Al2O3陶瓷材料常用作制备耐磨、耐高温、耐腐蚀的涂层， 以保证机械零部件在恶劣工况下稳定运转。目前常用的陶瓷涂层制备工艺有等离子喷涂技术、火焰喷涂技术、电弧喷涂技术等，等离子喷涂技术相对于火焰喷涂、电弧喷涂等方法，具有涂层质量好、喷涂材料广泛、喷涂效率高等优点。Al2O3在陶瓷材料中的应用较广泛，但Al2O3涂层脆性大、易产生裂纹。在实践中，通过添加TiO2、稀土元素/ 其氧化物、碳纤维/ 碳纳米管等其它硬质相克服这些缺陷，成为了新的研究方向。Al2O3复合涂层具有优异的耐高温、耐磨损、耐腐蚀， 抗热震性等性能。本文从Al2O3复合涂层等离子喷涂制备方法、Al2O3复合粉末材料、Al2O3梯度涂层、等离子喷涂Al2O3复合涂层的工艺等几个方面， 对等离子喷涂Al2O3复合涂层的研究进展进行了综述。

    1 Al2O3复合涂层等离子喷涂制备方法研究

    等离子喷涂技术有多种方法， 目前最常用的主要有大气等离子喷涂、超音速等离子喷涂、低压等离子喷涂等喷涂方法。此外，利用等离子喷涂- 激光重熔的复合方法制备涂层， 也得到了越来越多专家学者的关注。

    1.1 大气等离子喷涂

    大气等离子喷涂（APS）工艺被广泛应用于机械零件的表面强化与修复。Xu J 等通过APS 技术制备Al2O3-TiB2-TiC/Al 复合涂层， 发现与基体MB26镁合金的结合强度较好，涂层的硬度、耐磨性明显高于基体。李国禄等[2]对比了APS 技术和SAPS 技术制备的Al2O3-13%TiO2涂层的组织和性能， 发现APS 技术制备的涂层层状结构明显、涂层疏松、孔隙率及显微硬度分别为6.653% 和836.93 HV0.1；SAPS 技术制备的涂层性能较优， 孔隙率及显微硬度分别为3.467%和1 078.68HV0.1。大气等离子喷涂制备的Al2O3复合涂层多为层状多孔结构， 这些缺陷降低了涂层的耐高温、耐腐蚀、耐磨等性能，缩短了涂层的服役寿命。

    1.2 超音速等离子喷涂

    超音速等离子喷涂（SAPS）焰流具有高温、高速的特点，可改善大气等离子喷涂涂层的结合强度、致密性。研究表明，高效能超音速等离子喷涂系统（HEPJet）制备的Al2O3涂层的孔隙率为0.83%，而普通喷涂系统制备的涂层的孔隙率为3.01%，HEPJet涂层的孔隙率比普通等离子系统涂层有大幅度降低。马建龙等在45 钢基体上以Al/Ni 合金粉打底，喷涂AT13 涂层，优化参数后测得显微硬度为1208HV0.1、孔隙率为2.26%、结合强度为48MPa。SAPS技术粉末加热时间短， 对粉末颗粒大小要求比较严格，涂层生产成本较APS 技术增加。

    1.3 低压等离子喷涂

    低压等离子喷涂（LPPS）又称真空等离子喷涂，在低压保护气中操作，获得的涂层不受污染、结合强度高。Han 等利用LPPS 制备的CoCrAlYTa-10%Al2O3涂层结构致密、硬度高，涂层与基体结合良好，具有良好的抗冲刷腐蚀及抗高温氧化性能。邓畅光等利用LPPS 工艺制备的Al2O3涂层，沉积率达到50%以上，孔隙率降到2% 以下，涂层韧性和致密性明显优于常规等离子喷涂涂层。与大气等离子喷涂相比，低压等离子喷涂制备的热障涂层，没有明显的层状结构，涂层致密但投资高，热焓低，不易喷涂高熔点材料，喷涂工件大小受真空室限制，其主要用于制备航空工业等高科技领域的涂层。

    1.4 等离子喷涂-激光重熔复合制备方法

    激光重熔是利用高能束，快速熔化涂层，冷却凝固，形成熔覆涂层。等离子喷涂涂层激光重熔后，涂层表面光滑平整、组织均匀、层状堆积结构消失。QianJ等利用等离子喷涂-激光重熔法制备了NiAl-Al2O3涂层，涂层致密、耐磨性能提高， 孔隙率下降， 涂层微观硬度达3290～5200HV0.05。Li C 等研究了重熔等离子喷涂纳米AT13 涂层的微观组织结合状态和失效行为， 发现重熔后涂层中亚稳定相γ-Al2O3转变为稳定相α-Al2O3，与基体结合由机械结合转变为冶金结合，结合界面没有孔隙，涂层致密、均匀。通过划痕破坏， 发现喷涂涂层以脆性断裂和剥落破坏为主，而重熔涂层以局部的脆性断裂为主。

