摘 要：介绍了传统陶瓷耐磨涂层及等离子喷涂陶瓷耐磨涂层，重点介绍了等离子喷涂陶瓷耐磨涂层的表面结构、摩擦磨损性能和磨损机制，并对等离子喷涂陶瓷涂层的发展趋势进行了展望。
关键词：等离子喷涂； 陶瓷耐磨涂层； 摩擦磨损
统计结果表明：2006 年全国因摩擦磨损造成的损失高达 9500 亿元，占当年 GDP 的 4.5%，如果正确运用摩擦学知识估计可以节省 3270 亿元[1]。 另据国外统计资料表明： 摩擦消耗掉全世界 1/3 的一次性能源，约有 80%的机器零部件都是因为磨损而失效[2]。 摩擦磨损主要发生在零部件的表面，为改善零部件的表面性能， 表面工程技术应运而生。 表面工程技术能够制备出优于本体材料性能的表面薄层，赋予零部件耐高温、 耐磨损及抗疲劳等性能。 由此可见表面工程技术对材料的节约和优化使用、减少设备的摩擦磨损等具有重要意义。 热喷涂是表面工程的重要技术，它主要包括燃气火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂以及目前开发的超音速火焰喷涂、高速电弧喷涂及高速等离子喷涂技术等。 等离子喷涂(PS)因具有焰流温度高、速度快、气氛可控、工艺灵活与可喷涂材料的广泛性等优点，已在国民经济的各个领域获得广泛应用[3-4]。 利用等离子喷涂技术可以使工件表面获得硬度高、耐磨、耐蚀以及其他各种物理化学性能优异的涂层[3]。
陶瓷具有高熔点、高硬度、高刚度、高化学稳定性、高绝缘能力、热导率低、热膨胀系数小等特点，因而用作涂层可以有效地提高基体材料的耐磨损、耐高热、耐腐蚀和抗高温氧化等性能，可起到金属材料难以起到的作用[5-8]，被广泛应用于制备各种陶瓷涂层。将陶瓷的优点和金属材料的韧性结合起来，在其表面喷涂陶瓷涂层，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，对于提高经济社会效益、延长零部件的使用寿命具有重要意义。但由于陶瓷的高熔点，采用一般方法很难制备出质量较好的、 符合工程应用的陶瓷涂层， 目前制备陶瓷涂层的主要方法是等离子喷涂和超音速火焰喷涂。
从化学组成上，工程陶瓷可分为氧化物陶瓷(如Al2O3、TiO2、ZrO2、Cr2O3等)和非氧化物陶瓷(如 WC、Cr2C3、TiC、TaC 等)两类。 本文简要介绍了陶瓷涂层的发展及研究现状，并对其发展趋势进行了展望。
1 传统陶瓷耐磨涂层
早在 20 世纪 60 年代，层状复合陶瓷就已出现并运用于商业[9]。 Clegg 等[10]用轧膜成型方法制备了薄而平的 SiC/C 层状复合陶瓷，其抗弯强度为 633MPa，断裂韧性从 3.6MPa·m1/2提高到 17.7MPa·m1/2， 断裂功从 28kJ/m2提高到 6125kJ/m2。但这类涂层普遍存在硬度和致密度较低、摩擦磨损性能较差的缺点，限制了其广泛应用[10-11]。
为了改善层状复合陶瓷的硬度和致密度较低、摩擦磨损性能较差的缺点， 有学者[12-15]采用烧结的方法制备陶瓷耐磨涂层。 MaWeimin等[12]采用真空烧结制备了 Al2O3/ZrO2(Y2O3)陶瓷涂层。 结果表明：ZrO2(3Y)和 ZrO2(2Y)的含量分别为 15%和 20%时，Al2O3/ZrO2(Y2O3) 的相对致密度分别为 99.6% 和99.1%，平均径粒度为 1.3μm 和 1.5μm。 Oelgardt 等[13]采用大气热压烧结方法制备了 Al2O3-Y2O3-ZrO2陶瓷涂层。结果表明：Al2O3-Y2O3-ZrO2陶瓷涂层的维氏硬度达到 19GPa， 四点法测得的断裂韧性为 2.3～4.7 MPa·m1/ 2。 虽然这种陶瓷的硬度和致密度提高了，却普遍存在易脆性断裂、孔隙率高等缺点[14-15]，限制了其应用范围。
