热喷涂高性能陶瓷涂层
材料保护
MATERIALS
PROTECTION
1999年 第32卷 第1期
No.1 vol.32 1999
热喷涂高性能陶瓷涂层
邓世均
摘 要 综述了热喷涂高性能陶瓷涂层的特点，介绍了陶瓷涂层在不同工业领域的典型应用，论述了在高科技领域的发展潜力，强调了它的地位和作用。
关键词 热喷涂 陶瓷涂层 典型应用
1 引 言
80年代初，日本开发出小型陶瓷绝热发动机，引起了全世界的关注。有人预言，人类即将进入第二个“石器时代”。
陶瓷是金属元素和非金属元素组成的晶体或非晶体化合物。它和金属材料、高分子聚合物材料一起，构成固态工程材料的三大支柱。现代已将金属陶瓷、其他无机非金属材料统归入陶瓷范畴，成为品种、功能极多的一个材料大家族。
陶瓷材料多具有离子键和共价键结构，键能高，原子间结合力强，表面自由能低，原子间距小，堆积致密，无自由电子运动。这些特性赋予了陶瓷材料高熔点、高硬度、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热能力、热导率低、热膨胀系数小、摩擦系数小、无延展性等鲜明特征。
又由于陶瓷材料总含有或多或少的玻璃相和气孔，加之许多陶瓷材料具有多种晶体结构，因而其塑性变形能力差，抗热震和抗疲劳性能差。对应力集中和裂纹敏感，质脆，成为陶瓷材料的致命弱点。显然，用陶瓷作为机械结构材料，其可靠性比金属材料差，加上机械加工困难、成本高等因素，因而目前还处于初期实验阶段，距离成功的工业应用，无论在材料结构的理论上还是在生产实践上，都还有漫长的路程，难度很大。
然而，应用新型陶瓷复合粉末，采用热喷涂技术特别是等离子喷涂技术，在金属基体上制备陶瓷涂层，能把陶瓷材料的特点和金属材料的特点有机地结合起来，获得复合材料结构及制品，正成为当代复合材料及制品高科技领域的一个重要分枝。1958年，世界上第一台等离子喷涂设备在美国问世，为喷涂高熔点陶瓷涂层提供了理想的高温热源，迅即在航空发动机、火箭等尖端科技领域获得了成功的应用。80年代以来，它又迅速向传统民用工业部门扩展，其应用领域遍及能源、交通、冶金、轻纺、石化等工业部门，成效卓著。据报道，美国在90年代，陶瓷涂层的应用年增长率在12%以上。这表明，在先进国家，陶瓷涂层高科技技术将成为新世纪的一个新兴产业。
2 特 点
与整体结构陶瓷材料相比，高性能陶瓷涂层技术(亦称精细陶瓷涂层，先进陶瓷涂层，新型陶瓷涂层)具有如下特点：
(1) 能有机地把金属材料的强韧性、可加工性、导电导热性等和陶瓷材料的耐高温、高耐磨、高耐蚀等特点结合起来，发挥两类材料的综合优势，同时满足机械产品对结构性能(强度、韧性等)和环境性能(耐磨、耐蚀、耐高温等)的需要，获得相当理想的复合材料结构。
(2) 能够用于制备陶瓷涂层的材料品种多。它们包括：各种氧化物和复合氧化物、碳化物、硼化物、氮化物和硅化物以及金属陶瓷；陶瓷和陶瓷、陶瓷和金属、陶瓷和塑料等材料，亦可进行组合。用作整体结构材料的陶瓷，目前还仅有碳化硅、氮化硅、稳定化氧化锆等少数几个品种。
(3) 功能广。能够采用不同的热喷涂工艺，喷涂各种陶瓷涂层材料，获得各种功能的表面强化涂层，如耐磨、减摩自润滑、可磨耗密封、高摩阻制动、耐腐蚀、抗氧化、耐高温、绝热、绝缘、热辐射、防辐射、屏蔽及波长吸收、催化、超导和生物功能等，功能极广，广泛用于国民经济各部门。
(4) 能够在多种基体材质上制备陶瓷涂层。基体可以是各种金属(如钢、铸铁、铝、钛、铜、钼、钨等难熔金属)，陶瓷、水泥、耐火材料、石料及石膏等无机材料，塑料和有机材料以及木材、纸板等，几乎所有的固体材料都可作为基体，其性能均可通过喷涂陶瓷涂层加以改善。
(5) 物耗少，物流小，附加值高，经济效益突出。陶瓷涂层厚度一般在几十微米到几毫米之间，加之陶瓷材料密度较小，因而物耗少，物流量小，但附加值却很高。如火箭用钨喷管，喷涂陶瓷涂层后，其使用寿命提高上百倍；高压泵柱塞表面喷涂0.3～0.5 mm厚的陶瓷涂层，其使用寿命比惯用的镀硬铬柱塞提高6倍。
(6) 制造陶瓷复合粉末的方法多，调整涂层成分比较容易。制造陶瓷复合粉末的方法有熔炼-破碎法、烧结法、团聚或喷雾干燥法、包覆法、化学反应共沉积法、溶-胶法、团聚等离子体球化法、自蔓延法等，能够配制多种组分和配比的陶瓷复合粉末，调整涂层成分比较容易。
(7) 可以不受工件尺寸和施工场所的限制。喷涂陶瓷涂层的产品可以是短、小、轻、薄的制品，如氧探测器、固体燃料电池等；也可以是重型、大型制品，如大型液压缸用超大型陶瓷涂覆活塞杆，长达16 m，重达10 t以上。既可在热喷涂工厂内施工，也可在现场施工。
(8) 陶瓷涂层沉积速率较快，涂层厚度可控。热喷涂技术沉积陶瓷涂层的沉积速率比PVD、CVD、电火花沉积等要快，通常为2～5 kg/h。采用水稳等离子喷涂Al2O3，沉积速率可高达55 kg/h，涂层厚度可达20 mm。而微束等离子喷涂，其厚度仅有十几微米。采用电脑控制的超细粉末送粉器，能够将涂层厚度误差控制在10 μm左右。
(9) 陶瓷涂层的可加工性好，且涂层损坏后，金属基体还可再使用，再喷涂陶瓷涂层。
(10) 成型容易。能够在薄壁件、空心件和异形件表面喷涂陶瓷涂层，也可实现制品局部喷涂陶瓷涂层强化。
(11) 容易与原有金属加工的工装条件结合，实行企业的技术改造。
热喷涂陶瓷涂层并非十全十美，陶瓷材料有质脆的固有弱点，与金属材料的热物理性能(如膨胀系数、热导率等)差别大，陶瓷涂层与基体材料的结合主要为机械嵌合等缺陷，使陶瓷涂层不能应用于受冲击，高应力和强疲劳等工况条件。
3 热喷涂高性能陶瓷涂层的典型应用
机械制件品种成千上万，使用工况千差万别，按其典型工况分述如下：
3.1 高 温
热喷涂耐高温陶瓷涂层最能体现热喷涂技术特点，应用效果最突出，是影响最大的一个应用领域。
3.1.1 热障涂层(TBCs)
燃气轮机的受热部件，如叶片、喷嘴和燃烧室处于高温、氧化和高速气流冲蚀等恶劣环境中。对于承受温度高达1 100 ℃的燃气轮机部件，已超过了镍基高温合金使用的极限温度(1 075 ℃)。有效办法就是涂覆绝热性好的高熔点陶瓷涂层，为高温合金基体穿上“防火铠甲”，起绝热屏蔽作用。这称为热障涂层。
热障涂层的基本要求是：(1) 耐高温；(2) 抗高温氧化；(3) 与金属基体结合牢固；
(4) 热导率低，绝热性好；(5) 热膨胀系数与金属基体匹配好，耐热循环次数高。实践表明，采用MCrAlY合金作粘结底层，喷涂Y2O3部分稳定的ZrO2绝热陶瓷涂层，涂层坚硬、致密，抗高温燃气冲蚀和抗热震性能优异，即使在1 650 ℃高温下长期使用，其热稳定性和化学稳定性都很好。Y2O3ZrO2中加入少量CeO能进一步改善涂层的抗热震性能。在使用温度更低一些的情况下，可采用MgO或CaO稳定的ZrO2作热障陶瓷障碍层。
对热障涂层的粘结底层进行预氧化处理，对热障陶瓷涂层进行渗铝处理，对面层陶瓷涂层进行激光重熔改性处理以及发展多层或梯度功能涂层，是热障涂层领域的一些最新发展。
热障涂层主要用于航空、舰船及陆用燃气轮机的受热部件，现正推广应用于民用内燃机、增压涡轮、冶金工业用喷氧枪等领域。
3.1.2 可磨耗密封涂层
现代航空发动机采用压气机使空气增压升温，高温压缩空气进入燃烧室使燃料充分燃烧是提高发动机的功率和热效率的主要措施之一。采用热喷涂技术在压气机涡壳内表面喷涂可磨耗密封涂层，与压气机叶片尖部的硬质涂层形成一对可磨耗密封磨损副，在运行过程中能形成理想的径向气流间隙，获得最大的压差，从而显著提高发动机的功率，降低航空汽油的消耗，提高发动机整机一次试车合格率。这是热喷涂技术在航空发动机领域重大的应用成果之一。
随着压缩空气温度的逐级升高，可磨耗密封涂层的使用温度从300 ℃提到1100 ℃，现代可磨
耗密封涂层的最高温度已达1350 ℃。AlSi-聚苯脂、镍/石墨、Ni/硅藻土、NiCrAl/BN、Y2O3．ZrO2-BN等复合粉末系列材料已获得成功的应用。其中，尤以高温可磨耗密封涂层的工作条件最为恶劣，要承受1 000～1 350 ℃的高温，遭受2～3倍音速的高温气流的冲蚀，受到超过300 m/s线速度的叶片尖部刮削而不会发生剥落。因此，除了必须具备耐高温涂层应有的耐高温、抗氧化、耐热震、呈化学惰性、结合牢固的性能外，其最主要的特点就是质软(通常涂层的表面洛氏硬度在50～80 HR15Y)、多孔(孔隙率约为25%
