等离子喷涂陶瓷涂层结合机理综述
马兆允
科技资讯
内容导读：等离子喷涂是目前应用比较广泛的热喷涂技术，对于其作用机理、喷涂的涂层特点，各研究人员都做了很多研究，本文就是基于研究基础上，总结等离子喷涂陶瓷涂层结合机理，并提出其发展方向。
关键词：等离子喷涂；涂层；结合机理
随着科学技术的迅速发展，机械产品对零件的表面性能要求越来越高，而等离子喷涂纳米陶瓷涂层是提高零件表面性能的有效方法，近年来获得了迅速的发展，其应用越来越广泛。但是，目前在该方面的研究主要停留在经验阶段，研究方向主要是涂层的微观结构、性能、及工艺参数对涂层沉积特性的影响等，对于制备高质鼍、性能稳定的陶瓷涂层来说，缺乏系统的理论指导。因此，研究等离子喷涂陶瓷涂层的机理将为制备高性能的陶瓷涂层提供强大的理论依据。
1等离子喷涂技术概述
等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂。等离子弧是一种高能束热源，其横截面的能量密度可提高到105～106(W／cm2)，弧柱中心温度可升高到15000K～33000K，将金属或非金属粉末加热到熔化或半熔化状态，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，是现代表面技术中最重要的组成部分习。
等离子喷涂涂层与基体之间的结合主要为机械结合，因此对基体表面进行粗化处理可以提高涂层与基体间的结合强度，另外还有冶金结合、扩散结合、化学键结合及分子键结合等多种结合方式。
影响影响涂层界面结合强度的因素有许多，如材料的润湿性能、基体的表面状态、喷涂的方式、喷涂距离、喷涂速度和涂层厚度等等，每一因素都对界面的结合强度有着一定的影响，而具体影响的程度目前还没有确切的表征方法，因此，确切的描述涂层界面的结合机理需要进一步的研究。
2等离子喷涂纳米陶瓷涂层界面结合机理的研究现状
目前国内外在该方面的研究还主要停留在经验阶段，没有形成系统的理．论。但很多学者根据实验及经验在不同的角度进行了初步的研究。范群波采用有限元数值模拟方法，研究功能梯度材料中金属／陶瓷熔融颗粒高速碰撞到基体后的瞬态压力分布、变化过程及其影响因素，认为瞬态压力峰值与初始速度的平方及密度均存在正比关系；王鲁、王福耻等利用ANSYs有限元程序，仿真了在等离子喷涂过程中，熔融的金属、陶瓷颗粒与接触面的热相互作用．给出了“温度一时间”关系以及接触界面处接触温度的研究方法；Yung—Chin Yang，Ed—ward chang利用材料去除法大致确定了材料表面及界面的应变，A．G．Evans，G．B．Crumley和R．Mevrel等研究认为界面的残余应力随涂层厚度的增加而变大，Y．C．Tsui，C．doyle利用试验数据与预测曲线进行拟和发现应力随着功率的增大而增大，并认为仅仅通过改变等离子喷涂参数来获得低孔隙率、高结合强度是很困难的，Andi M．Limarga通过试验认为向转化的过程中也会产生附加残余应力，影响界面的结合强度，J．Koutsky试验后认为残余应力的大小受涂层厚度及所处位置的深度的影响，并给出了计算应力的方程；L．A．Dobrzanski通过有限元分析方法，建立仿真模型：估价应力误差。
张家生等通过试验得到基体氧化预处理对界面的结合强度有一定的影响，氧化预处理后基材表面生成了多孔牢固结合的氧化物，提高了基体表面的粗糙度，与陶瓷涂层形成了梯度过渡层，使得涂层的结合强度增强，但时间不能太长，因氧化物过渡层应力增大，使得涂层结合强度变差；李延平等利用复合梁理沦建立涂层沉积过程中残余应力的理论模型，该模型可以计算涂层／基体中各种残余应力的分布，预报和控制涂层／基体中各种残余应力大小及分布。但因未考虑非线性因素，热梯度效应等影响，该理论结果与实验结果有一定偏差；凯博采用数值计算方法系统研究了气体参数和离子参数对喷涂离子加热加速行为的影响，通过等离子喷涂离子速度、温度实测与计算结果比较表明：用流体动力学、气固两相流理论及对流传热模型来模拟等离喷涂过程中粒子的温度、速度是可行的。Howard SJ，TsLli YC建立双层材料模型，认为残余应力由三部分组成：第一部分是涂层和基底中的平均正应力，第二部分是沿沉积层和基底厚度分布的应力梯度，第三部分时沉积层和基底中永久保留的随机分布的残余应力}Peng X L，Tusi YC等建立增层模型。分析喷涂沉积过程中产生的淬火应力，更加真实地反映热喷涂过程中残余应力的形成机理；Chiang和Evans分别建立了Chjang模型和Evans模型用来表征基体与涂层间的结合强度，但这两个模型存在一定的缺陷：该模型没有考虑基体塑性变形的影响，没有考虑涂层内部裂纹的影响，没有考虑加载过程中侧向裂纹的产生等；华国然等利用激光重熔工艺对等离子喷涂的陶瓷涂层进行重熔，结果表明明显改善涂层与基体的结合强度。
3等离子喷涂纳米陶瓷涂层界面结合机理的展望
等离子喷涂技术作为一种先进的表面处理技术，尽管其在现代工业当中应用越来越广，但仍存在以下许多需要进一步研究和解决的问题。
(1)基体／涂层界面结合机理。
(2)涂层制备过程模拟。
(3)涂层寿命预测模型。
(4)涂层间残余应力的控制与预测等。
参考文献略
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