近年來由於科技日新月異以及工業技術不斷的快速升級，不但需要抗衡越來越嚴苛的工作條件，同時也必須符合環保要求，而使用到性能更先進的設備和零組件。因此從材料性質或成本上的考量，通常會在工件基材表面上再披覆一層改質塗層，以調整或改變基材表面的性質，使機具產品在應用上能有更長的壽命及更優良的性質。而熱熔射(Thermal spray)塗層技術發展至今超過100年，是經常被運用到的其中一種重要技術；又稱為熱噴塗或是熱噴焊技術，其作法是在工件表面上噴覆上一層特別選用的膜層，來改良或提升工件表面之性質，如抗腐蝕性、抗高溫氧化性、絕緣性、熱傳導性、耐磨耗性以及生物活性等；藉以延長工件使用之壽命。依工業應用類別在航空、汽車、印刷、石油化工、電子電力、醫療器材及半導體設備等等工業皆有廣泛應用。而主要製程方式包括有電漿熔射、電弧熔射、火焰熔射以及高速火焰熔射等四項技術類別。
熱熔射技術的製程特性及優點
熱熔射塗層技術是一種以低溫製作厚膜的製程方式，製程中基材表面溫度控制通常會視塗層材料之不同，於槍口附近加裝冷卻空氣管（壓縮空氣或惰性氣體）；在噴塗過程中同步對基材表面吹氣冷卻；可使基材表面溫度維持在150℃以下。塗層厚度則可依製程及噴塗次數之多寡控制，一般而言介於50m ~5mm之間，而可選用之噴覆材料範圍包括有陶瓷、金屬、金屬陶瓷、高分子以及複合材料等。此外，熔射施工方式對於工件外表面的形狀及尺寸限制較少，並且熔射製程之膜層堆積速度快、效率高，可以搭配機械手臂做生產應用；因此可自動化程度高、同時工件塗層也可控制相當均勻平整。基於上述各種優點，熱熔射技術在航空、汽車運輸、機械、半導體製造、電力、鋼鐵、石化、食品、運輸、印刷、造紙等工業領域皆有廣泛的應用，如圖一所示，即為汽車中較常見之一些零組件應用熱熔射塗層技術作表面改質以提升使用性能之實際範例。熔射技術還具有以下許多優點，例如熔射製程之金屬塗層在經由高溫擴散後，其塗層和基材間結合的鍵結力可以接近焊接方式，並且應用熱熔射方式也可以處理一些以焊接方式所不能提供的塗層材料，例如陶瓷原料。熔射塗層厚度可以比焊接方式更薄，而且幾乎大部份的混合物材料都可以噴塗，也可以控制施工前後基材不會有扭曲、變形和冶金退化的困擾。
圖一、熱熔射技術在汽車工業上的各種應用
資料來源：工業材料雜誌253期
熱熔射製程技術是藉由加熱源之加熱，將欲噴塗材料加熱熔融後，藉由氣體之推力，將熔融及半熔融材料噴塗至工件表面形成塗層之技術。噴塗材料之型態可以是線材、棒材或粉末的形式，形成塗層之過程示意圖，如圖二所示。熔射製程乃是藉由火焰燃燒或電能的方式，將各種熔射素材如：陶瓷（氧化鋁、氧化鋯）、 瓷金（陶瓷與金屬之結合）、金屬 （鋁、鋅、銅）、合金（鐵基合金、鈷基合金、鎳基合金 ）等等材料，材料之形式有粉末、線材、棒材，加熱至溶融或半溶融狀態，再以高壓氣流霧化/輸送溶融或半溶融顆粒至基材表面，溶融顆粒經由高壓氣流高速撞擊基材表面形成扁平的顆粒，扁平顆粒一層堆疊一層經冷卻凝固而形成熔射塗層。
圖二、熱熔射製程技術形成塗層之過程示意圖
資料來源：工業材料雜誌253期