～30%)。
热喷涂可磨耗密封涂层技术可用于压缩机行业的旋转压气部件的间隙控制等民用工业领域。
3.1.3 抗高温粘着磨损涂层
退火炉辊、热处理炉炉辊、连铸机拉伸辊、支承辊、烧结炉辊等高温辊子，多在800～1 200 ℃高温下运行。在这样的高温下，钢铁软化并在表面生成氧化铁鳞，同时炉辊的高温硬度也显著降低。当软态的高温钢件特别是钢带在炉辊上运动甚至轻微滑动时，就会因高温粘着而产生结瘤，这种结瘤在剪切力的作用下脱落为磨料，使钢件(带)表面产生划痕、划伤、犁沟、凹陷等缺陷。这些缺陷在后续的表面光轧辊上往往难以消除，将最终影响热轧钢带的质量。
采用高速燃气火焰喷涂(HVOF)、爆炸喷涂(DGS)或等离子喷涂技术，在高温炉辊表面喷涂特种陶瓷或金属陶瓷涂层，具有优异的耐高温、抗氧化、抗粘着、防结瘤和自清理净化性能，既可显著提高炉辊使用寿命，又能生产表面光洁质量优良的钢材，如优质硅钢板、优质汽车薄板和热浸镀薄板等。热轧不锈钢带退火炉炉辊，喷涂含BN 的金属陶瓷涂层，其耐高温磨损性能可提高4倍以上。
在日本，钢铁工业应用热喷涂技术的主要对象是各种辊子，热喷涂的辊子占全部热喷涂部件的85%以上，具有极其显著的技术经济效果。如退火炉导辊，过去平均每月停机检修30 min，喷涂后则可保持3年内不检修，并极大地提高了带钢的品质。日本钢铁公司热喷涂退火炉辊的比率，从1982年时的20%上升到1989年的100%，而带钢因结瘤等引起的废次品率则由80%下降到0。
3.1.4 抗高温熔融金属或熔体侵蚀涂层
各种金属熔炼用炉衬材料，基本上都是陶瓷耐火材料，这是因为它不仅具有熔点高、高温化学性能稳定等特点，还具有与熔体润湿角小、甚至不润湿的特点。利用这些特性，对在熔池内使用的金属制件如热浸镀槽内的沉没辊、稳定辊，熔池搅拌器、吹管、热电偶套管、热压铸模具等表面，喷涂耐火陶瓷或金属陶瓷涂层，就能获得性能优异的耐高温熔融金属或熔体侵蚀涂层。例如，热浸镀铝槽内的沉没辊和稳定辊，由于铝液具有极高的化学活性，能与多种金属发生铝热反应形成金属间化合物，被称为金属的“溶剂”。因此，金属合金炉辊在镀铝槽中腐蚀极快，使用寿命仅5～10天。采用热喷涂特种陶瓷涂层，德国人认为是唯一有效的解决办法，使用寿命可提高到20～30天。
3.2 抗腐蚀磨损
石油、化工、制药、造纸、印染、冶金、建材、海洋开发、环保等部门使用的许多机械设备，因受到各种化学介质、腐蚀性气体和海水等的作用而被腐蚀，腐蚀产物成为磨粒，与外来微粒或粉尘，或介质生产过程中的结晶晶体一起，都能使相对运动的机械零部件的表面之间既产生腐蚀又产生磨损。磨料使金属表面产生“犁
皱”、“划伤”而裸露新生表面使腐蚀加速，腐蚀产物又成为磨粒加速磨损。由于腐蚀和磨损同时起破坏作用，相互促进，更加快了这类机械零部件的过早失效，甚至酿成重大事故。
在腐蚀磨损工况条件下，不锈钢或钛合金的耐蚀性虽好，但不耐磨。工业上广泛采用镀硬铬，但镀硬铬存在三大缺点：
(1) 工艺流程长，工序多，占地面积大，沉积速率低，难于沉积厚涂层。
(2) 在260 ℃以上，镀铬层会发生软化，耐磨性显著下降。局部无油临界润滑或磨粒划伤都会使镀层出现局部过热而软化，拉成沟槽；
(3) 环境污染。镀铬中产生的几种危害环境的有毒废弃物(如六价铬等)加剧水、土壤和空气的污染。铬的化合物大都含有较强的致癌物质，其毒性比业已在大部分工业上禁止使用的亚甲氯化物还高4个数量级。显然，尽可能取代电镀硬铬技术已成为迫在眉睫的任务。
热喷涂陶瓷涂层和金属陶瓷涂层不仅具有高的硬度，优异的耐蚀性，而且摩擦系数小，能耗低，对密封填料的磨损小，涂层硬度和耐磨性不会因为局部过热而降低。因此，它在抗腐蚀磨损领域正在成为电镀硬铬技术的最强有力的竞争者和取代者。例如，化工厂用高压往复计量泵柱塞，采用等离子喷涂Al2O3．TiO2复合氧化物陶瓷涂层，其使用寿命比原用镀铬柱塞提高6倍，密封填料的寿命也提高3倍。大型水库、水电站及海洋开发用液压启闭机液压缸的大型活塞杆，采用等离子喷涂陶瓷涂层代替镀硬铬，可以达到高质量、长寿命、免维修，在德国已成为这一领域的先进制造技术，已制造出长16 m、重10 t以上的超大型陶瓷涂覆活塞杆及相应的液压启闭机。现在，大型推土机用液压活塞杆、轧钢机用液压活塞杆、建筑瓷砖压坯用液压机活塞杆、水轮机叶轮轴和磨环、电枢轴头、磨床轴、燃油泵轴、抗咬死轴套、活塞环、凸轮随动件等，在低应力滑动磨损和腐蚀工况下，几乎所有原用镀铬的制品都可以用热喷涂陶瓷或金属陶瓷涂层代替。
3.3 耐纤维磨损涂层
3.3.1 耐纺织纤维磨损陶瓷涂层
现代纺织机械特别是化纤机械，向高速、轻质、节能方向发展。纺丝过程中，各种导丝、纺丝部件，为了减轻重量，提高转速和降低能耗，多采用铝合金制造，其表面遭受很细的高速化纤丝(达700～1 000 m/s)的磨损而形成沟槽，更换不仅造成停机损失，而且影响纺丝的质量和等级。
在化纤纺机的导丝部件表面，采用等离子喷涂Al2O3基复合陶瓷涂层，经处理获得“桔皮状”外观形貌，达到R a约为1.5 μm的表面粗糙度。这种陶瓷涂层的突出特点是：
(1) 具有优异的耐高速纤维磨损的性能，使用寿命比镀铬件提高5倍；
(2) 具有适度的摩擦力，能对纤维施以适度的“捻力”，使纤维达到必要的强度和韧度；
(3) 具有适度的表面粗糙度，能使纤维获得必要的“绒度”，达到染色性能好，有一定的吸湿性等。
由于陶瓷涂层的这些特点，使化纤机械关键基础零部件的寿命比原用镀铬件提高了5倍，生产达到了一个新的水平。捷克国应用这一技术，使其化纤机械的出口更具竞争性。
3.3.2 耐金属拉丝磨损涂层
金属拉丝工业如钢丝、钢丝绳和电线电缆生产等都使用大量的导丝轮和辊。金属丝在其表面高速滑动并发生冷作硬化，对导轮接触面产生很强的摩擦磨损，以致产
生“犁沟”、凹坑等缺陷，造成寿命低，更换维修频繁并影响拉丝质量等弊端。采用超音速火焰喷涂或爆炸喷涂技术，在金属拉丝导轮表面喷涂含Wc的硬质合金涂层，具
有很高的硬度和耐磨特性，寿命提高5～10倍，获得了很大的成功。
3.4 亲水与介电涂层
现代造纸和印刷机械，尽管运行速度很高，但因负荷轻，故均处于低应力状态，特别适用于热喷涂涂层。
等离子喷涂陶瓷涂层技术，在国外的造纸和印刷机辊子上已成功应用多年，应用面正日益扩大，这是因为陶瓷涂层具有许多特点：高耐磨蚀性；高选择性润湿性、亲水性；高电绝缘与介电性；高防粘性；高可刻蚀性及图纹清晰性；保持适度粗糙度的纸张咬入性等。
例如彩色胶印机水辊喷涂陶瓷涂层，不仅耐磨、耐油墨腐蚀，且经刻蚀后留下的陶瓷涂层部分，由于亲水性好，能在其表面形成一层薄薄的水膜，防止油墨混入，无陶瓷涂层的刻蚀辊面则为油墨覆盖，因而能获得图像清晰的彩色印刷品，不串色。又如塑料薄膜电刻蚀用电晕处理机辊子，需要在1～2×104 V下运行。辊子表面喷涂高介电陶瓷涂层，满足了这一需要。
等离子喷涂陶瓷涂层的表面粗糙度，喷涂约为2～5 μm，磨削后可达R a 0.13～0.20 μm，精研后可达0.03～0.10 μm，可满足不同等级纸张生产的需要。
从以上几个应用领域足见，热喷涂高性能陶瓷涂层具有广阔的市场和巨大的经济效益。
4 在高新技术领域的应用及潜力展望
热喷涂高性能陶瓷涂层技术，正在高科技领域展露头角，它将带动和促进一系列高科技技术的发展和兴起。
4.1 高温超导体制件
具有高临界电阻温度的复合氧化物超导陶瓷材料的发现，是80年代材料领域的重大突破。钇钡铜氧超导陶瓷材料的零电阻温度t c＞90 K(高于液氮温度)，磁转变温度t B＞96 K。
等离子喷涂超导陶瓷涂层独特的优点为：沉积速率高，容易制备厚涂层和大面积涂层，能够喷涂具有复杂形状的超导制件，可直接在大气中喷涂，不需保护气体，是实现超导材料实用化的很有希望的工艺。等离子喷涂钇钡铜氧(YBaCuO)、铋锶钙铜氧(BiSrCaCuO)超导陶瓷涂层都已有应用成功的报道。在磁屏蔽、微波元件、各类传感器、量子电子器件等方面，展示出很好的应用前景。
