面向高端裝備的納米熱噴涂涂層2

1、面向高端裝備關(guān)鍵構(gòu)件的納米熱噴涂涂層劉勇1，劉賽月1，王鈾*1，王超會1,2 ，李學(xué)偉1,31哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)系納米表面工程研究室，哈爾濱 1500012齊齊哈爾大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，齊齊哈爾1610063黑龍江科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150022*Corresponding authors: You Wang, Tel: +86 451 86402752; Fax: +86 451 86413922; E-mail: wangyou; 摘要 中國熱處理與表層改性技術(shù)路線圖指出1：“熱處理與表層改性技術(shù)作為先進(jìn)材料和高端裝備制造的核心技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)、共性技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)，是國家

2、核心競爭力，在中國走向材料強(qiáng)國和機(jī)械制造強(qiáng)國的進(jìn)程中有著舉足輕重的作用?！睙釃娡考夹g(shù)作為先進(jìn)的表面層改性技術(shù)可以大量應(yīng)用于高端裝備關(guān)鍵構(gòu)件上。納米熱噴涂涂層技術(shù)是納米材料和熱噴涂技術(shù)的結(jié)合和綜合應(yīng)用，長期以來都作為一個(gè)特殊的應(yīng)用領(lǐng)域受到西方發(fā)達(dá)國家軍方和工業(yè)界的高度重視，這是因?yàn)轱w機(jī)、艦船等各種高端裝備都面臨著極端的服役條件。本文列舉了熱噴涂的納米結(jié)構(gòu)耐磨抗蝕陶瓷涂層、納米結(jié)構(gòu)雙陶瓷熱障涂層、納米改性MCrAlY合金涂層和替代鍍硬鉻的納米改性金屬陶瓷涂層的研究進(jìn)展，說明納米結(jié)構(gòu)和納米改性熱噴涂涂層在高端裝備關(guān)鍵構(gòu)件上有非常廣闊的應(yīng)用前景。強(qiáng)國強(qiáng)軍，就應(yīng)刻不容緩地發(fā)展納米熱噴涂技術(shù)！關(guān)鍵詞：材料

3、學(xué)，熱噴涂涂層，納米，高端裝備，關(guān)鍵構(gòu)件中圖分類號TG174.4531. 引言由中國工程院立項(xiàng)，經(jīng)全國熱處理學(xué)會組織編制的中國熱處理與表層改性技術(shù)路線圖指出1：“熱處理與表層改性技術(shù)作為先進(jìn)材料和高端裝備制造的核心技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)、共性技術(shù)和我基礎(chǔ)技術(shù)，是國家核心競爭力，在中國走向材料強(qiáng)國和機(jī)械制造強(qiáng)國的進(jìn)程中有著舉足輕重的作用。”高端裝備是制造業(yè)的領(lǐng)頭羊，關(guān)鍵構(gòu)件是高端裝備的核心。長期以來，中國關(guān)鍵構(gòu)件存在壽命短、可靠性差和結(jié)構(gòu)重這三大問題，嚴(yán)重制約著高端裝備發(fā)展和安全服役。有識之士早已清楚地認(rèn)識到：沒有先進(jìn)的熱處理和表面層改性技術(shù)，就沒有先進(jìn)材料、關(guān)鍵構(gòu)件和高端機(jī)械制造1,2。熱噴涂是工業(yè)領(lǐng)

