一、概述
采用热喷涂技术不仅能提高机器设备的耐磨损性、耐腐蚀性、耐侵蚀性、热稳定性和化学稳定性，而且能赋予普通材料特殊的功能，诸如高温超导涂层、生物涂层、金刚石涂层、固体氧燃料电池（SOFCs）电极催化涂层等，因此，热喷涂技术必然会愈来愈引起人们的重视，并在各个工业领域获得越来越广泛的应用。但是，实际零部件因其材质、形状、大小及其应用环境、服役条件等存在很大差别，要想成功采用热喷涂涂层来解决所面临的技术问题，必须遵循特定的过程，其中，最重要的有以下五个关键过程。
1．准确分析问题所在，明确涂层性能要求；
2．合理进行涂层设计，包括正确选择喷涂材料、设备、工艺及遵循严格的涂层质量性能评价体系等；
3．优化涂层制备工艺；
4．严格控制涂层质量；
5．涂层技术的经济可行性分析。
涂层设计起着承上启下的作用，是采用热喷涂技术成功解决实际问题的基础，是所有环节中最重要的环节之一，在进行涂层设计时要考虑涂层所涉及到的各个环节，具有明显的系统特性。因此，为了获得满足使用性能要求的涂层，在进行喷涂前，必须进行周密、合理的涂层设计。
热喷涂涂层设计的主要内容包括：第一，根据零部件表面所处的工况条件或对已经发生表面失效的零部件的分析结果，确定零件表面涂层或表面涂层体系的技术要求，包括结合强度、硬度、厚度、孔隙多少及大小、耐磨性、耐蚀性、耐热性或其它性能等；第二，运用所掌握的热喷涂技术基础知识（包括喷涂材料、喷涂工艺、涂层性能等），进行经济技术可行性分析，以满足性能要求为基础，考虑涂层经济性，进而选择恰当的喷涂材料、设备及工艺方法；第三，编制合理的涂层制备工艺规范；最后，提出严格的涂层质量检测与控制标准、零件包装运输条件等。现在，更为严格的要求甚至包括对喷涂原材料生产厂商提出全面质量管理要求。所有上述内容构成一个完整的热喷涂涂层设计的全过程。
需要特别指出的是，热喷涂涂层的性能虽然主要取决于喷涂材料的性能，但还明显受到所选定的喷涂设备和喷涂工艺的影响。同一种喷涂材料，当采用不同的喷涂设备、不同的喷涂工艺参数进行喷涂时，所得涂层的性能会存在很大差别。此外，涉及制备涂层的其它各个环节都会决定最终的涂层性能，如表面预处理、冷却措施、涂层加工等，因此，只有对制备涂层的各个过程进行全面的质量控制，才可能获得性能满足要求的、质量稳定的涂层。
二、零件工况分析
零件工况分析是热喷涂涂层设计的基础，要获得经济、高效、高质量的涂层，首先必须对零部件的性能要求及工况条件进行准确分析，为选择涂层种类和材料提供依据。
根据失效分析理论，失效模式分析是失效分析的核心内容，是导致零部件失效的物理和（或）化学变化过程，在该过程中，零部件的尺寸、形状、状态或性能发生了变化，并由此引起整个机械产品的失效，例如，磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效等。而决定零部件失效模式的主要因素包括零部件材料的性质和状态等内在因素和零部件工况条件等外在因素，其中，引起零部件失效的外在因素，即应力、环境和时间，是失效的诱发因素，通过零部件工况条件的深入分析可以了解清楚这些因素。
1．应力因素
力是零部件工作的条件。应力的种类、大小与状态的不同组合是引起不同失效模式的重要的或决定性因素。应力种类包括持久、交变、冲击、接触、磨擦、冲刷等；应力状态包括单纯的拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲等应力和复合作用的拉弯、压弯、弯扭、拉扭、拉剪、弯剪、扭剪等应力。应力因素可以单独、也可以与其它因素耦合在一起来诱发零部件的失效。
2．环境因素
环境因素主要包括温度和介质两大因素。工作温度一般可分为低温、常温、中温、高温和超高温五类；工作介质包括气相（真空、特殊气体、乡村大气、城市大气、工业大气等）、液相（淡水、海水、油、酸、碱、液态金属等）、固相（接触、摩擦、冲刷等）等。环境因素与应力因素一样，既可以单独、也可以与其它因素耦合在一起来诱发零部件的失效。
