等離子噴涂氧化鋁陶瓷涂層研究現(xiàn)狀及展望
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2024-06-06 08:52:15
1 等離子噴涂氧化鋁涂層的研究
氧化鋁陶瓷涂層大致經(jīng)歷了氧化鋁涂層、 氧化鋁-氧化鈦涂層和納米氧化鋁涂層等階段， 粉末從微米級(jí)向納米級(jí)細(xì)化，從單一成分向復(fù)合化發(fā)展，涂層結(jié)構(gòu)由單層過渡到多層或梯度漸變層。 利用等離子噴涂氧化鋁制備結(jié)構(gòu)復(fù)合涂層和功能梯度涂層，是國(guó)內(nèi)外研究陶瓷涂層微觀組織、耐磨損、耐腐蝕和耐高溫氧化等性能的熱點(diǎn)方向之一。
1.1 常規(guī)氧化鋁涂層組織和性能
研究初期表明， 等離子噴涂出氧化鋁陶瓷涂層呈片層狀，有少量孔隙、微裂紋及雜質(zhì)，氧化鋁的典型晶體結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定相 α-Al2O3，等離子噴涂后涂層中α-Al2O3均減少，主要以亞穩(wěn)定相 γ-Al2O3存在。氧化鋁涂層可用作常溫下的低應(yīng)力磨粒磨損、 硬面磨損、耐多種化工介質(zhì)和化工氣體腐蝕、耐氣蝕和沖蝕涂層，還用于高溫下的耐燃?xì)鈿馕g、熱障、高溫可磨耗涂層和高溫發(fā)射涂層。
氧化鋁陶瓷材料有質(zhì)脆、 對(duì)應(yīng)力集中和裂紋敏感、抗熱震性差等固有弱點(diǎn)，與金屬材料的熱物理性能(如膨脹系數(shù)、彈性模量、熱導(dǎo)率等)差別大，等離子普通涂層本身結(jié)合強(qiáng)度低、 孔隙率高，在高溫差環(huán)境下，普通涂層很容易出現(xiàn)開裂甚至剝落。 為此，設(shè)計(jì)梯度涂層， 它是指從基體到涂層表面在材料組成、結(jié)構(gòu)、密度及功能上呈現(xiàn)連續(xù)變化的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)。 氧化鋁梯度涂層無(wú)明顯的組織突變和宏觀層間界面， 涂層的組織表現(xiàn)出宏觀不均勻性和微觀連續(xù)性分布特征， 涂層成分的梯度化極大地緩和材料之間熱物理性能差別產(chǎn)生的熱應(yīng)力， 與普通氧化鋁雙層陶瓷涂層相比，氧化鋁梯度涂層的結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性和抗熱震性能提高，孔隙率下降。
1.2 氧化鋁-TiO2涂層組織和性能
由于 TiO2的熔點(diǎn)比 Al2O3低，而潤(rùn)濕性比Al2O3好，TiO2陶瓷涂層具有非常低的孔隙率， 耐磨性能好，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，涂層韌性好，容易加工，可磨削到很高的表面光潔度，耐大多數(shù)酸、鹽及溶劑的腐蝕， 是重要的耐腐蝕磨損涂層， 特別適合鈦及鈦合金、鋁及鎂合金噴涂高耐磨涂層的性能。 正是因?yàn)門iO2具備這些特點(diǎn)， 使得 Al2O3-TiO2涂層比單一Al2O3涂層的質(zhì)量有所改善。 目前，集中研究以 Al2O3+3%～50wt% TiO2的陶瓷涂層，尤其是 Al2O3-13wt%TiO2(簡(jiǎn)稱 AT13，下同)涂層，在 540 ℃以下具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕和絕緣等綜合性能。
文獻(xiàn)報(bào)道采用等離子噴涂制備 Al2O3-TiO2涂層， 陶瓷涂層主要由金紅石型 TiO2、 銳鈦礦型TiO2、Magneli 相及 γ-Al2O3組成， 還含有少量 α-Al2O3和微晶或非晶。 與 Al2O3涂層相比，AT13 涂層中添加 TiO2使陶瓷層中孔隙減少涂層更加致密。
AT13 涂層與 Al2O3涂層相比硬度較低，但其硬度分布的分散性較小，涂層的均勻性更好。在相同的摩擦磨損試驗(yàn)條件下，AT13 涂層比 Al2O3涂層耐磨性更好。 噴涂制備梯度涂層的抗熱震性能比非梯度涂層好，涂層成分的梯度化緩解了熱應(yīng)力，提高了抗熱震失效能力。
1.3 納米氧化鋁涂層組織和性能