4、域中應(yīng)用非常廣泛的表面層改性技術(shù)。早在上世紀(jì)50年代起，熱噴涂技術(shù)就用于航空發(fā)動機(jī)上的熱障涂層、封嚴(yán)涂層、抗高溫?zé)g涂層、耐磨損涂層。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，美國航空飛機(jī)中需要采用熱噴涂技術(shù)的零件至少7000多件。熱噴涂技術(shù)也大量應(yīng)用于艦船裝備上，如美國海軍在艦船上應(yīng)用的熱噴涂陶瓷涂層就有多種多樣，其中，僅氧化物陶瓷涂層就用于美國海軍裝備的數(shù)百種零部件上。BCC公司一項(xiàng)新的技術(shù)市場研究報(bào)告指出，北美高性能陶瓷涂層市場在2012年高達(dá)19億美元，其中熱噴涂約占65%以上的市場份額3。由于普通納米粉尺寸小、質(zhì)量輕，易被氣流吹散或被高溫火焰燒蝕掉，故不能直接用于熱噴涂。上世紀(jì)末研究出的納米粉體再造粒方法，使具有

5、納米結(jié)構(gòu)的粉末材料能夠用于傳統(tǒng)的熱噴涂噴槍上，從而使制備出納米結(jié)構(gòu)熱噴涂涂層成為可能。在傳統(tǒng)的表面工程技術(shù)中引入納米尺度的顆?；蚶w維，或納米改性劑改變傳統(tǒng)的涂層組織結(jié)構(gòu)，制備出所需表面性能的納米改性涂層則是一個(gè)低成本高收效的方式。納米熱噴涂涂層技術(shù)是納米材料和熱噴涂技術(shù)的結(jié)合和綜合應(yīng)用，長期以來都作為一個(gè)特殊的應(yīng)用領(lǐng)域受到美國軍方的重視，這是因?yàn)榕灤?、飛機(jī)和陸上裝備都面臨著極端的服役條件。如今，納米熱噴涂技術(shù)已成為熱噴涂技術(shù)新的發(fā)展方向。特別在目前的國際和周邊環(huán)境下，發(fā)展納米熱噴涂技術(shù)更是刻不容緩的強(qiáng)國強(qiáng)軍的需要！2.研究內(nèi)容與結(jié)果2.1納米結(jié)構(gòu)耐磨抗蝕陶瓷涂層磨損、腐蝕、疲勞是機(jī)械零部件的三

6、大主要失效形式。80%的機(jī)械零部件廢棄于材料的磨損失效，世界上生產(chǎn)的一次能源有1/3以上消耗于摩擦磨損。根據(jù)中國腐蝕調(diào)查報(bào)告的資料,我國近年來的年腐蝕損失約占國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的5%,估計(jì)腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失在1萬億元以上。中國工程院相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明我國因?yàn)槟p和腐蝕造成的損失約占GDP的9.5%4。上世紀(jì)末，美國納米集團(tuán)英佛曼公司采用王鈾教授發(fā)明的納米技術(shù)制造出了具有十分優(yōu)異的強(qiáng)韌性能、耐磨抗蝕性能、抗熱震性能及良好的可加工性能的納米陶瓷涂層。如所開發(fā)出的納米結(jié)構(gòu)Al2O3/TiO2陶瓷涂層比目前廣泛使用的商用美科130涂層具有十分優(yōu)異的強(qiáng)韌性能、耐磨抗蝕性能、抗熱震性能及良好的可加工性能。這一

7、在世界上首獲實(shí)際應(yīng)用的熱噴涂納米結(jié)構(gòu)涂層技術(shù)被美國海軍稱之為一項(xiàng)革命性的先進(jìn)技術(shù)，并已被廣泛應(yīng)用于軍艦，潛艇，掃雷艇和航空母艦設(shè)備上的數(shù)百種零部件上(包括潛艇上的進(jìn)氣和排氣閥件，潛艇艙門支桿，航空母艦用電機(jī)和油泵的軸，掃雷艇上的主推進(jìn)桿，氣體透平機(jī)的螺旋泵轉(zhuǎn)子和燃料泵部件等)。2001年，該技術(shù)獲得被美國媒體譽(yù)為應(yīng)用發(fā)明諾貝爾獎的世界研究開發(fā)百項(xiàng)獎和美國國防部軍民兩用先進(jìn)技術(shù)獎5,6。表1 一些美國海軍艦船上應(yīng)用的熱噴涂納米Al2O3/TiO2陶瓷涂層Table1 Selected Naval Ship Applications of Thermally Sprayed Al2O3/TiO2

