摘要
等离子喷涂技术是近年来高速发展的一种新型表面强化技术，可将金属或陶瓷加热至熔化或半熔化状态，并以较高的速度喷射到工件表面，从而形成高性能涂层，使基体获得特殊性能。等离子喷涂制备的 Al2O3+13wt.%TiO2涂层，以其优良的隔热、绝缘以及耐磨减摩耐腐蚀性能，在宇航、机械、电力、轻工、纺织、石化等领域有着重要的用途。
本论文在 Q235 钢板表面，采用 APS2000 型等离子喷涂设备（主气 Ar，次气 H2），制备了过渡层为 NiCrAl 合金，陶瓷层分别为普通 Al2O3+13wt.%TiO2涂层和纳米Al2O3+13wt.%TiO2涂层的功能梯度涂层系统。通过正交实验，优化了等离子喷涂纳米Al2O3+13wt.%TiO2后的喷涂工艺参数为：电压为 60V、电流为 600A、主气流量为 35L/min。
以优化参数计算的特征喷涂参数（CPSP，CPSP=1028 A•V/L•min-1）为基础，设计出六组特征喷涂参数（672、733、825、900、1021、1114A•V/L•min-1)，分别制备了普通Al2O3+13wt.%TiO2涂层和纳米 Al2O3+13wt.%TiO2涂层。利用扫描电镜（SEM）、X 射线衍射仪（XRD）对涂层的微观形貌、物相结构进行了分析；对涂层的显微硬度、抗热震性能以及常温和高温磨损性能进行了测试，对两种陶瓷涂层微观结构和性能与 CPSP 参数的关系进行了分析，并对涂层热震、磨损失效的机制进行了初步探讨。
结果表明，普通 Al2O3+13wt.%TiO2涂层及纳米 Al2O3+13wt.%TiO2涂层表面和截面结构均为微观双模结构，由部分熔化区、完全熔化区组成；涂层的表面和截面存在孔洞、裂纹等缺陷。普通涂层和纳米涂层的物相组成为α-Al2O3、γ-Al2O3和 rutile-TiO2；对纳米涂层 XRD 结果经谢乐公式计算，证实涂层的晶粒度在纳米范围内。随着 CPSP 的增大，纳米涂层和普通涂层内部的部分熔化区比例减少，孔隙数量明显减少,裂纹的数量也有一定程度的降低；涂层内部α-Al2O3相的相对含量降低，亚稳γ-Al2O3相的相对含量增大；普通涂层和纳米涂层的孔隙率都是有所降低；其显微硬度有不同程度的提高。
随着 CPSP 的增大，普通 Al2O3+13wt.%TiO 涂层和纳米 Al2O3+13wt.%TiO 涂层的热震循环次数均先增大后降低，纳米涂层的热震性能对 CPSP 的变化较普通涂层敏感。在居中 CPSP 参数条件下（纳米涂层为 900A•V/L•min-1，普通涂层为 825A•V/L•min-1）制备的涂层拥有较佳的抗热震性能。在最优 CPSP 参数下制备的纳米涂层，其抗热震性能优于普通涂层。热震循环的热应力和涂层热震时便随的相变诱发的相变应力场；氧元素渗入到涂层内部与 NiCrAl 反应生成热生成氧化物（TGO）层；涂层内部孔隙、裂纹等缺陷诱发裂纹生成，这些是造成涂层热震失效的重要原因。涂层中的球形的孔洞，部分熔化区和纳米涂层的纳米晶粒结构有助于提高涂层的抗热震性能。
纳米涂层的耐磨性能优于普通涂层，且随 CPSP 的增大，纳米涂层的耐磨性能增强。随着磨损实验温度的升高，两种涂层的耐磨性能降低。涂层内部部分熔化区以及纳米涂层特有的纳米晶粒结构能提高涂层的耐磨性能。普通涂层和纳米涂层的磨损失效机制是涂层内部板条的分层剥落和涂层表面材料的塑性变形切削。
关键词：Al2O3+13wt.%TiO2涂层；特征喷涂参数；微观结构；抗热震性能；耐磨性能
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