傳統(tǒng)的陶瓷材料具有脆性大、韌性差等缺點(diǎn)，很容易被高速顆粒沖擊產(chǎn)生裂紋，發(fā)生脆性斷裂失效。陶瓷納米化是解決傳統(tǒng)陶瓷脆性問題的有效手段之一，納米陶瓷材料具有優(yōu)異的強(qiáng)度、韌性、抗氧化性、耐蝕性和與金屬類似的超塑性。與傳統(tǒng)涂層相比，等離子噴涂納米結(jié)構(gòu)涂層在強(qiáng)度、韌性、抗蝕、耐磨、熱障、抗熱疲勞等方面有顯著改善，且部分涂層可以同時(shí)具有上述多種性能。
文獻(xiàn)報(bào)道常規(guī)復(fù)合陶瓷涂層呈層狀堆積狀， 納米陶瓷層由部分熔化區(qū)以及與常規(guī)等離子噴涂類似的片層狀完全熔化區(qū)組成， 但片層狀結(jié)構(gòu)并不十分明顯， 且涂層裂紋數(shù)量明顯減少。 納米結(jié)構(gòu)復(fù)合陶瓷涂層中的部分熔化區(qū)又分為亞微米 Al2O3粒子鑲嵌在 TiO2基質(zhì)相的三維網(wǎng)狀或骨骼狀結(jié)構(gòu)的液相燒結(jié)區(qū)和經(jīng)過一定長(zhǎng)大但仍保持在納米尺度的殘留納米粒子的固相燒結(jié)區(qū)， 不同的部分熔化組織源于復(fù)合陶瓷粉末中Al2O3與 TiO2之間的熔點(diǎn)差異。 納米陶瓷涂層中的顯微結(jié)構(gòu)的變化改善了涂層的孔隙率和韌性， 涂層的顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度比傳統(tǒng)涂層有了明顯提高。在沖蝕過程中，常規(guī)陶瓷涂層表面剝落嚴(yán)重， 而納米陶瓷涂層的沖蝕質(zhì)量損失較??； 納米 AT13 涂層的熱震失效循環(huán)次數(shù)明顯高于常規(guī)氧化鋁涂層，且熱震溫度越高表現(xiàn)越明顯；火焰噴燒試驗(yàn)表明， 納米 AT13 涂層失效時(shí)較常規(guī)涂層燒損面積小，且抗燒蝕時(shí)間更長(zhǎng)。
2 激光重熔等離子噴涂 Al2O3涂層的研究
等離子噴涂氧化鋁涂層已在工業(yè)得到廣泛，但等離子噴涂工藝制約涂層質(zhì)量， 激光重熔為這一技術(shù)難題的解決提供了新的途徑， 激光重熔能克服等離子噴涂層的片層狀、孔隙率高、裂紋較多、涂層與基體機(jī)械結(jié)合等缺陷。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者將激光重熔技術(shù)和等離子噴涂技術(shù)結(jié)合起來(lái)制備氧化鋁陶瓷復(fù)合涂層， 探究激光重熔對(duì)陶瓷涂層組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。
2.1 激光重熔技術(shù)
激光重熔技術(shù)是在惰性氣體保護(hù)下， 采用聚焦激光束連續(xù)輻照并掃過涂層， 快速加熱涂層的表面至熔化狀態(tài)， 隨后的冷卻過程中向基材金屬快速傳熱，在大的冷卻速度下快速凝固，在噴涂陶瓷層表面獲得結(jié)構(gòu)均勻致密、晶粒細(xì)化的陶瓷涂層。
2.2 激光重熔等離子噴涂氧化鋁涂層組織和性能
激光重熔是一個(gè)快速加熱與冷卻的過程， 涂層中的傳質(zhì)過程必然會(huì)導(dǎo)致其組織結(jié)構(gòu)的變化， 這樣陶瓷涂層性能會(huì)有不同程度的改變。文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)等離子噴涂制備的Al2O3涂層、AT13 涂層和納米 AT13 涂層進(jìn)行激光重熔，重熔后涂層內(nèi)部晶粒細(xì)小化、均勻化、致密化，層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶層和柱狀枝晶結(jié)構(gòu)， 并使 Al2O3產(chǎn)生相變，γ-Al2O3和 β-Al2O3完全消失， 全部轉(zhuǎn)化為α-Al2O3，涂層與基體的結(jié)合方式由機(jī)械結(jié)合轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合。 研究人員經(jīng)長(zhǎng)期試驗(yàn)，普遍認(rèn)為與等離子噴涂陶瓷涂層相比，涂層表面經(jīng)激光重熔后，陶瓷涂層與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度及涂層的致密度、硬度、耐磨性、 抗熱震性及抗沖蝕性等都得到了一定程度的改善。