8、CoatingsComponentShips SystemBase MaterialEnvironmentPump ShaftContaminated Holding TankNiCuSalt WaterValve StemMain Stop ValveStainless SteelSteamShaftMain Feed BoosterCarbon SteelSalt WaterTurbine Rotor ShaftAuxiliary SteamCarbon SteelOilStub ShaftMain PropulsionBronzeSalt WaterValve StemMain Feed

9、 Pump GovernorStainless SteelSteamExpansion JointCatapult SteamCuNiSteamPump PlungerBrine Pumpstainless SteelBrineFlow Service PumpFuel OilCarbon SteelFuel Oil作為一種綠色環(huán)保技術(shù)，這種納米陶瓷涂層是不僅可以替代有污染的電鍍鉻方法，而且可以大幅度提高材料的表面性能，大幅度提高機(jī)械裝備的壽命，大大地降低了能耗，因而用途廣泛。表1給出了一些美國海軍艦船上應(yīng)用的熱噴涂納米Al2O3/TiO2陶瓷涂層6。在美國政府國家納米(NNI)網(wǎng)站、美國國防

10、部網(wǎng)站、美國海軍網(wǎng)站或美國國家航空航天局網(wǎng)站，甚至有些其它的納米網(wǎng)站，都可以找到關(guān)于這一納米陶瓷涂層應(yīng)用的報(bào)道或介紹。2002年，在美國國防部先進(jìn)材料和加工技術(shù)情報(bào)分析中心季刊的納米特集上刊載了共10篇文章，第一篇是美國國家納米技術(shù)協(xié)調(diào)辦公室主任James Murday對世界范圍納米研究的評述文章，其中就特別以這種納米陶瓷涂層技術(shù)作為納米投資早期回報(bào)的范例。還有一篇則是美國海軍研究辦公室項(xiàng)目審批官員Lawrence Kabacoff博士專門介紹這種納米陶瓷涂層的文章。Lawrence Kabacoff博士提到，這種涂層比普通涂層的結(jié)合強(qiáng)度更高，而且可以和所覆蓋的材料一起變形。這一點(diǎn)對在極端環(huán)境

11、和戰(zhàn)爭中工作的武器系統(tǒng)來說是很重要的，比如將會受到深水炸彈襲擊的潛水艇。由于應(yīng)用此技術(shù)可減少潛水艇、艦船和航行器的總成本，因此其軍事應(yīng)用前景良好7,8?，F(xiàn)在，該技術(shù)發(fā)明人王鈾已將先進(jìn)納米陶瓷涂層技術(shù)帶回移植國內(nèi)并進(jìn)一步創(chuàng)新。2006年11月30日，中國船舶重工集團(tuán)公司規(guī)劃發(fā)展部在西安主持召開了“高性能精細(xì)納米陶瓷噴涂材料研究”項(xiàng)目驗(yàn)收暨技術(shù)鑒定會，以著名科學(xué)家張立同院士為主任委員的項(xiàng)目驗(yàn)收暨鑒定委員會評審認(rèn)為該項(xiàng)目技術(shù)先進(jìn)，取得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，成功解決了陶瓷涂層韌性低和抗熱震能力差的兩大難題，與處于世界領(lǐng)先水平的美國海軍在用的熱噴涂納米結(jié)構(gòu)陶瓷粉體材料相比，主要性能達(dá)到了同等水平。如所開發(fā)出的

