展示热喷涂过程中的循环特性：将废弃物转化为财富

《Materials Today Sustainability》：Demonstrating Circularity in Thermal Spraying: Converting Waste to Wealth.

快速工业化带来的温室气体排放激增及工业废料问题，热喷涂（TS）工艺的overspray废弃物成为研究重点。本文通过收集丹麦工业喷漆厂的HVOF喷涂 overspray粉末，系统评估其回收再用于HVAF喷涂层性能及可持续性。研究发现，overspray粉末经HVAF喷涂后形成的涂层硬度与性能与virgin HVAF相当，显著优于HVOF涂层，其摩擦系数和磨损率分别为virgin HVAF的95%和80%。通过XRD和SEM分析，揭示了overspray粉末中Cr3C2相的降解机制及HVAF工艺对其的修复效果。生命周期评估显示，overspray reuse可降低70%能源消耗、65%碳排放及80%成本，证实了热喷涂循环经济模式的可行性。

　　工业的快速发展带来了巨大的环境挑战，特别是在温室气体排放和工业废弃物处理方面。随着制造业规模的扩大，对原材料和能源的需求也不断上升，同时工业生产过程中产生的废弃物量也大幅增加。这些废弃物不仅对环境造成污染，还带来了显著的经济损失。在众多工业工艺中，热喷涂（Thermal Spraying, TS）技术因其在提高材料表面性能方面的广泛应用而备受关注。然而，热喷涂过程本身也伴随着较高的材料浪费率，尤其是在使用高能量喷射工艺时，如高能等离子喷涂（HVOF）和高能空气燃料喷涂（HVAF）等，这些工艺通常会导致高达50%-60%的材料损失，形成大量无法利用的过喷废弃物。这些废弃物往往包含有害化学成分，如钴和镍，因其潜在的致癌性，需要专门的废物管理系统进行处理，增加了环境和经济负担。

为了解决这一问题，研究者们开始探索热喷涂废弃物的回收与再利用。然而，以往的研究多集中在理论层面，缺乏系统性的实验验证。本研究通过系统收集和分析热喷涂过程中产生的过喷废弃物，尝试将其重新用于热喷涂工艺，以评估其在实际应用中的可行性。研究团队与一家专注于WC基涂层生产的丹麦热喷涂工厂合作，收集了来自喷雾室地板和排气过滤系统中的过喷材料。这些材料主要由碎裂的WC和Cr3C2颗粒组成，并掺杂了一些氧化物，如Cr2O3和W2C，表明其在初始喷涂过程中经历了高温和高速的热力学环境。

研究团队首先对过喷材料和原始粉末进行了详细表征，包括颗粒大小分析、X射线衍射（XRD）和X射线荧光光谱（XRF）等。结果表明，过喷材料的颗粒尺寸明显减小，且分布更加广泛，而其化学成分也发生了一定变化，如钨含量降低，铬含量增加，这可能与高温环境下的氧化和挥发有关。尽管如此，过喷材料仍然具有良好的流动性，适合用于热喷涂。为了进一步验证其性能，研究团队使用HVAF技术将过喷材料重新喷涂成涂层，并与使用原始粉末的涂层进行了对比分析。

在微观结构和机械性能方面，过喷材料喷涂的涂层表现出与原始粉末喷涂涂层相似的致密结构和硬度。虽然过喷材料的初始热喷涂过程中已发生部分退化，但其在HVAF工艺下重新喷涂后，仍能保持较好的性能。这表明，通过合理的工艺调整，过喷材料可以被有效再利用，从而减少对原始材料的依赖。此外，磨损测试结果进一步支持了这一结论，过喷材料喷涂的涂层在摩擦系数和磨损率方面与原始粉末喷涂的涂层相近，而显著优于HVOF喷涂的原始材料涂层。这一发现为热喷涂废弃物的再利用提供了坚实的实验依据。

在环境和经济层面，研究团队对热喷涂过程中的能源消耗、二氧化碳排放和涂层成本进行了评估。结果表明，使用过喷材料进行热喷涂相比使用原始材料，能够显著降低能源消耗和碳排放，同时减少材料成本。这不仅有助于降低生产成本，还能减少对关键原材料（如钨、钴和镍）的开采需求，从而促进资源的可持续利用。此外，过喷材料的再利用减少了废弃物的处理成本和环境影响，为热喷涂行业向循环经济转型提供了可行路径。

研究结果还表明，尽管过喷材料在某些方面存在性能上的损失，但在适当的工艺条件下，其再利用仍然具有较高的可行性。这种再利用不仅限于WC基材料，还可能扩展到其他类型的热喷涂材料，如陶瓷、金属和复合材料。然而，研究也指出，过喷材料的再利用存在一些挑战，例如材料成分的不均匀性、收集过程中的污染风险以及不同喷涂工艺之间的差异。因此，未来的研究需要进一步优化回收和再利用流程，并在多种工业环境中进行验证。

本研究为热喷涂行业的可持续发展提供了新的思路。通过系统性的实验和分析，研究团队展示了过喷材料在热喷涂中的潜在价值，并为工业界提供了一种减少资源浪费、降低环境影响和提升经济效益的可行方案。这一成果不仅有助于减少工业对关键原材料的依赖，还为推动热喷涂技术向绿色制造方向发展奠定了基础。随着全球对可持续发展的重视，热喷涂废弃物的再利用将成为工业领域的重要课题，值得进一步深入研究和推广。