再造纳米小颗粒给力传统大工业
王铀
黑龙江冶金
引：目前，具有微米或亚微米级晶粒尺寸的传统工业材料几乎已达到了产品性能的极限，而具有纳米数量级晶粒尺寸的纳米材料则能赋予产品以奇特而优异的性能。因此，纳米材料为在高技术和国民经济支柱产业上的应用提供了非常广阔的发展前景。早在2005年，笔者就指出：用高新技术改造传统工业，需要将先进适用的高技术、新设备、新工艺等应用到现实传统产业中，才能促进传统产业的结构调整和产品的升级换代，提高产品的市场竞争力和企业活力，提高经济效益。笔者认为，一个充分利用现代先进技术对零部件表面进行纳米表面工程设计的时代正在到来，纳米表面工程正开始发挥出巨大作用。
摘要：随着纳米科学技术的快速发展，纳米材料被成功地应用到热喷涂领域。研究表明，热喷涂纳米陶瓷涂层比传统陶瓷涂层具有更高的结合强度、韧性、热震性能、耐磨抗蚀性能和可加工性。这种热喷涂纳米陶瓷涂层是利用纳米热喷涂热喷涂粉末为原料经过特殊的再造粒过程得到可喷涂喂料，然后方可制备出纳米结构陶瓷涂层。与传统微米结构陶瓷涂层相比，该纳米陶瓷涂层的韧性、结合强度、抗热震性能高1一2倍，耐磨性能高4～8倍，抗疲劳性能提高lO倍。发展这样的国际领先的先进表面工程新材料技术，对推动我省的科技和产业发展无疑有重大的战略和经济意义。可以促进我省传统产业的结构调整和产品的升级换代，可以提高我省产品的市场竞争力和我省企业的活力和经济效益。
关键词：热喷涂；热喷涂粉末；纳米小颗粒；传统大工业
1 热喷涂纳米陶瓷涂层技术
热喷涂是工业中广泛使用的最行之有效的表面工程技术，可以用来制备各种金属及合金，陶瓷或聚合物涂层。自上世纪50年代起，热喷涂技术就用于航空发动机的热障涂层、封严涂层、抗高温烧蚀涂层、耐磨损涂层。据文献报道，美国航空飞机中需要采用热喷涂技术的零件约7000多种。迄今为止，航空发动机和燃气轮机的热端部件大多采用等离子喷涂技术，从而使其关键部件的使用寿命提高3～4倍。热喷涂技术也大量应用在舰船装备上，如美国海军在舰船上应用的热喷涂陶瓷涂层就有多种多样，其中，仅氧化物陶瓷涂层就用于美国海军装备的数百种零部件上。根据BCC公司一项新的技术市场研究报告，北美高性能陶瓷涂层市场至2012年将高达19亿美元，其中热喷涂约占65％以上的市场份额。
在钢铁企业中，大量设备工件处于高温、高速、重载荷、磨损或腐蚀环境的工况条件下运行．这些工件的质量和使用寿命将直接影响钢厂的生产效率、产品质量和生产成本。热喷涂技术可广泛应用于这些工况和表面有特殊要求的场合，典型的应用有各种退火炉的炉辊、热镀锌线的沉没辊、结晶器短边铜板及冷热轧工艺辊道等。如高档冷轧薄板表面不允许有任何的麻点、划伤、氧化物压入、辊痕等缺陷，其生产线上的辊子需要100％进行喷涂处理，热喷涂应用技术研究显得至关重要，已经是钢厂核心竞争力的一部分。
纳米热喷涂技术可谓当今最实用的纳米表面工程技术，它是以纳米结构热喷涂热喷涂粉末(或其他形式)材料为喷涂材料，采用热喷涂工艺技术，在基体表面制备纳米结构涂层或纳米结构复合涂层，以达到强化、改性，或者赋予基体表面具有纳米材料性能的技术。与其它技术相比，热喷涂技术制备纳米结构涂层具有工艺简单、涂层和基体的选择范围广、涂层厚度变化范围大、沉积效率高以及容易形成高性能复合涂层等优点。因而热喷涂制备纳米结构涂层在工业上有着广阔的应用前景。
虽然现在市面上可以购买到多种纳米热喷涂粉末，但这些普通的纳米热喷涂粉末尺寸小质量轻，易于被气流吹散和烧蚀掉，不能直接用于热喷涂，所以用热喷涂方法制备纳米涂层的关键是必须将普通的纳米热喷涂粉末原料再造粒成满足热喷涂要求的可热喷涂纳米结构团聚热喷涂粉末，即纳米结构喷涂喂料。美国康州大学的斯托特教授和罗格斯大学的卡尔教授首先研究出纳米热喷涂粉末的再造粒方法，使具有纳米结构的热喷涂粉末新材料能够用于常规的热喷涂喷枪上，从而使制备出纳米结构热喷涂涂层成为可能。而且，通过纳米热喷涂粉末再造粒过程调控可喷涂喂料的成分和纳微观组织结构，从而可以获得所希望的不同性能的纳米结构热喷涂涂层。
笔者在美国期间，有幸与上述两位美国教授合作共事，掌握了纳米热喷涂粉末再造粒这一世界领先的先进技术，并结合笔者的纳米合金化改性技术开发出了被美国海军称为一种革命性的新涂层一纳米结构的热喷涂陶瓷涂层。该涂层技术于2000年通过多方各种检验和试用后获得了美国海军的应用证书，并被广泛应用于军舰、潜艇、扫雷艇和航空母舰设备上的近百种零部件(包括潜艇上的进气和排气阀件，潜艇舱门支杆，航空母舰用电机和油泵的轴，扫雷艇上的主推进杆，气体透平机的螺旋泵转子和燃料泵部件等)。这是纳米结构的热喷涂涂层首次获得实际应用。也正是由于这一纳米热喷涂技术的成功，开创了纳米表面工程的新时代。
大量实验室和工业现场试验数据表明：所开发出的纳米结构陶瓷涂层比目前广泛使用的同类商用涂层有着高出1倍的韧性，高出4～8倍的耐磨性，高出l～2倍的结合强度和抗热冲(热震)性能和高出约10倍的疲劳性能。由于应用这种纳米结构陶瓷涂层技术可以明显提高舰船、航天器和陆地车辆所用零部件的寿命，可减少潜水艇、舰船和航行器的总成本，为军事工业和民用工业每年节约数百亿美元的维修和替代费用，截至目前，该纳米陶瓷涂层已经用于数百种美国海军装备的零部件上。
笔者作为该技术的发明人，已将这一先进技术带回国内进一步创新，在国内独家掌握这一世界领先技术。2006年11月底，中船重工集团在西安主持召开了“高性能精细纳米陶瓷喷涂材料研究”项目验收暨技术鉴定会，以著名科学家张立同院士为主任委员的项目验收暨鉴定委员会评审认为该项目技术先进，取得了多项创新成果，成功解决了陶瓷涂层韧性低和抗热震能力差的两大难题，与处于世界领先水平的美国海军在用的热喷涂纳米结构陶瓷热喷涂粉末材料相比，主要性能达到了同等水平。
2001年，我们研发的热喷涂纳米结构陶瓷涂层技术获得“世界研究开发百项奖”和美国国防部“军民两用研究开发技术奖”。2004年该技术又获得世界经济论坛的“技术先驱奖”。2011年又荣获黑龙江省科学技术奖二等奖。
未完待续
参考文献略
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