    激光重熔Al2O3复合涂层可改善涂层组织结构及其结合状态，但也存在一些氧化烧损、裂纹、孔洞等缺陷。通过调节工艺参数、预热基体、制备梯度复合涂层、添加增强相，可减少裂纹、气孔的产生，改善涂层的性能。

    2 Al2O3复合粉末材料研究

    Al2O3涂层脆性大、韧性差、结合强度低，为了改善单一涂层性能，通常添加TiO2、稀土元素/ 其氧化物、碳纤维/ 碳纳米管等其它硬质相形成复合粉末材料，克服单一Al2O3粉末材料的缺陷。

    2.1 Al2O3-TiO2复合粉末材料

    TiO2相对于Al2O3熔点低，涂层的孔隙率低、韧性好、结合强度高，在Al2O3中添加TiO2可均匀化组织，改善涂层结构性能。

    Girolamo 等对比Al2O3-3%TiO2和Al2O3涂层性能，发现Al2O3涂层硬度大于Al2O3-3%TiO2，但是涂层的硬度分布均匀性较好。JiaSK 等研究了TiO2含量对Al2O3涂层的影响，喷涂原料中TiO2含量的增加，涂层孔隙减少，致密性增加，涂层耐腐蚀性增加，但隔热性能减少，TiO2涂层比Al2O3涂层有更高的热导率、更小的脆性，可释放应力、减少裂纹。姚舜晖等通过对比Al2O3、AT13、AT40 涂层的磨损性能，得出TiO2的含量增加，降低了Al2O3涂层的显微硬度、耐磨性。

    向Al2O3粉末中添加TiO2， 可明显改善涂层的微观组织和结构性能，TiO2含量增加， 降低了涂层的硬度、耐磨性，但涂层的组织更加均匀，致密性和耐蚀性增加，有效提高了涂层的服役寿命。

    2.2 Al2O3-碳纤维/碳纳米管复合粉末材料

    碳纤维及与其对应的碳纳米管（CNTs）强度、刚度高，常作为涂层增强材料，提高了涂层的耐磨性、耐热性。

    Tercero等制备了一种添加碳纤维Al2O3增强羟基磷灰石复合生物陶瓷材料， 发现力学性能得到很大提高。赵岩等利用等离子喷涂工艺制备了Al2O3-碳纤维复合涂层，发现由于碳纤维本身优异的强度、刚度及耐磨、耐热性能，涂层的耐磨性、结合强度得到明显提高。KBalani 等研究了添加碳纳米管的陶瓷复合涂层，发现Y- 型结构的存在，其与Al2O3涂层的熔合可提高涂层的力学性能， 增加涂层的韧性。Keshri 等提出了制备高密度碳纳米管增强Al2O3涂层的原理方法，并分析了影响孔隙率的工艺参数。添加碳纤维/ 碳纳米管， 可改善涂层内部组织的结合方式，提高力学性能。涂层组织在碳纤维或者纳米碳管相互牵制作用下， 涂层的韧性增加， 耐磨性、结合强度提高。

    2.3 Al2O3-稀土氧化物/稀土元素复合粉末材料

    稀土氧化物/ 稀土元素具有独特的物理、化学性质，可均匀强化组织，所以稀土在热喷涂涂层中的应用越来越受到人们的重视。

    He 等制备了Al2O3-CeO2复合涂层，发现CeO2能有效降低涂层孔隙率，提高涂层的综合性能。孙永兴等在AT13 中添加3%、6%、9% 的LaO2制备复合涂层，发现LaO2分布在AT13 颗粒的表面，能形成低熔点的液体，减少气孔，改善涂层的致密性，提高结合强度和耐热冲击性。李淑华等在Al2O3粉末中加人适量的稀土元素Fe-Si-Ce-La-Ca， 发现稀土元素可促使涂层晶粒细化， 形成非晶和微晶的混晶结构，非晶具有各向同性，微晶可改善涂层结合强度，从而提高涂层的耐蚀性。颜建辉等在AT40 中添加了La2O3，发现涂层组织细化致密，硬度、韧性、耐磨性提高。Al2O3粉末中添加的稀土氧化物/ 稀土元素作为硬质相分布在涂层中， 可改善涂层的微观结构及其性能，均匀涂层组织，提高涂层的致密度、耐磨性、耐蚀性。

    3 Al2O3梯度涂层研究

    Al2O3陶瓷材料脆性大， 与基体金属膨胀系数、热导率等差别大，造成热应力集中，涂层容易出现裂纹或剥落。为了克服这些缺陷，可设计梯度涂层，梯度涂层是指从基体到涂层表面在材料组成、结构、密度及功能上呈现连续变化的一种复合结构。梯度涂层实现材料的阶梯过渡， 缓和了材料之间由于热物理性能差别产生的热应力，有效提高涂层质量。