2.3 激光重熔缺陷
激光表面重熔工藝由于所用涂層材料與金屬基體之間熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、彈性模量和導(dǎo)熱系數(shù)的差異， 再加上激光重熔過程中形成的熔池區(qū)域的溫度梯度很大， 由此所產(chǎn)生的熱應(yīng)力易導(dǎo)致裂紋和涂層剝落等問題。目前，激光重熔等離子噴涂氧化鋁陶瓷涂層還處于實(shí)驗(yàn)階段， 需要進(jìn)一步深入快速凝固理論和具體激光工藝參數(shù)的研究。
3 基于氧化鋁涂層的組分添加改性
3.1 添加低熔點(diǎn)緩沖相
在涂層材料中添加少量組分， 能改善涂層微觀組織， 形成良好性能涂層。 為了解決純陶瓷涂層中的裂紋及與金屬基體的高強(qiáng)結(jié)合， 使用粉末加入低熔點(diǎn)高膨脹系數(shù)的 CaO、SiO2、TiO2等緩沖相可以松弛應(yīng)力，減少裂紋的形成，提高粉末潤(rùn)濕性，增加涂層韌性，改善其摩擦磨損性能。
3.2 添加稀土元素
在陶瓷涂層中加入少量稀土元素或稀土氧化物，可提高金屬陶瓷涂層的致密性，增加涂層韌性，彌散陶瓷硬質(zhì)相使涂層組織趨向均勻化； 減少?gòu)?fù)合涂層中雜質(zhì)和氣體的不良影響， 提高涂層組織的致密度；減緩微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度、摩擦學(xué)性能和抗熱沖擊性能。
3.3 添加碳納米管
碳納米管(簡(jiǎn)稱 CNTs)作為一種新型電磁材料，具有獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、特殊的電磁特性、優(yōu)異的力學(xué)性能和穩(wěn)定的物化性質(zhì)等， 是新一代最具發(fā)展?jié)摿Φ母邷匚▌?在氧化鋁陶瓷粉末中添加碳納米管， 研究涂層組織和性能是國(guó)內(nèi)外熱噴涂最新的方向之一。 文獻(xiàn)報(bào)道國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究不同含量CNTs 增強(qiáng)等離子噴涂氧化鋁陶瓷涂層強(qiáng)化機(jī)理和晶粒生長(zhǎng)行為， 以及等離子噴涂 CNTs/Al2O3-TiO2復(fù)合涂層組織和性能的改善效果。
3.4 制備特殊功能涂層
隨著設(shè)備不斷升級(jí)， 需要高功能的涂層以滿足嚴(yán)苛條件下的工作環(huán)境， 要求不斷開發(fā)新的功能涂層。 目前，自潤(rùn)滑、自愈合或微膠囊自修復(fù)涂層等智能涂層開始出現(xiàn)端倪，越來(lái)越多的學(xué)者投入研究。文獻(xiàn)報(bào)道氧化鋁陶瓷粉末中添加適量大小相當(dāng)?shù)墓腆w潤(rùn)滑劑(如石墨、MoS2、WS2等)，通過等離子噴涂制備自潤(rùn)滑或自愈合涂層， 在高溫下填充封閉了涂層中的裂紋與孔隙， 以滿足高溫潤(rùn)滑或自愈合效果。
4 結(jié)語(yǔ)與展望
本文對(duì)等離子噴涂制備氧化鋁、Al2O3-TiO2、納米氧化鋁復(fù)合涂層進(jìn)行綜述， 簡(jiǎn)述了激光重熔對(duì)等離子噴涂氧化鋁涂層的影響， 對(duì)研究其他陶瓷材料有很好的借鑒作用。 基于氧化鋁陶瓷涂層， 有針對(duì)性地添加各類組分，改進(jìn)涂層質(zhì)量，為等離子噴涂技術(shù)和激光重熔技術(shù)制備特殊功能涂層提供可靠的工藝手段。 隨著納米材料和激光重熔深入研究，對(duì)改善等離子噴涂氧化鋁涂層的組織和性能具有重大意義，預(yù)計(jì)在航空航天、機(jī)械化工、鋼鐵冶金等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用會(huì)愈來(lái)愈廣泛。
