热喷涂纳米结构涂层的研究进展及在外军舰艇上的应用
王铀，杨勇
中国表面工程
纳米科学技术的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创制新的物质。纳米科学技术一直是外军最感兴趣的一个领域。如美国国防部基础研究办公室发言人CliffordLau说：纳米科技将最终改变战争，其影响甚至将超过火药的发明；纳米科技将影响武器、通信和人员的各个方面。至今，美国防部对纳米技术投入进行研究已超过20年。纳米涂层是纳米材料和表面工程技术的结合和综合应用，长期以来作为一个特殊的应用领域一直受到外国军方的重视，这是因为舰船、飞行器和陆上装备都面临着极端的服役条件，包括腐蚀、磨损、高温等作用，以及由此造成的设备运行故障、预期寿命下降等。纳米涂层可以更有效解决上述问题，因此它在军事上的应用范围越来越广。目前，陶瓷涂层是纳米涂层在军事上运用较为经典的范例。据报道，为提高涡轮机和飞机引擎的工作寿命，位于赖特帕特森空军基地的美国空军试验室材料与制造处的科学家及工程师会同大学的研究人员，在超韧纳米复合材料涂层研究领域取得重大进展，这种涂层材料是将晶粒尺寸为3-5nm的碳化物或氧化物嵌入由钻石状碳或金属／陶瓷混合物组成的非晶基体中，由此所获得的纳米复合材料涂层可显著提高先进喷气战斗机用发动机的性能，并改进耐久性。纳米涂层的制备方法很多，其中热喷涂纳米涂层技术是指用纳米结构粉末(或其他形式)材料，采用热喷涂工艺技术，在基体表面制备纳米结构涂层或纳米结构复合涂层，达到强化、改性，或者赋予基体表面具有纳米材料性能的技术。与其它技术相比，热喷涂技术制备纳米结构涂层具有工艺简单、涂层和基体的选择范围广、涂层厚度变化范围大、沉积效率高以及容易形成复合涂层等优点。热喷涂制备纳米结构涂层在工业上有着广阔的应用前景，因而成为近年来研究的热点。
BCC公司2004年的市场研究报告中讨论了北美高性能陶瓷涂层技术2004年和2009年的市场份额(见图1)：在2004年，北美高性能陶瓷涂层技术的市场份额估计有11亿美元；以年平均增长率(AAGR)7．6％计算，到2009年其市场份额预计会增加到16亿美元。由于亚洲的商用和军用航行器的需求，热喷涂涂层将以年平均增长率8．5％增长。而PVD和CVD技术在未来5年内的增长率将会较低，将分别为5．8％和5．0％。由下图可知，在2004年北美高性能陶瓷涂层技术市场份额的11亿美元中热喷涂涂层占7亿美元左右，而到2009年其市场份额将占总市场份额16亿美元中的约1l亿美元。因此可以看到热喷涂涂层的市场发展前景非常大。
在目前的研究中，低压等离子喷涂、等离子喷涂、高速火焰喷涂3种热喷涂方法是形成纳米涂层的主要热喷涂方法；激光重熔法是直接喷涂法形成纳米涂层的辅助方法。热喷涂法制备纳米涂层有2个非常重要的问题需要解决。一是纳米颗粒质量轻、惯性小、比表面积大，在基材表面沉积率低，无法形成致密的涂层。因此，在喷涂前需要对纳米颗粒进行造粒处理，使其团聚成具有纳米结构的微米级粉末，然后用于热喷涂试验。二是如何抑制纳米晶在喷涂过程中长大，在涂层中保持纳米结构。