12、納米結(jié)構(gòu)氧化鋁/氧化鈦陶瓷涂層比目前廣泛使用的商用美科130涂層有著高出3-10倍的耐磨性，高出1倍的抗蝕性，高出1倍左右的斷裂韌性，高出1-2倍的結(jié)合強(qiáng)度和抗熱震性能，高出5-10倍的疲勞抗力。圖1示出了涂層杯凸試驗(yàn)的結(jié)果。圖1 常規(guī)涂層（a）和Al2O3/TiO2納米涂層（b）杯凸試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Cup drawing values of conventional coatings(a) and nano Al2O3/TiO2 coatings (b)研究表明：在常規(guī)涂層中，裂紋沿著噴涂沉積材料之間形成的片層邊界擴(kuò)展（如圖2所示）。而在納米陶瓷涂層中，裂紋是沿著固化過程中形成的納米材料

13、內(nèi)部擴(kuò)展，直到遇到涂層中因部分熔融或未熔融形成的納米結(jié)構(gòu)的微米尺度大顆粒，裂紋才隨后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，或中止于大顆粒處（如圖3所示）。施加于納米涂層的應(yīng)力可以通過正常方式形成的微裂紋予以緩解，當(dāng)這些裂紋擴(kuò)展很遠(yuǎn)之前或與其他裂紋連接之前就已經(jīng)被鈍化了。于是使得納米陶瓷涂層較常規(guī)陶瓷涂層的性能更加優(yōu)異6,9。圖2 常規(guī)Al2O3/TiO2陶瓷涂層斷面的裂紋Fig.2 Cracks structure of conventional Al2O3/TiO2 coatings這種納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層用途廣泛，可以應(yīng)用的零部件包括(但不局限于)：潛水艇和艦船零部件、汽車和火車零部件、航空器零部件、金屬軋輥、印刷卷輥、

14、造紙用干燥軋輥、紡織機(jī)器零件、液壓活塞、水泵、內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)零部件，閥桿、閥門、活塞環(huán)、汽缸體、銷子、傳動軸、支承軸、支撐板、挺桿、工具模具、軸瓦、重載后軸柄、凸輪、凸桿，密封件等。圖3 等離子處理粉體制備的納米Al2O3/TiO2陶瓷涂層斷面裂紋衍生形貌Fig.3 Fracture morphology of nano Al2O3/TiO2 coatings after plasma treating無疑，這種高性能納米陶瓷熱噴涂涂層材料可大幅度提升我軍海軍艦船裝備和我國海洋裝備的作戰(zhàn)能力和現(xiàn)代化水平。2.2 納米結(jié)構(gòu)雙陶瓷熱障涂層如所周知，航空發(fā)動機(jī)的“心臟病”問題，一直是困擾中國航空工業(yè)

15、發(fā)展的瓶頸。能在高溫、高壓和高速條件下可靠穩(wěn)定工作是對現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)性能提出的最基本要求。其中，高性能水平的葉片集先進(jìn)的材料、先進(jìn)的成型工藝、先進(jìn)的冷卻技術(shù)、先進(jìn)的涂層于一體。在工業(yè)和信息化部2014 年發(fā)布的工業(yè)強(qiáng)基專項(xiàng)重點(diǎn)方向中高端裝備基礎(chǔ)能力提升之工業(yè)零部件表面強(qiáng)化用高性能稀有金屬涂層材料中共有列出7個(gè)種類的涂層，其中就有2個(gè)涉及到航空發(fā)動機(jī)熱障涂層材料，這第（5）就要求高隔熱涂層材料復(fù)相陶瓷材料：熔點(diǎn)>2000K，1200（100h）無相變，熱導(dǎo)率<1.2W/mK10。作為一種先進(jìn)的陶瓷涂層材料，熱障涂層被廣泛地應(yīng)用在飛機(jī)(包括艦載機(jī))發(fā)動機(jī)，渦輪機(jī)，汽輪機(jī)葉片上，保護(hù)高溫

