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，其中最常見的應(yīng)用便是耐磨涂層。市場上制備材料表面涂層的方法較多，包括熱噴涂、化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、電鍍等，熱噴涂技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的表面工程技術(shù)之—，在航空發(fā)動機(jī)、重型燃?xì)廨啓C(jī)等高端裝備的科研和生產(chǎn)中有著不可替代的作用。

減摩耐磨涂層是熱噴涂技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，以航空發(fā)動機(jī)為例，機(jī)匣氣路封嚴(yán)涂層、級間篦齒耐磨涂層、葉片榫頭抗微動涂層、葉尖耐磨涂層、葉片阻尼臺耐磨涂層等均采用熱噴涂技術(shù)制備。因此，國內(nèi)外研究人員對熱噴涂技術(shù)及其在減摩耐磨涂層中的應(yīng)用開發(fā)十分重視。

什么是熱噴涂？

熱噴涂技術(shù)是利用熱源將粉末、絲材、棒材等原材料加熱到熔融、半熔融或塑性軟化狀態(tài)，同時通過高速氣流將其加速噴射撞擊到經(jīng)過預(yù)處理的工件表面，形成具有特定功能的涂層。與其他表面工程技術(shù)相比，熱噴涂技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)以高沉積速率完成大面積涂層的生產(chǎn)，且噴涂過程可借助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動化，有利于保證批量生產(chǎn)中涂層的生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定。

熱噴涂技術(shù)的局限性小，對零件基材狀態(tài)、預(yù)處理沒有過高的要求，而且噴涂原料范圍廣，涵蓋金屬、合金、陶瓷、金屬-陶瓷、高分子材料等。因此，熱噴涂技術(shù)在航空航天、石油化工、電子電氣、汽車、醫(yī)療、海洋、礦業(yè)等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。

常見熱噴涂材料及應(yīng)用

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（微粒的動能）。在大氣等離子噴涂之后出現(xiàn)的各種熱噴涂技術(shù)，無一不是通過提高微粒溫度或速度來獲得性能優(yōu)異的涂層。此外，由于等離子噴涂、爆炸噴涂等技術(shù)無法使用納米粉體進(jìn)料，在制備納米結(jié)構(gòu)涂層時只能通過造粒將其制為微米級粉體用于噴涂，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。

大氣等離子噴涂(APS)是應(yīng)用最早、最廣的一種熱噴涂技術(shù)，整個噴涂過程在大氣環(huán)境下進(jìn)行。APS通常利用Ar、N₂和He作為工作介質(zhì)，其核心部件是等離子噴槍，工作原理是在陽極和陰極之間通入上述工作氣體作為介質(zhì)，使其電離并產(chǎn)生等離子弧，通過等離子弧的作用進(jìn)一步將噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài)后進(jìn)行噴涂。

APS制備的涂層因具有較高的結(jié)合強(qiáng)度等特點(diǎn)而成為摩擦學(xué)界研究的熱點(diǎn)，具有較高的溫度，但其噴涂過程中微粒的飛行速度較低（約300m/s），導(dǎo)致微粒在焰流中易出現(xiàn)氧化、分解或過熱等問題，難以滿足較高的工況要求。因此，研究人員在其基礎(chǔ)上研究出微粒飛行速度更高的超音速等離子噴涂。

超音速等離子噴涂(SPS)技術(shù)是利用等離子弧與高速氣流混合時出現(xiàn)的“擴(kuò)展弧”可以得到穩(wěn)定聚集的超音速等離子射流，相比于大氣等離子噴涂，微粒飛行速度更高，微粒以更大的動能撞擊基體，有利于產(chǎn)生更強(qiáng)烈的釘扎作用和更好的鋪展，涂層致密度和結(jié)合強(qiáng)度也就更高。

采用SPS技術(shù)制備出的涂層具有致密的層狀結(jié)構(gòu)、較高的粘接強(qiáng)度等優(yōu)異性能，它不僅適用于制備高熔點(diǎn)陶瓷涂層，還適用于制備金屬-陶瓷復(fù)合涂層和常規(guī)金屬涂層。目前，SPS已經(jīng)成為較前沿的熱噴涂技術(shù)，并得到市場認(rèn)可。

