等离子喷涂技术应用
王吉孝， 蒋士芹， 庞凤祥
机械制造文摘———焊接分册
总结：等离子喷涂技术应用范围广泛，下面针对等离子喷涂的应用进行介绍。
2 等离子喷涂技术的应用
等离子喷涂技术在耐磨、耐蚀涂层等传统领域的应用已经较为广泛，从上世纪 50 年代至今，其应用领域由航空、航天扩展到了钢铁工业、汽车制造、石油化工、纺织机械、船舶等。近年来等离子喷涂技术在高新技术领域如纳米涂层材料、梯度功能材料、超导涂层、生物功能涂层等方面的应用研究渐渐受到人们的重视。
2． 1 传统领域的应用
2． 1． 1 耐磨涂层
等离子喷涂陶瓷和金属陶瓷涂层，不仅可以使零部件具有高的硬度，优异的耐磨性，而且涂层摩擦系数小，能耗低，在机械、航空等领域应用广泛。喷涂材料一般选用 Al2O3、Cr2O3、TiO2等陶瓷粉末。减小磨损的另一个途径是减小相互接触表面的摩擦系数。等离子喷涂铝及铝合金复合材料涂层，有优异的抗粘着磨损能力。同时，由于喷涂工艺的要求，可使涂层结合强度高，孔隙率低，质量优异且稳定，并且在相同的工况下，摩擦系数从原来的 0．11 下降到 0． 089，显示出喷铝涂层在润滑条件下，具有良好的抗咬合性，并能承受瞬时的摩擦高温，是目前理想的活塞环涂层。
2． 1． 2 耐热涂层
耐热涂层多应用于高温工程，它包括抗高温氧化、高温隔热等，一般采用氧化铝作为耐热涂层，广泛用于航空发动机、燃气轮机等高温工作下零部件的表面，起隔热作用。现有的高温合金( 如高温镍合金使用的极限温度为 1 075 ℃) 和冷却技术都难以满足设计要求，解决这一问题的办法就是在承受高温的零部件上喷涂热障涂层，以起到阻止热的传递，防止基体金属温度升高或降低基体的受热温度等作用。
2． 1． 3 防腐蚀涂层
选择这类涂层比较复杂，因为零件的服役状态、环境温度和各种介质对涂层材料都有一定的要求，一般采用钴基合金、镍基合金和氧化物陶瓷等作为涂层材料，通过提高涂层的致密性，堵住腐蚀介质的渗透，合理匹配涂层材料与零件基材的氧化/还原电位，防止电化学腐蚀，常应用于耐化学腐蚀的液体泵等。
2． 1． 4 电绝缘与导电涂层
这类涂层具有一定的特性，按其性质可分为: 导电涂层、电气绝缘涂层和电磁波屏蔽涂层。一般采用氧化铝陶瓷等作为介电涂层，常用于加热器管道，烙铁焊头等;采用铝、铜作为导电涂层，常用于电容器、避雷器等。
2． 1． 5 恢复尺寸涂层
这类涂层主要用于修补因磨损或加工超差的零件。对涂层材料的选择主要取决于零件的使用要求，常用于轴类、盘类等。
2． 1． 6 间隙控制涂层
气体压力驱动的机械效率取决于机器的密封能力，因而要求转动与静止零件之间具有非常紧密的配合间隙，常用于压缩机和涡轮机部件。
2． 2 高新技术领域的应用
2． 2． 1 纳米涂层
目前采用真空等离子喷涂制备了纳米 WC/Co 涂层，涂层硬度、韧性和耐磨性较常规涂层都有较大的改善，在 40 ～60 N 载荷下，纳米 WC/Co 涂层磨损率仅为常规涂层的 1/6。美国康涅狄格州大学等对等离子喷涂纳米结构 Al2O3－TiO2系涂层进行了系统的研究，包
括纳米粉末喷雾干燥团聚重构、等离子喷涂工艺参数优化、工艺诊断、模拟以及涂层结构与性能的分析，研究表明涂层具有双态显微结构，表现出独特的优异性能。与对应的常规涂层相比，结合强度增强 100%，磨粒磨损抗力提高 300%，压痕开裂抗力、弯曲和杯突试验表现的剥落抗力要高得多。中国上海硅酸盐研究所祝迎春等人研究了等离子喷涂过程中纳米 TiO2的结构变化和粒子注入特性，研究发现，TiO2纳米颗粒由无定型转化为锐钛矿结构和金红石结构，涂层表现出良好的 Li+注入电流和电化学稳定性。陈煌等利用大气等离子喷涂技术在不锈钢基体上制备了氧化锆纳米涂层，获得的涂层结构致密，孔隙率约为 7%，涂层和基体间的结合强度为 45 MPa，明显优于传统氧化锆涂层与基体的结合强度。
2． 2． 2 梯度功能涂层( FGMs)