摘 要：军事装备都面临着极端的服役条件，包括腐蚀、磨损、高温等作用，以及由此造成的设备运行故障、预期寿命下降等问题，纳米涂层为更有效解决上述问题开辟了新途径。文中综述了热喷涂纳米结构热障涂层、纳米结构WC／Co涂层、纳米结构功能涂层、纳米结构自润滑涂层和纳米结构氧化物陶瓷涂层的研究进展及在外军舰艇上的应用情况，重点介绍了已用于数百种美国海军舰艇零部件上的热喷涂纳米结构Al2O3／Ti02陶瓷涂层。应用纳米结构涂层可显著提高舰船零部件的使用性能和寿命，从而增强海军的战斗力，也可创造巨大的经济效益。
关键词：纳米结构涂层；热喷涂；舰艇；军事应用
1 热喷涂纳米结构热障涂层
作为第4代防护涂层的代表，热障涂层(TBCs)是目前高温防护性能最佳、应用前景最好的表面防护涂层之一。热障涂层的应用场合较多，包括燃气涡轮发动机、柴油机等旧1。纳米结构热障涂层由于显示出更优异的性能而受到广泛的研究和应用。美国Connecticut大学的Gell教授报道了钇稳定氧化锆(YSZ)纳米涂层的试验结果。他们认为，钇稳定氧化锆纳米涂层提高热障涂层的性能的主要原因有：①减少涂层中裂纹的长度，使涂层的断裂韧性增加；②晶界光电子散射的增强，降低了涂层的热导率；③通过可控微气孔的引入，增加辐射和散射。涂层中晶界和层间的电子、光子散射和辐射的改变，加上其良好的机械性能，可望制备出新一代的热障涂层。纳米结构热障涂层具有高的结合强度和较大的应力容纳能力，可增加硬度和提高断裂韧性，涂层的组成和显微结构能长期保持稳定。
Limaol等人对大气等离子喷涂(APS)的纳米氧化锆涂层的表面粗糙度、显微硬度和弹性模量进行了研究。发现纳米氧化锆涂层的表面比较光滑，随着涂层粗糙度的降低，涂层的显微硬度和弹性模量随之增加。涂层显微硬度的提高得益于喷涂过程中熔滴好的平辅性，从而增加了彼此间的接触点的数量。ChenH．等人对APS纳米氧化锆涂层与不锈钢基材问的结合强度进行了测定，其结果为45MPa，明显优于传统氧化锆涂层与不锈钢基材之间的抗拉强度。所制备的纳米氧化锆涂层结构致密，气孔率约为7％。陈煌的另一项研究还表明：大气等离子喷涂法制备了纳米结构氧化锆涂层，显微硬度为8．6GPa，是常规氧化锆涂层的1．6倍。
Gong等人对APS纳米结构的氧化锆(孔隙率11％)：Zr02-4．5％Y203—25％Ce02涂层及传统YSZ；Zr02—8％Y203的微观结构和隔热性能进行了研究。结果表明：纳米结构CSZ主要含有t-Zr02，t-Zro82Yo18009l，t-Zr082Ce0．1802以及Ce02相，表现为2种微观结构：相互限制的纳米粒子和柱状晶结构。纳米结构CSZ涂层具有更好的隔热性能，厚度为400儿m的涂层，在1350oC，温度降低值为(155℃)比传统YSZ(99℃)增加56．6％。这是由于ce具有更大的原子质量，同时其离子半径更大，从而涂层具有更均匀的粒子尺寸和更复杂的微观结构。另外，较高的速度和再造粒喂料内外温度梯度帮助保留了纳米结构。
Wang等人的研究结果表明：大气等离子喷涂Zr02—8％Y203在1200℃热循环试验时，分别为100gm、300gm、500gm的纳米结构涂层和传统涂层的热循环次数分别为52、11、6和25、2、1。同时，抗等温氧化性能为：300岬1陶瓷面层，120um粘结层，1200oC时，纳米涂层和传统涂层经过110h增重分别为2．885ing／mm2和3．222rag／lnlTl2。粘结层的氧化速率在很大程度上影响热障涂层的抗氧化性能。Zhou等人u41首先用液相等离子喷涂法喷涂NiCrAlY粘结层，再用等离子喷涂zr02_8％Y203陶瓷层，获得纳米结构的陶瓷热障涂层，研究表明：纳米结构TBC表现出较好的抗热循环氧化性。1050℃静态空气中，300次循环后纳米结构TBC增重1．2～1．6mg／cm2，600次1h循环后有突然的质量下降。