3．时间因素
时间不能作为独立因素来诱发失效产生，没有应力和环境因素的存在，时间因素就失去了意义。但是，当时间因素与应立因素和环境因素耦合在一起时，它就变成一个非常重要的因素。
上述各种不同外界因素对零部件的失效起着各不相同的影响，从而产生不同的失效模式，各种主要失效模式与最主要、最典型的诱发因素之间的关系可参见相关资料。在进行热喷涂涂层设计时，要特别注重对零部件表面失效产生影响的因素进行重点分析，这些因素可能单独作用于零部件，也可能耦合作用于零部件，而在耦合作用下，对零部件的破坏作用要严重得多。例如，醋酸泵柱塞表面涂层，该涂层使用工况要求既耐磨损又耐腐蚀，如果不考虑醋酸腐蚀仅考虑提高耐磨性能，采用超音速火焰喷涂WC/Co、Cr3C2-NiCr类涂层均能满足要求，但该类涂层在醋酸条件下的耐腐蚀性能均被列为“不好”和“不推荐”涂层，因此，综合考虑，不能选用该喷涂材料及工艺来制备醋酸泵柱塞表面涂层。
除了上述外在因素，零部件材料的性质和状态等内在因素也对零部件的失效有重要影响，因此，在具体分析时，要把零部件工况条件与零部件性能要求以及不同基体材料与不同工艺、不同喷涂材料与不同喷涂工艺所制造的零部件性能结合起来，才有可能设计出高质量的、合理的涂层。
三、粘结底层材料选择
当需要在金属基体上喷涂陶瓷涂层工作层时，由于陶瓷涂层材料在化学键、晶体结构和热物理性能等方面与金属材料存在相当大的差别，有必要先在金属基体上喷涂一层合金粘结底层，提高表面陶瓷涂层与基体金属之间结合强度的同时，还可以缓解两者之间热物理性能的差别。在基体尺寸形状或结构难于进行喷砂或粗化处理时，也推荐采用粘结底层。此外，对于工作层虽然为金属，但其热物理性能与基体金属相差较大，或两者的润湿性很差时，也推荐采用粘结底层。
1.常用粘结底层材料的性能要求
一般来讲，作为粘结底层喷涂材料应具有以下四方面的性能特点：
(1）与基体表面结合强度高，甚至能产生微区冶金结合。特别是具有“自粘结”效应的Ni-Al型复合粉末，在热喷涂过程中，Ni与Al能发生化学反应，生成金属间化合物，并释放出大量热量，甚至这一反应过程能够持续到粉末碰撞到基体表面时仍在进行，该效应十分有利于变形粒子与基体表面形成微区冶金结合，从而提高粘结合底层与基体之间的结合强度。
(2）具有抗氧化耐腐蚀能力。特别是作为陶瓷涂层的粘结底层，当在高温下工作时，环境中的氧气和腐蚀介质能够通过陶瓷涂层的孔隙侵入到粘结底层，这就要求粘结底层在高温下能形成致密的氧化物保护膜，以保护基体金属不被氧化和环境介质的腐蚀。
(3）涂层表面具有合适的粗糙度，它不仅能为喷涂工作层提供良好的粗化表面，有利于提高工作层与粘结底层之间的结合强度，而且对工作层表面的粗糙度也有直接影响。
(4）具有合适的热物理性能，特别是热膨胀系数、热导率等，最好介于基体材料和工作层之间，以减小两者之间的热膨胀不匹配性，降低涂层内的热应力和体积应力，有利于提高涂层的使用寿命。
鉴于粘结底层的重要性，在进行涂层设计时，应综合考虑基材热物理特性和具体工况条件谨慎选择。
2.粘结底层材料选择方法
在进行涂层设计时，针对粘结底层的选择，主要考虑以下两方面因素的影响。
(1）粘结底层与基体材料的相容性。当基材为普通碳钢、合金钢、不锈钢、镍铬合金、铝、镁、钛、铌等材料时，可选用具有“自粘结”效应的喷涂粉末作为粘结底层材料，涂层十分致密，孔隙率低，能显著提高表面工作层与基体之间的结合强度。但要注意，该类粘结底层在酸性、碱性和中性盐的电解液中不耐腐蚀，不易在该类液态化学腐蚀条件下用作粘结底层。
