封嚴系列材料以及其他相關材料，如 耐微動磨損材料等。盡管為滿足具體特殊項目的 研究開發任務，國內已開展了相關材料的開發， 但商業化批量生產粉末企業有待發展。 

3) 涂層設計與制備工藝技術的發展與確立。 熱障涂層技術屬于高性能發動機制造的關鍵技術 之一，國際上美國通用電氣、德國西門子、日本 三菱重工等公司都經過長期積累發展了熱噴涂熱 障涂層技術，已經得到廣泛應用。針對我國的現狀， 通過政產學研合作，研發發動機熱障涂層與環境 障涂層、封嚴涂層制備技術，將為未來發動機制 造提供保障。關鍵技術包括：粘結層成分、組織、 氧化與腐蝕行為的控制技術，陶瓷涂層孔隙結構 與高溫演變的控制，確保熱障涂層可靠穩定性的 設計基礎，涂層服役過程行為監測技術。為確立 可靠的涂層設計與制備及監控技術，在迄今研究 的基礎上需要開展深入系統的基礎研究以提供確 立相關技術與規范所需要的基礎數據。

4.2.4 交通運輸及汽車工業領域 

我國汽車產業近 30 年來依賴于技術引進與國 內巨大市場得到了飛速發展，先進的汽車制造工程無論是對創造高端就業機會，還是提高國家國 際競爭力都具有重要的影響。熱噴涂技術已在眾 多汽車零部件中獲得應用，如活塞環、氣缸、排 氣零部件、發電機罩、制動盤等，如排氣管采用 線材火焰噴涂 Al 涂層。涂層的應用可提高發動機 效率 6%-10%，減少單位公里耗油約 5%[1]。隨著 汽車輕量化的進程，鑄鋁硅合金或鎂合金氣缸的 應用成為汽車發展的方向，而這類氣缸則需要大 規模應用熱噴涂等表面強化技術。

汽車工業的特 點是大規模自動化批量生產高品質的產品，因此， 為適應汽車工業發展，針對特定的零部件，研究 低成本制造高品質產品的熱噴涂技術、并建立自 動化批量生產系統將是熱噴涂技術在汽車制造領 域獲得應用所面臨的挑戰。另一方面，高鐵網絡 的發展迫切需要確立國產高性能熱噴涂絕緣軸承 技術，而致密陶瓷涂層技術的確立為推廣應用等 離子噴涂絕緣軸承提供了可能。 

4.2.5 能源領域與能源轉換器件 

傳統火力發電依然是目前國內供應能源的主 要方式，除了風機等耐磨損涂層制備外，面向鍋 爐四管的長效耐高溫腐蝕與耐磨損涂層設計與制 備技術依然是需要發展的重要方向；高效循環流 化床燃煤鍋爐的推廣使用需要優越耐沖蝕性涂層 技術；基于生活垃圾焚燒與生物質燃料燃燒的發 電系統，因其高溫腐蝕環境的復雜性需要高性能 的耐多腐蝕介質的熱噴涂涂層技術。

清潔的水電 系統中，需要發展葉片表面的耐沖蝕與空蝕保護 涂層。 可再生新能源技術與高效化石燃料轉化技術 將是解決人類對不斷增長的能源需求與化石燃料 枯竭及環境污染問題的重要途徑。熱噴涂技術將 在新能源技術，如電解水制氫電極的制造 [57,58]、 熱電系統制造 [59]、固體氧化物燃料電池制造領域 [60] 具有潛在的廣闊的應用前景。

在發展風能、太 陽能、核能等清潔能源的同時，儲能技術發展顯 得非常迫切，而通過電解水制氫可為這類能源的 儲存提供解決方法。針對傳統標準化的金屬電極 材料，研究開發新型高效低過電位的電極材料、 同時發展制備大面積（>1 m2）的高比表面積的金 屬電極，依然是需要開發確立的技術?；跓釃?span style="margin:0px;padding:0px;outline:0px;max-width:100%;box-sizing:border-box;overflow-wrap:break-word !important;letter-spacing:0px;text-indent:0px;">涂工藝的特點，有望在金屬電極制備領域得到應 用。 

