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熔射(Thermal Spray)覆膜技術為許多塗層製作技術中的一種，其原理是藉由熱源將材料融化之後，藉由氣體的動力推送，將熔融材料送至工件表面，並附著於工件表面上形成塗層，如圖一所示。此技術可以用來改良工件表面之物理或機械性質，藉以延長工件使用之壽命。熔射覆膜技術所製作之塗層材料，包括陶瓷、金屬、金屬陶瓷、高分子和複合材料等，應用範圍相當地廣泛。根據BCC Research的預估，2009年北美地區市場，在高性能陶瓷產業相關市場產值，預估將超過330億元新台幣。
圖一、熔射覆膜技術施工之狀況
熔射覆膜技術，可以細分為電漿熔射(Plasma Spray)、電弧熔射(Arc Spray)、火焰熔射(Flame Spray)和高速火焰熔射(High Velocity Oxy-Fuel，HVOF)等。熔射覆膜技術和其他技術相比較之下，具有許多優異的特性，例如熔射後金屬塗層在高溫擴散後，金屬基材和金屬塗層間的鍵結可接近焊接；熔射覆膜技術可以提供傳統焊接無法使用之塗層材料，如陶瓷材料，或是金屬陶瓷複合材料等；對於與母材不相容的材料，仍可以披覆，例如將氧化鋁披覆於不銹鋼基材上，或是將金屬塗層噴覆在陶瓷基材上等。由於熔射覆膜技術以巨觀的角度來看，基本上是控制在底材表面未熔融的狀態下，進行塗層之製作，因此可以將底材控制在150℃的溫度以下。
熔射覆膜技術的應用
熔射覆膜技術的應用，可以依照不同塗層的功能，來作不同的應用。熔射覆膜技術在磨蝕、侵蝕、穴蝕、擦傷、磨損及其他磨耗等抗磨耗狀況下的應用，熔射塗層可以提供高硬度及耐磨耗性佳之塗層材料來作為應用。藉由熔射覆膜技術製作的塗層，可以將基材表面原本硬度20 HRc左右的表面，在經由熔射塗層之製作後，將表面硬度提升至70 HRc以上，例如於基材表面噴覆氧化物或碳化物等塗層材料。圖二所示為在DVD壓片用模具表面製作硬面塗層，以改善壓片用模具之使用壽命。
圖二、DVD壓片用模具
應用市場概況
由於熔射覆膜技術在工業界的應用範圍相當地廣泛，將簡述熔射覆膜技術在各種不同產業上的應用概況，包括石油及化學工業、汽車工業、航太工業、電機及電子工業、能源工業、鋼鐵工業、非鐵金屬業、造船工業、生醫工程、機械製造業、印刷工業、造紙業、裝飾塗層業及土木工程等的應用，以下簡略舉出幾項產業應用。
1. 石油及化學工業
熔射塗層可以提供良好的抗化學腐蝕性、抗磨耗及抗高溫侵蝕塗層，可以作為化學儲存槽、化學輸送管路、鍋爐及鍋爐管的表面防護塗層。於抗腐蝕的應用上，熔射技術噴覆鋅、鋁、鋅鋁合金及鋁金屬陶瓷混合物塗層，已廣泛地被石化工業所運用。許多浸入液體環境中的使用，亦應用鋁或鋅熔射塗層，來作為抗腐蝕的防護塗層，例如閘門和儲水槽等，皆可以藉由鋅或鋁來製作抗腐蝕塗層。使鋼材不受到淡水或海水中的污染物威脅，而造成腐蝕情形產生。熔射塗層亦有許多應用在嚴苛石化環境中使用之狀況，例如需要同時具備抗腐蝕及抗磨耗性質的塗層，如表一所示，為熔射塗層在石化上的應用概況表。
表一、熔射塗層在石化上的應用
2. 汽車工業