采用等离子喷涂技术制造溅射用靶材，如用于物理气相沉积(PVD)的钇钡铜氧(YBa2Cu3O x)靶，能够制造出高性能的超导薄膜，其临界电流密度高达105～106 A/cm2。
4.2 在微电子工业中
金属-陶瓷复合材料是微电子工业基板材料的一种理想材料。在金属板(如科伐合
金、铜、铝、钢)上热喷涂绝缘陶瓷涂层，具有高热导率的金属能将强电流所产生的热发散开，而陶瓷涂层则提供很好的介电绝缘性能。以铜板上喷涂Al2O3陶瓷涂层为例，其总热导率比在相同厚度铜板上烧结氧化铝层的总热导率高5倍，这十分有利于集成电路板的散热和提高功率。美国已能喷涂25 mm×25 mm介电陶瓷涂层复合电路板，并达到5×104件的批量生产规模。
4.3 生物医学功能陶瓷涂层
人们生活水平的提高和人类平均寿命延长对人工骨骼的需要日增。
以前采用不锈钢或钛合金等金属骨架，镶植入人体内以替换损坏的骨骼，但存在耐体液腐蚀性不足，与肌肉细胞组织不亲合而产生积水等问题。
现代研究表明，构成生物体硬组织的晶体是磷灰石类无机陶瓷材料。
在金属基体上等离子喷涂生物医学功能陶瓷涂层，具有以下特点：(1) 对生物体无毒，适于体内安全使用；(2) 对生物体和细胞有良好的适应性和亲和性，不会产生副作用；(3) 耐人体体液腐蚀；(4) 耐长期使用过程中的磨损；(5) 具有人体运动所必须的强度、韧性等力学性能；(6) 喷涂层的多孔性和粗糙表面有利于生物体组织向人工骨骼表面的生长和亲和。因此，热喷涂金属基生物陶瓷涂层的人工骨骼，是比较理想的人工骨骼材料，已在人体股骨、髋关节、肘关节、骨盆、人造牙齿等方面临床应用试验成功，美国人称为“医学生物功能材料的一场革命。”
热喷涂高性能陶瓷涂层技术，在国外是一项已获得相当广泛应用及效益突出的高新技术，在我国还刚刚起步。诚然，没有“点石成金”，“泥土变金”的魔方，但采用热喷涂陶瓷涂层技术，以很少的物耗获得高的附加值，开拓巨大的潜在市场，无疑可达到事半功倍的效果。
作者单位：武汉材料保护研究所(430030)
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(收稿日期 1998－09－04 责任编辑 徐 军)
热喷涂高性能陶瓷涂层
作者：邓世均， Deng Shijun
作者单位：武汉材料保护研究所,430030
刊名：
材料保护
英文刊名：MATERIALS PROTECTION
年，卷(期)：1999,32(1)
被引用次数：43次
参考文献(9条)
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34.张景德.尹衍升.张虹.李静等离子喷涂Fe3Al-Al2O3陶瓷梯度涂层[期刊论文]-机械工程材料 2003(2)
35.张景德.尹衍升.李静基体表面状态对 Fe3Al/Al2O3复合涂层性能的影响[期刊论文]-山东大学学报(工学版) 2002(6)
36.徐雪霞.阎殿然等离子喷涂梯度耐热陶瓷涂层的研究展望[期刊论文]-河北工业科技 2002(1)
37.胡传火斤.张科.李晋炜.刘颖.董立刚火焰喷涂法制备纳米改性陶瓷涂层[期刊论文]-新技术新工艺 2001(8)
38.李静.张景德.尹衍升.孟繁琴Fe-Al/Al2O3功能梯度涂层材料研究现状及展望[期刊论文]-山东工业大学学报 2001(4)
39.孙永兴.王引真.何艳玲稀土氧化物添加剂对Al2O3等离子喷涂层的影响[期刊论文]-材料保护 2001(6)
40.王慧.曾令可.吴建青.马云萍表面改性技术在陶瓷材料中的应用[期刊论文]-中国陶瓷工业 2001(1)
41.彭坤.王飚.诸小丽等离子喷涂陶瓷复材的性能和应用及其发展[期刊论文]-昆明理工大学学报 2001(1)
42.迎接热喷涂工业的兴起[期刊论文]-材料保护 2000(1)
43.王引真多功能复合陶瓷涂层的组织与性能研究[学位论文]博士 1999
本文链接：https://www.wendangku.net/doc/ca2345282.html,/Periodical_clbh199901019.aspx
热喷涂高性能陶瓷复合涂层的研究进展
文章编号:100025889(2004)0620005204 热喷涂高性能陶瓷复合涂层的研究进展 徐海燕1,周惠娣1,陈建敏1,冯治中1,张翠芳2 (1.中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室,甘肃兰州 730000;2.南京工程学校,江苏南京 211135) 摘要:论述了陶瓷复合涂层的种类、制备方法及应用.采用表面涂层热喷涂技术,能在金属基体上制备金属基陶瓷复合涂层、陶瓷与陶瓷复合涂层、梯度功能陶瓷复合涂层和纳米陶瓷复合涂层,这样就把陶瓷材料的特点与金属材料的特点有机结合在一起,赋予材料新的功能.这些复合材料已广泛应用于航天、航空、医学、生物和电子等领域. 关键词:复合涂层;热喷涂;纳米涂层;梯度功能涂层 中图分类号:TB332;TG174.453 文献标识码:A Investigative progression of thermo2sprayed high2performance ceramic composite coatings XU Hai2yan1,ZHOU Hui2di1,CHEN Jian2min1,FEN G Zhi2zhong1,ZHAN G Cui2fang2 (1.State K ey Laboratory of Solid Lubrication,Lanzhou Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Science,Lanzhou 730000,China;2. Nanjing Engineering School,Nanjing 211135,China) Abstract:The category,preparation,and application of composite ceramic coating were introduction in this ar2 ticle.The composite ceramic coating such as metal2based ceramic composite coating,ceramic2ceramic composite coating,graded functional ceramic composite coating and nanometer ceramic composite coating,were prepared by surface2coated technology2thermal spraying.Those ceramic composite coating had many good properties applied in many fields such as spaceflight,aviation,medicine,biology and electron. K ey w ords:thermal spray;composite coating;nano2coating;functionally graded coatings 陶瓷是金属元素和非金属元素组成的晶体或非晶体化合物,它与金属材料、高分子聚合物材料构成了固态工程材料的三大支柱.陶瓷材料是离子键和共价键极强的材料,与金属和高分子材料相比,其具有熔点高,抗腐蚀和抗氧化性强,耐热性好,弹性模量,硬度和高温强度高的特点.由于陶瓷材料的抗冲击性能差、塑性变形能力低、脆性大,因此成形加工和安装困难,易发生破裂,这成为陶瓷材料应用的致命弱点.然而,应用新型陶瓷复合粉末,采用表面涂层技术,在金属基体上制备陶瓷涂层,能把陶瓷材料的特点与金属材料的特点有机地结合起来,获得复合材料结构及制品,正成为当代复合材料及制品高科技领域的重要分支[1].1958年,世界上第一台等离子喷涂设备在美国问世,为喷涂高熔点陶瓷涂层 收稿日期:2004201218 基金项目:国家自然科学基金(59925513),国家杰出青年科学基金(59925513),中科院“百人计划”资助(科发人教 字[1999]0381号) 作者简介:徐海燕(19752),女,甘肃景泰人,硕士生.