一個比較典型的應(yīng)用是熱噴涂Mo涂層，Mo具有高熔點(diǎn)(2620℃)、高硬度、高強(qiáng)度、抗高溫粘結(jié)等優(yōu)點(diǎn)，熱噴涂Mo涂層作為耐磨涂層被廣泛應(yīng)用于材料表面強(qiáng)化或尺寸修復(fù)，Mo也可以作為熱噴涂耐磨涂層的增強(qiáng)相。由于Mo熔點(diǎn)高，以往主要采用APS制備，但APS鉬涂層易出現(xiàn)的孔隙降低了它的硬度和耐磨性。不過SPS技術(shù)雖可制備出結(jié)構(gòu)致密且結(jié)合強(qiáng)度高的涂層，但是在噴涂過程中仍存在碳化物脫碳、粉末氧化等問題。

超音速空氣燃料噴涂(HVAF)是在超音速火焰噴涂(HVOF)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩種噴涂技術(shù)的主要不同點(diǎn)是HVAF采用壓縮空氣為燃料代替氧氣，兩者在火焰溫度和粒子飛行速度方面也都有一定差異。

HVOF被廣泛用于金屬-陶瓷耐磨涂層的制備，包括WC-Co、WC-Co-Cr、NiCr-CrgCz等涂層；但是HVOF工藝中，碳化物在噴涂焰流中易發(fā)生脫碳而生成脆性相，極大地影響了涂層的耐磨性。

HVAF工藝火焰溫度較低（低于2000°C），但粒子噴射速度更高，較低的火焰溫度改善了原始粉末的過熔和過度氧化的問題，涂層中氧化物含量明顯減少，也有利于抑制噴涂原料中納米微粒在噴涂過程中的長大，在很大程度上改善了HVOF技術(shù)導(dǎo)致噴涂原料熱退化的現(xiàn)象。因此，相比HVOF技術(shù)，HVAF技術(shù)能以較高的沉積效率，制備出孔隙率低、與基體結(jié)合強(qiáng)度高的涂層。

HVAF較低的焰流溫度有助于進(jìn)一步抑制噴涂過程中非晶材料的過熱和結(jié)晶，在制備鐵基非晶涂層方面有著明顯的優(yōu)勢。鐵基非晶材料具有低成本、高強(qiáng)度、高耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，并且熱噴涂過程中熔融粒子冷凝速度極高，利于非晶的形成，所以熱噴涂鐵基非晶涂層是硬質(zhì)耐磨涂層的研究熱點(diǎn)。

爆炸噴涂技術(shù)的原理是利用氣體爆炸后產(chǎn)生的能量將粉末原料加熱熔化，使其以極高速度沉積在工件表面，形成堅固的涂層。該技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)等關(guān)鍵零部件修復(fù)和耐磨防護(hù)中表現(xiàn)出無法替代的優(yōu)勢，受到世界范圍的研究和重視，已成為生產(chǎn)高質(zhì)量耐磨涂層最有效的技術(shù)。

爆炸噴涂也特備適合制備多相復(fù)合涂層，例如用于彈性箔片氣體軸承啟停階段的潤滑防護(hù)的寬溫域固體潤滑涂層NiCr-Cr₂O₃-Ag-BaF₂/CaF₂涂層(PS304)，其中金屬粘接相、潤滑相（軟金屬Ag、氟化物共晶）、陶瓷耐磨相之間理化性能差別大，采用爆炸噴涂的結(jié)合強(qiáng)度高于APS、HVOF所制備的該涂層，同時相比于HVOF，爆炸噴涂可以沉積更多的BaF₂/CaF₂。

由于爆炸噴涂是脈沖式進(jìn)行的，基體受熱時間短，碳化物粉末原料發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象的程度較其他熱噴涂技術(shù)低，因而可以保證涂層組織與粉末成分的一致性，這一特點(diǎn)也使其在沉積易分解材料方面具有一定優(yōu)勢。