汽車用柴油引擎汽缸壁、活塞、活塞環、傳動軸、凸輪軸及煞車片，目前已有相關的研究與應用，利用熔射塗層來改良這些零組件的表面性質。在柴油引擎汽缸壁或活塞表面製作陶瓷塗層，可以提高引擎燃燒時的溫度，有效地提昇引擎的熱效率，以降低汽車的油耗。另外，在煞車片表面製作高摩擦係數塗層，可以提升煞車時煞車片的摩擦力。
3. 航太工業
航空用渦輪引擎燃燒段所使用之零組件，例如燃燒筒、導筒及渦輪葉片等，如圖三所示。藉由熔射技術噴覆熱障塗層，在高溫環境下具良好的保護效果，能夠延長在高溫環境下操作零組件的使用壽命。在一般常見的渦輪引擎燃燒段零件上噴覆熱障塗層，除了能夠延長操作在高溫環境下零組件的使用壽命外，還可以提高引擎燃燒溫度，增加引擎的熱效率，並且可以降低零件底材的使用溫度，不僅可以延長使用壽命，還可以降低因熱而造成的基材熱疲勞及高溫潛變。
圖三、內面製作絕緣塗層後航空用渦輪引擎用燃燒筒外觀圖
4. 能源工業
應用在航空用渦輪引擎燃燒段所使用之熱障塗層，亦應用於火力發電用的燃氣渦輪發動機上。藉由熔射技術製作熱障塗層，在燃氣渦輪發動機高溫環境下具良好的保護效果，能夠有效地延長在高溫環境下渦輪發動機零組件的使用壽命。
5. 非鐵金屬業
對於銅金屬鑄造相關產業來說，利用熔射技術來製作氧化鉻塗層，可以用來抵抗液態銅液的侵蝕，可以用來保護碳鋼底材被銅液所侵蝕。另外藉由熔射技術噴覆氧化鉻 -碳化鈦複合塗層，或是氧化鎂-矽酸鋯複合塗層，可以提高抵抗高溫液態銅液侵蝕的能力。如果在製作此類塗層之前，預先噴塗以鎳鉻鋁合金為底的黏結層，將有助於延長塗層的使用壽命。
6. 造船工業
造船工業與石油化學工業在腐蝕環境下的使用，有著相似的腐蝕狀況。一般來說，船舶的腐蝕環境，可以區分為海面下及海面上的腐蝕環境，海面上的腐蝕環境為大氣腐蝕環境，可以藉由熔射技術來製作抗腐蝕塗層，以延長機件在此環境下的使用壽命。其它熔射技術在造船工業上的應用，包括柴油引擎的汽缸壁、活塞及活塞環、蒸氣閥門與螺旋槳等，皆可以看到熔射塗層的應用。圖四 所示，為Flame Spray公司在船舶螺旋槳上製作熔射塗層的外觀狀況。
圖四、Flame Spray公司在船舶螺旋槳上製作熔射塗層的外觀
7. 生醫工程
藉由在外科植入物上製作生物相容性或生物活性塗層，可以有效縮短植入體的恢復時間，及提高植入的成功機率。熔射覆膜技術已經應用在相關的外科植入物上製作塗層，例如：人工牙根、人工膝關節與人工寬關節等，塗覆之塗層材料包括：氫氧基磷灰石、純鈦金屬、鈦合金、316L不銹鋼與鈷鉻鉬合金等。如圖五所示，利用熔射技術於人工關節上製作生物活性塗層。根據Ravaglioli等人的估算，美國在1991年對於生醫材料市場的需求，已接近30億美元。
圖五、利用熔射技術於人工關節上製作生物活性塗層之外觀狀況
熔射技術已受到工業界相當廣泛的應用，各式各樣的應用雖可說是包羅萬象，但也並非是無所不能。然而，靈活地運用合適的熔射方法，以及適當的熔射用材料，不僅是可以延長設備零件的使用壽命，亦可以改變材料的表面性質，符合各種工業使用上的需求。本技術在國外已開發國家，已經應用相當長的時間，然而在國內相關推廣的工作仍需要產、官、學界的大力支持，才能使此項技術在國內生根茁壯。
作者：蕭威典、劉武漢/ 工研院材化所
出處：工業材料雜誌257期
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