16、合金基體免受高溫氧化、腐蝕，起到隔熱、提高發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度、發(fā)動機(jī)的流量比和推重比作用的一種陶瓷涂層材料。 有資料表明，一級渦輪葉片表面涂上陶瓷熱障涂層后，可使冷卻空氣流量減少50%，比油耗減少1%-2%，葉片壽命提高4倍。N. P. Padture 在2002年Science中撰文寫道：熱障涂層在提高發(fā)動機(jī)，渦輪機(jī)，汽輪機(jī)熱效率以及服役壽命的所有耐高溫材料中具有無可替代的作用11。 隨著軍用航空發(fā)動機(jī)的快速發(fā)展，渦輪發(fā)動機(jī)的推重比越來越高，渦輪前進(jìn)口溫度也越來越高。比如，國外新型軍用航空發(fā)動機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度已達(dá)1538-1871，而設(shè)計(jì)推重比1520發(fā)動機(jī)的渦輪前進(jìn)口溫度將達(dá)到2077以上12

17、。7±1wt%Y2O3穩(wěn)定的ZrO2（即8YSZ）材料被用做熱障涂層材料已應(yīng)用幾十年了。盡管研究表明納米8YSZ涂層效果更佳，但隨著對發(fā)動機(jī)，渦輪機(jī)性能要求的提高，這種體系的熱障涂層已不能適應(yīng)更高溫度下工作，特別是在1125以上會導(dǎo)致涂層過早失效。為了滿足未來先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)對TBC更苛刻的性能要求，各種關(guān)于TBC的新材料和新工藝得到了快速發(fā)展。由于鋯酸鹽系列材料耐高溫，熱導(dǎo)率低，線膨脹系數(shù)大，決定了它在耐高溫?zé)嵴贤繉拥臐撛趹?yīng)用。所以，主要的發(fā)展趨勢是采用鋯酸鹽系列材料替代現(xiàn)有的8YSZ材料做熱障涂層，尤其是含鋯酸鹽的雙陶瓷熱障涂層被認(rèn)為是未來發(fā)展長期使用溫度高于1200的最有前景的涂

18、層結(jié)構(gòu)之一。但目前的研究還主要是針對鋯酸鹽陶瓷塊體材料進(jìn)行，還沒有能用于納米結(jié)構(gòu)熱噴涂涂層的鋯酸鹽粉體13。為讓我國的飛機(jī)擁有健康強(qiáng)勁的心臟，哈工大納米表面工程研究室在納米陶瓷熱障涂層方面潛心研究多年，成功研發(fā)出一種能夠解決我國航空發(fā)動機(jī)發(fā)展瓶頸的納米結(jié)構(gòu)雙陶瓷型熱障涂層材料技術(shù)，比現(xiàn)行的涂層有更好的高溫性能。我們首次成功制備出了可噴涂的鋯酸鑭LZ納米結(jié)構(gòu)團(tuán)聚體粉末(簡稱n-LZ)。并將它們分別與ZrO2-8wt.%Y2O3(8YSZ)納米團(tuán)聚體以雙層方式噴涂成納米結(jié)構(gòu)n-LZ/8YSZ雙陶瓷型熱障涂層，并與傳統(tǒng)微米結(jié)構(gòu)的8YSZ單陶瓷型熱障涂層和納米結(jié)構(gòu)的8YSZ單陶瓷型熱障涂層進(jìn)行對比，研

19、究它們的相關(guān)高溫性能。研究表明，納米結(jié)構(gòu)的雙陶瓷型熱障涂層的隔熱效果明顯好于其它涂層，與相同厚度的納米結(jié)構(gòu)單陶瓷型8YSZ熱障涂層相比，隔熱效果大約提高了35%。與相同厚度的傳統(tǒng)微米結(jié)構(gòu)單陶瓷型8YSZ熱障涂層相比，隔熱效果提高了70%以上。此外，納米結(jié)構(gòu)的雙陶瓷型熱障涂層具有比其它兩種涂層層更好的熱震性能和高溫抗氧化性能（如圖4和圖5所示）14-17。圖4 三種涂層的熱震試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Cycles of thermal shock for three coatingsOxidation time (h)Weight gain (mg.cm-2)a)b)Oxidation time (h

