采用熱噴涂技術(shù)特別是等離子噴涂技術(shù)，在金屬基體上制備陶瓷涂層，能把陶瓷材料的特點(diǎn)和金屬材料的特點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，獲得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及制品，正成為當(dāng)代復(fù)合材料及制品高科技領(lǐng)域的一個(gè)重要分枝。熱噴涂技術(shù)因工藝的靈活性與可噴涂材料的廣泛性，目前已經(jīng)在航空航天、石油化工、電子電氣、汽車(chē)、醫(yī)療、海洋、礦業(yè)等領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

一、熱噴涂技術(shù)原理


根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)GB/T18719-2002的定義，熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱只溶化或半溶化狀態(tài)，并以一定的速度噴射沉積到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的的基體形成涂層的方法，賦予基體表面特殊功能的目的。

影響熱噴涂涂層性能的主要因素是原料在噴涂焰流中的熔融狀態(tài)（溫度）和飛行速度（微粒的動(dòng)能）。在大氣等離子噴涂之后出現(xiàn)的各種熱噴涂技術(shù)，無(wú)一不是通過(guò)提高微粒溫度或速度來(lái)獲得性能優(yōu)異的涂層。此外，由于等離子噴涂、爆炸噴涂等技術(shù)無(wú)法使用納米粉體進(jìn)料，在制備納米結(jié)構(gòu)涂層時(shí)只能通過(guò)造粒將其制為微米級(jí)粉體用于噴涂，噴涂工藝和涂層性能均受到限制。因此，研究人員還開(kāi)發(fā)了懸浮液等離子噴涂（SSPS），以便獲得特定組織的納米結(jié)構(gòu)涂層。

↓↓不同的噴涂工藝的優(yōu)勢(shì)及存在的問(wèn)題

熱噴涂技術(shù)工藝方法很多，但無(wú)論何種工藝方法，噴涂過(guò)程中形成涂層的原理和涂層結(jié)構(gòu)基本一致。熱噴涂形成涂層的過(guò)程一般經(jīng)歷四個(gè)階段：噴涂材料加熱溶化階段、霧化階段、飛行階段、碰撞沉積階段。

當(dāng)噴涂材料為線(xiàn)（棒）材時(shí)，噴涂過(guò)程中，線(xiàn)材的端部連續(xù)不斷地進(jìn)入熱源高溫區(qū)被加熱溶化，形成溶滴；當(dāng)噴涂材料為粉末時(shí)，粉末材料直接進(jìn)入熱源高溫區(qū)，在行進(jìn)的過(guò)程中被加熱至溶化或半溶化狀態(tài)。

線(xiàn)（棒）材在噴涂過(guò)程中被加熱溶化形成溶滴，在外加壓縮氣流或熱源自身氣流動(dòng)力的作用下，將線(xiàn)（棒）材端部溶滴霧化成微細(xì)溶粒并加速粒子的飛行速度；當(dāng)噴涂材料為粉末時(shí)，粉末材料被加熱到足夠高溫度，超過(guò)材料的熔點(diǎn)形成液滴時(shí)，在高速氣流的作用下，霧化破碎成更細(xì)微粒并加速飛行速度。

加熱溶化或半溶化狀態(tài)的粒子在外加壓縮氣流或熱源自身氣流動(dòng)力的作用下被加速飛行。粒子飛行過(guò)程中噴涂粒子首先被加速，隨著飛行距離的增加而減速。

具有一定溫度和速度的噴涂粒子在接觸基體材料的瞬間，以一定的動(dòng)能沖擊基體材料表面，產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞。在碰撞基體材料的瞬間，噴涂粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能并傳遞給基體材料，在凹凸不平的基材表面上產(chǎn)生形變。由于熱傳遞的作用，變形粒子迅速冷凝并伴隨著體積收縮，其中大部分粒子呈扁平狀牢固地粘結(jié)在基體材料表面上，而另一小部分碰撞后經(jīng)基體反彈而離開(kāi)基體表面。隨著噴涂粒子束不斷地沖擊碰撞基體表面，碰撞一變形—冷凝收縮一填充連續(xù)進(jìn)行。變形粒子在基體材料表面上，以顆粒與顆粒之間相互交錯(cuò)疊加地粘結(jié)在一起，而最終沉積形成涂層。