超低壓等離子噴涂技術(shù)(VLPPS)是在低壓/真空等離子噴涂(LPPS)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過熔化液滴在進(jìn)一步降低壓力的真空室中，同時大幅提高等離子噴槍功率，將粉未加熱、加速，并達(dá)到一定比例的氣化，最終沉積形成涂層。LPPS在5000~20000Pa下進(jìn)行，而VLPPS是在小于100Pa的低壓室中應(yīng)用100kW以上大功率等離子噴槍進(jìn)行噴涂。

傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù)主要用于制備厚度超過100um的涂層，由于VLPPS的焰流溫度和速度分布比LPPS更均勻，且覆蓋面積大，且等離子體焰流及噴射距離較長，適用于快速制備大面積、致密均勻的薄涂層，可填補(bǔ)在大型基材上制備厚度為5~100um涂層技術(shù)的空白。VLPPS涂層的微觀形貌既可以呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)（類似于APS和LPPS涂層），也可以呈現(xiàn)出柱狀結(jié)構(gòu)（類似于PVD或CVD涂層）。

目前，VLPPS作為一項前沿的熱噴涂技術(shù)多被用于制備熱障涂層，研究人員主要研究其抗氧化性能，應(yīng)用該技術(shù)制備減摩耐磨涂層的相關(guān)研究較少。

納米結(jié)構(gòu)有利于提高涂層韌性、耐磨性等方面，但由于納米顆粒的粒徑小、質(zhì)量小，傳統(tǒng)的熱噴涂過程中無法在常規(guī)條件下直接注入納米粉末原料，從而出現(xiàn)粉末團(tuán)聚，堵塞進(jìn)粉系統(tǒng)等問題。此外納米粉末由于熱能較高，在噴涂過程中會迅速分解。懸浮液等離子噴涂(SSPS)技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一問題，它的核心原理是將原始粉末和水或有機(jī)溶劑混合在一起形成懸浮液，主要用于納米涂層的制備，應(yīng)用此方法制備納米涂層時可在很大程度上避免出現(xiàn)粉末團(tuán)聚、堵塞進(jìn)粉系統(tǒng)等問題。

由于粒子在注入等離子射流之前就為液態(tài)，焰流密度較高，因此SSPS中等離子體流向基體的熱流密度比常規(guī)APS在相同功率水平下的熱流密度要高一個數(shù)量級，可以制備傳統(tǒng)噴涂技術(shù)不能制備的涂層，如直接將APS工藝無法噴涂的顆粒（如SiC）摻入陶瓷基體中。

電弧噴涂技術(shù)主要應(yīng)用于防護(hù)涂層中，其原理是應(yīng)用2根連續(xù)且均勻送進(jìn)的金屬絲短接產(chǎn)生電弧，并以此熔化金屬絲，外加壓縮空氣使熔融顆粒霧化并且加速，熔融的液滴撞擊經(jīng)過預(yù)處理的基材表面發(fā)生變形、展平，并快速凝固、沉積，逐漸形成涂層。

早期的電弧噴涂技術(shù)制備的涂層存在孔隙率較大、與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低等問題，因此，研究人員在普通電弧噴涂技術(shù)的基礎(chǔ)上研究出高速電弧噴涂技術(shù)(HVAS)。HVAS對噴槍部分進(jìn)行了優(yōu)化，在一定程度上提高了霧化氣體壓力和流速，縮短了粒子飛行時間，降低了粒子被氧化的程度，提高了粒子變形與合金化程度，從而改善了涂層的微觀結(jié)構(gòu)。相比普通的電弧噴涂，HVAS具有較高的電弧穩(wěn)定性、沉積效率以及涂層組織致密程度。

不同熱噴涂耐磨涂層的應(yīng)用領(lǐng)域

不同熱噴涂工藝的優(yōu)缺點(diǎn)及適用情況

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