当基材为铜及铜合金时，应优先选用铝青铜作粘结底层，由于Cu和Al之间在热喷涂过程中也会发生放热反应，生成金属间化合物，因此，铝青铜在铜及铜合金表面具有一定的自粘结性，有利于提高涂层与基体之间的结合强度，且该涂层具有良好的抗热冲击性和抗氧化性。
当基材为塑料及聚合物类基体时，为避免基材表面被高温粒子烧焦而出现“焦化”，从而影响工作层与塑料基体之间的结合，常常选择低熔点金属（如Zn、Al等）或塑料加不锈钢复合粉末作为粘结底层材料。塑料加不锈钢复合粉末是由塑料粉末和不锈钢粉末复合而成的粉末，主要用作塑料类基体上喷涂高熔点金属、陶瓷或金属陶瓷涂层时的粘结底层材料。其中的塑料组分质软，且流平性好，使涂层与基体塑料有良好的粘结强度，并使塑料基体的受热减至最小；而不锈钢组分则具有良好的耐化学腐蚀性能，可形成镶嵌在塑料涂层中的硬质颗粒，有利于形成粗糙表面，为喷涂工作层提供比较理想的“锚固”结构，此外，不锈钢组分还有利于把喷涂焰流的热量散开，从而避免塑料基体产生局部过热或焦化，对提高粘结底层与基体的结合强度有利。
当基材为石墨基体时，为防止石墨和钨在高温下发生反应生成碳化钨，引起石墨脆化，可喷涂钽作为粘结底层。此外，钽涂层与钢基体之间也能形成自粘结结合。
值得注意的是，在热喷涂技术中，钼（Mo）也被作为一种具有自粘结效应的粘结底层来广泛使用。这是因为Mo在400℃下，会迅速发生氧化，生成具有挥发性的MoO3，产生急剧升华，裸露出的钼的熔滴对大多数金属及其合金的干净平滑表面有极好的润湿铺展性能，从而形成自粘结效应。除金属外，它还能够粘结在陶瓷、玻璃等非金属表面，但在铜及铜合金、镀铬表面、氮化表面和硅铁表面等除外。
此外，具有优异的抗高温氧化性能和耐蚀性能的确NiCr合金，虽然不具有自粘结效应，但也是广泛使用的一种粘结底层材料。
(2）粘结底层与工况条件。作为整个涂层的一部分，粘结底层的选用也必须满足工况使用要求。由于应用涉及的工况环境很多，也很复杂，下面仅从工作温度和腐蚀环境两个方面进行阐述。
1)工作温度。每一种粘结底层材料都有其适宜的工作温度范围，热喷涂技术中常用粘结底层材料的特性及最高使用温度如表所示。
粘结底层特性及最高使用温度

2) 腐蚀介质。对于在腐蚀介质中工作的涂层，进行涂层设计时要特别注意，粘结底层及工作层均应首先具备抵抗工作介质腐蚀的能力，此时，选择粘接底层时，应以耐工作介质腐蚀作为优先考虑条件，在此基础上，再考虑尽可能提高结合强度，如果粘结底层选择不当，涂层寿命很难满足使用需求。例如，某醋酸泵轴套防腐耐磨涂层选用Al2O3-TiO2陶瓷涂层作工作层，当采用Ni-Al型粘结底层时，其使用寿命很短，大约只有两周时间，有时甚至出现“脱壳”现象；而当选用Mecto 700（Ni20Cr10W9Mo4Cu1C1B1Fe）时，其使用寿命可长达1.5-2年。由表中所列的常用粘结底层特性可知，Ni-Al型粘结底层均不耐电解质溶液腐蚀，Ni-Cr(80/20)可耐多种化学介质腐蚀及气体腐蚀的能力，而Mo可耐多种强腐蚀介质腐蚀。一些金属涂层与所适应的环境介质如表所示。
部分金属涂层及其适应的介质

四、 热喷涂工艺选择
为了获得满足零件使用要求的涂层，应结合零件使用工况条件及第3章中所述各种喷涂材料的成分、性能、工艺特性、涂层性能及适用的使用环境等综合考虑，确定合适的喷涂材料，谨慎选择热喷涂工艺。
热喷涂工艺的选择原则如下：
热喷涂工艺方法较多，但每一种方法都有其自身的优点和局限性，从不同的角度进行热喷涂工艺选择，会得出不同的结果。以高速火焰喷涂（简称HVOF）为例，当采用HVOF工艺喷涂金属、合金及金属陶瓷类材料时，可获得结合强度高（>70MPa）、致密度高（孔隙率<1%）、氧化物含量少的高质量涂层，但该工艺也存在运行成倍较高、对基体输入热量较大、不能喷涂氧化物陶瓷（注：个别系统能够喷涂Al2O3、Al2O3-TiO2等低熔点陶瓷，如HV2000超音速火焰喷涂）等缺点。因此，在选择热喷涂工艺时，应针对具体需求进行具体分析，下文分别从涂层性能、喷涂材料类型、涂层经济性及现场施工等四个方面进行了分析。
