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热喷涂陶瓷涂层工艺及应用

日期：2022-04-26 浏览次数：次

采用热喷(pen)涂(tu)(tu)技术(shu)特(te)别是等(deng)离子喷(pen)涂(tu)(tu)技术(shu)，在金属(shu)基体(ti)上制(zhi)备陶(tao)瓷涂(tu)(tu)层(ceng)，能把(ba)陶(tao)瓷材(cai)料(liao)的特(te)点(dian)和(he)金属(shu)材(cai)料(liao)的特(te)点(dian)有机地结(jie)(jie)合起来(lai)，获(huo)得(de)复合材(cai)料(liao)结(jie)(jie)构及(ji)制(zhi)品(pin)(pin)，正成为当代复合材(cai)料(liao)及(ji)制(zhi)品(pin)(pin)高科技领(ling)(ling)(ling)域的一个重(zhong)要(yao)分枝。热喷(pen)涂(tu)(tu)技术(shu)因工(gong)艺的灵活性与可喷(pen)涂(tu)(tu)材(cai)料(liao)的广(guang)泛(fan)性，目前已经在航空航天、石油化工(gong)、电子电气、汽车、医疗、海洋、矿(kuang)业等(deng)领(ling)(ling)(ling)域得(de)到(dao)了越来(lai)越多的领(ling)(ling)(ling)域获(huo)得(de)广(guang)泛(fan)的应用。

热喷涂陶瓷涂层工艺及应用

一、热喷(pen)涂技术原(yuan)理

根据(ju)国(guo)际标准GB/T18719-2002的(de)(de)定(ding)义，热(re)喷(pen)涂(tu)技术是(shi)利用热(re)源将喷(pen)涂(tu)材(cai)料加热(re)只溶化或半溶化状(zhuang)态，并以一(yi)定(ding)的(de)(de)速度(du)喷(pen)射沉(chen)积到(dao)经(jing)过预处理的(de)(de)的(de)(de)基体形成(cheng)涂(tu)层的(de)(de)方法(fa)，赋予基体表面特殊(shu)功能的(de)(de)目的(de)(de)。

影(ying)响热喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)涂(tu)(tu)层性(xing)能的(de)(de)主要因素是原(yuan)料(liao)在(zai)喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)焰(yan)流中的(de)(de)熔融状态（温度(du)）和(he)飞行(xing)速(su)度(du)（微(wei)(wei)粒的(de)(de)动能）。在(zai)大气等(deng)离子喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)之后(hou)出现的(de)(de)各种热喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)技术，无一(yi)不是通过(guo)提(ti)高微(wei)(wei)粒温度(du)或(huo)速(su)度(du)来获(huo)得性(xing)能优异的(de)(de)涂(tu)(tu)层。此(ci)(ci)外，由于(yu)等(deng)离子喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)、爆(bao)炸(zha)喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)等(deng)技术无法使用(yong)纳(na)(na)米(mi)粉体进(jin)料(liao)，在(zai)制(zhi)备纳(na)(na)米(mi)结构(gou)涂(tu)(tu)层时只能通过(guo)造粒将其制(zhi)为(wei)微(wei)(wei)米(mi)级粉体用(yong)于(yu)喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)，喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)工艺和(he)涂(tu)(tu)层性(xing)能均受(shou)到限制(zhi)。因此(ci)(ci)，研究人员还开(kai)发了悬(xuan)浮(fu)液等(deng)离子喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)（SSPS），以便(bian)获(huo)得特定组织的(de)(de)纳(na)(na)米(mi)结构(gou)涂(tu)(tu)层。

