热喷涂高性能陶瓷涂层

材料保护

MATERIALS

PROTECTION

1999年 第32卷 第1期

No.1 vol.32 1999

热喷涂高性能陶瓷涂层

邓世均

摘　要　综述了热喷涂高性能陶瓷涂层的特点，介绍了陶瓷涂层在不同工业领域的典型应用，论述了在高科技领域的发展潜力，强调了它的地位和作用。

关键词　热喷涂　陶瓷涂层　典型应用

1　引　言

80年代初，日本开发出小型陶瓷绝热发动机，引起了全世界的关注。有人预言，人类即将进入第二个“石器时代”。

陶瓷是金属元素和非金属元素组成的晶体或非晶体化合物。它和金属材料、高分子聚合物材料一起，构成固态工程材料的三大支柱。现代已将金属陶瓷、其他无机非金属材料统归入陶瓷范畴，成为品种、功能极多的一个材料大家族。

陶瓷材料多具有离子键和共价键结构，键能高，原子间结合力强，表面自由能低，原子间距小，堆积致密，无自由电子运动。这些特性赋予了陶瓷材料高熔点、高硬度、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热能力、热导率低、热膨胀系数小、摩擦系数小、无延展性等鲜明特征。

又由于陶瓷材料总含有或多或少的玻璃相和气孔，加之许多陶瓷材料具有多种晶体结构，因而其塑性变形能力差，抗热震和抗疲劳性能差。对应力集中和裂纹敏感，质脆，成为陶瓷材料的致命弱点。显然，用陶瓷作为机械结构材料，其可靠性比金属材料差，加上机械加工困难、成本高等因素，因而目前还处于初期实验阶段，距离成功的工业应用，无论在材料结构的理论上还是在生产实践上，都还有漫长的路程，难度很大。

然而，应用新型陶瓷复合粉末，采用热喷涂技术特别是等离子喷涂技术，在金属基体上制备陶瓷涂层，能把陶瓷材料的特点和金属材料的特点有机地结合起来，获得复合材料结构及制品，正成为当代复合材料及制品高科技领域的一个重要分枝。1958年，世界上第一台等离子喷涂设备在美国问世，为喷涂高熔点陶瓷涂层提供了理想的高温热源，迅即在航空发动机、火箭等尖端科技领域获得了成功的应用。80年代以来，它又迅速向传统民用工业部门扩展，其应用领域遍及能源、交通、冶金、轻纺、石化等工业部门，成效卓著。据报道，美国在90年代，陶瓷涂层的应用年增长率在12%以上。这表明，在先进国家，陶瓷涂层高科技技术将成为新世纪的一个新兴产业。

2　特　点

与整体结构陶瓷材料相比，高性能陶瓷涂层技术(亦称精细陶瓷涂层，先进陶瓷涂层，新型陶瓷涂层)具有如下特点：

(1) 能有机地把金属材料的强韧性、可加工性、导电导热性等和陶瓷材料的耐高温、高耐磨、高耐蚀等特点结合起来，发挥两类材料的综合优势，同时满足机械产品对结构性能(强度、韧性等)和环境性能(耐磨、耐蚀、耐高温等)的需要，获得相当理想的复合材料结构。

(2) 能够用于制备陶瓷涂层的材料品种多。它们包括：各种氧化物和复合氧化物、碳化物、硼化物、氮化物和硅化物以及金属陶瓷；陶瓷和陶瓷、陶瓷和金属、陶瓷和塑料等材料，亦可进行组合。用作整体结构材料的陶瓷，目前还仅有碳化硅、氮化硅、稳定化氧化锆等少数几个品种。

(3) 功能广。能够采用不同的热喷涂工艺，喷涂各种陶瓷涂层材料，获得各种功能的表面强化涂层，如耐磨、减摩自润滑、可磨耗密封、高摩阻制动、耐腐蚀、抗氧化、耐高温、绝热、绝缘、热辐射、防辐射、屏蔽及波长吸收、催化、超导和生物功能等，功能极广，广泛用于国民经济各部门。

(4) 能够在多种基体材质上制备陶瓷涂层。基体可以是各种金属(如钢、铸铁、铝、钛、铜、钼、钨等难熔金属)，陶瓷、水泥、耐火材料、石料及石膏等无机材料，塑料和有机材料以及木材、纸板等，几乎所有的固体材料都可作为基体，其性能均可通过喷涂陶瓷涂层加以改善。

(5) 物耗少，物流小，附加值高，经济效益突出。陶瓷涂层厚度一般在几十微米到几毫米之间，加之陶瓷材料密度较小，因而物耗少，物流量小，但附加值却很高。如火箭用钨喷管，喷涂陶瓷涂层后，其使用寿命提高上百倍；高压泵柱塞表面喷涂0.3～0.5 mm厚的陶瓷涂层，其使用寿命比惯用的镀硬铬柱塞提高6倍。

(6) 制造陶瓷复合粉末的方法多，调整涂层成分比较容易。制造陶瓷复合粉末的方法有熔炼-破碎法、烧结法、团聚或喷雾干燥法、包覆法、化学反应共沉积法、溶-胶法、团聚等离子体球化法、自蔓延法等，能够配制多种组分和配比的陶瓷复合粉末，调整涂层成分比较容易。