陶瓷是金屬元素和非金屬元素組成的晶體或非晶體化合物。它和金屬材料、高分子聚合物材料一起，構(gòu)成固態(tài)工程材料的三大支柱。現(xiàn)代材料已將金屬陶瓷、其他無(wú)機(jī)非金屬材料統(tǒng)歸入陶瓷范疇，成為品種、功能極多的一個(gè)材料大家族。一般來(lái)說(shuō)，凡經(jīng)加熱能呈熔融狀態(tài)或塑性狀態(tài)的材料，均可作為熱噴涂的涂層材料。除金屬材料外，陶瓷也可用于熱噴涂防腐蝕涂層。熱噴涂常用的陶瓷材料主要為Al₂O₃，TiO₂，Cr₂O₃，ZrO₂等氧化物陶瓷材料，碳化物等非氧化物陶瓷通常采用金屬合金作粘結(jié)劑制備成金屬基陶瓷復(fù)合材料使用。由于氮化物很脆，耐氧化性能又差，它的應(yīng)用甚少。

熱噴涂陶瓷涂層根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域可分為：耐磨陶瓷涂層、耐腐蝕陶瓷涂層、熱障陶瓷涂層、生物陶瓷涂層和壓電陶瓷涂層等幾大類(lèi)。

統(tǒng)計(jì)表明磨損與腐蝕造成的損失，在發(fā)達(dá)國(guó)家約占該國(guó)家GDP的3%-5%，而發(fā)展中國(guó)家則高達(dá)至10%，由此引起零部件在加工與生產(chǎn)中性能下降、最終失效。熱噴涂技術(shù)一直作為有效減磨與防腐蝕技術(shù)的最重要方法得到應(yīng)用。

摩擦磨損造成的能量和物質(zhì)損失均源自材料表面，因此，各類(lèi)表面工程技術(shù)已成為提高零構(gòu)件材料減摩、耐磨性能的重要方法。熱噴涂技術(shù)是應(yīng)用廣泛的表面工程技術(shù)之一。目前，應(yīng)用熱噴涂技術(shù)制備的涂層已經(jīng)廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)備中。熱噴涂涂層的耐磨性能主要取決于涂層成分、相組成、粒度與其含量，還與涂層的結(jié)合強(qiáng)度、硬度、孔隙率、涂層顆粒大小等因素有關(guān)。結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高、孔隙率小的涂層具有較好的耐沖蝕磨損性能。目前常用的耐磨涂層有：Al₂O₃層、Al2O₃+TiO₂涂層、Cr₂O₃涂層和WC-Co涂層等。

↓↓不同熱噴涂耐磨涂層的應(yīng)用領(lǐng)域

選擇合適的涂層材料以及相應(yīng)的熱噴涂工藝才能制備適應(yīng)工況要求的減摩耐磨涂層?；诠I(yè)與科技的快速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的工況要求越來(lái)越高，需要研制出性能更加優(yōu)異的減摩耐磨涂層。一方面，可從涂層材料的組分入手，設(shè)計(jì)出具有高強(qiáng)度、硬度或具有自潤(rùn)滑功能的新材料體系，如在硬質(zhì)的陶瓷涂層或金屬?陶瓷涂層中添加具有自潤(rùn)滑作用的潤(rùn)滑相（如石墨、二硫化鉬、高分子材料等），提高涂層的減摩性能。當(dāng)前，大多數(shù)研究?jī)H提出加入潤(rùn)滑相來(lái)提高涂層的減摩耐磨性能，并未深入探討最佳原料配比等條件。另一方面，工藝參數(shù)是影響熱噴涂涂層質(zhì)量的重要因素之一，可從優(yōu)化熱噴涂工藝入手，研究不同體系涂層的最佳工藝參數(shù)，為后續(xù)的研究工作奠定基礎(chǔ)。