提供了理想的高温热源,迅速在航空发动机、火箭等尖端科技领域得到了成功的应用.自20世纪80年代以来,它又迅速向传统民用工业部门扩展,其应用遍及能源、交通、冶金、轻纺、石化等领域,成效非常显著.据报道,美国在20世纪90年代以来,陶瓷涂层的应用年增长率在12%以上.这表明在先进发达国家,陶瓷涂层高科技技术已成为一个新兴产业.由各种材料复合获得的陶瓷复合涂层种类主要有金属基陶瓷复合涂层、陶瓷与陶瓷复合涂层、多层复合涂层、梯度功能陶瓷复合涂层和纳米陶瓷复合涂层等[2].这些复合材料不仅具有单一材料所具有的性能,还由于复合材料的不同而获得了许多特殊性能或具有多功能性的涂层,已广泛应用于航天、航空、医学、生物、电子等领域[3]. 1 复合陶瓷涂层的制备 复合陶瓷涂层具有许多其它材料所不具有的优良性能,所以科学家研究开发了许多陶瓷涂层的制 第30卷第6期2004年12月 兰 州 理 工 大 学 学 报 Journal of Lanzhou University of Technology Vol.30No.6 Dec.2004
热喷涂技术原理及其应用
热喷涂技术原理及其应用 摘要：对于一些超薄零件，在其表面喷涂具有高强度、硬度较高耐磨性的陶瓷涂层，增加零件的耐磨性。热喷入技术是制备涂层的主要方法，目前正迅速应用到民用工业领域。本文主要介绍了热喷涂工艺的特点、喷涂方法的种类及其技术以及热喷涂技术的应用概况,并对热喷涂技术的发展方向给予了展望。 关键字：表面工程热喷涂涂层火焰喷涂 1绪论 磨蚀和磨损是造成材料和零部件失效的主要原因。据有关资料介绍，发达国家每年由腐蚀和磨损所造成的损失约占国民经济总产值的4%～5%，而全世界每年生产的钢材约有1/10变成铁锈。我国每年由腐蚀和磨损造成的经济损失已达数亿人民币。 随着现代科学技术和现代工业发展，对各种设备零件的表面性能提出了更高的要求，特别是在一些特殊条件下工作的零件表面的耐磨性、耐蚀性及高温氧化性等。因此改善材料表面性能，不仅可以有效地延长零件的使用寿命、节约资源，更有利于社会的发展[1]。 表面工程是21世纪工业发展的关键技术之一，表面技术分为表面改性技术、薄膜技术和涂层技术三大类，而热喷涂技术是表面工程领域中十分重要的技术，约占表面工程技术的1/3，是国外50年代发展起来的一项机械零件修复和预保护的新技术。它可以使各种机械设备车辆的零部件使用寿命延长。使报废的零部件“起死回生”。从学科上讲，热喷涂技术是一个涉及金属学、高分子学、表面物理、表面化学、流体力学、传热学、等离子物理及计算机等学科的交叉边缘科学[2]。 热喷涂技术有两大突出特征:一是喷涂粉末的成分不受限制,可根据特殊要求予以选择；二是热喷涂过程中工件温度可保持在100-260℃,从而减少了变形氧化和相变等,使材料本身的性能不被破坏或损失，这些特征以及热喷涂涂层所具
热喷涂涂层厚度的无损测量方法(标准状态：现行)
I C S25.220.20 A29 中华人民共和国国家标准 G B/T11374 2012 代替G B/T11374 1989 热喷涂涂层厚度的无损测量方法 T h e r m a l s p r a y i n g c o a t i n g N o n d e s t r u c t i v em e t h o d s f o rm e a s u r e m e n t o f t h i c k n e s s 2012-09-03发布2013-03-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
前言 本标准按照G B/T1.1 2009给出的规则起草三 本标准代替G B/T11374 1989‘热喷涂涂层厚度的无损测量方法“三与G B/T11374 1989相比主要变化如下: 增加了第二章的引用文件; 修改了第三章部分术语名称和解释; 修改了第五章确定参比面的部分内容; 修改了第六章局部厚度测量的部分内容三 本标准由中国机械工业联合会提出三 本标准由全国金属与非金属覆盖层标准化技术委员会(S A C/T C57)归口三 本标准起草单位:武汉材料保护研究所,江苏中矿大正表面工程技术有限公司三 本标准主要起草人:汪洪生二严生贵二张冀蜀二洪伟三 本标准所代替标准的历次版本发布情况为: G B/T11374 1989三
热喷涂涂层厚度的无损测量方法 1范围 本标准规定了热喷涂涂层厚度测量的术语二测量方法的选择二参比面的确定及局部厚度的测量三本标准适用于所有热喷涂方法,包括火焰喷涂二电弧喷涂二等离子喷涂等所制备的各种磁性金属基体上非磁性涂层和非磁性金属基体上非导电涂层的厚度测量及评定三 2规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的三凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件三凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件三 G B/T4956磁性基体上非磁性覆盖层覆盖层厚度测量磁性法 G B/T4957非磁性基体金属上非导电覆盖层覆盖层厚度测量涡流法 G B/T6463金属和其他无机覆盖层厚度测量方法评述 G B/T12334金属和其他非有机覆盖层关于厚度测量的定义和一般规则 G B/T18719热喷涂术语二分类 3术语和定义 G B/T12334和G B/T18719界定的以及下列术语和定义适用于本文件三 3.1 主要表面s i g n i f i c a n t s u r f a c e 工件上某些已涂覆或待涂覆覆盖层的表面,在该表面上覆盖层对其使用性能或外观是至关重要的三3.2 测量面m e a s u r i n g a r e a 作单次测量的主要表面区域三 无损法的测量面为与探头接触的区域或影响读数的区域三 3.3 参比面r e f e r e n c e a r e a 要求作规定次数单次测量的区域三 3.4 局部厚度l o c a l t h i c k n e s s 在参比面内进行的规定次数厚度测量的平均值三 3.5 最小局部厚度m i n i m u ml o c a l t h i c k n e s s 在单个工件的主要表面所测得的局部厚度中的最小值三 3.6 最大局部厚度m a x i m u ml o c a l t h i c k n e s s 在单个工件的主要表面所测得的局部厚度中的最大值三
热喷涂技术资料
齐鲁工业大学|机械与汽车工程学院 热喷涂技术的研究综述 孙* （齐鲁工业大学机械与汽车工程学院 20130102****） 摘要： 本文介绍了热喷涂技术的由来，发展历程，工艺特点（热喷涂工艺的优缺点），基本概念，总结了热喷涂技术的应用状况，探讨了新工艺、新材料在热喷涂技术中的应用前景。 关键词：表面处理；热喷涂；热喷涂的优缺点；热喷涂的应用进展 前言： 高新技术的飞速发展对提高金属材料的性能、延长仪器设备中零部件的使用寿命提出了越来越高的要求。而这两个方面的要求又面临高性能结构材料成本逐年上升的问题。近年来，表面工程发展很快，尤其是热喷涂技术获得了巨大的进展，为解决上述问题提供了一种新的方法。热喷涂技术是一种将涂层材料 (粉末或丝材 )送入某种热源 (电弧、燃烧火焰、等离子体等 )中熔化，并利用高速气流将其喷射到基体材料表面形成涂层的工艺。由于热喷涂技术可以喷涂各种金属及合金、陶瓷、塑料及非金属等大多数固态工程材料，所以能制成具备各种性能的功能涂层，并且施工灵活，适应性强，应用面广，经济效益突出，尤其对提高产品质量、延长产品寿命、改进产品结构、节约能源、节约贵重金属材料、提高工效、降低成本等方面都有重要作用。热喷涂涂层具有耐磨损、耐腐蚀、耐高温和隔热等优良性能，并能对磨损、腐蚀或加工超差引起的零件尺寸减小进行修复，在航空航天、机械制造、石油化工等领域中得到了广泛的应用【1-3】。 热喷涂发展现状： 1、热喷涂技术的由来 热喷涂是指采用氧—乙炔焰、电弧、等离子弧、爆炸波等提供不同热源的喷涂装置，产生高温高压焰流或超音速焰流，将要制成涂层的材料如各种金属、陶
