1 引 言
金属材料在工业生产中应用比较广泛，已经遍及国民经济和国防建设的各个领域。在许多应用领域，工程机械、设备及构件的工作环境极其恶劣，要求材料必须具有耐高温、耐腐蚀、抗振动等优良性能。如果选用贵重金属或合金制造整体零件成本太高，甚至在较复杂的工作环境下，单靠金属材料自身的性能还是不能完全满足要求。陶瓷涂层具有高化学稳定性( 耐腐蚀、耐氧化、耐高温) ，在金属表面制备陶瓷涂层，可以弥补金属材料和陶瓷材料的不足，在不改变基体材料强度的前提下，能够大幅度提高材料的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化和热冲击性能。
热喷涂技术是一种表面强化和表面改性技术，利用热喷涂技术在金属基体上沉积陶瓷涂层，可以获得理想的复合涂层制品。热喷涂沉积速率快，物耗少，经济效益显著，已成为当今复合材料及制品研制领域的一个重要发展方向［1］。近年来，热喷涂技术正朝着高能高速喷涂的方向发展，超音速喷涂技术在高性能涂层制备方面显现出明显技术优势，已成为一些发达国家竞相研究的热点［2］。本文主要介绍国内外超音速等离子喷涂制备陶瓷涂层的工艺特点及研究进展。
2 陶瓷涂层材料
目前陶瓷涂层技术已成功地应用于航空航天、石油化工、机械、电力等行业。根据工作环境和使用性能的要求，制备陶瓷涂层的基体可以是碳钢或不锈钢，如 Q235 钢、45 钢等，也可以是高强度、高韧性、低密度的
金属及合金，如铝合金、钛合金等。陶瓷涂层按组成可以分为氧化物涂层、非氧化物涂层、硅酸盐系涂层、复合陶瓷涂层等。氧化物陶瓷应用比较广泛，其突出的性能是耐蚀性、耐热性，常用作耐腐蚀和耐高温涂层材料，用的最广泛的材料是 Al2O3、TiO2、Cr2O3、ZrO2及它们的复合氧化物。热障陶瓷涂层具有高的熔点和低的热导率，是很好的高温绝热材料，可以降低金属零件表面的温度，防止产生腐蚀与冲蚀，提高设备的使用寿命，主要用于航空发动机、燃气轮机和民用内燃机的热端部件以及石油化工行业中设备的高温腐蚀部件等。目前采用的热障涂层多数都是双层结构，表层是含6% ～8% Y2O3的 ZrO2陶瓷层，起隔热作用; 陶瓷层与基体之间为 MCrAlY 粘结层( M 为过渡族金属 Ni、Co 或 Ni 与 Co 的混合) ，起改善基体与陶瓷涂层物理相容性和抗氧化腐蚀的作用［3］。研究发现，陶瓷涂层中加入稀土元素可以显著提高材料的耐蚀性、抗氧化性、耐磨性、耐高温性以及塑韧性等［4］ 。
碳化物陶瓷难以单独制备涂层，一般与具有粘结作用的金属如钴、镍基自熔性合金制成金属陶瓷，有很高的硬度和优异的高温性能，可用作耐磨、耐腐蚀涂层，常用的有 WC、TiC、Cr3C2等［5］。其中碳化钨涂层用的较多，主要是采用细颗粒的 WC-Co，涂层坚硬、致密，具有极优的耐磨粒磨损性能，用于冲蚀磨损工况条件下，如涡轮发动机叶片、空气导管等部件。
硅酸盐陶瓷涂层也具有优良的抗高温氧化性能和耐腐蚀性能。曾爱香等［6］以金属醇盐( 硅酸乙酯) 和无机盐( 硝酸铝) 为原料，在不锈钢基体上制备出了铝硅酸盐陶瓷涂层。高大志等［7］以金属醇盐( 正硅酸乙酯) 为原料，在纯铝基体上制备了硅酸盐陶瓷涂层，大幅度提高了纯铝在硝酸及海水中的耐蚀性能。复合陶瓷涂层也是目前涂层材料的发展趋势，几种陶瓷材料混合形成涂层，可以进一步改善涂层性能。有研究表明［4］，在 ZrO2中加入适量的 SiO2，混合后进行等离子喷涂，经激光重熔处理后涂层的裂纹明显减少。Al2O3粉末中添加 TiO2进行等离子喷涂，可减少涂层的孔隙率，改善涂层韧性和耐腐蚀性能［8］。