在熔射施工之前，必須對工件基材作前處理加工，以清潔基材表面並且使基材表面接觸面積增加，以提高施工後塗層品質。而前處理主要有兩個部分，一為表面清潔，主要是去除基材表面的水分、油脂、氧化膜及其他污垢等。另一個步驟為表面粗化，為了使塗層和基材表面有良好的機械鍵結，必須將基材的表面粗化，以提高工件基材的表面積以及表面的不規則形狀。使熔融粉末衝擊到基材表面時，因其凹凸不平的表面，而有較佳的機械咬合特性；以提高基材與膜層間之鍵結強度。熔射技術由西元1902年開發出所謂的火焰熔射至今，後來陸續發展出其他相關製程技術。由熱能的來源可以分成電能和燃燒能兩種，其中以電能供給熱能的方式可以細分為電漿熔射(Plasma Spray)和電弧熔射(Arc Spray)兩種技術。而以燃燒為供給熱源方式的製程，則可分為火焰熔射(Flame Spray)和高速火焰熔射(High Velocity Oxy-Fuel，HVOF)兩種技術。其設備特徵及製程特性如圖三所示。
圖三、熱熔射設備特徵及製程技術之基本特性說明
資料來源：工業材料雜誌253期
熔射塗層技術在工業上的應用實例
熱熔射塗層之應用方式，隨著不同產業領域的屬性及使用環境要求，也會因應變化而選擇不同的製程技術以及塗層材料。工業界依其在應用領域分類可能使用到之相關熱熔射製程技術包括在航空工業、火力發電廠、輪船等領域，主要應用為燃氣渦輪機各零件最初之製造、製程搶救、磨損件之修補或是再製造等表面塗層製作，應用的例子有渦輪引擎的燃燒筒、排氣及進氣導筒、轉子及定子等工件。在電子產業的應用有積體電路業之矽晶圓夾治具用之絕緣性或是吸附性塗層、電子產品之電磁遮蔽塗層(如電控箱、收音機、電視機等)或是絕緣性塗層等。應用在汽車工業上，如在引擎汽缸內噴覆絕熱陶瓷層，可以增加引擎耐熱溫度，提高熱效率。轉動接觸件上(如剎車片)噴塗耐磨耗塗層以提高壽命。而在鋼鐵工業應用上，主要是由於鋼鐵在製造過程中必須面臨許多高溫環境，因此在機件上噴覆耐高溫及耐腐蝕的材料，可以提高機件的使用壽命，如退火線輥輪、保溫罩等。
此外以電漿熔射技術及高速火焰熔射技術是運用領域最廣泛的製程。以電漿熔射技術而言；幾乎所有的金屬與陶瓷材料粉末皆可以做為電漿熔射的材料，粉末溶融溫度高低，可藉由(1).改變不同的送粉角度可以選擇粉末進入電漿火燄不同溫度的區域，(2).調整電流與氬氣、氫氣或氦氣的不同組合，以提供不同熔點之素材最佳的溶融溫度與溶融效果。電漿熔射的氣流溫度在熔射製程中最高，適合用於噴塗較高熔點的材料如陶瓷（氧化鋁、氧化鋯）等，圖四為電漿熔射在發動機燃燒筒絕熱塗層噴塗實際應用例，絕熱塗層（Thermal Barrier Coating，TBC）是利用陶瓷材料耐高溫絕熱特性，將氧化鋯及相關絕熱塗層噴覆於發動機燃燒筒上，用來降低發動機燃燒筒表面溫度，使零件得以延長使用壽命，目前已應用在火力電廠渦輪機、飛機引擎、汽車工業之耐高溫零件上。圖五為電漿熔射在鋁合金晶圓托盤上絕緣塗層噴塗實際應用例，絕緣塗層是利用陶瓷材料絕緣特性，將氧化鋁絕緣塗層噴覆於鋁合金晶圓托盤上以作為絕緣材料，目前已應用在光電、半導體產業上。
圖四、電漿熔射在發動機燃燒筒絕熱塗層噴塗實際應用例
資料來源：工業材料雜誌253期
圖五、電漿熔射在鋁合金晶圓托盤上絕緣塗層噴塗實際應用例
資料來源：工業材料雜誌253期
