等離子陶瓷噴涂涂層簡介：
陶瓷涂層材料一般具有硬度高、熔點高、熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性能好的特點，用作涂層可以有效地提高基體材料的耐磨損、耐高溫、抗高溫氧化、耐熱沖擊、耐腐蝕等性能。通過材料的合適選擇可以獲得這些特性中的某種優(yōu)越特性。熱噴涂陶瓷涂層常用的氧化物陶瓷材料主要為AI203、Ti〇2、Cr203、Zi〇2等。這些氧化物陶瓷材料由于熔點高，熱導(dǎo)率低，以粉末狀態(tài)送入火焰或等離子焰流中時，與金屬粉末相比，較難達到完全熔化。因此，如前所述，一般采用粒度相對較小的粉末，并利用高溫的等離子焰流進行噴涂。除此之外，采用爆炸噴涂也可以制備氧化鋁、氧化欽、氧化鉻涂層。釆用熔棒式火焰噴槍，并使用特制陶瓷棒材時，由于陶瓷熔化的端部可以被霧化為熔滴，因此也可以制備陶瓷涂層。
圖（一）等離子噴涂設(shè)備工作原理，可以看出等離子是通過高溫把粉末熔化后噴在工件表面
氧化物陶瓷涂層噴涂工藝：
氧化物陶瓷材料噴涂時，粒子的溫度越高，熔化程度越完全，沉積效率越高。圖1與圖2為Metco9M噴槍，采用徑向與后傾送粉調(diào)整粉末送入等離子射流中的位置，分別在不同電弧功率與凈輸入功率測得的沉積效率。從這些結(jié)果難以看出功率與沉積效率的直接關(guān)系。圖3為采用DPV-2000測速裝置測試的不同等離子噴涂條件下的YSZ粒子的表面溫度后，獲得的表面溫度與沉積效率之間的關(guān)系。可以看出隨粒子表面溫度的升高，沉積效率直線增加，當粒子表面平均溫度超過其熔點后，沉積效率增加不再顯著。這些結(jié)果表明提高沉積效率的關(guān)鍵在于使粒子達到完全熔化狀態(tài)。
圖1 氧化鋯涂層沉積效率隨等離子電弧功率的變化
采用對等離子噴涂氧化鋁涂層電鍍銅，并定量表征涂層內(nèi)扁平粒子間的平均結(jié)合率表明（如圖4)，當電弧功率較小時，隨電弧功率的增加，粒子間的平均結(jié)合率增加，而當功率超過一定值后，結(jié)合率基本不變。研究表明粒子間的結(jié)合主要取決于溫度，由于熔化潛熱使得等離子電弧功率的增加主要是使達到完全熔化狀態(tài)的陶瓷粒子的數(shù)量增加，而粒子的溫度則難以大幅度提高。因此，陶瓷噴涂層內(nèi)粒子間的結(jié)合率只達到表觀面積的三分之一左右。
圖（二）北京耐默公司等離子噴涂工作現(xiàn)場，歡迎來廠參觀交流
當完全熔融的陶瓷噴涂粒子碰撞基體表面，在隨后的快速凝固冷卻過程中，收縮產(chǎn)生的應(yīng)力不能通過金屬材料發(fā)生的塑性變形來釋放，只能通過產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋來釋放。因此，在熱噴涂形成的扁平粒子內(nèi)，均會觀察到如圖5所示的網(wǎng)狀裂紋，裂紋間距一般約為數(shù)微米至十幾微米。這種網(wǎng)狀裂紋與粒子界面存在的大量未結(jié)合界面相互連通，構(gòu)成了陶瓷涂層表面至涂層與基體界面的貫通孔隙。同時，這種網(wǎng)狀裂紋與界面的有限結(jié)合狀態(tài)使陶瓷涂層內(nèi)的貫通孔隙率難以通過材料種類或涂層厚度來有效減少，致使當涂層使用環(huán)境存在對基體具有腐蝕或氧化的介質(zhì)時，僅靠陶瓷涂層不能起到保護作用。而只能通過釆用合適的金屬結(jié)合過渡層來進行保護，或通過適當?shù)姆饪准夹g(shù)進行處理。
圖2 氧化鋯涂層沉積效率隨等離子電弧凈功率的變化
圖3 氧化鋯涂層沉積效率隨粒子表面溫度的變化
圖4 等離子功率對氧化鋁涂層粒子間結(jié)合率的影響
圖5 氧化鋁涂層表面的典型網(wǎng)狀微裂紋
陶瓷噴涂涂層硬度：
圖6為幾種常用氧化物陶瓷涂層的顯微硬度，由于涂層中孔隙的存在，顯微硬度測試值將受到測試載荷的影響。一般載荷越小，平均值越高，且變動率越大，因此，一般推薦在載荷3N的條件下測試，以便于比較。
圖（三）等離子設(shè)備正在作業(yè)，此次任務(wù)是噴涂氧化鋁陶瓷涂層，起到耐磨的作用
等離子噴涂陶瓷噴涂的硬度受噴涂條件的影響，圖6為噴涂距離對Al2〇3-13%Ti02與Ti〇2涂層顯微硬度的影響。隨距離的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。而如圖7所示，隨電弧功率的增加涂層硬度增大，且趨于一定值。涂層硬度的變化影響涂層的耐磨損性能，圖8為沖蝕角度分別為35°與90°時的涂層沖蝕磨損率與涂層硬度的關(guān)系，可以看出隨涂層硬度增加，涂層的沖蝕磨損率下降。與碳鋼的滑動磨損速度隨涂層硬度的增加也有降低的趨勢。圖9為火焰噴涂、大氣等離子噴涂與低氣壓等離子噴涂的AI2〇3涂層的硬度與滑動磨損速率的關(guān)系。
圖6 噴涂距離對Al2O3-13%TiO2涂層顯微硬度的影響
圖7 等離子功率對Al2O3-40%TiO2與TiO2涂層顯微硬度的影響
圖8 涂層硬度與沖蝕磨損率的關(guān)系
圖9 硬度對不同方法制備的氧化鋁涂層的滑動磨損量的影響
陶瓷熱噴涂層的溫度擴散系數(shù)隨材料種類而異，并受到噴涂條件的影響。圖10為幾種典型氧化物陶瓷涂層的溫度擴散系數(shù)。研究結(jié)果認為這種溫度擴散系數(shù)的大小對涂層的耐磨損性能具有影響，與圖11所示的磨損試驗結(jié)果比較，兩者之間具有一定的相關(guān)性，即溫度擴散越高，磨損速度越小，耐磨損性越好。當然如上所示，涂層的硬度也對耐磨損性能有影響。
圖（四）北京耐默公司在煤粉取樣槍表面噴涂的陶瓷涂層，起到耐磨防護作用
如前所述，由于噴涂過程特有的急冷特征，陶瓷材料噴涂時將會以準穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu)凝固結(jié)晶，或由于等離子氣氛的還原作用，在一些氧化物的噴涂過程中會發(fā)生還原失氧的現(xiàn)象，下面將結(jié)合具體材料進行論述。
圖10 不同氧化物陶瓷涂層的熱擴散率