J．F Li等采用两种粉末制备TBC，一种为研磨煅烧氧化钇一氧化锆团簇制备微米尺度块体，另一种为使用喷雾干燥将纳米尺度的粒子再造粒得到的微粒块体。研究表明使用后一种喂料可以获得较高性能的纳米结构热障涂层，其孔隙率为3．8％，HVo3为953kg／mm2，沉积效率最高可达74．1％(一般为20％-65％)，柱状晶轴向尺寸为1～3pm，直径小于100nm。
程旭东等人对液相等离子喷涂制备纳米ZrOz／Yz03的涂层的热循环性能进行了研究：将试样加热到1121℃，保温40min，然后空冷10min，不断循环至涂层受损面积50％时视为破坏，涂层最多可达1100次热循环，平均值在1000次以上。Liang等人对纳米和微米结构Zr02—3％molY203涂层的研究表明：纳米结构涂层孔隙率为9％，粘结强度为(40±5)MPa；传统涂层孔隙率为15％，粘结强度为(36±3)MPa。
吕艳红等人的研究结果表明，用大气等离子喷涂获得ZrOz一6％Y203纳米热障涂层，从室温至900℃，涂层的热导率范围为0．5565～0．6479W／(1TI．K)，涂层中存在大量未完全熔化的纳米颗粒和小孔径孔隙，对降低涂层的热导率，提高涂层的隔热性能极为有利。纳米氧化锆涂层隔热性能与晶粒度有很大的关系，随着晶粒度增大，涂层热导率升高。
热障涂层(TBC)可明显降低涡轮部件表面温度，增加燃气轮机功率，提高热效率，已成功应用于航空发动机，并将扩大应用于地面燃机、柴油机、汽车和摩托车的发动机中。因而TBC主要作业于高温大气或具有热腐蚀性的静态或动态气氛中，工作环境恶劣，易受高温氧化、热腐蚀、热冲击、流体冲蚀等多种侵害。目前等离子喷涂氧化锆热障涂层广泛应用于汽轮机热端元件如燃烧炉、传送管、叶片等。
2热喷涂纳米结构WC／Co涂层
热喷涂碳化钨／钻(WC／Co)金属陶瓷涂层是一类重要的高性能陶瓷涂层。由于其良好的硬度和韧性，广泛地应用于航空航天、汽车、冶金、电力等领域口，以增强基体金属的耐磨性能及磨损部件的修复。比如，航空发动机零件的工作条件很恶劣(高温、高转速、振动、高负荷)，又受到粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损等几种类型的磨损，发动机性能和使用寿命受到影响。在钛合金压气机叶片的阻尼台表面上喷涂一层0．25mm厚的碳化钨涂层，叶片寿命由100小时延长到上万小时。