1. 以涂层性能为出发点进行选择时，一般考虑如下几点：
（1）涂层性能要求不高，使用环境无特殊要求，且喷涂材料熔点低于2500℃，可选择设备简单、成本较低的氧乙炔火焰喷涂工艺。如一般工件尺寸修复和常规表面防护等。
（2）涂层性能要求较高、工况条件较恶劣的贵重或关键零部件，可选用等离子喷涂工艺。相对于氧乙炔火焰喷涂来讲，等离子喷涂的焰流温度高，熔化充分，具有非氧化性，涂层结合强度高，孔隙率低。
（3）涂层要求具有高结合强度、极低孔隙率时，对金属或金属陶瓷涂层，可选用高速火焰（HVOF）喷涂工艺；对氧化物陶瓷涂层，可选用高速等离子喷涂工艺（如PlazJet等离子喷涂）。如果喷涂易氧化的金属或金属陶瓷，则必须选用可控气氛或低压等离子喷涂工艺，如Ti、B4C等涂层。
2．以喷涂材料类型为出发点进行选择时，基本原则如下：
（1）喷涂金属或合金材料，可优先选择电弧喷涂工艺。
（2）喷涂陶瓷材料，特别是氧化物陶瓷材料或熔点超过3000℃的碳化物、氮化物陶瓷材料时，应选择等离子喷涂工艺。
（3）喷涂碳化物涂层，特别是WC-Co、Cr3C2-NiCr类碳化物涂层，可选用高速火焰喷涂工艺，涂层可获得良好的综合性能。
（4）喷涂生物涂层时，宜选用可控气氛或低压等离子喷涂工艺。
3．以涂层经济性为出发点进行选择时。应尽可能选用电弧喷涂工艺。
在喷涂原材料成本差别不大的条件下，在所有热喷涂工艺中，电弧喷涂的相对工艺成本最低，且该工艺具有喷涂效率高、涂层与基体结合强度较高、适合现场施工等特点。几种主要热喷涂工艺的涂层特征及相对成本如表所示。
几种热喷涂工艺性能及成本比较

4．以能否进行现场施工为出发点进行工艺选择时，应首选电弧喷涂，其次是火焰喷涂，便携式HVOF及小功率等离子喷涂设备也可在现场进行喷涂施工。目前，还有人将等离子喷涂设备安装在可以移动的机动车上，形成可移动的喷涂车间，从而完成远距离现场喷涂作业。
五、 涂层结构设计
在实际使用中，因零件形状、大小、材质、使用环境及服役条件等存在千差万别，要获得最佳的涂层使用性能，必须将热喷涂技术所涉及到的各个环节综合在一起进行优化处理，特别是要注意将喷涂材料与各种热喷涂工艺的特点结合起来，内容涉及所选择的喷涂材料、涂层厚度、相应的喷涂设备和工艺参数等，涂层结构设计是否合理一般要通过生产检验或现场试验才能确定。在热喷涂应用技术中，所涉及的涂层结构大体可分为以下四种。
1．单层结构
单层结构涂层是指只需要在经过预处理的零件表面喷涂单一成分涂层，即可满足使用性能要求的涂层结构模式。在实际应用中所占比例较大，是最常用的热喷涂涂层结构之一，可为基体提供防腐、耐磨、抗高温氧化、导电、尺寸修复、延长使用寿命等功能。所有的热喷涂工艺，包括普通火焰喷涂、喷焊、电弧喷涂、HVOF、爆炸喷涂、等离子喷涂等均可获得具有特定性能的单层结构涂层。
2．双层结构
双层结构涂层是指采用两种喷涂材料在经过预处理的零件表面分两次喷涂形成的涂层结构，每层具有不同的功能，通常与基体相邻的涂层称为粘结底层，其主要作用是提高基体与涂层之间的结合强度；外层或表面层称为工作层或面层，其主要作用是满足零件所要求的性能。这种结构涂层在实际应用中所占的比例也较大，也是最常用的热喷涂涂层结构之一。两种涂层可采用同一种热喷涂工艺方法来完成，如采用单一工艺方法，如普通火焰、爆炸喷涂或等离子喷涂来分别喷涂两种涂层，也可采用不同的热喷涂方法来完成，如可采用电弧喷涂粘结底层，再采用等离子喷涂表面工作层；或先采用超音速火焰喷涂粘结底层，再采用等离子喷涂表面工作层，该组合是目前飞机发动机用热障涂层的典型工艺。
3．多层结构
多层结构是指涂层层数达三层或三层以上的涂层结构，在实际应用中并不常用，只在特殊工况条件下才采用。
