前言

随着我国科学技术和工业现代化的持续高速发展，使得对机械零件的工作要求越来越高，从而对材料耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗疲劳、抗冷热冲击等性能的要求也随之提高。零部件的损坏一般都是从材料表面、亚表面开始或因表面其他因素而引起，然后逐渐导致零件的整体失效。因此，表面的改进对整体零件的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等起到了决定性的作用。

涂层是材料表面改进方法的一种，具有提高材料的耐高温、耐腐蚀和抗磨损性能的作用。涂层的种类很多，但兼有陶瓷和金属两方面特点的金属陶瓷复合涂层以其具有高强度、低膨胀系数、更高的使用温度、良好的热稳定性以及好的抗磨损性等优点，显示出了广阔的应用前景。

金属陶瓷复合涂层是由金属或合金与一种或几种陶瓷相混合后所组成的复合材料。采用适当的涂覆技术，制备出最佳的涂层材料，从而提高了材料的使用寿命和应用性能。陶瓷材料具有抗油、抗有机溶剂、抗碱或酸、不燃、电绝缘性好等优点。而加入金属粉末不但能提高涂层与基体的粘结性能，还可机械联锁与冶金结合共同作用，提高了强度及硬度，为材料科学提供了更广泛的研究和应用空间。

1复合涂层技术

1.1热喷涂热喷涂技术

是采用某种高温热源，将欲涂覆的涂层材料熔化（或至少软化），并采用高速射流方式使之雾化成微细液滴或高温颗粒，喷射到经过预处理的机体表面形成涂层的技术。热喷涂的特点：能够喷涂的材料范围特别广，几乎所有的固态工程材料都可以应用；能够在多种基体材料上形成涂层，如金属、陶瓷、塑料基体、木材甚至纸板都可以；一般情况下不受工件尺寸和施工场所的限制；沉积快，效率高，特别适合沉积厚膜涂层；对基体材料的热影响小；调整涂层成分比较容易等。热喷涂方法也有一定的缺点，如喷涂作业环境差，粉尘污染严重，喷涂材料利用率低，难以制备厚度较大的覆层材料等。

随着热喷涂技术的发展，该技术已经在能源、汽车、钢铁、冶金工业等方面得到了广泛的应用。如在三峡钢铁结构中采用热喷涂铝制造的长效防腐涂层将达2000万t钢材，汽车制造工业的很多零部件，以及钢铁、冶金工业中的热电偶保护套、轧辊、支撑辊等均可采用热喷涂工艺制造。

1.2溶胶-凝胶涂层技术

溶胶-凝胶涂层技术是利用易水解的金属醇盐或楷体无机盐，在某种溶剂中与水发生反应，经水解缩聚形成溶胶，将溶胶涂覆在金属表面，再经干燥、热处理后形成涂层的方法。溶胶-凝胶法的特点：用该方法制备的涂层是一种非常致密牢固的气密性薄膜，适用于在大面积物体上制作涂层；它与金属、陶瓷、塑料、木材等基材具有很高的粘着力，而且涂层具有较高的显微硬度、耐冲击性、柔韧性、化学稳定性、耐蚀性和耐磨性；用该方法在基材上涂覆，可以涂一层或多层，工艺和设备简单，可以采用刷涂、喷涂、浸涂的方式。缺点是：

在干燥过程中，由于溶剂蒸发而产生残余应力，易导致薄膜龟裂出现裂缝甚至脱落，薄膜的应力影响限制了薄膜的厚度，溶胶的粘度、浓度、温度和机体的波动等因素均会影响制备的薄膜质量。

THubert等研究了溶胶-凝胶法涂层氧化铝和合金的耐磨性。通过试验证明，涂层在与基体结合时金属氧化物之间是以化学键结合的，结合力非常强，所以极大地提高了合金的耐磨性。SRaghunathan等用溶胶-凝胶法制备了多种纳米基合金粉末，如W-Mo、W-Cu、WC-Co复合粉末。