    张景德等制备Fe3Al-Al2O3梯度涂层，发现涂层结合强度高，其抗热震性800℃高于常规的Al2O3涂层。雷阿利等选择NiAl 和Cu 作过渡材料，对比纯Al2O3陶瓷涂层、NiAl-Al2O3梯度涂层和Cu-Al2O3梯度涂层的性能，发现梯度涂层可以有效地提高涂层的结合强度， 而Cu-Al2O3梯度涂层又比NiAl-Al2O3梯度涂层结合强度高， 制备的梯度涂层的孔隙率远低于常规双层涂层的孔隙率，并且Cu-Al2O3梯度涂层孔隙率低于NiAl-Al2O3梯度涂层。YanD 等通过对比Al2O3、Al2O3-13% TiO2及Ni-Al-13%TiO2-Al2O3梯度涂层在HCl 中的腐蚀机制，发现涂层的腐蚀程度依赖于涂层的孔隙率，尤其是贯通性孔隙。Al2O3涂层孔隙比Al2O3-13% TiO2多， 而Ni-Al-13%TiO2-Al2O3梯度涂层孔隙最少，没有贯通性孔隙，因此涂层的耐腐蚀性大不相同。Al2O3涂层持续17 h 遭到破坏，Al2O3-13%TiO2持续23 h， 而Ni-Al-13%TiO2-Al2O3持续14d。Al2O3梯度涂层的设计与应用，降低了涂层孔隙率，提高了常规Al2O3复合涂层的结合强度、耐磨性和抗热震性等性能。

    4 等离子喷涂Al2O3复合涂层工艺研究

    4.1 实验中喷涂工艺参数的选择

    决定涂层质量的不仅有喷涂的方法、材料，选择合理的喷涂工艺也是保证涂层质量的重要措施之一。喷涂的工艺参数主要有功率、主气流量、送粉量、喷涂距离、喷涂速度等。

    Yugeswaran 等在不同的特征喷涂参数（CPSP=P/Q，P 为功率、Q 为主气流量）下，通过APS 技术喷涂AT3、AT13、AT40 涂层， 发现CPSP 在1166.66 时AT13 涂层孔隙率低、耐滑动磨损性能好，而AT3 硬度高、耐冲蚀磨损性能好，在相同情况下，AT40 涂层性能比较差。Wang 等利用SAPS 技术在52、54、58、60kW 不同的功率下制备Al2O3涂层， 发现随着功率的增加， 涂层组织致密度增加， 硬度和强度提高。其中，在最优功率58kW 时，抗弯强度为112.8MPa，维氏硬度为2.8GPa，进一步增加功率时，涂层的质量逐渐降低。邓春明等利用LPPS 技术在不同的压力、功率下制备Al2O3涂层，发现随着功率和压力的提高， 涂层的致密性明显提高， 但压力较高时，功率对涂层的致密性影响不大。

    4.2 数值模拟研究

    等离子喷涂涉及温度场、力场等多场耦合，通过实验很难全面分析相关参数之间的关系， 利用计算机模拟喷涂过程，可搭建数学模型，探究涂层应力-应变的变化，为制备涂层提供理论依据。

    Li 等模拟超音速等离子喷涂AT13 涂层过程中的温度场，发现在测量范围内，喷涂距离增加，粒子飞行速度呈抛物线形状降低， 粉末的表面温度在增加后降低，喷涂距离80mm 内，粉末内部温度超过材料的熔点。刘红兵等利用数值模拟的方法分析了梯度分布指数、梯度层层数和梯度层厚度对A1203/316L 功能梯度涂层的残余热应力的影响，得到材料中热应力缓和效果最佳的组成参数， 为梯度涂层的制备提供了理论依据。刘前等采用有限元法探讨了Al2O3-40%TiO2复合陶瓷涂层的涂层厚度、孔隙、裂纹等因素对残余应力的影响，解释了在冷却过程中涂层崩裂的现象。

    5 展望

    Al2O3复合涂层失效和涂层内的微观缺陷、结合强度、表面粗糙度紧密相关。改善喷涂工艺、材料成分及激光重熔处理可减少涂层的孔隙、裂纹等缺陷，提高涂层的性能。针对未来Al2O3复合涂层的研究提出以下几个方向：

    （1） 优化喷涂设备，实时采集喷涂参数，实现闭环控制喷涂系统，提高涂层质量。

    （2） 加大不同配比的Al2O3复合粉末材料的性能研究，配制高性能新材料，制备高质量涂层。

    （3） 结合数值模拟，探究喷涂过程，优化工艺参数，为制备涂层提供理论依据。

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责任编辑：王元

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