有的多层结构通过采用多种成分涂层来满足一种性能要求，例如，为了开发出能够满足柴油发动机用的长寿命厚热障涂层，Robert等采用了热膨胀系数非常接近的三层结合底层来降低涂层热应力，其涂层结构如图所示，各层涂层的热膨胀行为如右图所示。由于基体材料4140、NiCrAlY、FeCrAlY、FeCoNiCrAl和ZrO2-Y2O3之间膨胀系数属于逐渐变化的，从而可以大幅度减小ZrO2-Y2O3涂层与基体之间的热膨胀不匹配性，从而达到减小热应力、延长使用寿命的目的。


多层结构示意图                        多层结构热膨胀行为示意图
有的多层结构则具有多种功能，例如，为了显著提高汽轮机用热障涂层的使用寿命和工作可靠性，Leed等人提出在金属粘结层和热障涂层之间增加阻止氧扩散涂层，并在金属粘结层和阻止氧扩散涂层、热障涂层和阻止氧扩散涂层之间增加梯度过渡层，以阻碍氧扩散到金属粘结层，形成脆性的金属-陶瓷界面，
4．梯度结构
在热障涂层中，由于粘结层金属和氧化锆陶瓷的热膨胀系数差异较大，这种差异将导致涂层内应力过大，并且在热循环条件下常发生陶瓷涂层的早期破坏。为了减小内应力，提高涂层与基体的结合强度，材料科学家开始在常规热障涂层中引入功能梯度材料制备技术。
日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三首先提出了FGM的概念，与此同时，中国学者袁润章等也提出了FGM的概念，并率先在国内开展了这方面的研究。FGM的设计思想是针对两种或两种以上性质不同的材料，通过连续改变其组成、组织、结构与孔隙等要素, 使其内部界面消失，得到性能呈连续平稳变化的新型非均质复合材料。借助功能梯度材料的概念，使热障涂层结构梯度化，相应地，热膨胀系数将沿涂层厚度方向逐渐变化，从而缓和涂层制备过程中和热循环使用过程中产生的热应力。
梯度功能材料为金属/陶瓷涂层材料无法解决的热应力缓和问题提供了一种有效的方法，这为热障涂层的应用带来了令人兴奋的前景，因此倍受世界各国材料界的重视。德国与美国继日本之后也开始大规模的研制，我国也将此研究列入了“863”计划，短短十几年中，迅速发展取得了令人瞩目的成就。航天、航空、飞机、卫星、运载火箭等需要耐超高温的热屏障材料，核反应堆、发动机用耐热材料、热遮蔽材料，使用FGM热障涂层后可大幅度提高热效率。  
国内已经对功能梯度热障涂层的抗热震性能进行了研究，王富耻等人对等离子喷涂方法制备的ZrO2-NiCrAl系梯度热障涂层在瞬态热负荷下的破坏机理进行了研究，指出：陶瓷面层除了冷却过程中的径向拉力超过陶瓷材料的强度导致涂层破坏的模式以外，在加热的过程中陶瓷层间界面出现大的轴向拉伸应力，最终可以导致涂层剥落。朱景川等人对ZrO2-Ni系梯度热障涂层的热冲击与热疲劳行为进行了研究，结果表明：ZrO2-Ni系梯度热障涂层的抗热冲击参数呈梯度分布，热冲击破坏符合热疲劳损伤机理，裂纹的准静态扩展为其控制因素；热疲劳裂纹在梯度层内以微孔聚集、连接方式萌生和扩展，而在梯度层间无横向贯穿裂纹，克服了传统涂层的热应力剥落问题。黄维刚对ZrO2-NiCoCrAlY系梯度热障涂层进行了研究，认为去应力退火可以进一步提高涂层的抗热冲击性能。
六、涂层制备工艺优化设计
由于涂层制备时涉及工艺参数较多，以等离子喷涂工艺为例，在涂层制备过程中所涉及到的环节包括以下内容：
1．基体材料性质，包括其力学和热学性能、抗氧化能力、零件大小及形状和表面预处理等；
2．喷涂材料性质，包括成分、相稳定性、粉末形态、熔点、粒度分布、流动性及密度等；
3．制备工艺参数，包括工艺方法（APS、IPS、VPS和RF等）、喷枪类型、喷嘴设计、电流、气氛、送粉位置、送粉率、喷涂距离、喷枪移动速度、基体预热与冷却等；?????????