1.3自蔓延高温合成涂层技术

自蔓延高温合成涂层技术（SHS）是利用原料组分发生放热化学反应，反应后沉积在制品基体上形成涂层的技术。SHS反应种类有：无气相合成反应；"放出气体的燃烧合成"反应；渗透合成反应；多种单质元素组合的固体燃烧合成；以化合物为反应物的金属热还原合成等。该技术是一种先进的材料合成技术，它在难熔材料合成及非平衡和非化学计量化材料的合成等方面具有很多常规方法难以比拟的优点。例如，生产工艺简单，反应迅速；节约能源，因为该反应是自热过程，一经引发不需补充能量；合成反应温度一般很高，可以使大多数杂质挥发而得到高纯产品；特别适合于合成各种复合材料、结构陶瓷、功能梯度材料等。

SHS技术已被广泛使用在陶瓷材料、金属间化合物、电子材料和复合材料等的合成与制备中。

1.4高温熔烧法

高温熔烧法制备涂层是将涂层原料按一定比例混合起来，涂覆于处理好的金属表面，经过高温熔烧以获得所需性能涂层的一种表面技术。用高温熔烧法制备的涂层具有很多优点：制备工艺简便，设备投资小，不受场地、环境条件的限制，易于操作，能处理形状复杂的构件，一般在室温下操作，不会使零件产生热影响和变形，可在金属表面得到耐磨抗蚀的金属陶瓷复合涂层等。这种涂层的连续密闭性很好，其防锈耐蚀性优于电镀层和热喷涂涂层，涂层的厚度范围很宽，能得到0。05~16㎜的不同厚度。薄涂层用作防腐蚀和抗氧化；厚涂层一般用作耐磨和修补工作表面缺陷。高温熔烧涂层的成分可根据需要调整，涂层硬度可在一定范围内变化，其硬度上限在HRC70以上，这是其它涂层工艺难以达到的，且涂层硬度分布均匀。

1.5激光熔覆技术

激光熔覆技术也是一种表面改性技术。它是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面的薄层同时熔化，并快速凝固的方法，与基材表面形成冶金结合的添料熔覆层。熔覆材料以粉、丝、板的形式加入，其中以粉末的形式最为常用。

相对其它表面处理技术，激光熔覆技术具有组织致密、稀释度小、涂层与基体结合性能好、粒度及含量变化大、适合熔覆材料多等特点，而且已经在耐磨、抗蚀、热障等涂层性能方面显示出了良好的应用前景。

激光熔覆技术可以改善工模具钢的表面硬度、红硬性、耐磨性、高温硬度、抗热疲劳等性能，从而提高了工模具的使用寿命。如在轧钢导向板上激光熔覆高温耐磨涂层，可使其使用寿命较普通碳钢导向板提高4倍以上。

2合金粉末

2.1镍基自熔合金粉末

最早的自熔合金以镍基合金为基础。镍的熔点为1453℃，加入适量硼、硅和其它元素后，合金具有温度在1000℃左右的固液相状态，而且可在HRC25~HRC65调节硬度，并具有耐磨、耐蚀和抗氧化性能，即使在600℃的高温状态下，化学性质也相当稳定。镍基自熔合金粉末可分为镍硼硅合金粉末和镍铬硼硅合金粉末两个类别。

2.2钴基自熔性合金粉末

在钴铬钨合金中加入硼、硅元素就可形成钴基自熔合金。由于钴基自熔合金中含有高硬度碳化物和硼化物，比CoCrW合金具有更好的抗氧化能力和耐磨性，其高温硬度优于镍基自熔性合金。但钴是稀有楷体金属，所以钴基自熔合金粉末系列的发展受到了限制，钴基自熔性合金粉末一般用于较重要的耐高温磨蚀零件的强化和修复。

2.3铁基自熔合金粉末

铁基自熔合金粉末是在铁内加入适量的硼、硅等元素，通常情况下其熔点高于镍基、钴基，自熔性不如镍基、钴基自熔性合金粉末。但它的成本比较低，所以应用也相当广泛。铁基自熔性合金粉末适用于铁路钢轨的修补，以及石油钻探、农机部件、建筑和矿山机械等磨损零件的强化和修复。

