引：等离子喷涂应用十分广泛，目前国内外发展如何，本文进行详细介绍？让我们一起来了解。
摘 要：本文介绍了等离子喷涂涂层的微观结构，力学性能，涂层表面处理及物理性能等国内外最新的研究进展。
关键词：等离子喷涂；等离子喷涂涂层；微观结构；性能
近一、二十年来等离子喷涂技术有了飞速的发展，在工业生产上的应用日益显示出优越性和重要性。等离子喷涂技术最早在航空、航天部门得到应用，迄今为止，等离子喷涂在上述领域的应用仍超过其它领域。航天、航空作为等离子喷涂最大最稳定的应用市场，今后将保持稳定并得到增长，在涂层技术及喷涂工艺方面也将不断得到改进和完善。随着汽车工业的发展，汽车新型发动机热喷涂市场潜力很大，其市场容量今后有可能与航空、航天涂层市场相匹敌。
等离子喷涂是将热喷涂粉末原料送入高温等离子火焰，呈熔融或半熔融状态喷向基体，以较快的冷却速度凝固在基体上，粒子呈扁饼状互相机械咬合在一起，形成涂层。等离子在喷涂过程中，会产生微 观缺陷，受基体温度，喷涂工艺，快速冷却及其它的因素的影响，涂层的性能会发生很大的变化，本文介绍了等离子涂层的微观结构，力学性能等方面报道的研究进展。
1.微观组织结构的研究
在等离子喷涂过程中，由于快速凝固等原因，会产生一定密度的微观缺陷，包括气孔和裂纹等。Pavel Ctibor等人对热喷涂涂层的微观结构进行了定量的分析，根据涂层中缺陷的特征，可以分为圆柱形的孔，片层之间的孔和垂直缺陷。如图1所示。
1．1等离子喷涂涂层中的孑L隙
在等离子喷涂过程中，熔融态的颗粒高速沉积在基体上而形成涂层，该工艺过程决定了涂层的孔隙不可避免。描述涂层孔隙结构特征的一个重要参数是涂层的总体孔隙率。Ghislaine Bertrand等分析了孔隙的尺寸和形态，认为当氩气的流动速率较高(40L／min)氢气的流动速率较低(4L／min)时，会使得涂层的总体孔隙率升高。
机械性能与孔隙率之间有一定的联系，涂层的热导率一般随涂层孔隙率的增加而下降。V．Teixeira 等通过改变沉积参数，设计了梯度涂层，使得涂层的孔隙率在向顶层方向上增加，最终减少了热传导系数。因此，通过提高涂层表面的孔隙含量，以达到降低涂层热传导率的目的。Nakamura等人通过有限元模型的几何形状与实际的陶瓷包含许多嵌入的孔隙的模型很相似的方法，研究了孔隙的尺寸，形状和方向对热障涂层力学性能的影响。研究认为涂层的临界孔隙率为7．5％。孔隙率的为2．5％～7．5％时，涂层轴向应力和径向应力随孔隙率的增加而下降，剪切应力则随孔隙率的增加而下降；当孔隙率大于7．5％时，情况恰好相反。由于应力随涂层中的孔隙尺寸的增加而增大，说明涂层中的孔隙尺寸对应力有着显著的影响。当增加孔隙率时，涂层的抗腐蚀性和微观硬度会减少。
1．2等离子喷涂涂层中的裂纹
在等离子喷涂过程中，由于快速淬火的影响，在涂层中会产生高密度的微观裂纹。其中，最典型的包括与基体平行的裂纹和垂直裂纹。较长的垂直裂纹会沿着涂层厚度的方向延伸。平行裂纹减小了热传导率，在热障方面更有利，接近于陶瓷层与粘结层的界面处的垂直裂纹，对涂层的寿命有很大影响。在热循环载荷下，这些裂纹会生长，最终引起涂层分离。
Ghislaine Bertrand等研究指出喷涂角度与基体成75(度)，并且冷却速率较高时，与基体成 30 度方向的裂纹的长度会有所增加，指出涂层中微裂纹的会影响等离子喷涂涂层中的热传导率。Bin Zhou和Klod Kokinit6]认为涂层的厚度，最短的预裂纹和最长的预裂纹导致形成了很长的界面裂纹，预裂纹存在时的最佳状态是使得涂层的断裂强度最小。裂纹的长度为涂层厚度的15％时，起始裂纹会最先形成在涂层的中心区，这是由热冲击和界面裂纹所引起的。热冲击前，裂纹长度与涂层的厚度一样，预裂纹在涂层中没明显的变化，这些研究表明，存在最优的裂纹长度，使得不同形态的TBCs界面的断裂程度达到最小。S．N．Basu，GYe等，研究了颗粒和基体表面状态与涂层中的垂直裂纹和水平裂纹的长度、方向之间的关系。Bengtssonn认为基体温度对裂纹有影响，当增加基体温度时，平行裂纹和垂直裂纹密度相对减少。Prystay和他的合作者认为改变熔融颗粒的温度和速度可以改变微观裂纹的分布。因此，控制熔融颗粒的状态和基体状态对于TBCs的微观结构来说是非常重要的。由于裂纹的形成，繁殖和合并，最终会导致涂层的剥离。
因此，最理想的涂层裂纹结构应该是具有高密度的远离界面的平行裂纹，这样热传导率会更低；界面附近的低密度的垂直裂纹，可以降低涂层的剥离；大角度的垂直裂纹的分布可以增加涂层的稳定性，这才是涂层研究的最终目标。
2等离子喷涂涂层的性能
等离子喷涂时，受基体温度，喷涂工艺，快速冷却及其它的因素的影响，涂层的性能(如残余应力，应力腐蚀，磨损性，弹性模量等)会发生很大的变化。
