近年来,表面工程已成为材料科学的一个重要分支,在人们的生产生活中发挥越来越重要的作用,其最大优势是能够制备出优于本体材料性能的表面薄层,赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能,以及超导、光电磁、生物相容性等功能,这与制作部件的整体材料相比,厚度薄,面积小,但却承担着工作部件的主要功能。目前,表面工程中的热喷涂技术已在材料表面防护与强化等领域得到了较为广泛的应用。特别是等离子喷涂技术的采用,扩大了热喷涂材料种类及其涂层的应用范围,解
决了难熔材料和陶瓷材料的喷涂问题。此外,通过等离子喷涂在金属基底上喷涂陶瓷涂层,能把陶瓷材料的特点和金属材料的特点有机地结合起来,使材料兼具金属的强韧性、可加工性等特性及陶瓷的耐磨损、耐高温、耐腐蚀及绝缘性等性能。因此,等离子喷涂大幅度地提高了涂层质量,延长了产品使用寿命,有显著的经济效益和社会效益,已在航空、航天、冶金、机械制造、煤炭、电力、石油、化工、纺织等行业得到应用[1]。
1 等离子喷涂原理及特点
等离子喷涂是利用等离子火焰来加热熔化喷涂粉末使之形成涂层。等离子喷涂工作气体常采用Ar或N2,再加入5%-10%的H2。气体进入电极腔的弧状区后,被电弧加热离解形成等离子体,其中心温度高达15000 K以上,经孔道高压压缩后呈高速等离子射流喷出。喷涂粉末被送粉气载入等离子焰流,很快呈熔化或半熔化状态,并高速喷打在经过粗化的洁净零件表面产生塑性变形,粘附在零件表面。各熔滴之间依靠塑性变形而相互钩接,从而获得结合良好的层状致密涂层。随着喷涂时间的延长,零件表面就获得了一定尺寸的喷涂层[2, 3]。
目前已发展了数十种等离子喷涂技术。根据等离子介质、喷涂环境、电源功率、特性等的不同,可分为气稳等离子喷涂(氩、氢、氮、氦)、水稳等离子喷涂、空气等离子喷涂;大气等离子喷涂、保护气氛等离子喷涂、真空等离子喷涂、水下等离子喷涂;常规等离子喷涂(40 kW )、高能等离子喷涂(80 ~120 kW)、超高能等离子喷涂(大于200 kW);直流等离子喷涂、脉冲等离子喷涂、射频等离子喷涂、高频感应等离子喷涂等[4]。
等离子喷涂具有许多优点:1零件无变形,不改变基体金属的热处理性质。因此,可以对一些高强度钢材以及薄壁零件、细长零件实施喷涂。o涂层的种类多。由于等离子焰流的温度高,可以将各种喷涂材料加热到熔融状态,因而可供等离子喷涂用的材料非常广泛,可以得到多种性能的喷涂层,特别适用于喷涂陶瓷等难熔材料。?工艺稳定,涂层质量高。在等离子喷涂中,熔融状态颗粒的飞行速度可达180~480 m/s,远比氧-乙炔焰粉末喷涂时的颗粒飞行速度45~120 m/s高。等离子喷涂层与基体金属的法向结合强度通常为30~70 MPa,而氧-乙炔焰粉末喷涂一般为5~10 MPa。此外,等离子喷涂还和其他喷涂方法一样,具有零件尺寸不受严格限制,基体材质广泛,加工余量小,可用于喷涂强化普通基材零件表面等优点[2]。
2 等离子喷涂结构涂层研究及应用
根据等离子喷涂涂层的作用不同,可将其分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指超硬和耐磨涂层,抗氧化、耐热和阻燃涂层,腐蚀和装饰涂层等。功能涂层是赋予基体所不具备的性能,从而获得传统涂层所没有的功能。例如消光、光反射和光选择吸收的光学涂层,导电、绝缘和具有半导体特性的电学涂层,以及氧敏、湿敏和气敏的敏感特性涂层,生物活性涂层等[5]。结构涂层在工业生产中的广泛而重要的应用,使其成为当前学术界研究的热点,因此近年来取得了相当程度的进展。这里主要从耐磨涂层(WearResistanceCoating,WRC)、热障涂层(ThermalBarrierCoating,TBC)、耐蚀涂层(Corrosion Resistance Coa-ting,CRC)等方面介绍结构涂层的研究与发展现状。