20、)Weight gain (mg.cm-2)圖5 在溫度1000 a)和1200 b)條件下氧化增重隨時(shí)間的變化Fig.5 Weight gain of coatings with increment of times at 1000 a) and 1200 b)這一成果的重要性和意義在于將突破目前我國航空發(fā)動機(jī)熱障涂層材料不能在溫度1200以上使用的限制，為我國發(fā)展高端發(fā)動機(jī)提供了技術(shù)支撐。2.3 納米改性MCrAlY合金涂層MCrAlY（M=Ni/Co/Ni+Co）涂層具有抗高溫氧化及熱腐蝕性能好、塑性較好、與基體熱膨脹系數(shù)相近、對基體性能影響較小、成分可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于發(fā)動機(jī)、渦輪機(jī)葉

21、片等熱端部件的高溫防護(hù)。MCrAlY系列涂層可作為熱障涂層的結(jié)合層，或作為單獨(dú)的涂層應(yīng)用到航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)鈾C(jī)上，也可直接用作1000左右環(huán)境下的耐高溫?zé)嵴瞎ぷ魍繉?，和用作抵?00-1100條件下的高溫氧化、硫化腐蝕和沖蝕等破壞的高溫防護(hù)涂層。這種涂層可以延長超合金部件的使用壽命。在工業(yè)和信息化部2014 年發(fā)布的工業(yè)強(qiáng)基專項(xiàng)重點(diǎn)方向中高端裝備基礎(chǔ)能力提升之工業(yè)零部件表面強(qiáng)化用高性能稀有金屬涂層材料中列出的7個(gè)種類的涂層中的（4）就要求多組元 MCrAlY 涂層材料：O、N、C、S總和500ppm，結(jié)合強(qiáng)度50MPa，1050水淬50 次，1050（200h）完全抗氧化級10。我們的研究表明，

22、納米改性可使涂層截面顯微硬度提高，比未改性涂層提高30%以上。納米改性涂層的結(jié)合強(qiáng)度顯著提高18，如表2所示。表2 不同含量納米改性劑的NiCrAlY涂層的結(jié)合強(qiáng)度Table2 Bonding strength of NiCrAlY coatings with different contents of modifierModifier(wt.%)00.10.280.33Bonding strength(MPa)53.1357.361.467.15納米改性后，NiCrAlY涂層在1000時(shí)的熱震循環(huán)壽命可達(dá)105次以上，比未改性涂層提高了 23.5%19。研究了熱震失效后涂層表面形貌及EDS圖

23、譜，如圖6所示。熱震失效后涂層表面凹凸不平且出現(xiàn)裂紋。未改性的涂層表面為相互堆積的尖晶石結(jié)構(gòu)，且有裂紋貫穿其中。尖晶石組織附著力差，不能形成連續(xù)保護(hù)膜，反而消耗合金元素，加速涂層的退化。此外，尖晶石狀組織的形成在涂層內(nèi)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，易導(dǎo)致涂層剝落。加入改性劑后，涂層組織呈球形團(tuán)聚，且排列緊密，可抑制裂紋的形成與擴(kuò)展。EDS圖譜結(jié)構(gòu)顯示，球形團(tuán)聚組織中Al、Cr含量相對較高，可形成Al2O3、Cr2O3保護(hù)膜，提高了涂層高溫性能。也就是說，加入改性劑可降低涂層內(nèi)Al、Cr元素的消耗速率，且涂層組織主要呈球形團(tuán)聚狀，有利于提高涂層抗熱震性能19, 20。圖6 納米改性NiCrAlY涂層熱震失效

24、后表面形貌及EDS圖譜 (a)(b) 未改性NiCrAlY (c)(d) 改性NiCrAlYFig.6 Surface morphology of nano-modified NiCrAlY coatings after thermal shocking(a)(b) unmodified NiCrAlY (c)(d) modified NiCrAlY圖7示出了NiCrAlY涂層樣品在1000oC保溫100小時(shí)后高溫失效表面形貌，最左邊的樣品為普通NiCrAlY涂層，其余四個(gè)樣品均為改性涂層樣品?？梢娂{米改性可以明顯提高NiCrAlY涂層的高溫失效抗力21。10mm圖7 保溫100h的涂層高溫失