1994年，美国Connecticut大学的B．H．Kear和RR．Strutt等人首先应用热喷涂技术高速火焰喷涂进行了纳米结构WC／10Co涂层制备研究，结果表明：利用HVOF技术不仅可以制备出具有纳米结构的陶瓷涂层，而且所制备的纳米结构WC／10Co涂层还具有较高的硬度(HVl8～19GPa)和很好的结合强度。另外，Kear和McCandlish人对纳米结构WC一23％Co涂层进行了研究，结果表明纳米结构WC一23％Co涂层的硬度比同成分的微米结构传统涂层更高，他们认为这是由于晶粒尺寸显著减小的原因。随后，纳米结构WC／Co涂层的制备引起了人们的广泛兴趣。1995年美国Inframat公司针对纳米粉的特点进行了喷涂纳米粉的喷枪设计研究及可喷涂纳米粉的研究。D．A．Stewart等人瞄圳对高速火焰喷涂条件下制备的纳米结构WC／Co涂层与常规WC／Co涂层的磨粒磨损行为进行了深入研究。研究表明，磨粒磨损条件下，纳米结构WC／Co涂层的磨损率是常规WC／Co涂层磨损率的1．4～3．1倍。引起纳米涂层磨损率上升的主要原因是喷涂过程中WC分解，生成脆性的W2C和富Co的非晶相，造成涂层中起主要抗磨作用的WC的含量减少。He等人利用高速火焰喷涂技术制备了纳米结构WC一12％Co涂层，研究结果表明纳米结构涂层与传统的微米结构涂层相比其压痕裂纹扩展抗力更大，即韧性更好。GaneshSkandan等人提出多模态尺度分布粉体的概念瞄川一一类新的制备热喷涂涂层的喂料。利用这类喂料制备出的涂层类似于混凝土，由粗的WC粒子(砾石)，纳米相WC颗粒(砂子)和Co基体(胶粘结剂)组成。纳米相熔化相对容易，为粗的WC粒子提供了好的韧性基体，而硬的粗颗粒拥有好的耐磨性能。Zhu等人采用喷雾干燥方法将纳米WC／Co粉末重新造粒成可用于热喷涂的具有纳米结构的微米级颗粒，然后采用真空等离子喷涂制备了纳米结构WC／Co涂层，涂层结构致密、气孔小且分布均匀，而且纳米涂层比传统的微米涂层有更好的耐磨性。笔者等人比圳制备了纳米结构WC一12％Co涂层，对其性能进行了研究并与商用微米结构涂层进行了对比。结果表明，纳米结构WC一12％Co涂层的硬度、结合强度和耐磨性均高于商用微米结构涂层。从现有的研究结果来看，通过合理的控制制备工艺，可以得到纳米结构的WC／Co涂层，而绝大多数的纳米结构WC／Co涂层的性能(硬度、韧性、耐磨性)都优于同成分的传统微米结构涂层。
3热喷涂纳米结构功能涂层
纳米涂层不仅在提高军事装备的使用寿命上有较大的运用，它在士兵防护服、飞行器隐身、以及某些智能装置上都有极大的运用。美国麻省理工学院和美国陆军合作建立的纳米技术研究所研制了具有防水性和灭菌作用的纳米涂层。这种纳米涂层将极大地改善士兵防护服。为适应现代高技术、立体化战争的需要，将纳米技术引入隐身材料的研究已受到世界各军事大国的高度重视，纳米吸波材料就是新涌现的一类高科技、高性能的纳米功能材料。美国已研制出一种称作“超黑粉”的纳米吸波材料，其对雷达波的吸收率高达99％，1并在B一2隐形轰炸机上成功应用，目前正在研究覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料。
用作飞行器隐身的纳米涂层对红外光和雷达波的吸收率特别高，将其用于目标表面可大大降低反射信号强度，从而起到隐身作用。用纳米材料制造潜艇蒙皮，可以灵敏地“感觉”水流、水温、水压等极细微的变化，并最大限度地降低噪声，节约能源；还能提前“察觉”来袭的敌方鱼雷，以及时规避。用纳米材料制造飞机的蒙皮，可以灵敏地“感知”各种主动式探测信号，并能主动调节表面电磁波或光波特性，从而达到自适应隐身目的。近来，麻省理工学院科学家又发明了一种光反射率仅为0．2％的涂层，比目前其他反光涂层2％-3％的反光率要低得多。这种涂层还能吸收微小的水珠，防止玻璃起雾。