↓↓不同的(de)喷(pen)涂工(gong)艺的(de)优势(shi)及存在的(de)问题

热喷涂陶瓷涂层工艺及应用

热喷(pen)(pen)(pen)涂技术工艺方法(fa)很多，但无论何种工艺方法(fa)，喷(pen)(pen)(pen)涂过程中形成涂层的(de)原理和涂层结构基本一(yi)致。热喷(pen)(pen)(pen)涂形成涂层的(de)过程一(yi)般(ban)经历四个(ge)阶(jie)段：喷(pen)(pen)(pen)涂材料加热溶化(hua)阶(jie)段、雾化(hua)阶(jie)段、飞(fei)行阶(jie)段、碰撞沉(chen)积(ji)阶(jie)段。

1、加热溶化阶段

当喷涂(tu)(tu)材料(liao)(liao)为线(xian)（棒）材时(shi)，喷涂(tu)(tu)过(guo)(guo)程中(zhong)，线(xian)材的端(duan)部连续不(bu)断地进入热源(yuan)高温区被加(jia)热溶化，形成(cheng)溶滴；当喷涂(tu)(tu)材料(liao)(liao)为粉末时(shi)，粉末材料(liao)(liao)直(zhi)接进入热源(yuan)高温区，在行(xing)进的过(guo)(guo)程中(zhong)被加(jia)热至(zhi)溶化或半溶化状态。

2、雾化阶段

线（棒(bang)）材在喷涂(tu)过(guo)程(cheng)中被加(jia)热(re)溶(rong)化(hua)(hua)形成溶(rong)滴，在外加(jia)压缩气(qi)流(liu)或热(re)源(yuan)自身气(qi)流(liu)动力的(de)(de)作用下，将线（棒(bang)）材端部溶(rong)滴雾化(hua)(hua)成微(wei)细(xi)溶(rong)粒(li)并加(jia)速(su)(su)粒(li)子的(de)(de)飞行(xing)速(su)(su)度；当喷涂(tu)材料(liao)为(wei)粉末(mo)时(shi)，粉末(mo)材料(liao)被加(jia)热(re)到足够高(gao)温度，超过(guo)材料(liao)的(de)(de)熔点形成液滴时(shi)，在高(gao)速(su)(su)气(qi)流(liu)的(de)(de)作用下，雾化(hua)(hua)破碎(sui)成更(geng)细(xi)微(wei)粒(li)并加(jia)速(su)(su)飞行(xing)速(su)(su)度。

热喷涂陶瓷涂层工艺及应用

热喷涂(tu)技术(shu)涂(tu)层形成(cheng)原理

3、飞行阶段

加(jia)(jia)热溶(rong)化(hua)或半溶(rong)化(hua)状态的粒子(zi)在(zai)外加(jia)(jia)压缩气(qi)流或热源自(zi)身气(qi)流动(dong)力的作用下被加(jia)(jia)速飞行。粒子(zi)飞行过程中喷涂粒子(zi)首先(xian)被加(jia)(jia)速，随着飞行距离的增加(jia)(jia)而减速。

4、碰撞沉(chen)积阶(jie)段(duan)

具有一(yi)(yi)定(ding)温度和速(su)度的喷(pen)涂(tu)粒(li)(li)子在(zai)接触基体(ti)材(cai)料的瞬间，以一(yi)(yi)定(ding)的动能(neng)冲击基体(ti)材(cai)料表(biao)面(mian)，产生强烈的碰(peng)撞。在(zai)碰(peng)撞基体(ti)材(cai)料的瞬间，喷(pen)涂(tu)粒(li)(li)子的动能(neng)转化为热能(neng)并传递(di)给基体(ti)材(cai)料，在(zai)凹凸(tu)不(bu)平的基材(cai)表(biao)面(mian)上(shang)产生形(xing)变(bian)(bian)。由于热传递(di)的作用，变(bian)(bian)形(xing)粒(li)(li)子迅速(su)冷(leng)凝并伴随(sui)着体(ti)积收缩，其中大部(bu)分粒(li)(li)子呈扁平状牢固(gu)地粘(zhan)结在(zai)基体(ti)材(cai)料表(biao)面(mian)上(shang)，而(er)另一(yi)(yi)小部(bu)分碰(peng)撞后经基体(ti)反弹(dan)而(er)离(li)开基体(ti)表(biao)面(mian)。随(sui)着喷(pen)涂(tu)粒(li)(li)子束不(bu)断地冲击碰(peng)撞基体(ti)表(biao)面(mian)，碰(peng)撞一(yi)(yi)变(bian)(bian)形(xing)—冷(leng)凝收缩一(yi)(yi)填(tian)充连(lian)续进行。变(bian)(bian)形(xing)粒(li)(li)子在(zai)基体(ti)材(cai)料表(biao)面(mian)上(shang)，以颗(ke)粒(li)(li)与颗(ke)粒(li)(li)之间相互交错叠加地粘(zhan)结在(zai)一(yi)(yi)起，而(er)最终沉积形(xing)成涂(tu)层(ceng)。