熱電技術有望將電站余熱與汽車排氣管的余 熱轉化為電能有效利用。迄今的熱電材料可利用 的溫差有限，為充分利用余熱，通常可采用不同 的熱電材料通過疊層設計實現高效轉化 [58]。傳統 的粉末冶金方法制造熱電系統時需要長時高溫燒 結，難以有效控制疊層界面結構，因此，難以實 現高效器件的制造。基于熱噴涂技術可成形多層 疊層結構的特點，熱噴涂制造熱電系統具有巨大 潛力，因此，面向熱電系統制造技術的研究與開 發也是熱噴涂領域具有重要意義的挑戰。 

固體氧化物電池（SOFC）與固體氧化物電解 池（SOEC）分別是將化石燃料或氫能高效轉化為 電能，或電能轉化為氫能的裝置。作為 SOFC，發 電效率超過 50%，與微型燃機制造聯合循環發電 系統，其效率可達到70%。熱噴涂技術基于其特點， 可以制備多孔陰極與陽極及匯流極，又可以制備 一定致密度的電解質與連接極，實現 SOFC 系統 的集成制造 [61]，成為低成本制造 SOFC 的方法而 受到關注。面臨的基礎研究與技術開發的關鍵問 題包括，分別面向電極與電解質的涂層組織結構 控制規律，針對電極涂層實現孔隙率與顆粒間結 合可控的制備技術，而針對電解質與連接材料則 需要發展完全致密的陶瓷與合金涂層制備技術。 

同時，發展大面積的致密薄電解質的制備技術對 于需要高能量密度的板塊結構 SOFC 的熱噴涂制 造也將是頗具挑戰性問題。 固體氧化物電解池（SOEC）是解決高溫發電 系統如核能或再生能源系統在能源需求不足時將 多余電能以氫能存儲的能源轉換裝置。利用的工 作原理與 SOFC 相反，可采用與 SOFC 相同的技 術制造，區別在于 SOFC 中的陰極與陽極分別為 SOEC 中的陽極與陰極。 

4.2.6 其他功能涂層與器件的熱噴涂制造機遇

 除上述面向換能器件的熱噴涂技術應用以外， 作為熱噴涂功能涂層，在電子與半導體制造領域， 醫療領域，各類傳感器制造領域都存在巨大的潛 力。典型應用涉及的材料包括：介電絕緣材料、 導電材料、電容器材料、導磁材料、超導電材料、半導體材料、吸波材料、發光材料、光催化材料等。 基于這類涂層材料具有的物理與化學性能發展高 性能低成本的器件制造技術，有利于節約資源， 拓展熱噴涂應用領域。 

熱噴涂技術業已用于醫療植入體人工骨與人 工關節的制造，典型材料包括多孔純鈦與鈦合金、 羥基磷灰石（HA）涂層。真空等離子噴涂孔隙率 約 30% 且孔隙尺寸達到 0.05mm 的厚度約 1mm 的多孔純鈦或 Ti6Al4V 鈦合金涂層，顆粒之間結 合良好，不與骨及生物組織發生反應，但為骨生 長提供了良好物理結合的基體。

LPPS 噴涂 HA 涂 層基于其良好的結晶性，制備于人工骨表面可促 進骨自身的生長 [62]。隨著我國老齡化進程引起的 一系列軟組織損傷、以及伴隨著生活水平提高而 對生活質量要求的提高，人工骨以及人工齒的移 植需求將大幅度增加，由此將提升熱噴涂應用在 植入體的市場用量。 鋁合金電熱炊具的應用推動著熱噴涂鐵基導 磁合金涂層應用技術的開發。各種電磁爐的低成 本制造將推動熱噴涂制備鐵基合金導磁涂層在電 炊具中的應用?；跓釃娡客繉颖砻娲植谔攸c而 發展的具有長效不沾效應的炊具制造也將進一步 拓展硬質涂層如鐵基合金涂層或陶瓷涂層的應用。 