4．涂层性能检测，包括涂层成分与结构、结合强度、热力学性能、厚度、残余应力及涂层孔隙率等。
上述提及的每一个环节都会对涂层质量产生重要影响。为了获得既满足性能要求、质量又稳定的涂层，必须多影响涂层性能的关键因素进行优化设计，了解其影响规律，找到影响涂层质量稳定性的主要因素，并加以严格控制。因此，涂层制备工艺优化设计是涂层开发的必经阶段。Bisgaard和Heimann对热喷涂涂层最常用的试验统计设计技术（SDE）进行了分析，而Lugscheider和Knepper评述了适用于等离子喷涂的二水平析因分析方法，这些设计方法的理论基础均来源于Plackett和Burman、Box、Deming和Taguchi等人，通过特定的软件很容易完成所需要的统计计算工作。
根据所花费的脑力劳动不同，Tukey将工业试验分为以下几种类型：验证性试验、探索性试验和基础性或“创造性”试验。另一种分类方法是根据所研究的对象与客观实际即市场之间距离的远近来进行划分的，最后，综合考虑各种因素以后，提出了第三种分类方法：如果所研究的因素（参数、变量）在预置范围内是连续、可控的，就可以选择响应曲面法；如果有些参数有一定规律，却不可测量，即比较离散时，就不能采用响应曲面分析法，而应采用嵌套设计或裂区设计法；当预置幂指数较小时，对于等离子喷涂层的优化来讲，则应选用筛分设计法作为统计试验方法，这是非常重要的，该方法与Plackett-Burman设计法类似，能够处理连续变量和离散变量混合存在的情况。
每一项试验都是通过某种方法来努力接近“真实世界”，但必须采用一系列的简单假设来避免真实体系中存在的复杂的相互作用，从原理上来讲，通过两种途径可达到这一目的：即传统试验法和统计试验法。但传统试验方法是在尽可能保持其它参数不变的情况下每次只改变一个参数；而统计试验法是同时改变几个参数，通过最少的试验次数来获取最多的信息，因此，可大幅度降低试验的成本。传统试验方法能够得到精确的结果，但需要的试验次数很多，当存在综合的交叉因素相互作用时，还可能得出错误的结论，并且，它不能够解释体系的“结构性”。两种试验方法的比较如表所示。
两种方法比较

下面以筛分设计为例对涂层制备工艺的优化进行介绍，关于其它设计方法可参阅相关的参考文献。
试验环境的进展常常是从筛分设计开始的，例如，包含许多独立变量（接近40个）的Plackett-Burman或Taguchi设计，它通过一个一阶多项式模型可粗略估计出各参数影响的相对数量大小、影响趋势以及各参数的重要性大小。试验应列出能够想到的所有可能参数，并对其进行详细研究，应努力避免漏掉某些参数，大量减少必需的试验次数所带来的后果是不能发现参数之间的综合相互作用，此外，筛分设计的优点是允许同时存在连续参数和离散参数。Plackett-Burman设计属于饱和型，它包含许多试验轮次，就象决定一阶多项式模型中的多个系数一样。如果潜在的影响因素很多，可以选择超饱和型设计法，它包含较少的试验次数。如想进一步减少试验次数，可选用随机平衡原理。更现代的近似方法考虑了包含模糊逻辑的调优运算法，它根据几个随机选择的试验就可以对复杂系统的行为进行估计。