热喷涂陶瓷涂层工艺及应用

涂层形(xing)成的(de)过程示意(yi)图

二(er)、热喷涂(tu)陶(tao)瓷涂(tu)层(ceng)的应用

陶(tao)瓷(ci)(ci)是金(jin)(jin)属(shu)元(yuan)素和(he)非(fei)金(jin)(jin)属(shu)元(yuan)素组成(cheng)的(de)晶(jing)(jing)体(ti)(ti)或(huo)非(fei)晶(jing)(jing)体(ti)(ti)化合物。它和(he)金(jin)(jin)属(shu)材(cai)(cai)料(liao)、高分子(zi)聚合物材(cai)(cai)料(liao)一起，构成(cheng)固态工程(cheng)材(cai)(cai)料(liao)的(de)三大支(zhi)柱。现(xian)代材(cai)(cai)料(liao)已将金(jin)(jin)属(shu)陶(tao)瓷(ci)(ci)、其他(ta)无机(ji)非(fei)金(jin)(jin)属(shu)材(cai)(cai)料(liao)统归入陶(tao)瓷(ci)(ci)范畴(chou)，成(cheng)为(wei)品种(zhong)、功能极多的(de)一个材(cai)(cai)料(liao)大家族。一般(ban)来说(shuo)，凡经加热能呈熔(rong)融状(zhuang)态或(huo)塑性(xing)状(zhuang)态的(de)材(cai)(cai)料(liao)，均可(ke)作为(wei)热喷涂(tu)的(de)涂(tu)层(ceng)材(cai)(cai)料(liao)。除金(jin)(jin)属(shu)材(cai)(cai)料(liao)外(wai)，陶(tao)瓷(ci)(ci)也可(ke)用于热喷涂(tu)防腐蚀(shi)涂(tu)层(ceng)。热喷涂(tu)常用的(de)陶(tao)瓷(ci)(ci)材(cai)(cai)料(liao)主要(yao)为(wei)Al₂O₃，TiO₂，Cr₂O₃，ZrO₂等(deng)氧化物(wu)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)材料，碳化物(wu)等(deng)非氧化物(wu)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)通常采用金(jin)(jin)属(shu)合金(jin)(jin)作粘结(jie)剂制备(bei)成金(jin)(jin)属(shu)基陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)复合材料使用。由于氮化物(wu)很脆，耐氧化性能又差，它的应(ying)用甚(shen)少(shao)。

↓↓常见热喷涂(tu)材(cai)料及其特点和应用

热喷涂陶瓷涂层工艺及应用

热(re)喷涂(tu)(tu)陶(tao)(tao)瓷涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)根据应用领域可分为：耐(nai)(nai)磨陶(tao)(tao)瓷涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)、耐(nai)(nai)腐蚀陶(tao)(tao)瓷涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)、热(re)障陶(tao)(tao)瓷涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)、生(sheng)物陶(tao)(tao)瓷涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)和压电(dian)陶(tao)(tao)瓷涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)等几大类(lei)。

1、耐(nai)磨涂(tu)层(ceng)