瓷、金属加陶瓷的复合材料、各种塑料粉末的固态喷涂材料，瞬间加热到塑态或熔融态，高速喷涂到经过预处理（清洁粗糙）的零部件表面形成涂层的一种表面加工方法。我们把特殊的工作表面叫“涂层”，把制造涂层的工作方法叫“热喷涂”，它是采用各种热源进行喷涂和喷焊的总称。 热喷涂技术最早出现在 20世纪早期的瑞士，随后在前苏联、德国、日本、美国等国得到了不断的发展，各种热喷涂设备的研制、新的热喷涂材料的开发及新技术的应用，使热喷涂涂层质量不断得到提高并开拓了新的应用领域【4】。热喷涂技术在我国始于20世纪50年代，至70年代末形成气候。目前，无论在设备、材料、工艺、科研等方面都在迅速发展与提高，成为表面技术重要组成部分。 2、热喷涂技术的发展历程 在 1993年以前【5-6】介绍较多的是单一热喷涂的技术与方法，其中以火焰喷涂法最为常见。虽然该法(火焰温度可达 3000℃)，可熔化大多数金属，但由于陶瓷材料熔点太高而使该法受到限制。与现有的火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等技术相比，气体爆炸喷涂具有致密性好，孔隙率低，结合强度高等优点。但因爆炸法之粉料以直线束方式射向基体表面，对形状复杂和细小件内壁难以处理，并需专门隔音装置以对付约140分贝的爆炸声，且涂层与基体之结合强度也有待于提高。新近研制的超音速喷涂法利用喷枪(具有混合气体室，燃烧室及扩张嘴)在压力下点燃混合气体，通过扩张使燃烧继续，由此可产生超音速(1370m/s)和高温(2760℃)的气流，从而能喷涂金属陶瓷，例如WC-Co和WC-Cr-Ni等粉末材料，并无脱碳现象。与爆炸喷涂相比，由于火焰的超音速提高了粒子的速度，其所制得的涂层致密且高耐水性。加上热源温度低，限制了粉末粒子加热，从而有效地抑制了粉末中 WC的分解。实验得出，超音速法所形成的涂层较等离子及氧—乙炔火焰法形成的涂层性能优越，其耐蚀性能与硬质合金YT相当。并且涂层材料已从金属、合金、陶瓷进而扩大到塑料等非导电性材料【7】。 我国热喷涂技术是从五十年代开始的,当时由吴剑春和张关宝在上海组建了国内第一个专业化喷涂厂,研制氧乙炔焰丝喷及电喷装置，并对外开展金属喷涂业务。我国热喷涂技术起步较早，50年代就发展了丝材电弧喷涂；60年代某些军工部分开始研究等离子喷涂，等离子弧焰温度高、等离于喷涂颗粒飞行速度快，
热喷涂涂层的制备
技 术 评 论 —— 运 用 显 微 组 织 分 析 解 决 实 际 问 题 热喷涂涂层的制备 作者：George Vander Voort 热喷涂涂层金相 热喷涂涂层的应用是为了改善基体材料的抗氧化、抗腐蚀、抗表面磨损和抗烧蚀能力。有涂层金属部件的准确表征要求对其显微组织进行金相检验。涂层的厚度范围从 0.002 至 0.060英寸 (0.005 至 1.5mm) 并用不同的喷涂技术和参数沉积到基底上。必须用金相制备技术准确地确定显微组织特性。由于一些涂层的脆性本质和孔隙的存在并在涂层构成了很不相同的硬度，在金相制备中总是有可能无法显示出真实的显微组织或引入假象，从而对涂层特性作出错误的诠释。光学显微技术为一块经过正确制备的涂层试样提供了一种评估手段，以确定或测定 涂层/基底界面的质量、孔 隙度、未熔化颗粒及氧化物的分布、涂层厚度、以及其它涂层特性，如图 1 所示。 各个实验室为了对热喷涂试样进行显微组织评估而使用的金相制备技术不尽相同，这一差异往往会造成勉强合格的结果。这些技术包括在粗磨和细磨阶段，碳化硅砂纸、固定或半固定金刚石的使用。粗抛光阶段是在无绒毛织物上使用分级系列的金刚石膏或悬浮液。对于最终抛光阶段，则在有绒毛或无绒毛的织物上使用细金刚石膏或悬浮液，或使用小于 1 微米的氧化铝粉。如果在使用以上任何消耗品或制备表面时采用不恰当的技术都 会产生不够精确的结果。 图 1。典型的涂层截面组织，图中示出氧化物和夹杂物 的层状组织本期标乐公司的《技术评论》是为了给读者提供能够始终如一地准确对涂层进行表征的热喷涂涂层金相制备步骤的信息。 金相试样制备 取样/切割 对于不同类型的热喷涂试样，应当使用带有金属粘接的金刚石薄片或超薄氧化铝砂轮片的精密切割机沿着垂直于试样轴的方向进行切割。试样应当用台钳夹紧，其位置应使切割片从涂层一侧进入而从基底一侧出去，这样就显著减小了涂层的损伤。图 2 示出在切割热喷涂涂层时所建议的切割片转动方向、试样位置、及试样类型。通过真空浸渗可以使多孔性涂层或易碎涂层上有一薄层的环氧树脂可以避免在切割时造成损伤。表 1 给出切割参数。每一块切下的试样都应当放在丙酮中彻底 清洗并在镶嵌前在 70°C 的烘箱中干燥 5 分钟。
2020各类涂层的检测技术介绍及对比分析
各类涂层的检测技术介绍及对比分析目前，欧美发达国家在无损检测领域开展了大量的研究和一定的应用，美国能源部为了满足燃气轮机和航空发动机涡轮热端部件材料的研制发展需求，设置了DOENTEL计划，其中重点针对复合涂层监测、测试及性能表征的无损检测技术开展了研究，发展了声发射技术、红外热成像技术、光激发荧光压电光谱等无损检测技术，并系统的开展了无损检测信号和涂层性能、特征变化的规律性研究。目前，红外热成像技术针对陶瓷涂层分层剥离，声发射技术针对模拟服役环境中涂层裂纹监测等研究取得了一定进展错误!未找到引用源。。涡流检测技术可用于涂层内部大面积气孔、TGO层中β-Al2O3层的厚度以及陶瓷层的剩余厚度检测，进而定性分析涂层的状态和剩余寿命。国内外目前均已研制出涂层厚度涡流检测仪，并且国外已经成功将其应用于燃气轮机叶片涂层质量检测，但该方法大多数研究应用还集中在单层涂层的厚度测量，很少考虑多层涂层的导电性对厚度测量的影响，测量精度低，尚无法应用于多层导电涂层检测。 2.1 超声检测技术(UT) 超声波在介质中传播时会产生传播速度的变化和能量损失，超声检测技术(UT) 通过被检材料中超声波的声速、声衰减、超声波信号的频散等参量对材料的成分及特性进行表征。超声检测技术具有检测灵敏度高、应用范围广、使用方便及成本低等优点。目前，关于涂层超声检测研究方法主要集中在超声脉冲回波技术、超声显微镜技术和超声表面波技术错误!未找到引用源。。 超声检测技术可用于涂层厚度、密度、弹性模量以及结合质量等检测。了解涂层声学特性是涂层超声检测与表征的前提，在此方面，Lescribaa错误!未找到引用源。等分析了等离子喷涂MCrAlY/YSZ 涂层声速和衰减系数，证明该技术具有检测等离子喷涂材料弹性和微观结构演变的潜力；Sugasawa等通过引入群延迟谱法分析材料声学特性并将其用于等离子喷涂氧化铝涂层检测，成功评估了声速和涂层密度；针对喷涂涂层声学特性，Rogé和Fahr等利用超声脉冲回波技术探索了其对陶瓷层和粘结层界面氧化物、陶瓷层孔隙率评估的能力(检测原理如图2-1所示)。Chen等通过开发的脉冲回波技术对热循环后等离子喷涂MCrAlY/YSZ 涂层进行超声波检测，证明了该技术可以检测陶瓷层/TGO界面早期分层缺陷。
喷涂工艺过程
