纳米科学技术是 20 世纪 80 年代末期诞生并正在迅速崛起的最激动人心的新科技之一，纳米结构的特性将使得许多传统材料具备一些奇特性能或传统难以达到的高性能，不仅引起了科技界的极大兴趣，也引起了产业界的极大关注。近年来纳米技术在材料领域的研究热潮使得人们期望迅速获得产业化的渴望不断增强。随着相关应用基础研究的不断深入和相关技术的不断完善，纳米材料科学与技术已经开始进入应用研究阶段。纳米材料的合成与成形技术的发展和成熟，尤其是纳米材料与表面技术的结合，对于纳米材料和表面纳米技术的应用和产业化起着至关重要的推动作用。
本研究是以非晶态材料的高耐蚀性和纳米材料的高耐磨性为出发点，将材料的纳米化技术与非晶化技术相结合，通过表面涂层的功能导向设计，以调节涂层中纳米化和非晶化结构的相对比例为手段，系统研究并建立了非晶纳米复合涂层材料体系的选择方法、优化设计原则，解决了非晶纳米复合结构形成和使用过程中的热稳定性问题等系列技术关键，开发出了在传统结构材料表面获取耐蚀、耐磨综合性能优异的非晶纳米复合涂层制备方法，并在实际装备上获得了示范性应用。
1 纳米、非晶、非晶纳米晶复合结构喷涂粉末
为满足制备高耐蚀耐磨非晶纳米复合涂层的要求，分别采用低温液氮高能球磨、高压水雾化、高压气体雾化和真空雾化等技术研制了镍基、铁基、钴基合金、镍铬和钴铬合金等以及这些合金与WC 硬质颗粒复合而成的热喷涂粉末。表 1 为热喷涂粉末的成分。
为了获得适合复合涂层制备要求的粉末，控制热喷涂粉末的结构和颗粒尺寸是关键所在。通过调整低温液氮高能球磨工艺和工艺参数，获得合适的纳米粉体，并通过团聚造粒技术，最终获得适合热喷涂工艺要求的喷涂粉末。高分辨透射电镜分析和X 射线衍射分析证明：粉体的形貌尺寸和结构为纳米晶粉体，典型形貌如图 1 所示。图 1 为低温高能球磨 21 小时后，WC-65（80Ni20Cr）粉末的 TEM形貌及其电子衍射图谱，粉末粒度小于 50 nm，且粒度尺寸均匀、形状近似于球形、晶态结构，表明粉体以纳米晶的形式存在。
根据非晶、纳米晶形成原理，在合金中添加利于非晶形成的元素，利用高压水雾化技术制备获得了铁基非晶喷涂粉末。由图 2 的 X 射线衍射图谱和 SEM 表面形貌可以看出，所制备的铁基合金粉末呈球形或类似球形形貌，具有非晶态结构特征。
采用团聚烧结法制备了 WC-10Co-4Cr 及WC-12Co 喷涂粉末，两种喷涂粉末粒度在 5～35 μm之间。两种粉末的微观形貌见图 3，可以看出：两种喷涂粉末颗粒尺寸均匀，团聚较好，呈圆形，主要由纳米以及亚微米的 WC 粒子组成，WC 粒子的尺寸范围为 30 nm～1.2 μm。
2 非晶、纳米结构涂层
热喷涂涂层的制备采用美国 UniqueCoat 公司生产的 Intelli-Jet HVAF 热喷涂系统。该系统利用空气燃烧形成的超音速气流加速粉末状金属或烧结碳化物，使高速粉末撞击基体时形成涂层。与其他热喷涂工艺相比，该技术中喷涂粒子是被加热到材料熔点以下，可保证材料原结构的完整，因此涂层沉积过程中保持固体形态，在热退化影响最低的前提下，形成致密、几乎不含氧化物的高质量涂层，并且沉积效率和致密度都得到大幅度的提高，能够实现纳米结构和非晶结构涂层制备的要求，其工艺参数为：粒子飞行速度：800～900 m/s，火焰温度：1200～1800 ℃，结合强度：大于 100 MPa，生产效率：每小时喷涂金属粉末超过 23 公斤，每小时喷涂碳化物基涂层超过 30 公斤。