25、效測試樣品表面照片F(xiàn)ig.7 Macro-morphology of samples after high temperature oxidation with 100h通常，稀土的加入可以使增重減少一倍以上。也就是說，加入稀土可以提高涂層的抗高溫硫化能力一倍以上22, 23（見圖8）。圖8 NiCrAlY涂層樣品在H2/H2S氣氛中于600oC滲流60h后生成的硫化產(chǎn)物形貌(a) 為HP鋼基體；（b）為普通NiCrAlY涂層；（c）為納米改性NiCrAlY涂層Fig.8 Morphology of sulfide in NiCrAlY coatings at 600,holding 60h

26、in H2/H2S atmosphere(a) HP steel substrate; (b) Conventional NiCrAlY coating; (c) Nano-modified NiCrAlY coating2.4替代鍍硬鉻的納米改性金屬陶瓷涂層 WC-Co基金屬陶瓷熱噴涂涂層是一類重要的高性能涂層。由于其良好的硬度和韌性，故廣泛用來增強(qiáng)基體金屬的耐磨性能及對磨損部件進(jìn)行修復(fù)。如飛機(jī)起落架、艦船上的球閥和柱塞、液壓支撐桿等。已經(jīng)表明，航空發(fā)動機(jī)零件的工作條件較為惡劣(高溫、高轉(zhuǎn)速、振動、高負(fù)荷)，又受到粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損和疲勞磨損等幾種類型的磨損，發(fā)動機(jī)性能和使用壽命受

27、到影響。比如在鈦合金壓氣機(jī)葉片的阻尼臺表面上噴涂一層0.25 mm厚的碳化鎢涂層，葉片壽命可由100小時(shí)延長到上萬小時(shí)24。近年來，隨著國際上環(huán)境問題日益突出，開發(fā)新的環(huán)境友好型涂層技術(shù)以替代傳統(tǒng)的電鍍硬鉻成為必然趨勢。由于現(xiàn)有的熱噴涂技術(shù)比電鍍硬鉻更加高效、清潔，且其成本基本與之相當(dāng)，并呈不斷降低趨勢，具有巨大的開發(fā)與應(yīng)用前景。其中，超音速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)噴涂效率高，而且其噴涂的涂層結(jié)合強(qiáng)度高（大于70MPa）、孔隙率低（小于1），成為最主要的替代電鍍硬鉻技術(shù)25。1999年6月起，由美國國防部、加拿大國防部、加拿大工業(yè)部等共同啟動開展了“確認(rèn)HVOF噴涂WC-Co 和WC-Co-C

28、r替代飛機(jī)起落架上的鍍硬鉻層”的聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目。目前，波音和空客飛機(jī)的起落架上都采用了HVOF噴涂WC-Co 和WC-Co-Cr以替代原來使用的鍍硬鉻層。但目前在國內(nèi)，還沒有成熟的納米結(jié)構(gòu)WC-Co涂層制備技術(shù)4, 24。近年來，我們對替代鍍硬鉻層的WC-Co 和WC-Co-Cr涂層進(jìn)行了納米改性，收到了較好的效果。研究表明，適量納米的加入使 WC-12Co 涂層的顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度顯著提高，并有效地抑制了WC顆粒的脫碳，使組織細(xì)化。當(dāng)納米改性劑含量在 1.5wt %時(shí), 涂層的硬度提高42%, 磨損體積減少43%，耐磨性明顯提高26, 27。最近的研究工作表明隨著納米改性劑含量的增加，WC-1