统计表明磨(mo)损与腐蚀(shi)造成的(de)损失，在发达国家约占该(gai)国家GDP的(de)3%-5%，而发展中(zhong)国家则高达至(zhi)10%，由此引起零部(bu)件在加工与生产(chan)中(zhong)性能(neng)下降、最终(zhong)失效(xiao)(xiao)。热喷涂技术一直(zhi)作为有效(xiao)(xiao)减磨(mo)与防腐蚀(shi)技术的(de)最重要方法得到应用。

摩擦磨(mo)(mo)损造(zao)成(cheng)的(de)(de)能(neng)(neng)量和(he)物质损失均源自材料表(biao)面，因(yin)此，各(ge)类表(biao)面工程技术已(yi)成(cheng)为提高(gao)零构件材料减摩、耐(nai)磨(mo)(mo)性能(neng)(neng)的(de)(de)重要方法(fa)。热(re)喷(pen)涂(tu)技术是应(ying)用(yong)广泛的(de)(de)表(biao)面工程技术之一(yi)。目前，应(ying)用(yong)热(re)喷(pen)涂(tu)技术制备(bei)的(de)(de)涂(tu)层已(yi)经广泛应(ying)用(yong)在机械设备(bei)中。热(re)喷(pen)涂(tu)涂(tu)层的(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)性能(neng)(neng)主(zhu)要取决(jue)于(yu)涂(tu)层成(cheng)分(fen)、相组成(cheng)、粒(li)度(du)与其含量，还(hai)与涂(tu)层的(de)(de)结合强度(du)、硬度(du)、孔隙(xi)率、涂(tu)层颗(ke)粒(li)大(da)小(xiao)等因(yin)素(su)有(you)关。结合强度(du)高(gao)、硬度(du)高(gao)、孔隙(xi)率小(xiao)的(de)(de)涂(tu)层具(ju)有(you)较(jiao)好的(de)(de)耐(nai)冲蚀磨(mo)(mo)损性能(neng)(neng)。目前常用(yong)的(de)(de)耐(nai)磨(mo)(mo)涂(tu)层有(you)：Al₂O₃层、Al2O₃+TiO₂涂层、Cr₂O₃涂层和WC-Co涂层等。

↓↓不同(tong)热(re)喷涂(tu)耐(nai)磨(mo)涂(tu)层的应用领域

不同热喷涂耐磨涂层的应用领域

选(xuan)择合适的(de)(de)涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)以及相应(ying)的(de)(de)热喷涂(tu)(tu)工(gong)(gong)(gong)(gong)艺(yi)才能制备适应(ying)工(gong)(gong)(gong)(gong)况(kuang)要求的(de)(de)减(jian)摩耐磨涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)。基于工(gong)(gong)(gong)(gong)业与科技的(de)(de)快速发展(zhan)，机械设备的(de)(de)工(gong)(gong)(gong)(gong)况(kuang)要求越来(lai)越高(gao)，需要研(yan)制出性(xing)能更加优(you)异的(de)(de)减(jian)摩耐磨涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)。一(yi)方面(mian)，可从涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)组分入(ru)手，设计出具有(you)高(gao)强度、硬度或(huo)具有(you)自(zi)润滑(hua)(hua)功能的(de)(de)新(xin)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)体系，如在硬质的(de)(de)陶瓷(ci)涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)或(huo)金(jin)属−陶瓷(ci)涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)中添加具有(you)自(zi)润滑(hua)(hua)作用的(de)(de)润滑(hua)(hua)相（如石墨(mo)、二硫化钼、高(gao)分子材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)等(deng)），提高(gao)涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)的(de)(de)减(jian)摩性(xing)能。当前，大多数研(yan)究仅提出加入(ru)润滑(hua)(hua)相来(lai)提高(gao)涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)的(de)(de)减(jian)摩耐磨性(xing)能，并未深入(ru)探(tan)讨最佳原料(liao)(liao)(liao)配比(bi)等(deng)条件。另(ling)一(yi)方面(mian)，工(gong)(gong)(gong)(gong)艺(yi)参(can)数是影响热喷涂(tu)(tu)涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)质量的(de)(de)重要因(yin)素之一(yi)，可从优(you)化热喷涂(tu)(tu)工(gong)(gong)(gong)(gong)艺(yi)入(ru)手，研(yan)究不同体系涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)的(de)(de)最佳工(gong)(gong)(gong)(gong)艺(yi)参(can)数，为后续的(de)(de)研(yan)究工(gong)(gong)(gong)(gong)作奠定基础。