(7) 可以不受工件尺寸和施工场所的限制。喷涂陶瓷涂层的产品可以是短、小、轻、薄的制品，如氧探测器、固体燃料电池等；也可以是重型、大型制品，如大型液压缸用超大型陶瓷涂覆活塞杆，长达16 m，重达10 t以上。既可在热喷涂工厂内施工，也可在现场施工。

(8) 陶瓷涂层沉积速率较快，涂层厚度可控。热喷涂技术沉积陶瓷涂层的沉积速率比PVD、CVD、电火花沉积等要快，通常为2～5 kg/h。采用水稳等离子喷涂Al2O3，沉积速率可高达55 kg/h，涂层厚度可达20 mm。而微束等离子喷涂，其厚度仅有十几微米。采用电脑控制的超细粉末送粉器，能够将涂层厚度误差控制在10 μm左右。

(9) 陶瓷涂层的可加工性好，且涂层损坏后，金属基体还可再使用，再喷涂陶瓷涂层。

(10) 成型容易。能够在薄壁件、空心件和异形件表面喷涂陶瓷涂层，也可实现制品局部喷涂陶瓷涂层强化。

(11) 容易与原有金属加工的工装条件结合，实行企业的技术改造。

热喷涂陶瓷涂层并非十全十美，陶瓷材料有质脆的固有弱点，与金属材料的热物理性能(如膨胀系数、热导率等)差别大，陶瓷涂层与基体材料的结合主要为机械嵌合等缺陷，使陶瓷涂层不能应用于受冲击，高应力和强疲劳等工况条件。

3　热喷涂高性能陶瓷涂层的典型应用

机械制件品种成千上万，使用工况千差万别，按其典型工况分述如下：

3.1　高　温

热喷涂耐高温陶瓷涂层最能体现热喷涂技术特点，应用效果最突出，是影响最大的一个应用领域。

3.1.1　热障涂层(TBCs)

燃气轮机的受热部件，如叶片、喷嘴和燃烧室处于高温、氧化和高速气流冲蚀等恶劣环境中。对于承受温度高达1 100 ℃的燃气轮机部件，已超过了镍基高温合金使用的极限温度(1 075 ℃)。有效办法就是涂覆绝热性好的高熔点陶瓷涂层，为高温合金基体穿上“防火铠甲”，起绝热屏蔽作用。这称为热障涂层。

热障涂层的基本要求是：(1) 耐高温；(2) 抗高温氧化；(3) 与金属基体结合牢固；

(4) 热导率低，绝热性好；(5) 热膨胀系数与金属基体匹配好，耐热循环次数高。实践表明，采用MCrAlY合金作粘结底层，喷涂Y2O3部分稳定的ZrO2绝热陶瓷涂层，涂层坚硬、致密，抗高温燃气冲蚀和抗热震性能优异，即使在1 650 ℃高温下长期使用，其热稳定性和化学稳定性都很好。Y2O3ZrO2中加入少量CeO能进一步改善涂层的抗热震性能。在使用温度更低一些的情况下，可采用MgO或CaO稳定的ZrO2作热障陶瓷障碍层。

对热障涂层的粘结底层进行预氧化处理，对热障陶瓷涂层进行渗铝处理，对面层陶瓷涂层进行激光重熔改性处理以及发展多层或梯度功能涂层，是热障涂层领域的一些最新发展。

热障涂层主要用于航空、舰船及陆用燃气轮机的受热部件，现正推广应用于民用内燃机、增压涡轮、冶金工业用喷氧枪等领域。

3.1.2　可磨耗密封涂层

现代航空发动机采用压气机使空气增压升温，高温压缩空气进入燃烧室使燃料充分燃烧是提高发动机的功率和热效率的主要措施之一。采用热喷涂技术在压气机涡壳内表面喷涂可磨耗密封涂层，与压气机叶片尖部的硬质涂层形成一对可磨耗密封磨损副，在运行过程中能形成理想的径向气流间隙，获得最大的压差，从而显著提高发动机的功率，降低航空汽油的消耗，提高发动机整机一次试车合格率。这是热喷涂技术在航空发动机领域重大的应用成果之一。

随着压缩空气温度的逐级升高，可磨耗密封涂层的使用温度从300 ℃提到1100 ℃，现代可磨

耗密封涂层的最高温度已达1350 ℃。AlSi-聚苯脂、镍/石墨、Ni/硅藻土、NiCrAl/BN、Y2O3．ZrO2-BN等复合粉末系列材料已获得成功的应用。其中，尤以高温可磨耗密封涂层的工作条件最为恶劣，要承受1 000～1 350 ℃的高温，遭受2～3倍音速的高温气流的冲蚀，受到超过300 m/s线速度的叶片尖部刮削而不会发生剥落。因此，除了必须具备耐高温涂层应有的耐高温、抗氧化、耐热震、呈化学惰性、结合牢固的性能外，其最主要的特点就是质软(通常涂层的表面洛氏硬度在50～80 HR15Y)、多孔(孔隙率约为25%