喷涂工艺过程 1、表面预处理 为了使涂层与基体材料很好地结合，基材表面必须清洁及粗糙，净化和粗化表面的方法很多，方法的选择要根据涂层的设计要求及基材的材质、形状、厚薄、表面原始状况以及施工条件等因素而定、净化处理的目的是除去工件表面的所有污垢，如氧化皮、油渍、油漆及其他污物，关键是除去工件表面和渗入其中的油脂、净化处理的方法有，溶剂清洗法、蒸汽清洗法、碱洗法及加热脱脂法等、粗化处理的目的是增加涂层与基材间的接触面，增大涂层与基材的机械咬合力，使净化处理过的表面更加活化，以提高涂层与基材的结合强度、同时基材表面粗化还改变涂层中的残余应力分布，对提高涂层的结合强度也是有利的、粗化处理的方法有喷砂、机械加工法(如车螺纹、滚花)、电拉毛等。其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法，常用的喷砂介质有氧化铝、碳化硅和冷硬铸铁等。喷砂时，喷砂介质的种类和粒度、喷砂时风压的大小等条件必须根据工件材质的硬度、工件的形状和尺寸等进行合理的选择。对于各种金属基体，推荐采用的砂粒粒度约为16－60号砂，粗砂用于坚固件和重型件的喷砂，喷砂压力为0、5－0、7Mpa，薄工件易于变形，喷砂压力为0、3－0、4Mpa。 特别值得注意的一点是，用于喷砂的压缩空气一定要是无水无油的，否则会严重影响涂层的质量。喷涂前工件表面的粗化程度对大多数金属材料来说2、5－13mmRa就够了。随着表面粗糙度的增加涂层与基体材料的结合增强，但是当表面粗糙度超过10mmRa后，涂层结合强度的提高程度便会减低。对于一些与基材粘结不好的涂层材料，还应选择一种与基体材料粘结好的材料喷涂一层过渡层，称为粘结底层，常用作粘结底层的材料有Mo、NiAl、NiCr及铝青铜等、粘结底层的厚度一般为0、08－0、18mm。 2、预热 预热的目的是为了消除工件表面的水分和湿气，提高喷涂粒子与工件接触时的界面温度，以提高涂层与基体的结合强度；减少因基材与涂层材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂、预热温度取决于工件的大小、形状和材质，以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素，一般情况下预热温度控制在60-120℃之间、 3、喷涂 采用何种喷涂方法进行喷涂主要取决于选用的喷涂材料、工件的工况及对涂层质量的要求。例如，如果是陶瓷涂层，则最好选用等离子喷涂；如果是碳化物金属陶瓷涂层则最好采用高速火焰喷涂；若是喷涂塑料则只能采用火焰喷涂；而若要在户外进行大面积防腐工程的喷涂的话，那就非灵活高效的电弧喷涂或丝材火焰喷涂莫属了。总 之，喷涂方法的选择一般来说是多样的，但对某种应用来说总有一种方
电弧喷涂涂层性能检测方法
电弧喷涂涂层性能检测方法 胡为峰 葛 爽（北京赛亿表面工程技术有限公司100083）① 摘要：锅炉喷涂涂层在锅炉运营中对管壁的性能起到重要的作用，为确定涂层所得喷涂性能和喷涂效果，本文主要介绍了几种在测试涂层性能过程中比较常见的几种测试方法和测试步骤。 关键词：电弧喷涂 涂层性能 测试 1、引言 作为电厂锅炉防护热喷涂材料中的重要体系，热喷涂涂层的性能由于影响着所防护材料的使用性能而倍受关注。电弧喷涂层的质量是通过涂层得性能来反映的，而涂层得性能又取决于喷涂设备、材料、工艺等多种因素。涂层性能的检测时评估涉及很多检测方法，就一般的电弧喷涂层而言，涂层性能主要包括了涂层得物理性能（如外观、密度、厚度、金相等）、力学性能（如结合强度、耐磨性、残余应力等）和化学性能（如化学成分、耐蚀性、耐热性、电化学性等）。当然，在实际工作中并不要求电弧喷涂层一定要测试上述所有性能，而是要根据不同的目的来选择不同的测试项目。 一般来说，电弧喷涂层性能试验与测试的目的主要有三个方面： z满足工艺上的要求； z满足技术的要求； z满足使用上的要求。 2、涂层性能测试标准和测试方法 2.1 涂层性能测试所涉及的国家标准 为了可靠地评价电弧喷涂涂层质量的优劣，准确测定涂层性能是否达到工艺、设计或者使用上的预期要求，就需要一套比较准确的涂层质量和性能检测的方法。当然，最有效的地方就是采用现有的国家标准。表2-1列出了现有的一些国家标准。 表2-1 热喷涂涂层性能试验方法与标准 标准号标准名称备注 GB/T 11374-1989 热喷涂涂层厚度的无损检测方法idt ISO 2064 GB/T 4956-2003 磁性金属基体上非磁性覆盖层厚度测量磁性方法idt ISO 2178 GB/T 6462-1986 金属和氧化物覆盖层横断面厚显微镜测量方法idt ISO 1463 GB/T 11378-1989 金属覆盖层厚度轮廓尺寸测量方法idt ISO 4518 GB/T 4955-1997 金属覆盖层覆盖层厚度测量阳极溶解库仑法idt ISO 2177 ① 本文通讯联系人：胡为峰（北京赛亿表面工程技术有限公司 100083）
热喷涂涂层性能检测方法
热喷涂涂层性能检测方法 热喷涂涂层在实际应用中对基体起到重要的保护作用，为确定涂层的性能和效果，检测显得尤为重要。 热喷涂涂层的性能由于影响着所防护材料的使用性能而备受关注。涂层的性能取决于喷涂设备、材料、工艺等多种因素。涂层性能的检测评估涉及很多检测方法，就一般的电弧喷涂层而言，涂层性能主要包括了涂层物理性能（如外观、密度、厚度、金相等）、力学性能（如结合强度、耐磨性、残余应力等）和化学性能（如化学成分、耐蚀性、耐热性、电化学性等）。在实际工作中并不要求电弧喷涂涂层一定要测试上述所有性能，而是要根据不同的目的来选择不同的测试项目。 涂层性能测试所涉及的国家标准 为了可靠地评价电弧喷涂涂层质量的优劣，准确测定涂层性能是否达到工艺、设计或者使用上的预期要求，需要一套比较准确的涂层质量和性能检测的方法。当然，最有效的方式就是采用现有的国家标准。表列出了现有的一些国家标准。 热喷涂涂层的测试方法 1.涂层显微金相组织 由于涂层与基体是两种截然不同的材料，硬度可能相差很大，磨制试样时需要特别谨慎。涂层试样的要求与一般金相试样有所不同，制备过程中要特别注意不能破坏涂层中微粒的组织结构，尽量避免涂层粒子在磨制试样时脱落下来。显微金相结构的分析主要包括两个步骤：样品制备和观察分析。具体步骤如下： （1）取样：样品的选择应符合国家标准GB/T13289金属显微组织检测方法规定进行，用细砂轮、线切割机或者火焰切割等方法截取一定尺寸具有研究价值的部位，且应保持所观察部位的组织不改变。
（2）样品制备：样品镶嵌，磨、抛以及腐蚀，均应按照GB/GT3298规定进行。 （3）组织结构分析步骤：将准备好的组织结构试样置于载物台上；将显微镜开关开启，打开光源，调整好照明电源使之对中；装上选好的物镜、目镜以及相应的观察方法。显微镜功能一般有6种，如明视场、暗视场、偏振光、干涉、微分干涉衬度、显微硬度；用粗细调焦钮对样品进行聚焦，同时调整好孔径和视场光栏大小，至目镜筒内观察到清晰的组织图像为止；选择好物象视场，用转换钮转向摄影系统，装上底片即可曝光拍照。 （4）样品的保存：对于涂层样品应放置在干燥器内（内有硅胶）。 2.涂层结合强度测试方法 该性能测试根据国标G9 8642-88 （热喷涂层结合强度的测定）进行。拉伸试样的材质是普通的Q235钢，经车削加工而成。具体试验步骤如下：将试样对偶件A、B喷砂处理，将试件端面A均匀地喷上待测结合强度的涂层，厚度约为0.8mm，然后用E-7胶将试件A、B件粘合，并将A试件置于B试件之上，使其同轴，经过100℃、1h加热固化以后，将试件夹在试验机夹具上，以1m/min的速度进行拉伸，记下拉断时所施加的载荷大小，同时观察拉断时，试件端面涂层的剥落情况。 用下式计算结合强度： 式中，σb—涂层得结合强度，N/mm2； F—试样破裂的最大载荷，N； A0—试验的涂层面积，mm2。 3.涂层硬度测试方法
热喷涂高性能陶瓷涂层