增材制造技術作為未來滿足個性化設計與制 造、或航天航空特殊結構件制造需求的低成本方 法，近年來受到廣泛關注。上世紀 70 年代真空等 離子噴涂就已用于制造難熔金屬結構件，電弧噴 涂也用于大型模具原型的快速制造，冷噴涂也可 用以制造薄壁金屬結構件。熱噴涂的單件生產屬 性符合增材制造的個性化設計與制造特點。

針對 熱噴涂 / 冷噴涂增材制造，面臨的挑戰性關鍵問 題包括：基于基礎研究建立噴涂粒子沉積特性規 律及數據庫，為沉積體尺寸形狀控制提供依據； 無支撐體構件的噴涂沉積方法；噴涂態涂層成分 與組織結構優化策略；構件后熱處理組織與性能 優化。

                             結論 

熱噴涂技術經歷了約百年的發展，已形成了 包括設備、材料、制備工藝的系列技術體系，建立了設備、材料、涂層檢測等系列標準，主要以 賦予材料耐磨損、耐腐蝕、耐高溫隔熱等性能而 對不同苛刻服役環境的材料實施保護以實現延長 使用壽命的目的，廣泛用于航天航空、機械制造、 鋼鐵冶金、造紙、紡織、石油化工、汽車、能源、 醫療等眾多領域。 

國內關鍵涂層的制備一般采用進口等離子噴 涂、超音速火焰噴涂系統，因此，培育可生產性 能穩定可靠的噴涂設備以及噴涂過程監控設備的 民族企業依然任重道遠。 隨材料成本的降低，國內熱噴涂材料生產 廠商對粉末成分與粒度控制技術的開發與提高， 已具備了與國外廠商的競爭優勢，典型的耐磨 WC-Co 基硬質合金粉末基本可不依賴于進口。但 高純度與高質量涂層制備使用的粉末對國外廠商 的依賴度依然很大，滿足新型 PS-PVD、冷噴涂 等方法要求的粉末、電絕緣、耐等離子刻蝕、高 離子電導等高純粉末有待國內廠商開發。 我國的熱噴涂研究學術產出已經成為“世界 大國”，而相對于 GDP，市場產出僅為發達國家 的 1/3~1/2。

歐美熱噴涂市場中高性能燃氣發動機 制造中的應用占約 60%，因我國不具備高性能高 溫燃氣輪機制造技術，使得這部分市場屬于待開 發領域，為此，市場發展空間巨大。伴隨汽車輕 量化的鋁合金等輕質金屬缸體的應用為熱噴涂耐 磨缸體加工提供了應用領域，高鐵的推廣也迫切 需要國產高性能熱噴涂絕緣軸承技術。除了傳統 保護涂層外，可再生新能源技術的發展、資源節 約型產業轉型與發展、國民生活水平提升所伴隨 的高質量生活對人工植入體及高品質生活用品的 開發需要等，也將成為熱噴涂制備功能涂層的潛 在需求。再制造與增材制造技術帶來的機遇，也 將進一步推動熱噴涂技術的進步與發展。

隨著我 國制造技術的不斷發展，GDP 總量的不斷增加， 熱噴涂未來市場有望增加至目前的 3-5 倍，具有 巨大的發展空間。 熱噴涂涂層的服役性能依賴于涂層組織中的 孔隙結構，如何根據服役需求靈活地制備從孔隙 率超過 50% 到接近零的完全致密涂層，成為熱噴 涂技術應用的關鍵，另一方面，多孔結構涂層應用中所具有的不可修復特征使工藝一致性控制尤 為重要，因此，滿足按需設計與制備將成為未來 發揮熱噴涂涂層材料性能潛力與涂層結構的重要 方向。

文章來自于： CTSA熱噴涂技術平臺