PDF《热喷涂陶瓷涂层的耐磨应用及涂层结构调控方法》

1 热喷涂制备陶瓷耐磨涂层的原理及涂层结构特征 1.1 热喷涂基本原理与工艺特点 热喷涂技术, 通常是用火焰、 电弧、 等离子射流等热源 (或动力源) 将粉末状 (或丝状、 棒状) 材 料加热至熔融或半熔融状态并加速形成高速熔滴, 高速撞击基体经过扁平化、快速冷却凝固沉积在 基体表面形成涂层.图1为热喷涂技术原理示意图[13] . 图1热喷涂技术原理示意图[13] Figure

1 Schematic diagram of thermal spray technology [13] 一般而言, 只要具有熔融状态 (物理熔点)、 能形成熔融态粒子或拟熔融态粒子的材料, 均可通过 热喷涂制备涂层.喷涂方法一般按热源或动力源性质进行分类, 比如电弧喷涂、普通火焰喷涂、爆 炸喷涂、等离子喷涂、超音速火焰喷涂、低压等离子喷涂[14] 、激光喷涂等, 以及近年来发展的冷喷 涂[14-20] 、真空冷喷涂[21-28] 、等离子喷涂?物理复相沉积 (PS-PVD) [29-34] 等新工艺.采用火焰喷涂制备 陶瓷涂层是一种相对较为经济的工艺. 与火焰 (最高温度一般为采用乙炔时的 3200°C) 相比而言, 等 离子体可以具有更高的温度, 等离子射流中心温度可以高达 10000°C 以上. 因此, 等离子喷涂工艺可 以熔化所有具有物理熔点的材料, 因而在喷涂制备高熔点材料 (特别是陶瓷材料) 涂层方面具有突 出的优越性. 1.2 热喷涂涂层结构 以熔融或半熔融的粉末颗粒为沉积单元的喷涂工艺, 基本都具有以下相似的沉积成形过程:高 速熔滴撞击基体后首先铺展扁平化, 随后快速冷却凝固形成扁平粒子, 逐层累加堆积形成涂层. 因而, 热喷涂陶瓷涂层呈现典型的层状结构 (如图

2 所示) [35-39] .此外, 对于如 Cr2O

3、Al2O3 等典型的脆性 陶瓷材料, 在冷却收缩过程中, 由于材料本征的脆性, 扁平粒子内会形成大量垂直于扁平粒子平面 的网状裂纹.通过电镀铜的方法可直观显化等离子喷涂 Al2O3 涂层的典型层状结构[35,36,40] , 如图

3 所第1期《现代技术陶瓷》 Advanced Ceramics, 2016,

37 (1): 3?22 ?

5 ? 示, 其中白色部分为镀入涂层的铜, 代表涂层中存在的孔隙.从图中可以看出, 等离子喷涂 Al2O3 涂 层是由各扁平粒子经过重叠、 堆积形成的层状结构, 层与层之间仅存在有限的区域结合, 其余部分则 为大量的层间孔隙.统计结果显示, 对于 Al2O3 涂层, 在通常没有专门基体预热的条件下, 等离子喷 涂涂层的扁平粒子层间结合率最高约 32%;

同时涂层中还存在大量的垂直裂纹和气孔, 这些气孔、 层间孔隙和垂直裂纹构成了涂层的多孔结构, 并最终决定了涂层的力学性能和物理性能[35, 41] .

2 热喷涂陶瓷涂层耐磨损性能及其应用 热喷涂陶瓷耐磨涂层根据材料种类可分为氧化物和非氧化物两大类. 氧化物耐磨涂层材料中使用较为广泛的是 Al2O3 和Cr2O3.为了改善单组分氧化物陶瓷涂层 (如纯Al2O

3、 Cr2O3 等) 固有的高脆性、 多孔隙以及较低的结合性能等缺陷, 通常添加低熔点 TiO2 或SiO2 粉末形成多元复合粉末, 以改善粉末的喷涂工艺性能, 获得性能更加优异的复合氧化物陶瓷涂层. 非氧化物主要包括碳化物、氮化物、硼化物等陶瓷材料, 这些陶瓷经常具有比氧化物更高的硬 度和更佳的耐磨损性能.然而, 由于高温气化和分解等问题, 难以直接通过熔融方式制备涂层.进一 步考虑到复合提高材料塑、韧性问题, 一般加入 Co、Ni 等金属粘结相以形成陶瓷/金属复合材料涂 层.常用的碳化物陶瓷耐磨涂层有 WC-Co、Cr2C3-NiCr 等.在500°C 以下, WC-Co 耐磨涂层材料具 图2热喷涂 YSZ 涂层典型的 (a) 低倍和 (b) 高倍断面组织形貌[39] Figure