2．1等离子喷涂时产生的应力
等离子喷涂涂层的应力分为三种，分别是内部生长应力(与相转变有关)，激冷应力(与喷涂时的快速冷却有关)和热应力(与基体和涂层的热膨胀系数不同有关。
国内的X．C．Zhang，B．S．Xu等人使用有限元法讨论了涂层的厚度对zr()2／NicoCrAlY功能涂层的残余应力的影响。模型表明，涂层与基体的厚度比会影响陶瓷顶层与粘结层的界面应力。涂层与基体的厚度比，层间的界面和冷却速率对涂层界面处的残余应力有很大的影响。A．NusairKhan分析了粗糙度对热障涂层结合强度和粘结层残余应力的影响。残余应力随着基体粗糙度的增加会大大增加。喷砂处理时，会产生预应力，表面越粗糙，基体或粘结层附近的预应力越大。表面越粗糙，则表面的面积越大，冷却时更迅速，产生的应力越大。
基体的粗糙度增加，界面附近的残余应力也会增加，这就减小了涂层的结合强度，界面处的残余应力是表征涂层结合强度的最重要的元素之一，尤其对于较厚的涂层来说。Shuqi Guo等人研究了了界面的韧性与残余应力，指出：界面韧性与界面粗糙度和热障涂层的厚度有关，研究测得的数据结果表明：涂层越厚，界面越粗糙，则韧性越大：涂层越厚，应力越大；界面越粗糙，应力越小。
针对界面粗糙度与界面结合强度间的关系，有不同的研究结果。有研究认为：对基体进行喷砂处理后，涂层会有很高的结合强度；而其它研究人员则持相反的观点【23J：认为基体的粗糙度增加，则界面附近的残余应力也会增加，这就减小了涂层的结合强度。
2．2抗腐蚀和磨损性能
一般来说，等离子涂层的抗腐蚀性能随着气孔率的减少而增加。等离子喷涂陶瓷涂层的气孔率比等离子喷涂金属涂层的气孔率要多，因此，陶瓷涂层的抗腐蚀性要低于金属涂层和金属一陶瓷涂层。根据涂层的类型的不同，涂层的气孔率主要在0．5％-16％的范围内变化。Al2O3，Al2O3+TiO2，ZrO2+NiAl和MgZrO3+_NiAl涂层的抗腐蚀性能比Cr2C3+NiCr，NiA1和NiCrA1涂层的要低。R．Westergard等人认为等离子涂层中各种各样的缺陷使得磨损性降低，但是各向同性，致密性好的涂层通常有更好的磨损和腐蚀性能，铬涂层与WC—Co涂层抗腐蚀性能较好，单晶铝涂层比多晶铝涂层有更好的磨损性能。热喷涂粉末尺寸对抗磨损性的影响很复杂，中等尺寸的热喷涂粉末一般对于等离子喷涂的效果较好。涂层中表面微观组织中有缺陷，涂层的横截面微观组织中有片层结构和孔，孔的尺寸在1～10pm间变化，样品腐蚀后，表现了高的磨损性，这从SEM图中可以观察到。
2-3物理性能
Ghislaine Bertrand等人研究了多孔网络结构的形态(大／d'的孔隙率之比，总裂纹长度，裂纹方向)与热传导率之间的关系。热传导率主要与大的孔隙和微裂纹有关系。当较大的孔隙的比率增加时，热传导率会下降，热传导率还与微裂纹方向是否与涂层的界面平行有关。
研究表明层与层之间有好区与坏区的接触区的等离子涂层的微观结构有着比基体材料更低的热传导率。中空(HOSP)的热喷涂粉末在涂层中的层间界面有更高的致密度，与其它的热喷涂粉末材料相比(烧结状态的，压碎的和溶胶．凝胶状态的)，HOSP涂层的热传导率大大降低。正是由于HOSP层间界面的增多使得热传导率降低。
2．4对涂层进行表面处理
为了提高致密度，减少气孔，涂层表面进行了重熔处理。J6zef 1waszko[281对涂层进行重熔处理后，性能更加优异，如气孔减少，化学成分更加均匀，涂层表面更加光滑，组织结构的弥散程度增加，力学性能也有提高。另外：实验尝试使用钨极氩弧焊代替激光技术，试验结果是相似的。Y．N．Wu将两种等离子涂层(NiCrAIY和NiCrA1Y-AI2O3)用连续式CO2激光器进行重熔，形成了没有空隙，杂质，未融颗粒和微观缺陷的均匀致密的重熔层，结果当涂层厚度为180~220µm，温度在1000℃时抗氧化性有了明显提高。SPS是对多孔材料进行致密的一个过程，经SPS处理后，孔隙率会下降，涂层的结合强度和微观硬度增加，改变SPS的温度和压力参数可以控制这些性能。
3结语
综上可知，目前对等离子涂层问题的研究中，涂层孔隙率的研究较广泛，而对涂层中孔隙及裂纹的形状、大小及分布的研究较少。因此今后有必要对以下方面进行研究：
(1)涂层孔隙形状、大小及分布规律；
(2)等离子涂层在不同条件下的失效影响规律，从而为优化等离子喷涂工艺，提高涂层质量及使用寿命提供理论和数据支持；
(3)等离子涂层结构的界面研究，及界面与涂层微观结构的关系。
参考文献略
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