鋼材應(yīng)用于苛刻的環(huán)境（如海洋鹽霧環(huán)境等）很容易發(fā)生腐蝕、磨損而失去零部件的精度。所進(jìn)行的傳統(tǒng)表面處理工藝主要為電鍍硬鉻，即六價(jià)鉻酸鹽在陰極沉積形成硬度較高的耐磨耐蝕涂層，其特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，成本低。但是電鍍鉻工藝會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染，在很多工業(yè)領(lǐng)域受到限制。此外，電鍍鉻過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生基體的氫脆，顯著降低基材的力學(xué)性能，因此，亟待尋找一種有效的替代工藝。熱噴涂涂層以其高效、環(huán)保和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)開(kāi)始被人們應(yīng)用于防腐蝕領(lǐng)域。

防腐涂層材料按照種類(lèi)來(lái)分主要有鋁、鋅及其合金材料，鎳基合金材料，不銹鋼材料以及復(fù)合陶瓷材料等。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面多使用陶瓷熱障涂層（ThermalBarrierCoatings，簡(jiǎn)稱(chēng)TBCs）將噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件與高溫燃?xì)飧糸_(kāi)，以改善高溫部件的服役條件，一方面可以提高渦輪葉片的服役壽命，另一方面可以節(jié)約燃料。為了使陶瓷熱障涂層與金屬基體能夠良好的結(jié)合以具有較佳的隔熱性能，陶瓷熱障涂層必須具備以下性能：①較低的熱導(dǎo)率；②熱膨脹系數(shù)與金屬基體匹配；③高溫下保持良好的相穩(wěn)定性。通常選用低熱導(dǎo)率的ZrO2基陶瓷材料作為熱障涂層工作層材料。

陶瓷熱障涂層主要的制備技術(shù)有等離子噴涂、電子束物理氣相沉積、激光熔覆、高速火焰噴涂和爆炸噴涂等，其中最常用的兩種制備方法是等離子噴涂（PlasmaSpray，簡(jiǎn)稱(chēng)PS）和電子束物理氣相沉積（ElectronBeam-Physical VaporDeposition，簡(jiǎn)稱(chēng)EB-PVD）。等離子噴涂涂層組織特點(diǎn)是有大量的氣孔與微裂紋?這可以緩解熱應(yīng)力?提高涂層的熱疲勞壽命。

鈦及其合金、鈷鉻鉬合金和不銹鋼都是臨床上常用的金屬骨植入材料。臨床使用的金屬材料不具有生物活性，與骨組織結(jié)合需要改善。對(duì)金屬植入體進(jìn)行表面改性，是改善其生物學(xué)性能的必要途徑。

熱噴涂技術(shù)是常用的表面改性手段之一，其制備的生物醫(yī)用涂層主要有金屬氧化物涂層（Al₂O₃，ZrO₂，TiO₂等）、生物活性羥基磷灰石（HA）涂層等。鈦和羥基磷灰石涂層已廣泛應(yīng)用于臨床實(shí)踐。近年來(lái)，硅酸鈣類(lèi)生物陶瓷涂層的研究亦受到人們的重視。

壓電陶瓷是具備優(yōu)異壓電性的一類(lèi)鐵電體，是一種將機(jī)械性能和電能相互轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料。壓電陶瓷除了具有壓電效應(yīng)外還具有介電性、鐵電性等，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達(dá)、顯示器件等各個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，通過(guò)應(yīng)用噴涂技術(shù)制備壓電陶瓷涂層正在逐步受到人們的重視。

參考來(lái)源：

1、熱噴涂技術(shù)與應(yīng)用，吳子健等編者；機(jī)械工業(yè)出版社。

2、熱噴涂陶瓷涂層的研究進(jìn)展；劉英凱①、閻殿然②、路學(xué)成③、孟凡愛(ài)①、姚俊青①；①博深工具股份有限公司，②河北工業(yè)大學(xué)，③軍事交通學(xué)院。

3、熱噴涂制備耐磨涂層的研究進(jìn)展；黨哲，高東強(qiáng)；陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。

4、氧化鋯基陶瓷熱障涂層的研究進(jìn)展；張??；派力固（大連）工業(yè)有限公司質(zhì)控課。