在真正的试验过程中，筛分设计特别是Plackett-Burman设计是研究任何一个完全未知系统的出发点，它能够以最少的试验次数从众多的可能变量中筛分出少数几个重要的变量，Plackett-Burman设计是N=2p析因的分式，其中，N为4的倍数，尽管它可以极大地减少试验次数，但并不能对综合的非线性参数交互作用进行估计，事实上，它只能对相互之间存在明显主效应时才能进行估计。只需要12次试验就可对11个等离子喷涂参数进行优化的饱和Plackett-Burman设计如表所示，其中，“+”代表参数xi的高水平；“-”代表参数xi的低水平。将每一列中的“+”响应之和(?+)减去该列的“-”响应之和(?-)，就可以得出该因素的因素效应大小，其大小D=(?+)-(?-)除以指定因素列中的“+” （或“-”）号数即为参数xi的因素效应。对于没有指定因素的多余列来讲，该因素效应可用于估计试验误差的大小，例如，只指定了六个变量x1~x6，剩余的五个自由度（即非指定因素效应x7~x11）可用来估计因素效应的方差：sFE={(1/q)?xiq2}1/2={(1/n)?E2i}1/2。
对11个参数进行估计的饱和Plackett-Burman设计表

为了确定哪一个因素xi具有统计显著性，可将计算的因素效应与最小因素显著性（{min}）进行比较。最小显著性因素效应为：
{min}=tansFE
其中：tan是自由度为n、置信水平为a的具有双侧t分布的t值。在统计学上认为，因素效应比{min}值（绝对值）大的所有因素均具有统计显著性。尽管Plackett-Burman设计几乎可以用于任何一个关于四的倍数的试验，但最常用的是12、20和28次试验，名义上该设计也可相应地处理11、19和27个因素。对所有因素来讲，选定任一p列以后，进行适用性评述是切实可行的。为提高预测精度，可采用较大设计和/或增加映射设计，通过采用次大设计，可以实现部分重复，例如，选定6个影响因素，推荐采用12次试验设计，剩余的5个自由度用来估计试验误差，换句话说，6因素可以在20次试验设计中进行，这样一来，就有剩余的13个自由度来估计试验误差。映射设计几乎可以避开二因素交互作用来评价主效应，因此，它与分式析因设计预测的功效相当。
需要讨论一下显著性水平a的选择，当自由度相对较少时，即所需要完成的试验次数较少时，应选择低于0.95的显著性水平，在这种情况下，“检定的有效性”较大，即如果存在的话，可以检出显著因素效应的似然性。根据经验，当自由度分别为≤5、5~30和≥30时，应分别选择显著性水平0.90、0.95和0.99。
假如存在二因素交互作用，Plackett-Burman设计具有所期望的性质，即显著因素效应明显高于由试验误差和交互作用产生的背景噪声。当无交互作用时，精度比为：
sFE/s=2/n1/2
式中，sFE为因素效应标准偏差；s为单个观察值的标准偏差，n为选定设计的所有观察值总数。n值要大到可以将显著信号与试验噪声分开，且概率较高，但优化次数及费用要尽可能小。所探测的因素效应大小为W，当显著参数具有大小为W的真实响应时就会被探测到，那么，所期望的概率为：（1-b）30.90，如果sFE=W/4就比较满意。由上可得：
n=(8s/W)2=[8/(W/s)]2
式中，W/s为信噪比。
此式称为Wheeler检验法，为使探测效应等于试验误差的两倍（W=2s），n必须为12~16；当探测效应与试验误差一样大时，n增大为原来的4倍，即为48~64。因此，当因素效应较小时，需要的试验次数就较多。