材料保护 MATERIALS PROTECTION 1999年 第32卷 第1期 No.1 vol.32 1999 热喷涂高性能陶瓷涂层 邓世均 摘 要 综述了热喷涂高性能陶瓷涂层的特点，介绍了陶瓷涂层在不同工业领域的典型应用，论述了在高科技领域的发展潜力，强调了它的地位和作用。 关键词 热喷涂 陶瓷涂层 典型应用 1 引 言 80年代初，日本开发出小型陶瓷绝热发动机，引起了全世界的关注。有人预言，人类即将进入第二个“石器时代”。 陶瓷是金属元素和非金属元素组成的晶体或非晶体化合物。它和金属材料、高分子聚合物材料一起，构成固态工程材料的三大支柱。现代已将金属陶瓷、其他无机非金属材料统归入陶瓷范畴，成为品种、功能极多的一个材料大家族。 陶瓷材料多具有离子键和共价键结构，键能高，原子间结合力强，表面自由能低，原子间距小，堆积致密，无自由电子运动。这些特性赋予了陶瓷材料高熔点、高硬度、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热能力、热导率低、热膨胀系数小、摩擦系数小、无延展性等鲜明特征。 又由于陶瓷材料总含有或多或少的玻璃相和气孔，加之许多陶瓷材料具有多种晶体结构，因而其塑性变形能力差，抗热震和抗疲劳性能差。对应力集中和裂纹敏感，质脆，成为陶瓷材料的致命弱点。显然，用陶瓷作为机械结构材料，其可靠性比金属材料差，加上机械加工困难、成本高等因素，因而目前还处于初期实验阶段，距离成功的工业应用，无论在材料结构的理论上还是在生产实践上，都还有漫长的路程，难度很大。 然而，应用新型陶瓷复合粉末，采用热喷涂技术特别是等离子喷涂技术，在金属基体上制备陶瓷涂层，能把陶瓷材料的特点和金属材料的特点有机地结合起来，获得复合材料结构及制品，正成为当代复合材料及制品高科技领域的一个重要分枝。1958年，世界上第一台等离子喷涂设备在美国问世，为喷涂高熔点陶瓷涂层提供了理想的高温热源，迅即在航空发动机、火箭等尖端科技领域获得了成功的应用。80年代以来，它又迅速向传统民用工业部门扩展，其应用领域遍及能源、交通、冶金、轻纺、石化等工业部门，成效卓著。据报道，美国在90年代，陶瓷涂层的应用年增长率在12%以上。这表明，在先进国家，陶瓷涂层高科技技术将成为新世纪的一个新兴产业。 2 特 点
纳米陶瓷涂层的典型应用领域
纳米陶瓷涂层的一些典型应用领域: 飞机发动机、燃气轮机零部件： 热障涂层（TBC）被广泛地应用在飞机发动机、涡轮机和汽轮机叶片上，保护高温合金基体免受高温氧化、腐蚀，起到隔热、提高发动机进口温度和发动机推重比作用的一种陶瓷涂层材料。8YSZ材料被用做热障涂层材料在军用发动机已应用几十年了，它的缺点是不能突破1200o C的使用温度，但现在军用发动机的使用温度已经超过1200o C，因此急需材料方面的突破。另外，地面燃气轮机的热障涂层材料基本受制于国外，也亟待国产化。国内外研究指出含锆酸盐的双陶瓷热障涂层被认为是未来发展长期使用温度高于1200o C的最有前景的涂层结构之一。用纳米结构锆酸盐粉体喂料制备的纳米结构双陶瓷型n-LZ/8YSZ热障涂层的隔热效果明显好于其它现有涂层，与相同厚度的传统微米结构单陶瓷型8YSZ 热障涂层相比，隔热效果提高了70%。而且，纳米结构的双陶瓷型涂层具有比其它两种涂层层更好的热震性能。 军舰船舶零部件： 纳米结构的热喷涂陶瓷涂层早已广泛应用于美国海军装备(包括军舰、潜艇、扫雷艇和航空母舰)上的数百种零部件。纳米结构陶瓷涂层的强度、韧性、耐磨性、耐蚀性、热震抗力等均比目前国内外商用陶瓷涂层材料中质量好、销量大的美科130涂层的性能显著提高。有着高出1倍的韧性，高出4-8倍的耐磨性，高出1-2倍的结合强度和抗热震性能和高出约10倍的疲劳性能。表1给出了纳米结构的热喷涂陶瓷涂层在美国海军舰船上的一些典型应用。 表1 一些美国海军舰船上应用的热喷涂纳米Al2O3/TiO2陶瓷涂层 零部件船上系统基体材料使用环境 水泵轴储水槽NiCu合金盐水 阀杆主柱塞阀不锈钢蒸汽
热喷涂概念及工艺流程
热喷涂概念及工艺流程 热喷涂原理： 法国木松桥公司从1949年开始进行管子仿真对比实验，结果表明：管子喷锌再涂沥青的复合涂层防腐效果最佳。锌涂层有两方面作用：1、由于锌的电化学点位比铁低，通过锌的反应，保护铁管不发生腐蚀；2、当锌层受到盐溶液腐蚀时会产生难溶的化合物（磷酸锌、氯化锌、硫酸锌）覆盖管子表面，形成保护膜，从而减缓腐蚀介质的侵入。起到保护铁管的作用 热喷涂技术是根据以上实验利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，利用压缩空气的气流将喷涂材料溶滴雾化成细小微粒并一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。热喷涂技术在普通材料的表面上，制造一个特殊的工作表面，使其达到：防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、工艺等一系多种功能，使其达到节约材料节约能源的目的，我们把特殊的工作表面叫涂层，把制造涂层的工作方法叫热喷涂。热喷涂层是由细小颗粒形成的涂层，热喷涂技术是表面工程技术的重要组成部分之一，约占表面工程技术的三分之一。 国家标准： 施工质量要求需要符合国标：GB11373-1989《热喷涂金属件表面预处理通则》GB/T9793-1997《金属和其他无机覆盖层热喷涂锌铝及其合金》GB/T19352.1-2003《热喷涂热喷涂结构的质量要求第1部分:选择和使用指》GB/T19352.2-2003《热喷涂热喷涂结构的质量要求第
2部分:全面的质量要求》GB/T19352.3-2003《热喷涂热喷涂结构的质量要求第3部分:标准的质量要求》GB/T19352.4-2003《热喷涂热喷涂结构的质量要求第4部分:基本的质量要求》 二工艺流程 工件表面预处理制造涂层（喷涂）涂料封孔处理 工件表面预处理：利用压缩空气的压力和砂粒自重，将压力罐中砂粒压入喷砂管，由压缩空气推动，从喷嘴高速喷出对钢框表面进行粗化处理。 通过喷砂处理使工件表面非常彻底的除去氧化皮、油脂、锈蚀及油污等附着物，呈现洁净的基体表面。其次，是将工件表面处理成较高的粗糙度，以增大基体与涂层的结合强度，增强附着力。质量要求：喷砂除锈需达到GB8923-88中的Sa3级标准，粗糙度达到Ry=60-100微米 砂料选用高硬度，有棱角的石英砂。颗粒直径在0.5-1mm范围。喷砂嘴使用=6-8mm紫陶喷嘴。 作业流程：将喷砂设备9m3/8kg空气压缩机、储气罐、油水分离器、喷砂罐、耐磨胶管、喷砂枪、耐磨瓷嘴、防护设施要求后，开始作业。控制好空气压力（0.6-0.7Mpa），喷射角度（a=50-75°），覆盖时间（≤4h），喷射距离（150-200mm），是保证表面处理质量的关键因素。 制造涂层（喷锌或喷铝）采用目前较为先进的喷涂设备。喷涂设备为SX-D2型高速电弧喷涂机。材料为99.99%的纯锌丝，以电弧为热源把
封严涂层及其制备技术
封严涂层及其制备技术 1、定义 封严涂层是涂覆在飞机（航空）发动机气流通道的间隙部分的涂层。航空发动机在工作过程中，在离心力，气动力及热膨胀的共同作用下，转子与静子都会发生变形，导致转子与静子之间相互摩擦造成机械损伤，在设计、制造和修理过程中，转子与静子之间在构造上必须保留适当的间隙；但是发动机工作状态下转子与静子的间隙却会导致发动机效率的降低，如果采取适当的措施有效的减小发动机转子和静子之间的径向间隙则可大大提高发动机的可靠性和效率。 资料表明典型的发动机高压涡轮叶片间隙若平均减少0.245mm，涡轮效率可提高约1%；如果压气机间隙增加0.076mm，单位油耗率增加约1%。图3-1展示了径向间隙对部件效率及其耗油率的影响，随着叶片和机匣之间间隙的增加，耗油率大幅增加。此外压气机的运转间隙过大，会严重影响发动机工作时的气动性，并可能引起喘振，导致发动机稳定性下降。因此，为提高发动机的效率，降低油耗，改善发动机气动性能，应尽量减小压气机叶尖与机匣之间的径向间隙。 图3-1 径向间隙对部件效率及耗油率的影响封严涂层是一种功能涂层，被广泛的运用于不同零部件之间，例如转子轴，鼓筒、轴承、转动叶片叶尖，压气机和涡轮等封严装置表面，以控制间隙和减少泄漏，成为有效的封严技术之一。封严涂层使用位置示意图如图3-2所示。