2 等离子喷涂陶瓷耐磨涂层
等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂，指利用等离子弧将金属或非金属粉末加热到熔融或半熔融状态， 并随高速气流喷射到工件表面形成覆盖层，以提高工件耐蚀、耐磨、耐热等性能的表面工程技术。等离子弧是一种高能束热源，其横截面的能量密度可达 105～106W/cm2， 弧柱中心温度可升高到15000～30000 K。 等离子喷涂陶瓷涂层是由高速熔滴碰撞基体后经快速冷却凝固的扁平粒子堆积形成，涂层呈典型的层状结构。
陶瓷耐磨涂层是等离子喷涂涂层的典型应用，制备陶瓷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有金属氧化物、 碳化物、 硼化物、硅化物和氮化物等，如 Al2O3、ZrO2、Cr2O3、WC、TiC、Cr2C3、TiB2和 TiCN 等。 等离子喷涂涂层有单一陶瓷涂层 (如 Al2O3涂层、ZrO2涂层和 WC 涂层等)和陶瓷基复合涂层(Al2O3-ZrO2涂层、WC-Co 涂层和 Cu-Al2O3涂层等)。
2.1 喷涂粉体
喷涂用粉体颗粒尺寸有纳米级[16-19]和微米级[20-22]。Zhao 等[16]采用压碎烧结方法制备Al2O3-40wt%ZrO2的喷涂粉体。超细团聚粉体成粒状，高倍扫描电镜下颗粒尺寸大约为 200nm，且排列紧密，这是因为烧结的作用。 这种粉体能提高等离子喷涂涂层的强度。
Liang 等[17]采用喷雾干燥方法制备 ZrO2-30vol%Al2O3的喷涂粉体。 ZrO2-30vol%Al2O3颗粒呈球状或椭球状，这种粉体可以提高等离子喷涂过程的喂食性能，且纳米尺寸的 Al2O3颗粒与 ZrO2颗粒相互融合。
2.2 涂层表面结构
等离子喷涂纳米Al2O3-40wt% ZrO2和ZrO2-30vol%Al2O3陶瓷涂层的扫描电镜形貌[17]见图 1。纳米 ZrO2-30vol%Al2O3陶瓷涂层的表面颗粒尺寸小于 100nm，颗粒呈团聚状， 见图 1(a)。 纳米涂层是由等轴柱状晶粒紧密排列而成， 其生长方向垂直于基体， 柱状晶粒直径小于 100nm，两层柱状晶粒之间存在裂纹，如图 1(b)所示。 其原因可能是熔融熔滴在基体或先前形成涂层上的快速冷凝并沿热扩散最快的方向生长，冷凝后的涂层存在残余应力。 纳米柱状晶粒构成了涂层典型的层状结构， 层的平均厚度大约为 1μm，见图 1(c)。 等离子喷涂过程中，熔融粉末撞击基体和先前形成的涂层并扩展和快速冷凝而形成薄片。 X- 射线衍射、 能谱分析和拉曼光谱分析显示：涂层由四方相 ZrO2和 α-Al2O3组成[16-17，19-20]。
2.3 涂层力学性能
纳米和常规 3%Y2O3-ZrO2涂层的物理和力学性能见表 1。 与常规涂层相比，纳米氧化锆涂层具有低的气孔率、高的硬度和结合强度[23-24]。 尹斌等[19]研究纳米和常规 WC-12%Co 涂层， 获得了相似的结果，与常规涂层相比，纳米 WC-12%Co 涂层也具有低的孔隙率和高的显微硬度。