喷涂前基体试样经过丙酮清洗除油，然后喷砂处理以净化、粗化基体表面。喷涂时将所制备的非晶结构、纳米结构的热喷涂喂料放入自动送粉器中，调节燃料、空气流量和空气流量集成控制单元等工艺参数，喷枪点火后在试样表面横向、纵向交叉往复扫描进行喷涂。用扫描电镜、透射电镜对所制备涂层的微观形貌和结构进行观察，用 X 射线衍射（XRD）分析涂层的物相。图 4、图 5 为 WC-65（80Ni20Cr）粉末喷涂制备的热喷涂涂层，由图 4可见：涂层组织内部呈典型的河流花纹状，均匀、致密、无明显孔洞，涂层与基体结合紧密。X 射线衍射（XRD）分析结果（如图 5 所示）表明 WC 没有发生氧化分解，但有微量Cr氧化为Cr2O3的现象。
说明涂层的化学成分基本没有发生大的变化，保持了原有的 NiCr/WC 体系，涂层晶粒为 50～60 nm 左右，表明超音速火焰喷涂所制得的为纳米结构涂层。
采用粉末粒度为 48 μm 的 Fe 基非晶合金粉末（Fe-1）在 0Cr13Ni5Mo 不锈钢表面制备获得 Fe 基涂层，涂层厚度可达到 0.2～0.3 mm。涂层的微观组织结构和形貌如图 6 所示，在相应的微区电子衍射花样的中心除了有一漫散的中心斑点及漫散环外，在周围还分布有少量的由小点组成的同心圆的多晶衍射环，由此可见：铁基涂层绝大部分是均匀的非晶组织，并搀杂有少量 50 nm 以下的结晶态物质，表明超音速火焰喷涂制备的铁基合金涂层是非晶纳米晶复合涂层。
图 7 为 WC-10Co-4Cr 涂层截面背散射 SEM 形貌图和表面 FESEM 形貌图。由图可见：涂层主要由纳米及亚微米的 WC 粒子组成。能谱分析显示图中白亮色区域为 WC 粒子，WC 粒子之间浅灰色区域为富Co的粘结相区，黑色区域为富Cr粘结相区。采用 FESEM 观察未抛光涂层表面，可以看出涂层中分布着大量的纳米 WC 粒子，大部分纳米粒子在喷涂过程中未长大。部分纳米粒子粘结在一起，形成纳米粒子聚集的区域，部分纳米粒子团聚在大的颗粒周围。因纳米粒子具有高的表面活性，极不稳定，易与其他粒子相结合达到稳定状态，粒子之间的结合力增强，涂层内部结合力的增加有利于提高涂层力学性能和耐磨性。
3 非晶、纳米结构涂层性能研究
热喷涂非晶纳米复合涂层呈现出很好的物理化学性能。表 2 和表 3 为所开发的非晶纳米复合涂层的耐磨、耐蚀及力学性能。由表中数据可见：非晶纳米复合涂层具有很高的硬度及优良的耐磨性能，涂层与基体结合致密，其结合强度均超过100 MPa，涂层的耐蚀性均优于 0Cr13Ni5Mo 不锈钢。非晶纳米复合涂层既具备非晶态材料的高耐蚀性的优点，又保持了纳米材料高硬度、高耐磨性的特点，同时超音速喷涂技术的开发又为非晶纳米复合涂层与基体的牢固结合提供了保障。因此，该项技术为提高传统材料的综合性能开辟了新途径。
选择铁基非晶涂层（Fe-1）、两种不同成分的镍基非晶纳米晶复合涂层（Ni-3、Ni-4）以及WC-12Co 涂层为对象，在哈尔滨电机厂水轮机叶轮台架试验机上模拟水轮机叶片的使用情况，分别考察了这些涂层在高速高含砂水流条件下的泥砂冲刷磨损行为。试验结果如表 4 所示。由表中数据可见：所研究开发的铁基非晶涂层、镍基非晶纳米晶复合涂层以及 WC-12Co 涂层均具有优良的抗泥砂冲刷磨损性能，其性能明显优于目前常使用性能最好的水轮机叶片材料 0Cr13Ni5Mo 不锈钢。
4 结论
将纳米技术与表面技术相结合，通过表面涂层的功能导向设计，以调节涂层中纳米化和非晶化结构的相对比例为手段，发展非晶纳米复合涂层。大幅度提高传统材料和结构表面性能，是表面技术的发展方向，具有广阔的应用前景。进一步完善、发展和提高表面纳米技术，扩大其应用领域，是广大表面技术工作者的努力方向。
参考文献略
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