等离子喷涂技术的应用

2016-11-25 09:48:13 作者：本网整理来源：热喷涂与再制造分享至：

    等离子喷涂技术在耐磨涂层、耐蚀涂层等传统领域的应用已经较为广泛，从上世纪50 年代至今，其应用领域由航空、航天扩展到了钢铁工业、汽车制造、石油化工、纺织机械、船舶等领域。近年来等离子喷涂技术在高新技术领域如纳米涂层材料、梯度功能材料、超导涂层、生物功能涂层等方面的应用研究渐渐受到人们的重视。

    1 纳米涂层材料

    Zhu 等采用真空等离子喷涂制备了纳米WC/Co 涂层。发现涂层硬度、韧性和耐磨性较常规涂层都有较大的改善，在40～60 N 载荷下，纳米WC/ Co涂层磨损率仅为常规涂层的1/ 6。Connecticut 大学等对等离子喷涂纳米结构Al2O3-TiO2 系涂层进行了系统的研究，包括纳米粉末喷雾干燥团聚重构、等离子喷涂工艺参数优化、工艺诊断、模拟以及涂层结构与性能的分析，表明涂层具有双态显微结构，表现出独特的优异性能。与对应的常规涂层相比，结合强度增强100 %，磨粒磨损抗力提高300 %，压痕开裂抗力、弯曲和杯突试验表现的剥落抗力要高得多。中国上海硅酸盐研究所祝迎春等人研究了等离子喷涂过程中纳米TiO2 的结构变化和粒子注入特性。研究发现，TiO2 纳米颗粒由无定型转化为锐钛矿结构和金红石结构。涂层表现出良好的Li + 注入电流和电化学稳定性。陈煌等利用大气等离子喷涂技术在不锈钢基体上制备了氧化锆纳米涂层。获得的涂层结构致密，孔隙率约为7%，涂层和基体间的结合强度为45 MPa，明显优于传统氧化锆涂层与基体的结合强度。

    2 梯度功能材料（FGMs）

    等离子喷涂制备梯度功能材料是目前材料学中倍受关注的研究领域之一，其研究范围主要为梯度功能材料的设计、制备和性能评价三个方面。由于等离子焰流温度高，特别适用于喷涂难熔金属、陶瓷和复合材料涂层，这就为功能梯度材料的发展提供了更广阔的空间。目前以NiCrAlY作为中间层向金属上涂覆ZrO2 涂层成为大多数等离子喷涂FGMs 结构研究的热点，已建立起很好的制备工艺。另外，已被研究的其他它体系还包括：Cu/W 和Cu/B4C、与Al2O3-Cr2O3 结合的Ni 基合金、具有CoCrAlY 或NiCoCrAlY的ZrO2、具有Mo 的TiC、具有YSZ 涂层的Ni-20 %Cr、Ni/Al2O3、WC/Co 等。K. A. Khor 等人对YSZ/ NiCoCrAlY体系的研究表明，与传统的双层材料相比，功能梯度涂层具有更优异的性能。得到的FGM涂层的结合强度为18 MPa，双层涂层仅为9 MPa，而涂层的抗热循环寿命FGM涂层是双层涂层的6倍。Sudarshan Rangaraj 等设计了五种不同成分的YSZ 梯度涂层，研究了涂层设计对YSZ 涂层性能的影响，结果表明莫来石（mullite）成分的添加会降低涂层表面裂纹生长驱动力。

    3 超导涂层

    等离子喷涂弧温很高，特别适用于喷涂复合氧化物陶瓷，不需要保护气氛，能够喷涂具有复杂形状的超导制件，沉积效率高，容易制备厚膜涂层和大面积涂层。适于等离子喷涂的超导陶瓷涂层材料主要有YBa2Cu3O7- x （YBCO）和Bi2Sr2Cu2CaO。YBCO是一种典型的超导材料，临界温度为94 K。等离子喷涂的YBCO 涂层由于喷涂过程中材料的氧损失，涂层结构中的孔隙、裂纹和粒子间的不均匀接触等不均匀性，使涂层并不具有超导特性。只有对涂层在氧气或空气气氛中进行适当的热处理，使涂层形成致密、均匀且较稳定的晶体结构，才能获得超导性。YBCO 涂层的热处理条件为920℃×1 h，降至400℃再保温1h。当将Bi2Sr2Cu2CaOy 陶瓷从高温急冷或淬冷后，它会产生超导态。这一特性对等离子喷涂具有特别的意义，因为等离子喷涂能使涂层材料获得高达106℃/ s的急冷冷却速率，只要调整好等离子喷涂条件和工艺参数，很容易使Bi2Sr2Cu2CaOy 的喷涂态涂层具有超导特性。

    4 生物功能涂层

    等离子喷涂技术是制备医用生物涂层材料的有效方法。将特定组分的粉末材料经高温熔化后沉积于金属人工骨植入物表面，形成以韧性金属为骨架，表面有陶瓷涂层的人工骨与人工关节，此方法充分发挥了金属和陶瓷两类材料的优点。国内外对等离子喷涂羟基磷灰石（HA）涂层和钛涂层的研究报导较多，并成功地应用于临床试验。羟基磷灰石涂层对生物体无毒，耐体液腐蚀，且对生物体组织有良好的适应性和亲和性，耐长期运动过程中的磨损，有足够的力学性能。钛质植入体具有较好的化学稳定性，并且与组织结合良好，与体液相容。用真空等离子喷涂在不锈钢牙根和接骨板上喷涂钛涂层在临床上已有成功的应用，这些涂层既利用了不锈钢的强度，又利用了钛涂层的生物相容性，防止不锈钢中有毒元素的释放。我国的上海硅酸盐研究所在生物涂层材料的研究方面也取得了较好的进展。

    5 其它应用

    等离子喷涂时熔粒的冷却速度可达105～106 K/s，这种高速冷却可在涂层中产生非晶态相的组织结构。大气等离子喷涂Fe基非晶合金粉末（含Si、B、Cr、Ni 等）制备的高非晶含量的Fe基非晶合金涂层致密度高、孔隙率低、氧化物含量少，其显微硬度在HV0.1700～950内，结合强度在27 MPa以上。等离子喷涂压电陶瓷涂层用于制作压电元件无需粘贴，尤其适用于大面积压电传感元件和压电作功元件阵列的制作。另外大气等离喷涂技术在制备固体氧化物燃料电池（SOFC）方面也有相关的研究和报道。