2、耐(nai)腐蚀陶瓷涂(tu)层

钢材应用于苛刻的(de)(de)(de)环(huan)境(jing)（如海洋(yang)盐(yan)雾环(huan)境(jing)等）很(hen)容(rong)易发生(sheng)腐蚀、磨(mo)损而(er)失去(qu)零部件的(de)(de)(de)精度(du)。所进(jin)行(xing)的(de)(de)(de)传统(tong)表(biao)面处(chu)理工(gong)(gong)艺(yi)主要为(wei)电(dian)(dian)镀硬(ying)铬(ge)，即(ji)六价铬(ge)酸盐(yan)在(zai)阴(yin)极沉积形成硬(ying)度(du)较高的(de)(de)(de)耐磨(mo)耐蚀涂层，其特点(dian)是(shi)工(gong)(gong)艺(yi)简(jian)单(dan)，成本低。但是(shi)电(dian)(dian)镀铬(ge)工(gong)(gong)艺(yi)会产(chan)生(sheng)严(yan)重的(de)(de)(de)环(huan)境(jing)污染，在(zai)很(hen)多工(gong)(gong)业领(ling)域受到(dao)限制。此外(wai)，电(dian)(dian)镀铬(ge)过程(cheng)中还(hai)会产(chan)生(sheng)基体的(de)(de)(de)氢脆，显著降低基材的(de)(de)(de)力学性能，因此，亟(ji)待寻找一种有(you)效的(de)(de)(de)替代工(gong)(gong)艺(yi)。热喷涂涂层以(yi)其高效、环(huan)保和良好(hao)的(de)(de)(de)化(hua)学稳定性等特点(dian)开(kai)始被人们应用于防腐蚀领(ling)域。

防腐涂(tu)层材料按照(zhao)种类(lei)来分主要有铝、锌及其合(he)金材料，镍基合(he)金材料，不锈钢材料以及复合(he)陶(tao)瓷(ci)材料等。

3、热障陶瓷涂层

航空发(fa)动(dong)机涡轮叶片(pian)表面多使(shi)用陶瓷(ci)(ci)热(re)(re)障涂层（Thermal Barrier Coatings，简称TBCs）将喷(pen)气发(fa)动(dong)机的(de)(de)高(gao)(gao)温(wen)(wen)部件与(yu)高(gao)(gao)温(wen)(wen)燃气隔开，以(yi)改善(shan)高(gao)(gao)温(wen)(wen)部件的(de)(de)服役条件，一方面可以(yi)提高(gao)(gao)涡轮叶片(pian)的(de)(de)服役寿命，另(ling)一方面可以(yi)节约(yue)燃料。为了使(shi)陶瓷(ci)(ci)热(re)(re)障涂层与(yu)金属(shu)基体能(neng)(neng)(neng)够良(liang)好的(de)(de)结合以(yi)具有(you)较佳的(de)(de)隔热(re)(re)性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)，陶瓷(ci)(ci)热(re)(re)障涂层必须具备以(yi)下性(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)：①较低(di)的(de)(de)热(re)(re)导率(lv)；②热(re)(re)膨(peng)胀系数与(yu)金属(shu)基体匹配(pei)；③高(gao)(gao)温(wen)(wen)下保(bao)持(chi)良(liang)好的(de)(de)相(xiang)稳定性(xing)(xing)(xing)。通常选用低(di)热(re)(re)导率(lv)的(de)(de)ZrO2基陶瓷(ci)(ci)材料作为热(re)(re)障涂层工作层材料。