而高速火焰熔射製程(HVOF)所製作之塗層在工業應用上有幾項特點；包括(1)、塗層鍵結性強：由於熔融粉末係以極高速運行方式撞擊工件表面，提高了工件粗糙面凹陷處之熔填度；因此可與基材間形成更為緊密的機械鍵結。此外；當熔融粉末以極高的速度衝擊工件接觸表面時，動能瞬間轉換成壓力能及熱能，而在工件表面形成非常薄的局部軟化/熔融區，形成擴散膜層，進而提高了塗層與基材間的鍵結力。(2)、塗層緻密度高：HVOF擁有較其他任何熔射製程更高的粉末飛行速度，粉末粒徑分布細且窄。因此在塗層堆積過程中，氣體不易殘存於膜層內部，所以其膜層可以控制較小之孔隙率。對於工業應用而言；高的孔隙率對塗層耐磨耗、耐腐蝕等特性皆有不良的影響。(3)、塗層硬度高：HVOF製程中因為粉末僅能在高溫氣流中停留極短的時間，來不及與氧氣或還原性燃氣發生反應，因此可以得到在質與量方面均佳之熔射塗層，以WC/Co塗層為例，應用此製程製作之膜層硬度值可達Hv 1000左右。(4)、塗層表面平整：一般而言；HVOF製程之塗層適用的粉末粒徑範圍較窄，約在10~50μm之間，但仍可視粉末化學組成而稍作調整。此外；也由於膜層之形態較為緻密；因此熔射所得塗層表面相當平整，粗糙度(Ra)一般可控制在7μm以下。高速火燄熔射塗層已廣泛被應用在各種耐磨耗或抗高溫腐蝕及高溫氧化等的應用領域。圖六所示是高爾夫球頭表面應用此製程噴塗特殊具有高剛性及高強度之合金材料以提升高爾夫球頭打擊面之響應特性。
圖六、高爾夫球頭打擊面之表面噴塗實際應用例
資料來源：工業材料雜誌253期
電弧熔射製程相較於其他熔射方式具有快速成型、堆積效率高以及低成本之優點，因此非常適用於大面積之噴塗作業。目前電弧熔射在工業應用上以防蝕塗層居多，例如；橋樑、輪船以及車廂等設施施工。而其他之主要應用則是在光電、半導體產業上製作以鋁為主之吸附性塗層，利用塗層之吸附性質，吸附在真空中游離的粒子，避免游離粒子造成真空腔體污染。如圖七所示；即為晶圓掛架噴覆鋁金屬吸附層之應用實例。電弧噴焊吸附性鋁材塗層技術；可以有效降低物理氣相蒸鍍(PVD)製程中所產生的free particles；提高鍍膜製程之良品率；並延長廠家之PVD機組中矽晶片掛架之使用壽命，可以大幅降低廠商生產成本。選擇適當之熔射製程技術以及塗層材料以對應於實際工業應用產品，並且建立產品應用時所需之「特性資料庫」，其中包括原材料特性資料庫、熔射製程最佳化參數、塗層製程最佳化參數、塗層特性資料庫以及目標產品之實測性能分析等。將可提高產品之品質及工作效能改善，有效提升產業競爭力以及增加產品之附加價值，並且達到從原材料設計到實際成品產出之全製程整合(Total Solution)技術建立之目標。
圖七、電弧熔射噴覆鋁金屬吸附層於晶圓掛架之應用實例
資料來源：工業材料雜誌253期
熱熔射塗層技術之發展趨勢
未來熱熔射塗層工業生產主流發展趨勢可以區分為兩部分；第一項訴求是降低生產成本，可以自動化提高生產速度以及開發更低成本之製程技術進行生產。而更為重要的第二項訴求是拓展新應用領域，其內容需求包括有降低製程溫度、新塗層材料開發以及多工機能整合塗層技術開發。由於軟電工業興起促使許零組件材料容許之製程溫度較以往嚴苛許多；因此必須應用更低之製程溫度材有機會與此新產品領域接軌。而奈米米結構材料以及多元合金材料之應用也有極大之機會，但前提是原料製作成本必須再調降至更接近現有產品之價位。此外；由於單一種類之膜層應用；經常會受限於其單一材料本身之特性而無法再擴大應用領域。解決之道即是利用多元成分、多相系統以及多層膜複合方式，將幾種有優異性質之材料結合；製作成多重功能(例如自潔、抗菌、防沾黏、耐刮以及耐磨耗等功能性塗層)結合結構之膜層材料。
作者：呂明生、蕭威典、劉茂賢
出處：工業材料雜誌253期
★詳全文：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6582