3 超音速等离子喷涂及陶瓷涂层的制备工艺
3． 1 超音速等离子喷涂
研究表明，影响涂层质量的关键因素是喷涂粒子的飞行速度［9，10］。提高粒子速度有利于增加粒子的塑性变形能力，提高涂层与基体的结合力，降低涂层的孔隙率和微裂纹的数量，减小残余应力。超音速等离子喷涂( supersonic atmospheric plasma spraying，SAPS)［2，11］是利用非转移型等离子弧与高速气流混合时出现的“扩展弧”，得到稳定聚集的超音速等离子射流进行喷涂的方法。与普通等离子喷涂( 喷涂粒子速度约200 ～400 m/s)相比，超音速等离子喷涂的突出优势就是射流的速度高( 约为450 ～900 m/s) ，涂层结合强度、致密性和孔隙率都有所改善; 同时，由于采用内送粉方式，粉末直接送入能量密度更高、压力和刚性更大的超音速等离子射流中，容易获得更加细密的涂层组织，涂层的塑性和韧性也有所改善。因此，采用超音速等离子喷涂制备陶瓷涂层，可以有效地阻挡高温气体和腐蚀性介质的侵蚀，减缓涂层中合金成分的氧化和腐蚀，提高零件的使用寿命。此外，超音速等离子喷涂不受空间限制，工艺稳定，成本低，效率高，具有良好的工程应用前景。
3． 2 超音速等离子喷涂工艺
3． 2． 1 表面预处理
对基体进行表面预处理，可以提高涂层和基体的结合强度。因此在喷涂之前，基体表面必须经过净化和粗化加工处理。净化处理的目的是除去表面的氧化皮、油脂及其它污物等。常用的方法有溶剂清洗、碱液清
洗、加热脱脂以及喷砂净化等。粗化处理是使净化过的基体表面具有一定的粗糙度，从而使基体表面和涂层
产生良好的机械结合。常用的粗化处理方法有喷砂粗化、电拉毛粗化、机械加工粗化等。经过净化和粗化处
理后，再用丙酮清洗表面。此外，为避免因冷热不均导致涂层喷爆，喷涂前要对基体表面进行预热。
3． 2． 2 超音速等离子喷涂工艺参数
喷涂粉末沿轴向的速度和熔化状态是影响涂层质量的重要原因，较高的粒子速度和适中的粒子温度有利于提高涂层的性能。超音速等离子喷涂的粒子速度、温度与喷涂工艺参数有着非常密切的关系，在喷涂设备和工作气体已经确定的情况下，影响喷涂质量的主要工艺参数有: 电弧功率、电压和电流、喷涂距离、气体流量、送粉量等。研究表明［12-14］，喷涂粒子的温度和速度随功率增加而增加，当功率增加到一定值后，由于功率过大而导致少量粉末过熔，反而阻碍了粒子速度的提高，粒子速度增加缓慢并有下降的趋势。电压对粒子的速度影响较大，粒子速度随电压的增大而增大，电流对粒子温度影响也较大，粒子温度随电流的增大而增大。喷涂粒子的温度和速度还和喷涂距离有关，随喷涂距离增加，温度和速度都呈下降趋势。工作气体中主气的流量对粒子温度和速度影响较大，随着主气流量的增大，粒子温度和速度先增大后减小，其中粒子速度减小的幅度不明显。随着送粉量的增加，粒子速度先增大后减小，而粒子温度则呈下降趋势。为确保涂层质量，实验前必须对这些工艺参数进行优化，从而获得较高的粒子速度和适中的粒子温度。