国内外研究的纳米雷达波吸收剂主要有如下几种类型：纳米金属与合金吸收剂、纳米氧化物吸收剂、纳米SiC吸收剂、纳米铁氧体吸收剂、纳米石墨吸收剂、纳米Si／C／N和Si／C／N／O吸收剂、纳米金属膜／绝缘介质膜吸收剂、纳米导电聚合物吸收剂、纳米氮化物吸收剂等。
美国的SDS公司利用一种超细陶瓷球粉体，添加在普通的漆中，喷涂在飞机和车辆上，可以提高隐形能力，还可以涂覆在电子装备上来对付电子干扰。
4热喷涂纳米结构自润滑涂层
众所周知，摩擦磨损过程主要发生在固体的表面。所以，固体材料的表面性能起着非常重要的作用。使用润滑剂的主要目的就是减少摩擦。润滑油涂于表面可以有效地减少摩擦，从而降低磨损。然而应该指出，在极端条件下使用的机器和机构与年俱增。如在真空中、在低温或高温环境中工作的运动接头等。为保证这些摩擦部件在这种条件下的正常工作，有必要开发特殊的润滑材料和润滑方法。已经开发了一些在高温条件下使用的润滑剂，如象二硫化钼和石墨这类固体润滑剂，及由美国航空航天局开发的PS200和PS300复合固体润滑剂"。
研究表明：硫化物多呈密排六方晶体结构，沿底面易滑移，具有优良的减摩抗磨作用；硫化物层质地疏松、多微孔，有利于储存润滑介质；硫化物层能够隔绝金属间的直接接触，有效地防止粘着咬合的发生；硫化物层能够软化接触面的徼凸体，在运动过程中有效地避免硬微凸体对对偶面的犁削，并起到削峰填谷作用，增大了真实接触面积，从而缩短磨合时间；硫化物层的存在使接触表面形成应力缓冲区，将有效提高抗疲劳能力及承载能力。而且，硫化物在摩擦热、载荷及运动的作用下，发生分解、扩散、迁移、再生及硫化物的转移作用，产生“二次硫化”现象，增加了硫化物层的实际深度，延长了硫化物层的存在时间，有利于保持稳定的磨损阶段，即增加了涂层的使用寿命。
文中在现有沉积固体自润滑涂层技术的基础上，根据摩擦学和金属学的基本原理，利用纳米材料的优异特性，采用热喷涂表面改性技术，以形成具有优异摩擦学性能的先进纳米结构固体自润滑复合材料涂层。与其它沉积方法相比，用热喷涂方法沉积(以硫化物为主的)自润滑涂层的技术具有无污染、易操作、效率高、工件无腐蚀等优点。其更大的优越性在于适用于各种基体材料、设备简单、便于现场施工、工件没有尺寸限制，如该方法可用于大型轴类件的表面自润滑改性处理。该技术可使用于多种机械零部件的减摩耐磨固体自润滑涂层。这些零部件诸如活塞、活塞环、汽缸体、轴承、齿轮、销子、轴瓦、重载后轴柄、凸轮、凸杆，尤其是轧辊、支承轴等难以实施润滑的零部件。
表1为涂层在法莱克斯(Falex)试验机上测得的摩擦学性能。可见涂层可使承载能力提高15倍以上，还使摩擦因数降低到0．1。清华大学摩擦学国家重点实验室得到的先进纳米结构固体自润滑复合材料涂层的磨损结果也表明，由于涂层的存在可
使45钢的耐磨性至少增加20倍以上。该技术的首创性在于在国际上首次利用了纳米材料的优异特性，以特制的纳米结构的(以硫化物为主的)可喷涂复合材料粉末为喂料，并采用热喷涂技术制造以硫化物为主的自润滑涂层，从而可在多种零部件、尤其是大型零部件上形成具有优异摩擦学性能的先进纳米结构固体自润滑复合材料涂层，这是其它现有技术无法比拟的。
5热喷涂纳米结构氧化物陶瓷涂层