针对等离子喷涂工艺，当采用氩/氢等离子体时，在低碳钢 (德国钢号St38)基体上采用真空等离子喷涂法制备了新型的(Ti, Mo) C-NiCo涂层，并采用12点11因素Plackett-Burman设计法(根据Taguchi 的L12型)进行了优化设计。在二水平(高和低)上变化的六个因素分别是： 粉末 (团聚态)粒度大小（在下文中，因素X1、X2…Xi将被1、2…i所代替）； 等离子体功率； 送粉率； 等离子喷枪移动速度； 弧室压力； 喷涂距离。等离子体功率 不是一个独立的参数，它可以通过改变氩气/氢气的比率和电流的大小来进行适当的选择。 的低值是42 kW (氩气：48 1min-1，氢气：6 1min-1，电流：800A)；高值是47 kW (氩气：48 1min-1，氢气：7 1min-1，电流：900A)，其它的因素及其水平分别是： (-32+10mm；-63+32mm)、 (相对大小为0.5；1)、 (4m min-1；8m min-1)、 (80 mbar；100 mbar)及6 (340mm；380mm)。测定的四个响应值Yi分别是：表面粗糙度 (Y1)、显微硬度(Y2)、孔隙率(Y3)及单位面积断裂功(Y4)。结果发现，当置信度为95%时，影响上述响应的因素是 (对表面粗糙度和孔隙率为正效应，对单位面积断裂功为负效应) 和 （对孔隙率为正效应，对单位面积断裂功为负效应）。此外，为了使涂层的孔隙率最小，针对细粉(-32+10μm)，对参数 、 和 进行了完全析因设计23，将因素 (38kW；53kW)和 (100mbar；180mbar)的水平范围加大，因素 (200mm；300mm)的水平范围减小。在低水平下，即因素水平分别为 (38kW)、 (100mbar)和 (200mm)时，得到的涂层孔隙率约为2%，表面粗糙度较小，单位面积断裂功约为30 J mm-3。此时，出现的问题是，喷涂时会传给基体大量的热量，因此，必须对其进行有效冷却。
针对等离子喷涂工艺，建立在L8或 L16 Taguchi设计基础上的涂层制备工艺优化设计研究的其它例子包括：NiCrAl/膨润土耐磨涂层(L16设计、15个独立参数、3个相关参数，性能包括耐蚀性、抗拉强度及硬度)、厚热障涂层(TTBCs) (L8设计、7个独立参数、5个相关参数：耐蚀性、宏观硬度、孔隙率、沉积效率、抗热震性)、WC/Co-、Cr3C2/NiCr-和Al2O3/TiO2涂层(L8设计、7个独立参数、4个相关参数：显微硬度、洛氏硬度、抗拉强度、成分)等。
为了生产出具有更加优良使用性能的金属、陶瓷及复合材料涂层，等离子喷涂时必需考虑以下五个主要方面：①基体材料（包括力学和热学性质，抗氧化性能，大小，形状及表面预处理状况等）；②涂层材料（成分，相稳定性，粉末形态，粉末粒度分布，熔化状况，流动性和密度等）；③喷涂工艺（喷涂方法，喷嘴结构，电流，气氛，送粉速度分布，送粉率，喷涂距离，喷枪与基体的相对移动速度，基体预热及喷涂过程中的冷却）；④涂层性能（结构和成分，与基体的结合强度，涂层自身强度，热力学性质，厚度，残余应力和涂层孔隙率等）；⑤涂层质量控制。
关于具有更高使用性能的先进材料的热喷涂技术的研究与开发的发展速度很快，并且许多开发成果目前正在商品化，应该指出的是，其快速发展的标志是：在过去80年间所取得的发展成就中，有超出80%的成就是在过去的二十年间取得的！设备及工艺的发展在过去占有主导地位，但是，随着技术的发展，材料及工艺控制（SPC）与新兴的应用研究将在以后的研究中逐步占据主导地位。
通过技术基础和发展战略的比较，可以从经济可行性的角度来揭示及评价先进涂层材料领域的未来发展状况。耐磨涂层和热障涂层隶属于Ⅰ级战略，其战略是靠推广当前最新技术来提高小公司的竞争力或创建新的公司；生物涂层和类金刚石涂层隶属于Ⅱ级战略，其战略是致力于开发新技术的新应用；最后，低摩擦涂层、高温超导涂层和氮化硅涂层等都属于Ⅲ级战略，这些涂层尚处于基础研究阶段，致力于发现新的技术，这些有望在未来获得突破的新技术将主要帮助那些大公司，对新的企业来说，它们具有非常大的吸引力。