等离子喷涂制备梯度功能材料是目前材料学中倍受关注的研究领域之一，其研究范围主要为梯度功能材料的设计、制备和性能评价 3 个方面。由于等离子焰流温度高，特别适用于喷涂难熔金属、陶瓷和复合材料涂层，这就为功能梯度材料的发展提供了更广阔的空间。目前以 NiCrAlY 作为中间层向金属上涂覆 ZrO2涂层成为大多数等离子喷涂 FGMs 结构研究的热点，已建立起很好的制备工艺。另外，已被研究的其它体系还包括: Cu/W 和 Cu/B4C、与 Al2O3-Cr2O3结合的 Ni 基合金、具有 CoCrAlY 或 NiCoCrAlY 的 ZrO2、具有 Mo 的TiC、具有 YSZ 涂层的 Ni － 20% Cr、Ni / Al2O3、WC/Co等。K． A． Khor 等人对 YSZ/NiCoCrAlY 体系的研究表明，与传统的双层材料相比，功能梯度涂层具有更优异的性能，得到的 FGMs 的结合强度为 18 MPa，双层涂层仅为 9 MPa，而 FGMs 的抗热循环寿命是双层涂层的 6倍。Sudarshan Rangaraj 等设计了 5 种不同成分的 YSZ梯度涂层，研究了涂层设计对 YSZ 涂层性能的影响，结果表明，莫来石( mullite) 成分的添加会降低涂层表面裂纹生长驱动力。
2． 2． 3 超导涂层
等离子喷涂弧温很高，特别适用于喷涂复合氧化物陶瓷，不需要保护气氛，能够喷涂具有复杂形状的超导制件，沉积效率高，容易制备厚膜涂层和大面积涂层。适于等离子喷涂的超导陶瓷涂层材料主要有YBa2Cu3O7-x( YBCO) 和 Bi2Sr2Cu2CaO。YBCO 是一种典型的超导材料，临界温度为 94 K。等离子喷涂的YBCO 涂层由于喷涂过程中材料的氧损失，涂层结构中的孔隙、裂纹和粒子间的不均匀接触等不均匀性，使涂层并不具有超导特性。只有对涂层在氧气或空气气氛中进行适当的热处理，使涂层形成致密、均匀且较稳定的晶体结构，才能获得超导性。YBCO 涂层的热处理条件为 920 ℃ × 1 h，降至 400 ℃ 再保温 1 h。当将Bi2Sr2Cu2CaOy 陶瓷从高温急冷或淬冷后，它会产生超导态，这一特性对等离子喷涂具有特别的意义，因为等离子喷涂能使涂层材料获得高达 106℃ / s 的急冷冷却速率，只要调整好等离子喷涂条件和工艺参数，很容易使 Bi2Sr2Cu2CaOy 的喷涂态涂层具有超导特性。
2． 2． 4 生物功能涂层
等离子喷涂技术是制备医用生物涂层材料的有效方法。将特定组分的粉末材料经高温熔化后沉积于金属人工骨植入物表面，形成以韧性金属为骨架，表面有陶瓷涂层的人工骨与人工关节，此方法充分发挥了金属和陶瓷 2 类材料的优点。国内外对等离子喷涂羟基磷灰石( HA) 涂层和钛涂层的研究报导较多，并成功地应用于临床试验。羟基磷灰石涂层对生物体无毒，耐体液腐蚀，且对生物体组织有良好的适应性和亲和性，耐长期运动过程中的磨损，有足够的力学性能。钛质植入体具有较好的化学稳定性，并且与组织结合良好，与体液相容。用真空等离子喷涂在不锈钢牙根和接骨板上喷涂钛涂层在临床上已有成功的应用，这些涂层既利用了不锈钢的强度，又利用了钛涂层的生物相容性，防止不锈钢中有毒元素的释放。上海硅酸盐研究所在生物涂层材料的研究方面也取得了较好的进展。
2． 2． 5 其它应用
等离子喷涂时熔粒的冷却速度可达 105～ 106℃ / s，这种高速冷却可在涂层中产生非晶态相的组织结构。大气等离子喷涂 Fe 基非晶合金粉末( 含 Si、B、Cr、Ni等) 制备的高非晶含量的 Fe 基非晶合金涂层致密度高、孔隙率低、氧化物含量少，其显微硬度大于850 HV，结合强度在 27 MPa 以上。等离子喷涂压电陶瓷涂层用于制作压电元件，无需粘贴，尤其适用于大面积压电传感元件和压电做功元件阵列的制作。另外大气等离子喷涂技术在制备固体氧化物燃料电池( SOFC) 方面也有相关的研究和报道。
3 结语
等离子喷涂工艺的出现，推动了热喷涂技术的发展。等离子喷涂技术作为一种先进的工业技术，在近代工业中地位越来越重要，应用范围也在随着高新技术的发展而不断扩展，在使用上依然占据着重要地位。
参考文献略
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