熱噴塗塗料市場增長強勁 亞太地區潛力無限

導讀：熱噴塗工藝主要是塗層材料在熔融及半熔融狀態下在基材上形成塗膜的過程。該塗裝工藝能在基材上形成緻密塗膜，賦予基材良好的耐熱性、防腐蝕性及耐磨等性能。研究指出，熱噴塗塗料廣泛應用於汽車業和航空業等領域，而且預計未來幾年其發展勢頭強勁。

圖1 渦扇發動機上需進行熱噴塗塗層的典型部位

據前瞻資料庫數據顯示，2016年全球熱噴塗塗料市場規模達到85.3億美元，到2022年，該市場規模將達到136.1億美元，期間的年複合增長率高達8.1%。

從應用領域看，航空業是全球熱噴塗塗料最大的應用領域之一，約佔整體市場份額的32%以上。尤其在北美和亞太地區的航空業投資力度不斷加大、發展迅速的背景下，預計未來幾年熱噴塗塗料在這一市場增速將非常明顯。

另外，工業燃氣輪機是熱噴塗塗料第二大應用領域，隨著船舶，火車，坦克，直升飛機和摩托車等應用範圍的不斷擴大，預計在未來的一段時間內需求將會增長，而且預計增速最快。值得注意的是，熱噴塗塗料在汽車業的消費需求相對平緩。

亞太地區的市場潛力將可能成為未來幾年熱噴塗塗料市場發揮的突破點。目前亞太地區是熱噴塗塗料發展最快的市場區域，尤其是該地區的中國、日本和印度的製造業發展迅猛，促進了熱噴塗塗料的需求增加。另外，外資不斷湧入、利好政策實施等因素將進一步刺激熱噴塗塗料在工業燃氣輪機、航空業等領域的消費需求。

圖2 等離子噴塗發動機葉片表面熱障塗層

要實現航空發動機在高推重比和高效能上的重大突破，就必須提高發動機中燃氣溫度，這必然造成高壓渦輪熱端部件表面溫度的大幅度提高。

熱噴塗的基本原理是用特種熱源(燃燒火焰、電弧、等離子焰流、激光等)或一定溫度的高溫、高壓、高速氣體(冷氣動力噴塗)將塗層材料熔化或半熔化，或將固態粒子加速至數倍聲速，高速度噴射並牢固粘結在零件基體表面，形成設定組織性能的連續塗層。

燃燒火焰噴塗，可以噴塗塑料、金屬、合金、氧化鋁陶瓷等多種粉末和絲材，現代飛機樹脂基複合材料部件表面防靜電抗雷擊塗層即為火焰噴塗鋁塗層。

電弧噴塗，熱效率高、生產率高、噴塗成本低，廣泛用於鋼鐵結構表面鋅、鋁及鋅鋁合金防腐塗層，對鋼鐵結構進行長效防護。在大型鍋爐內壁噴塗耐高溫、耐腐蝕材料，可減少維護、延長使用壽命。

等離子噴塗，是熱噴塗技術中最重要的一種，幾乎可以噴塗從低熔點塑料到高熔點金屬鎢、鉬、鉭、氮化物及碳化物金屬陶瓷、氧化物陶瓷等任何材料，用途極其廣泛。

圖3 激光等離子複合噴塗加工頭及其製備的塗層表面

上世紀80年代超聲速火焰噴塗(HVOF)從美國推出，90年代開始廣泛應用，目前已是WC-Co、WC-CoCr類塗層的最佳製備工藝方法，廣泛應用于飛機起落架及直升機旋葉軸等關鍵部件耐磨塗層的製備，已經大範圍取代飛機起落架電鍍硬鉻工藝，在避免了由電鍍硬鉻造成的六價鉻污染和部件氫脆的同時，還大幅度提高了部件耐磨性能。

熱噴塗技術在航空發動機上的應用

由於熱噴塗材料來源廣泛、製備工藝穩定、塗層成分結構可設計性強、塗層質量可控、可製備多種功能及防護塗層，並可自動化生產，使熱噴塗技術在航空製造技術領域獲得了廣泛的應用。航空發動機及飛機的關鍵零部件——壓氣機葉片榫頭、機匣、封嚴篦齒、燃燒室、渦輪葉片、導向葉片、軸頸、軸承座、封嚴環、噴管等數以千計的零件需進行熱噴塗製備塗層(見圖1)，塗層的應用是航空發動機可靠性及服役壽命大幅度提高。

