等离子喷涂制备纳米结构涂层研究进展

等离子喷涂制备纳米结构涂层研究进展

摘要等离子喷涂制备的纳米结构涂层在耐热、耐磨、耐蚀、生物相容性等方面比传统微米级涂层具有更优良的性能。从纳米喂料的制备、纳米涂层的制备及其结构和特性三方面评述了等离子喷涂纳米涂层研究的进展，探讨了等离子喷涂纳米涂层研究中存在的主要问题，并展望了等离子喷涂纳米涂层的发展前景。

关键词等离子喷涂；纳米材料；喂料

1 引言

等离子喷涂技术是目前最常用的纳米涂层制备技术之一[1]。纳米涂层是通过在表面涂层中添加纳米材料，获得纳米复合体系涂层，可以获得很多优良的性能，有着十分广阔的发展和应用前景。等离子喷涂利用的等离子弧能量集中，焰流温度高，可以熔化绝大多数金属、陶瓷及金属陶瓷等是一种理想的高温热源，而且等离子喷涂具有沉积速度快，生产效率高、适用范围广等优势，在材料表面改性方面发挥了重要作用。充分利用纳米材料、纳米结构的优异性能，将等离子喷涂技术与纳米技术相结合制备含有纳米颗粒的涂层，为表面工程的发展开辟了新的途径[2]。本文介绍了纳米结构喂料的制备方法，纳米涂层的制备及其结构和特性三方面评述了等离子喷涂纳米涂层研究的进展，探讨了等离子喷涂纳米涂层研究中存在的主要问题，并展望了等离子喷涂纳米涂层的发展前景。

2 喂料

童翔等[3]探索了等离子喷涂用纳米结构喂料的制备工艺，并采用此方法制备了纳米结构的Al2O3-13%TiO2喂料。采用等离子喷涂工艺进行了喷涂试验。试验结果表明，该喂料可用于等离子喷涂，涂层良好。其热喷涂用纳米结构喂料的制备工艺：纳米粉体的分散→纳米浆料的制备→离心脱水制的陶瓷坯泥→等静压压制并烧结制成素坯→破碎、研磨、筛分制成40～60μm的喷涂用粉。

孙海全等[4]的研究表明：在喂料制备过程中发现，粉体的松装密度和搅拌时间是成两段线性关系，不同的喷雾造粒温度对粉体形貌有重要的影响。在250℃制得的粉体内部部分中空、结合强度高、球形度好。粉体经合适的温度烧结后，没有新物相生成，是适合等离子喷涂的纳米喂料。

李长青等[5]采用CDD热喷涂状态监测设备对采用喷雾造粒方法制备的纳米结构Al2O3-13%Tio2喂料在等离子喷涂过程中的温度特性进行了研究。结果表明，CDD设备清晰地捕捉到了飞行粒子，其流量呈近似正态分布。喂料的温度最高超过2600℃，当下降到熔点附近时出现再次升高现象，内部熔化材料随气体在局部喷发而流到表面是导致出现这一现象的主要原因。

综上，喂料工艺用于等离子喷涂可以得到良好的涂层，不同的喷雾造粒温度对粉体形貌有重要的影响。

3 等离子纳米涂层的制备

纳米结构材料的制备方法成为了材料科学研究的热点，热喷涂技术是制备纳米结构材料的有效途径6]。等离子喷涂过程中，飞行粒子的温度对涂层结合强度、孔隙率、沉积效率、热应力等具有重要影响。采用喷雾造粒方法制备的纳米结构喂料是纳米尺度颗粒的团聚体，喷涂过程粒子温度过高不仅导致烧损严重，形成的涂层热应力增加，造成晶过度长大。因此，控制热喷涂过程中喂料的温度，是获得含纳米结构高性能涂层的必要条件[5]。

邢亚哲等[7]的综述表面，可以通过控制涂层沉积过程中的基体温度来实现对涂层微观结构的控制，有可能使涂层的结合率提高到近100%，获取不同微观结构的涂层，从而实现对涂层各种性能的调控。

研究均表明，颗粒在等离子射流中的温度和粒度是影响其熔化状态的本征参数[8～9]。颗粒温度与速度取决于几个等离子喷涂工艺参数（喷枪功率、Ar/H2比例、载气流速、喷涂距离以及送粉速率）。某研究所[8]应用先进的SprayWatch-2i热喷涂状态监测设备，对超音速等离子喷涂过程中纳米结构Al2O3-13wt%TiO2喂料的粒子温度进行了研究。通过监测分析得出，喷涂粒子温度随喷涂距离的变化呈抛物线规律，在距离喷嘴810cm处粒子的温度达到最高。针对纳米涂层双态分布结构，及其对飞行颗粒熔化状态的特殊要求，R.S.Lim[9]对粒度分布差异对涂层纳米结构的研究表明，在相同工艺条件下，由粒度分布较宽的纳米结构喂料制备的纳米涂层中部分熔化区域的比例相对较高。

4 等离子喷涂纳米涂层的结构与性能

4.1等离子喷涂纳米结构耐磨耐蚀涂层

三氧化二铝陶瓷因其资源丰富，它有很多优良特性，但材料的强度低、韧性差，限制了它的发展。通过向Al2O3添加TiO2并制备成纳米结构涂层，与传统陶瓷材料相比韧性和力学性能大幅提高[2]。王铀[10]等研发的Al2O3/TiO2陶瓷涂层，晶粒尺寸为10~40nm，SEM和TEM照片显示涂层具有独特的三维网状结构，具有优异的韧性、耐磨抗蚀性能、抗震性能及良好的可加工性能。该纳米结构涂层耐磨性是普通涂层的4-8倍，结合强度和抗热冲性能提高1-2倍，疲劳性能提高10倍。

4.2 等离子喷涂纳米结构生物活性涂层

纳米结构的陶瓷材料，如Al2O3、TiO2和羟基磷灰石等表现出优良的生物相容性，近几年已被相关报道所证实[11]。材料与细胞的相容性使材料用于医学称为了可能。等离子喷涂法制备这类生物活性涂层具有工艺简单、涂层和基体选择范围广、涂层厚度可控、沉积速率高以及易实现复合涂层[12]等许多优越性，而具备广阔的发展前景。赵晓兵[13]等的研究表明，氧化钛涂层和钛合金基体的结合强度高达40MPa，涂层的耐模拟体液腐蚀性优于钛合金。酸和碱溶液表面改性后的氧化钛涂层，经模拟体液浸泡可在其表面生成含有碳酸根的羟基磷灰石（类骨磷灰石）显示出良好的生物活性。

5 结语

从国内外的研究和应用情况看，等离子喷涂纳米结构涂层的技术研究取得了极大进步。

与传统涂层相比，等离子喷涂制备的纳米结构涂层有着十分优良的性能，例如可以制备具有良好力学、摩擦学性能的涂层，或者制备耐热、耐磨、耐蚀、生物相容性等功能性涂层。随着等离子喷涂技术的发展和纳米涂层研究的深入进行，新的喷涂设备必将更加智能、高效，新型的导热、催化、绝缘、隐身、生物相容性等功能涂层将成为研究的热点。等离子喷涂技术必将在生产中发挥出重要的作用，有着广阔的发展前景的纳米结构涂层必将逐步应用于社会生产的各个方面。

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