2.4铜基自熔合金

铜基自熔合金一般是在含有锡、锰、镍的铜基合金中加入硼、硅元素形成的，合金粉末呈球形。除此之外，含有一定量磷的铜基合金也具有很好的自熔性。

相对于镍基、钴基、铁基自熔合金，铜基自熔合金的应用场合较少。

2.5含碳化钨弥散型自熔合金粉末

含碳化钨弥散型自熔合金粉末是一种超硬性自熔合金。在高硬度镍基、钴基自熔合金中加入25%~35%的碳化钨颗粒，便形成含碳化钨弥散型自熔合金。

其组织结构是在自熔合金基体上均匀分布着碳化钨颗粒。由于超硬度碳化钨颗粒弥散分布在高硬度自熔合金基体中，很好地提高了合金的耐磨性、红硬性和抗氧化性，因此含碳化钨弥散型自熔合金粉末特别适用于抗高应力磨粒磨损工件的强化和修复。

3陶瓷粉末

3.1氧化铝陶瓷

氧化铝陶瓷是一种氧化物陶瓷材料，具有以下性质：熔点高（熔点2050℃），抗腐蚀性好（能很好的抗Be、Sr、Ni、Al、V、Ta、Mn、Fe、Co等熔融金属的侵蚀），对NaOH、玻璃、炉渣的侵蚀也有很高的抵抗能力；机械强度高（氧化铝陶瓷烧结产品的抗弯强度可达250MPa，热压产品可达500MPa）；硬度高（莫氏硬度为9）；电阻率高，电绝缘性能好；化学稳定性优良，许多复合的硫化物、磷化物、砷化物、氯化物、氮化物、溴化物、碘化物、氧化物以及硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸不与Al2O3发生化学反应。利用陶瓷的机械强度，可制成装置瓷和其他机械构件。

3.2氧化锆陶瓷

氧化锆陶瓷是新近发展起来的仅次于氧化铝陶瓷的一种很重要的结构陶瓷。其具有以下优良性能：硬度高，莫氏硬度为6。5，因此可制成冷成形工具、整形模、拉丝模、切削工具等；强度高，韧性好，常温抗弯强度可达2100MPa，1000℃时为1190MPa；抗腐蚀性好，ZrO2在氧化气氛中十分稳定，在还原性气氛中也相当稳定；半导体性好，氧化锆在高温具有半导体性，纯氧化锆是良好的绝缘体，氧化锆发热元件可在空气中使用，最高温度达2100~2200℃；敏感特性强，稳定化之后有氧空位。

3.3碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷作为一种优良的高温结构陶瓷，被认为是具有广泛应用前景的高温耐磨结构材料，是碳化物中抗氧化性最好的。它可以被熔融的碱分解，具有良好的化学稳定性、高的机械强度和抗热震性。如可用作高温轴承、刀削工具、机械密封件和先进发动机零部件等，这些都与高温环境有关。

3.4纳米陶瓷

纳米陶瓷又称纳米结构、纳米结晶或纳米复合材料，是指在纳米长度范围（1~100nm）内的微粒或结构、结晶或纳米复合的材料。它具有既不同于微观粒子又不同于宏观物体的诸多特性。纳米陶瓷材料呈现出如下的宏观物理性能：高强度和高韧性、高热膨胀系数、高比热和低熔点，同时具有导电率和磁化率变化大等特点。

4结论及展望

金属陶瓷复合涂层制备技术作为一种重要的表面改进技术，成功地将金属与陶瓷材料的优异性能结合起来，已经能够制备出各种特殊功能要求的涂层，受到越来越多的材料研究者的重视。

关于金属陶瓷复合涂层的研究，今后的发展主要在以下几个方面：发展新的涂层，制备出性能更优异的配方；解决这种复合涂层与金属基体热膨胀系数匹配问题，从而提高结合力；发展更加简便的、成本低的、生产效率高的涂层制备技术；为了保证涂层的可靠性，除了从工艺上要保证涂层的均一性以及完整性外，还应对金属陶瓷复合涂层的性能进行准确评价，从而使涂层这种表面工程技术发展得更广阔更长远。