封严涂层应具有较好的表面质量、优良的热稳定性和较小的摩擦系数，并且与基体材料之间的界面结合性能要比较好。研制封严涂层需要综合考虑涂层的各种性能，特别是涂层的磨损特性和耐冲击性能。目前采用的封严涂层主要有以下几类: 有机涂层、热喷涂涂层，烧结金属粉末；耐温可1000℃的填充或不填充的薄壁蜂窝结构涂层；耐温可达1200℃的可控孔隙率陶瓷涂层。 封严涂层通常是成对出现的，即在压气机的静子部件的表面喷涂可磨耗的密封涂层，与叶片等动子尖端的硬质涂层形成一对可磨耗密封摩擦副。根据用途，可将封严涂层分为两大类，即可磨耗封严涂层和耐磨封严涂层。 可磨耗封严涂层是喷涂在与转动组件相配合的静子环带上的允许磨耗的软涂层。高速高温条件下，配副发生刮擦时封严材料必须先被刮削，封严涂层对转动部件没有损伤或只产生可容忍的损伤；封严涂层材料能准确配合或适应对摩副的形状，形成最小的工作间隙。此外，可磨耗封严涂层还必须满足以下条件：具有良好的减摩性能以降低能耗；磨痕表面光滑平整以减小空气动力损失；因此，可磨耗封严涂层材料表层必须兼顾一定性能要求并取得一定平衡，目前采用复合涂层的设计和工艺来实现。 可磨耗封严涂层的种类随着发动机工作温度的升高而不断发展，在中低温阶段，涂层基体通常为金属材料，如镍、铜、铬、铝等及其合金；目前，运用较为成熟的可磨耗封严涂层为铝基合金和镍基合金涂层体系，使用温度在1000℃以下，表3-1为常用的可磨耗封严涂
热喷涂的一般工艺流程
热喷涂的一般工艺流程 热喷涂生产一般包括3个基本工序-----工件表面预处理、喷涂和涂层后处理，其基本工艺流程如图所示。 现将各工序的主要内容简述如下 1.工件表面预处理 为了使涂层和基体材料很好地结合以及满足喷涂工艺的需求，基材表面必须进行预处理，包括表面预加工、净化、粗糙化和黏结底层等几个步骤。 （1）表面预加工是在喷涂之前对工件进行车削和磨削等表面加工，以清除工件上的原喷涂层、其他表面处理层（淬火层、渗碳层等）各种损伤和毛刺，修真表面的不均匀磨损，预留喷涂层厚度等，以保证合适的基体表面和共建喷涂后的尺寸精度。（2）净化处理目的是除去工件表面的所有污物，如油脂、油漆、锈迹和氧化皮及其他污垢等。其中，有代表性的是油脂和锈迹，故简单地说，净化处理的关键是除油和除锈。除油的方法很多，主要的是溶剂清洗、水基清洗剂清洗，碱液（和酸液）清洗、电解清洗、乳化液清洗、超声波清洗、超临界二氧化碳清洗及加热脱脂等；除锈的主要方法则有化学除锈、点化学除锈、火焰除锈、机械除锈（喷砂、滚光、手工及及机动工具除锈）等。 （3）粗化处理目的是增加涂层与基材间的接触面，增大涂层与集采的机械咬合力，使净化处理过的表面更加活化，以提高涂层与基材的结合强度，同时基材表面粗化还改变涂层中的残余应力分布，对提高涂层的结合强度也是有利的。粗化处理的方法有喷砂、机械加工（如车螺纹、滚花）、电拉毛和宏观粗化等，其中喷砂处理是最常用的粗化处理方法。 （4）黏结底层是在喷涂一些与基材粘结不好的涂层材料时，先选择一种与集体材料粘结好的材料喷涂一层过渡层，以加强涂层与基体的结合。常用作黏结底层的材料有Mo、NiAl 、NiCr及铝青铜等，底层的厚度一般是0.08~0.18 μm。 净化和粗化表面的方法很多，选择应根据基材的材质、形状。厚度、表面原始状况和涂层的设计要求以及施工条件等因素而选择。 2.预热 预热的目的是为了消除工件表面的水分，提高喷涂时涂层/基体界面的温度，减少基材与涂层材料的膨胀差异造成的残余应力，以避免由此导致的涂层开裂和改善涂层与基体结合强度。预热温度取决于工件的大小，形状和材质以及基材和涂层材料的热膨胀系数等因素，一般控制在60~120℃范围。其实预热还不能算作一个独立的工序，实际上它是喷涂的预备操作，有时也把它算入预处理之内。 3.喷涂 这是整个热喷涂工艺的主体和关键工序，其他的工序都是为保证此而进行的。喷涂的操作主要是选择喷涂方法和喷涂参数。喷涂的方法有多种，而且目前还在发展，采用何种喷涂方法
热喷涂生物陶瓷涂层的研究进展
第28卷 第1期 无 机 材 料 学 报 Vol. 28 No. 1 2013年1月 Journal of Inorganic Materials Jan., 2013 收稿日期: 2012-05-18; 收到修改稿日期: 2012-07-03 基金项目: 国家自然科学基金(81071455, 51172264) National Natural Science Foundation of China (81071455, 51172264) 作者简介: 郑学斌(1971–), 男, 博士, 研究员. E-mail: xbzheng@https://www.wendangku.net/doc/ca2345282.html, 文章编号: 1000-324X(2013)01-0012-09 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2013.12329 热喷涂生物陶瓷涂层的研究进展 郑学斌, 谢有桃 (中国科学院 上海硅酸盐研究所, 特种无机涂层重点实验室, 上海200050) 摘 要: 采用热喷涂技术在金属(合金)基材表面制备的生物陶瓷涂层, 兼具金属材料较高力学强度和陶瓷材料优良生物学性能, 作为骨植入材料的研究和应用备受关注。本文介绍骨植入涂层材料的研究概况, 重点阐述热喷涂羟基磷灰石(HA)涂层的研究现状, 并概述新型生物活性硅酸钙陶瓷涂层的研究进展。 关 键 词: 热喷涂; 等离子体喷涂; 羟基磷灰石涂层; 硅酸钙涂层; 综述 中图分类号: TB43 文献标识码: A Progress on Biomedical Ceramic Coatings Prepared by Thermal Spraying ZHENG Xue-Bin, XIE You-Tao (Key Laboratory of Inorganic Coating Materials, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China) Abstract: Biomedical ceramic coatings on metallic substrates deposited via thermal spraying have attracted exten-sive attentions in the field of orthopedic implants due to their excellent mechanical strengths and biological proper-ties. The studies on biomedical coatings for orthopedic implants are overviewed, and improvements of thermal sprayed hydroxyapatite coatings are summarized. Newly developed bioactive calcium silicate coatings are reviewed as well. Key words: thermal spray; plasma spray; HA coating; calcium silicate coating; review 生物医用材料研究与人的健康密切相关, 可促进经济发展和社会进步。骨植入材料是生物医用材料的重要组成部分, 大约占生物材料产品市场的五分之一。随着社会老龄化进程的加速, 以及交通、自然灾害等导致的骨伤事故增多, 对骨植入材料的需求日益增加。 钛及其合金、钴铬钼合金和不锈钢是临床上常用的金属骨植入材料。第二次世界大战前后, 人们即采用金属材料进行关节置换[1]。1963年英国Charnley 医生采用金属和高分子材料相结合的方式开展全髋关节置换术。临床使用的金属材料不具生物活性, 与骨组织结合需要改善。对金属植入体进行表面改性, 是改善其生物学性能的可行途径[2]。热喷涂技术是常用的表面改性手段之一, 其制备的生 物医用涂层主要有金属氧化物涂层(Al 2O 3、ZrO 2、TiO 2等)、生物玻璃涂层、多孔钛(Ti)涂层、生物活性羟基磷灰石(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。 本文综述骨植入生物涂层材料的概况, 重点介绍了临床实践中获得应用的热喷涂HA 涂层和新近发展的硅酸钙生物陶瓷涂层。 1 骨植入生物涂层材料概述 植入人体的生物材料, 与体内组织和体液直接接触, 其表面特征决定其生物功效。植入体进入生命系统, 蛋白质率先在其表面粘附; 细胞受蛋白质