29、0Co-4Cr涂層的硬度和抗摩擦磨損性能得到顯著提高。圖9示出了納米改性WC-10Co-4Cr涂層磨損量對比。改性劑含量%圖9 納米改性WC-10Co-4Cr涂層磨損量對比Fig.9 Abrasion lossing of nano-modified WC-10Co-4Cr coatings3涂層性能概括通過十幾年的研究開發(fā)，我們可以對納米熱噴涂涂層性能提高作出以下簡要概括：1、采用特殊的納米粉體處理技術(shù)，制造出了利于熱噴涂的納米結(jié)構(gòu)陶瓷粉體，開發(fā)出的納米結(jié)構(gòu)氧化鋁/氧化鈦陶瓷涂層比目前廣泛使用的商用美科130涂層有著高出3-10倍的耐磨性，高出1倍的抗蝕性，高出1倍左右的斷裂韌性，高出1-2

30、倍的結(jié)合強(qiáng)度和抗熱震性能，高出5-10倍的疲勞抗力。2、成功制備出了可噴涂的鋯酸鑭LZ納米結(jié)構(gòu)團(tuán)聚體粉末(簡稱n-LZ)。并將它們分別與ZrO2-8wt.%Y2O3(8YSZ)納米團(tuán)聚體以雙層方式噴涂成納米結(jié)構(gòu)n-LZ/8YSZ雙陶瓷型熱障涂層。與傳統(tǒng)微米結(jié)構(gòu)的8YSZ單陶瓷型熱障涂層和納米結(jié)構(gòu)的8YSZ單陶瓷型熱障涂層相比，納米結(jié)構(gòu)n-LZ/8YSZ雙陶瓷型熱障涂層的隔熱效果、熱震性能和高溫抗氧化性能顯著提高，可以長期用于1200以上環(huán)境。3、納米改性可使NiCrAlY涂層顯微硬度提高，比未改性涂層提高30%以上。納米改性涂層的結(jié)合強(qiáng)度顯著提高，可達(dá)到60 MPa以上。納米改性后，NiCrA

31、lY涂層在1000時(shí)的熱震循環(huán)壽命可達(dá)105次以上，比未改性涂層提高了 23.5%。4、對替代鍍硬鉻層的WC-Co 和WC-Co-Cr熱噴涂涂層進(jìn)行了納米改性，發(fā)現(xiàn)適量納米的加入使 WC-12Co 涂層的顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度顯著提高，并有效地抑制了WC顆粒的脫碳，使組織細(xì)化。當(dāng)納米改性劑含量在 1.5wt %時(shí), 涂層的硬度提高42%, 磨損體積減少43%。納米改性甚至可使WC-Co-Cr涂層的耐磨性提高約10倍左右。4結(jié)語如今，利用先進(jìn)的熱噴涂技術(shù)能夠制備出各種性能優(yōu)異的涂層，隨著納米相關(guān)技術(shù)不斷取得突破，我們可以用納米材料制備出常規(guī)材料無法獲得的全新的高性能的涂層，可以滿足飛機(jī)、艦船等各種高

32、端裝備關(guān)鍵構(gòu)件所需的強(qiáng)韌、耐磨、抗腐、熱障等性能需求。面對目前的國際和周邊環(huán)境，我們一定要清醒地認(rèn)識到：必須走自主創(chuàng)新的科技強(qiáng)軍之路。否則，落后就要挨打！所以發(fā)展納米熱噴涂技術(shù)正是刻不容緩的強(qiáng)國強(qiáng)軍的需要！參考文獻(xiàn):1 中國熱處理與表層改性技術(shù)路線圖, 金屬熱處理, 2014,39(4):156-160. 2 中國熱處理與表層改性技術(shù)路線圖, 金屬熱處理, 2014,39(5):154-155. 3 2012年北美陶瓷涂層市值將達(dá)19 億美元, 4 王鈾.大力發(fā)展納米表面工程, 熱噴涂技術(shù), 2011,3 (1):8-16.5 Y .Wang, S. Jiang, D. Wang,etc. A

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