2.11耐磨涂层耐磨涂层是等离子喷涂涂层的典型应用。在影响表面涂层摩擦磨损的众多因素中,涂层与基体的硬度搭配关系是比较重要的[6],据此可将耐磨涂层分为软、硬两种类型。硬涂层应用于摩擦环境比较恶劣、零件表面须承受很大载荷的工况之中。硬涂层由于材料剪切强度很高,即使其表面受到一定的摩擦力,涂层表面的材料也不容易剥落下来,因此使用硬涂层可以减少零件表面的磨损。软涂层则主要应用于要求降低摩擦因数、减小摩擦力的场合。因为摩擦力近似于材料的剪切强度与接触面积之积。软涂层在与对摩件发生摩擦并受到一定的压应力时,虽然它与对摩件的接触面积较之于硬涂层要大一点,但其材料的剪切强度却比硬涂层要小得多,因此使用软涂层可以起到降低摩擦力的效果[7]。制备耐磨涂层的关键是涂层材料的选择,比较常用的耐磨涂层材料是陶瓷材料和自润滑材料。目前的研究主要集中在WC、Al2O3、TiO2、ZrO2、Cr2C3、Cr2O3等常用陶瓷及陶瓷基复合涂层,这些属于硬涂层;石墨基和MoS2基、锡铅铜等软金属基以及氧化物和氟化物自润滑涂层,这些属于软涂层。
文献[8]研究了等离子喷涂碳化钨(WC)涂层与不同材料组成摩擦副的静摩擦性能,结果显示,摩擦副的静摩擦因数与偶件的表面粗糙度和显微硬度相关,与WC涂层配对的偶件材料的显微硬度越低,摩擦副的静摩擦因数越高;提高WC涂层的粗糙度以及降低与WC配对的偶件材料的粗糙度可有效地提高摩擦副的静摩擦因数。但用等离子喷涂方法喷涂金属碳化钨粉末的缺点是,容易造成WC分解为
W2C或者W,降低涂层硬度,并且气孔率较高。研究表明,采用内送粉式低功率喷涂设备可提高喷涂质量[9]。采用大气等离子喷涂技术可在铸铁基体表面制备WC/NiCrAl和WC/NiCrBSi涂层。研究证明,不同粘结底层和WC含量均影响涂层耐磨性[10];在磨损性能方面以NiCrBSi为粘结金属的涂层优于以NiCrAl为粘结金属的涂层,WC含量高的涂层优于WC含量低的涂层。
文献[11]在对铬铸铁表面等离子喷涂N-iA-lWC合金层及其组织性能的研究中发现,涂层中硬质相WC、WCx和NiAl、Ni(Al)、Ni3Al等合金相的存在显著提高了其耐磨性。等离子喷涂WC/Co涂层具有优良的抗滑动磨损、磨料磨损和冲蚀磨损性能[12],有些微动磨损的场合,等离子喷涂WC/Co涂层得到了应用,如飞机发动机压气机叶片减震凸台阻尼面。近年来的研究发现,涂层纳米化可大大提高耐磨性。文献[13]制备并研究比较了等离子喷涂纳米和传统WC-Co涂层在干摩擦条件下的耐磨性,结果发现,纳米涂层耐磨性明显好于传统涂层,尤其在高载荷作用下。分析认为,纳米WC-Co涂层耐磨性提高归因于其高硬度以及由于纳米粒子存在所表现出的高韧性。
人们在对耐磨涂层的研究中发现,等离子喷涂涂层的耐磨性不仅与其宏观硬度有关,还与涂层的塑性、脆性及内聚强度密切相关[14]。添加稀土提高了金属陶瓷涂层的致密性,从而提高涂层的内聚强度和减缓微裂纹的产生和扩展,提高耐磨性[15]。涂层的磨损性能还会受温度的影响[16, 17],这在对Al2O3涂层的研究中得到了较好的证实。
212热障涂层