摩擦磨损主要采用滑动和往复式摩擦磨损试验机。 Zhao 等[16]采用往复式摩擦磨损试验机测试Al2O3-40wt% ZrO2涂层的磨损性能，结果表明：在干摩擦条件下，纳米级 Al2O3-40wt% ZrO2涂层(NZTA)和微米级 Al2O3-40wt%ZrO2涂层(MZTA)分别与不锈钢球(1Cr18Ni9Ti 准10mm)组成的摩擦副的摩擦因数相近， 但纳米级 Al2O3-40 wt% ZrO2涂层的磨损率低， 是微米级 Al2O3-40wt%ZrO2涂层的 18%～46%。
尹斌等[19]利用大气等离子喷涂技术制备了纳米和微米 WC-12%Co 涂层， 采用 SRV 往复式摩擦磨损试验机考察了纳米和微米 WC-12%Co 涂层在干摩擦条件下分别与 Si3N4陶瓷球和不锈钢球配副时的摩擦磨损性能。 结果表明：在相同试验条件下，纳米和微米 WC-12%Co 涂层分别与 Si3N4陶瓷球和不锈钢球配副时的摩擦系数基本相似，但纳米 WC-12%Co涂层的抗磨性能明显优于微米 WC-12%Co 涂层。
Tao[25]和 Li 等[26]研究了 4.7%Y2O3-ZrO2涂层的摩擦学特性时也获得了类似的结果， 纳米和常规涂层与 100C6 钢组成的摩擦副的摩擦因数相近，但纳米涂层的磨损量约为常规涂层的 4/5。龙婷等[27]采用等离子喷涂制备了纳米 ZrO2涂层，在 MM200 环块磨损试验机上考察了其摩擦磨损性能，结果表明：干滑动摩擦下， 纳米 ZrO2涂层的耐磨性比 GCr15 轴承钢提高 2.84 倍。
陈雄伟等[28]采用销-盘摩擦磨损试验机测试涂层的摩擦磨损性能。 结果表明：随载荷增加，微米级Cr2O3涂层磨损量增加。 当载荷超过 200N 时，涂层的磨损量急剧增加。 过大的载荷引起微米级 Cr2O3涂层的崩裂，涂层的磨损量呈指数上升。
2.4 磨损机制
磨损机制主要有剥落磨损、犁沟磨损、微动磨损和疲劳磨损等[29]。 Zhao 等[16]考察了涂层的磨损表面形貌和磨屑形貌。 结果表明：Al2O3-40wt%ZrO2涂层的磨损机制主要是由剥落和断裂引起的涂层内裂纹。Liang 等[18]研究了 ZrO2-Al2O3涂层的摩擦学特性也获得了类似的结果，ZrO2-15vol% Al2O3陶瓷涂层(ZA15) 的磨损机制是因界面疲劳而引起的剥落 ，ZrO2-30vol% Al2O3陶瓷涂层(ZA30)则是犁沟磨损。
尹斌等[19]考察了纳米和微米WC-12%Co 涂层的磨损表面。 结果表明： 纳米涂层在低载荷下的主要磨损机制为微断裂和轻微磨粒磨损， 而在较高载荷下的磨损机制为硬质相的剥落和磨粒磨损； 微米涂层在较低载荷下的磨损机制为微断裂和磨粒磨损， 在较高载荷下为疲劳磨损。
3 展望
近十余年来， 国内外学者开展了纳米陶瓷耐磨涂层的研究，在涂层制备、结构表征和磨损性能方面均取得了有益成果。与传统陶瓷涂层相比，等离子喷涂纳米陶瓷涂层具有优良的性能， 如高的硬度、韧性，低的孔隙率，较好的摩擦磨损性能和高的结合强度等， 等离子喷涂纳米陶瓷涂层是耐磨涂层的一个重要发展方向。 目前在喷涂工艺的高效、安全和高质量等方面的问题需要解决， 应加快等离子喷涂技术的研究，不断扩大其应用领域，对提高产品的科技含量、 市场竞争力以及节能降耗等方面都具有重大意义。
参考文献略
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