陶瓷热障涂(tu)层主要的制备(bei)技术有等离子喷(pen)涂(tu)、电子束(shu)物理(li)气(qi)相沉积、激光熔(rong)覆(fu)、高(gao)速火焰(yan)喷(pen)涂(tu)和爆炸(zha)喷(pen)涂(tu)等，其中最常(chang)用的两种制备(bei)方法是等离子喷(pen)涂(tu)（Plasma Spray，简称PS）和电子束物理(li)气相沉积（Electron Beam-Physical Vapor Deposition，简称EB-PVD）。等离子喷涂涂层(ceng)组织(zhi)特(te)点是有(you)大量(liang)的气(qi)孔与微裂纹‚这可以缓解热应力‚提高涂层的热疲劳寿命。

4、生(sheng)物陶瓷(ci)涂层

钛及其合(he)金(jin)、钴铬钼合(he)金(jin)和不(bu)锈钢都是临床上常用(yong)的金(jin)属骨植入材料。临床使用(yong)的金(jin)属材料不(bu)具有生物(wu)(wu)活(huo)性，与(yu)骨组织结(jie)合(he)需(xu)要(yao)改善。对(dui)金(jin)属植入体(ti)进行表(biao)面改性，是改善其生物(wu)(wu)学性能的必要(yao)途径。

热喷(pen)涂(tu)技术是常用的(de)表(biao)面(mian)改(gai)性手段之一，其制备(bei)的(de)生(sheng)物(wu)医用涂(tu)层(ceng)主要(yao)有金(jin)属氧化物(wu)涂(tu)层(ceng)（Al₂O₃，ZrO₂，TiO₂等）、生物活性(xing)羟基磷(lin)灰(hui)石（HA）涂层等。钛和羟基磷灰石涂层已广泛应用于临床实践。近年来，硅酸钙类生物陶瓷涂层的研究亦受到人们的重视。

5、压(ya)电陶(tao)瓷涂层

压(ya)(ya)(ya)电(dian)(dian)陶(tao)瓷是具备优异(yi)压(ya)(ya)(ya)电(dian)(dian)性(xing)的一(yi)类铁电(dian)(dian)体，是一(yi)种将机械(xie)性(xing)能(neng)(neng)(neng)和电(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)相(xiang)互转换的信息功(gong)能(neng)(neng)(neng)陶(tao)瓷材料。压(ya)(ya)(ya)电(dian)(dian)陶(tao)瓷除了具有压(ya)(ya)(ya)电(dian)(dian)效应(ying)外还具有介电(dian)(dian)性(xing)、铁电(dian)(dian)性(xing)等(deng)，已被广泛(fan)应(ying)用于医学成像、声(sheng)传感(gan)器(qi)、声(sheng)换能(neng)(neng)(neng)器(qi)、超(chao)声(sheng)马达、显(xian)示器(qi)件等(deng)各个领(ling)域。近年来，通过应(ying)用喷涂技术制(zhi)备压(ya)(ya)(ya)电(dian)(dian)陶(tao)瓷涂层正在逐步(bu)受到人们(men)的重视。

参考来源(yuan)：

1、热(re)喷涂技(ji)术与应用，吴子健等(deng)编(bian)者；机械工业出版(ban)社(she)。

2、热喷涂陶瓷涂层的研究进展(zhan)；刘英凯①、阎(yan)殿然(ran)②、路学成③、孟凡爱①、姚俊青(qing)①；①博(bo)深(shen)工(gong)(gong)具股份有限公司，②河北工(gong)(gong)业大学，③军(jun)事交通(tong)学院(yuan)。

3、热喷涂(tu)制备耐磨涂(tu)层的研究进展；党(dang)哲，高东(dong)强；陕西(xi)科技大学机电工程学院。

4、氧化锆基陶瓷热障涂(tu)层的研究进(jin)展；张巍；派力(li)固（大连）工业有限公司(si)质控课。

编辑：粉体圈Alpha

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