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(diǎn)高、熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性能好的特點(diǎn)，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(diǎn)高，熱導(dǎo)率低，以粉末狀態(tài)送入火焰或等離子焰流中時(shí)，與金屬粉末相比，較難達(dá)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(jìn)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(shí)，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(shí)，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(dāng)粒子表面平均溫度超過其熔點(diǎn)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(dá)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(dāng)電弧功率較小時(shí)，隨電弧功率的增加，粒子間的平均結(jié)合率增加，而當(dāng)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(dá)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(dá)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(dāng)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(huì)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(shí)，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(dāng)涂層使用環(huán)境存在對基體具有腐蝕或氧化的介質(zhì)時(shí)，僅靠陶瓷涂層不能起到保護(hù)作用。而只能通過釆用合適的金屬結(jié)合過渡層來進(jìn)行保護(hù)，或通過適當(dāng)?shù)姆饪准夹g(shù)進(jìn)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)磨損量的影響
陶瓷熱噴涂層的溫度擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)。研究結(jié)果認(rèn)為這種溫度擴(kuò)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(yàn)結(jié)果比較，兩者之間具有一定的相關(guān)性，即溫度擴(kuò)散越高，磨損速度越小，耐磨損性越好。當(dāng)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(hù)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(shí)將會(huì)以準(zhǔn)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(huì)發(fā)生還原失氧的現(xiàn)象，下面將結(jié)合具體材料進(jìn)行論述。
圖10 不同氧化物陶瓷涂層的熱擴(kuò)散率