高溫可磨耗封嚴塗層等離子噴塗技術

高溫可磨耗封嚴塗層作為發動機部件的重要塗層之一，用來調控高壓渦輪轉子部件與機匣之間的間隙，對保持發動機的效率十分關鍵。中航工業製造所高能束流加工技術重點實驗室研製開發的添加陶瓷減摩自潤滑材料及聚苯酯的高溫可磨耗封嚴塗層，塗層摩擦係數低，可磨耗性能優異，同時抗高溫氧化性能及燃氣沖刷性能優良。高溫可磨耗封嚴塗層厚度一般超過1.5mm，必須採用機器人自動等離子噴塗技術，噴塗參數計算機閉環控制、塗層厚度在線監測，這樣有利於塗層組織結構及厚度均勻，穩定塗層冶金質量。

熱障塗層等離子噴塗技術

熱障塗層廣泛用於航空發動機及地面燃氣輪機，保護髮動機高溫部件，如燃燒室、渦輪葉片、火焰噴管等(見圖2)，可大幅度提高部件壽命、提高發動機效率、降低部件溫度或提高燃氣溫度。

熱障塗層的製備方法主要有等離子噴塗法和電子束物理氣相沉積法。熱衝擊壽命和熱導率為熱障塗層的兩個關鍵技術指標。沒有優異的抗熱衝擊性能，熱障塗層就不能在可靠性要求極高的航空發動機上獲得成功應用。把塗層壽命做到數千、數萬小時是熱噴塗塗層成功應用於商用飛機發動機的關鍵所在。

由於氧化釔穩定氧化鋯在1200℃以上工作、在隨後的冷卻過程中相變，相變過程中材料體積將膨脹約4%，這種體積效應使塗層產生裂紋甚至剝落。國內外學者對兩種或兩種以上稀土氧化物複合穩定氧化鋯的多元體系進行了較多研究，取得了明顯進展，美國科學家開發的氧化釓、氧化鐿、氧化釔三元稀土複合穩定氧化鋯工作溫度可達1500℃，並已商品化。

製造所高能束流加工技術重點實驗室研製開發的多元稀土氧化物複合穩定氧化鋯超高溫熱障塗層，隔熱性能及抗熱衝擊性能優異，1500℃長期工作、在隨後的冷卻過程中也沒有有害的相變發生，使用溫度達到國際先進水平。

熱噴塗技術發展趨勢

熱噴塗技術經過100餘年的發展，技術日益成熟，用途涉及航空航天、工業燃氣輪機、汽車、電力、燃料電池與太陽能、醫療衛生、造紙與印刷等諸多領域。

要實現航空發動機在高推重比和高效能上的重大突破，就必須提高發動機中燃氣溫度，這必然造成高壓渦輪熱端部件表面溫度的大幅度提高。碳化物、氮化物陶瓷SiC、Si3N4是最有可能取代鎳基高溫合金作為在更高溫度下工作的發動機高溫結構材料，制約其應用的重要因素是其在發動機高溫燃氣環境中的材料組織結構穩定性不足，碳化物、氮化物陶瓷能夠和水蒸汽等反應生成揮發性的產物造成陶瓷材料結構及性能嚴重退化。在陶瓷表面採用氣相沉積與等離子噴塗複合技術製備環境障塗層，可以有效阻止高溫燃氣氣氛和陶瓷基體的接觸，提高陶瓷基體的結構穩定性。

在某些重要應用領域需要高的塗層結合強度，甚至需要塗層與零件基體間冶金結合。為克服熱噴塗塗層界面機械結合的不足，激光等離子複合噴塗技術應運而生(見圖3)。激光等離子複合噴塗塗層界面為冶金結合，塗層結構緻密均勻，可用於發動機刷式封嚴跑道的製造。目前要解決的主要問題：一是控制熱輸入，避免塗層成分過度稀釋及材料組分的分解;二是降低應力，避免塗層中出現裂紋。

來源：全球塗料網、中國航空報

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