超音速等离子喷涂的工作气体可以采用氩气加氢气、氩气加氮气、纯氮气、氮气加氢气等。喷涂设备可以采用我国自行研制的高效能超音速等离子喷涂系统( HEP jet-high ficiency plasma et)［15-18］。HEPJet 超音速等离子喷涂采用 Spray Watch CCD 在线测试系统对射流中的粒子温度和速度进行监控，获得优化的工艺参数。超音速等离子喷涂的粒子温度能达到 2500 ℃以上，粒子速度可达 500 m/s 以上［2］。
4 超音速等离子喷涂制备陶瓷涂层的发展
对于高温环境下工作的热障陶瓷涂层，由于高温环境所产生的热应力，再加上喷涂过程中基体和涂层界面处产生的残余应力，会导致涂层材料过早失效。为此，喷涂梯度陶瓷涂层材料是目前热障涂层的一个发展趋势。通过在粘结底层和表面陶瓷层之间添加过渡层，使成分和组织由基体呈梯度平缓地过渡到涂层表面，避免基体到涂层的组织性能突变，从而可以缓解界面处的应力集中，改善涂层界面的结合情况，大幅度提高涂层的性能。超音速等离子喷涂技术由于采用独立控制的两路内送粉方式，在制备复合或梯度涂层时，可将高熔点陶瓷粉末和低熔点合金粉末分别送入等离子焰流的不同温度区，既保证了高熔点材料的充分熔融，又避免了合金材料的氧化烧损，提高了涂层的均匀、致密和清洁性能，在制备复合或梯度涂层方面具有明显优势。
近年来，超音速喷涂制备纳米结构涂层成为目前表面工程领域的一个研究热点。普通陶瓷最大的缺点是塑性变形能力差、韧性低，而纳米陶瓷由于晶粒大大细化，可使陶瓷的强度、韧性大大提高。利用热喷涂技术在金属表面制备纳米级( 0． 1 ～100 nm) 晶粒结构的涂层，即纳米结构涂层，不仅可以改善陶瓷涂层的力学性能，而且可以获得更低的孔隙率，更高的结合强度，更高的硬度、抗氧化性、耐腐蚀性等，涂层的可加工性好，损坏后可再进行喷涂。因此，纳米结构涂层将大大拓宽表面涂层的应用领域。而要制备纳米陶瓷涂层，必须抑制纳米晶在喷涂过程中长大，快速的加热和短时间的停留是抑制晶粒长大和原始扩散的主要条件，因此，利用超音速等离子喷涂技术制备纳米结构涂层在表面工程领域有着广阔的发展前景。
5 结 语
超音速等离子喷涂的射流速度高、温度高，在制备高性能陶瓷涂层方面具有明显优势。影响喷涂粒子速度和温度的主要工艺参数有: 电弧功率、电压和电流、喷涂距离、气体流量、送粉量等。通过合理地选择工艺参数，可以获得较高的粒子速度和适中的粒子温度，确保陶瓷涂层的质量较高。同时，通过减小粉末粒度、提高预热温度、增加涂层厚度有利于进一步降低孔隙率，提高涂层的结合强度，获得高性能的陶瓷涂层。
梯度陶瓷涂层是在粘结底层和表面陶瓷层之间添加过渡层，使成分和组织呈梯度变化，降低了界面处的应力集中，大幅度提高了涂层的性能，成为热障陶瓷涂层的发展方向。我国研制开发的高效能超音速等离子喷涂系统，由于采用独立控制的两路内送粉方式，在制备复合或梯度涂层方面具有明显优势。纳米陶瓷比普通陶瓷具有更高的强度、更好的韧性，利用超音速等离子喷涂技术制备纳米结构涂层有着广阔的发展前景。利用激光、超声波等现代技术，研究并应用复合工艺，使涂层结构更趋完善是超音速等离子喷涂技术的发展趋势。
参考文献略
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