热障涂层可以阻止热的传递,防止基体金属达到其熔点或降低基体金属的受热温度[32, 33]。热障涂层广泛应用于航空发动机、燃气轮机等高温工作的热屏蔽涂层,其厚度一般小于1 mm。TBC硬度高、化学稳定性好,可显著降低基材温度、从而提高发动机效率,减少燃油消耗,延长使用寿命[34]。典型的TBC由金属结合层和陶瓷层组成,在金属层中加入陶瓷,形成多层的由金属底层逐渐向陶瓷工作层过渡的阶梯式梯度涂层。金属层多采用MCrAl(M为Ni、Co或Ni+Co),主要作用是在底层与面层之间提供一粘结层,同时保护基体不受氧化、腐蚀[35]。
氧化锆具有熔点高(约2680e)、导热系数低(K=1103~2W /me)的特点,是一种理想的绝热材料,可以作为陶瓷涂层。氧化锆在高温下会发生晶型转变,由单斜晶转变为四方晶要产生4%左右的体积膨胀变化,因此喷涂用的氧化锆都要经过稳定化处理,常采用部分稳定的氧化锆(ZrO2+6% ~8%Y2O3)进行喷涂,此时涂层有良好的稳定性[32, 33]。目前,氧化钇稳定的ZrO2涂层作为热障涂层正获得广泛应用[36]。有文献[37]研究表明,与常规陶瓷相比,纳米陶瓷的塑韧性大幅度提高,抗热冲击和抗断裂能力相应增强,并且有人观察到Y2O3稳定的ZrO2纳米陶瓷超塑性达200% ~500%,纳米材料的比热比常规材料大,相应地热导率低,用作涂层时隔热效果更好。当纳米陶瓷用作TBC面层时,陶瓷面层与合金粘结层间的热膨胀系数差值减小,热应力降低,TBC开裂的可能减少,由此可见,纳米陶瓷涂层用作TBC隔热面层有很多优势。已有许多文献[37-49]报道通过等离子喷涂获得了纳米ZrO2涂层,可见氧化锆纳米涂层将具有更为广阔的应用前景。
3等离子喷涂结构涂层的复合处理技术
长期以来,等离子喷涂结构涂层一直存在一些问题:涂层与界面结合强度偏低;涂层的表面粗糙度大,耐应变性差,在交变弯曲应力或重载条件下易引起涂层剥落;涂层的孔隙率高,显微硬度低,降低了涂层的耐磨性。为了提高等离子喷涂涂层的性能,引进了复合处理技术,常见的有激光重熔、热处理、微波处理和热等静压等。
激光重熔改性技术属于近年来发展起来的第二代表面改性技术,其将激光技术和热喷涂技术进行复合,使本体材料的表面具有更加卓越的性能,为陶瓷材料及陶瓷涂层的应用开辟了一条新的途径。
4 等离子喷涂结构涂层发展前景
涂层材料方面,喷涂耐高温陶瓷是目前发展的热点,而复合材料和金属间化合物的喷涂也有进一步发展的趋势。在N2气氛中喷涂Ti制得TiN涂层,类似的方法还可制得氧化物、碳化物和硅化物等陶瓷涂层。美国开发的活性等离子喷涂工艺可用于形成复合材料/陶瓷和金属间化合物。在喷涂工艺设备方面,发展了超音速等离子喷涂、三阴极等离子喷枪等,提高了喷涂粒子的熔化程度和速度;应用低压等离子喷涂和用液料的等离子喷涂等,可以控制涂层的相结构和晶粒尺寸;而微弧等离子喷涂使等离子喷涂设备向小型化发展。
等离子喷涂参数多达几十种,而且很多参数之间相互影响,如何对喷涂工艺的控制实现智能化,并对喷涂过程实施在线反馈控制做出及时调整是一个有待深入研究的问题。另外由于等离子涂层硬度较高,所以必须提高涂层的厚度控制技术,使之与零件的最终形状接近,尽量减少涂层的精加工过程。
可以预测,随着等离子喷涂技术、设备和工艺的不断改进和完善,可进一步提高效率,降低成本;随着等离子喷涂纳米复合涂层的不断开发应用,以及各种先进等离子喷涂复合处理技术的引进,等离子喷涂结构涂层必将有更广阔的发展前景。
参考文献略
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