刚刚进入21世纪，美国海军宣布一种革命性的新涂层一纳米结构的热喷涂陶瓷涂层已通过多方各种检验和试用，获得了美国海军的应用证书，并被广泛应用于军舰、潜艇、扫雷艇和航空母舰设备上的近百种零部件(包括潜艇上的进气和排气阀件，潜艇舱门支杆，航空母舰用电机和油泵的轴，扫雷艇上的主推进杆，气体透平机的螺旋泵转子和燃料泵部件等)。这是纳米结构的热喷涂涂层首次获得实际应用。目前，该纳米陶瓷涂层已经用于数百种美国海军用的零部件上。作者王铀博士是这种涂层技术的发明人。这种涂层是由Inframat公司生产的，是一种氧化铝／氧化钛陶瓷涂层，晶粒尺寸在10～40nm范围内，是传统的涂层晶粒尺寸的百分之一。与传统的涂层相比，这种涂层韧性更高。这种纳米陶瓷涂层具有十分优异的强韧性能、耐磨抗蚀性能、抗热震性能及良好的可加工性能。大量实验室和工业现场试验数据表明：所开发出的纳米结构氧化铝／氧化钛陶瓷涂层比目前广泛使用的同类商用涂层(美科130涂层)有着高出1倍的韧性，高出4-8倍的耐磨性，高出1-2倍的结合强度和抗热冲(热震)性能和高出约10倍的疲劳性能，详见表2。2000年，这种热喷涂纳米结构A1203／Ti02陶瓷涂层已远远超过美国海军技术标准1687A的要求，获得了美国海军应用证书。2001年，该纳米涂层技术获得了“世界研究开发百项奖”晡叫(美国媒体称此奖为“应用发明诺贝尔奖”和“研究开发奥斯卡奖”)和美国国防部“军民两用先进技术奖。图2给出了这种纳米结构陶瓷材料涂层的SEM和TEM照片，可以看到涂层具有独特三维网络结构和明显的纳米尺寸晶粒扭引。
纳米A1203／Ti02涂层最普通的用途是替代常规陶瓷涂层。在这种情况下，其优势主要表现在较长的使用寿命和可靠性。此外，它还是硬铬镀层的替代品，这里其主要优势是廉价和避免有毒性材料的使用，与电镀硬铬涂层在处理环境方面的费用消耗相比其成本减少约60％。而在某些场合下则具有更加优异的性能，其性能优化主要来自于陶瓷的非金属性质。尽管常规陶瓷涂层也具有上述优势，但因其低的结合强度和韧性制约其在替代金属涂层上的推广，而纳米陶瓷复合涂层则克服了上述缺陷。最特殊的应用则来自于它能应用于原来没有实施涂层的地方。比如，远洋船舶上的长期承受扭转应力的传动轴，如果使用常规涂层，则会很快失效。而纳米A1203ffi02涂层由于具有优异的承受扭转应力性能成为解决某些轴类严重磨损的可行方案。另外，这种纳米陶瓷涂层解决了一系列栓于钢结构上和浸没在盐水中的钛合金门遭受腐蚀的问题。对于潜水艇上控制水流的球阀和控制潜水和表面再修复的水泵零件，遭受的是金属一金属磨损，更换这些部件需要将潜艇壳截开，这是很昂贵的。应用此技术可以通过明显提高耐磨抗蚀性能从而减少寿命周期成本。
在实际应用过程中，高韧性就会使陶瓷材料具有更高的耐磨性，该纳米陶瓷涂层的耐磨性较常规涂层高4倍以上。改善涂层韧性的另一项益处就是易于加工。因为陶瓷在喷涂过程后通常要进行磨削和抛光。纳米涂层较常规涂层在后续处理中所花费用减少一半，因为磨削和抛光的费用占据了涂层费用的40％而所加粉末仅占5％，所以说纳米涂层因其价廉的优势会得到更多的采用。
在美国政府国家纳米(NNI)网站、美国国防部网站、美国海军网站或美国国家航空航天局网站，甚至有些其它的纳米网站，都可以找到关于这一纳米陶瓷涂层应用的报道或介绍。2002年，在美国国防部先进材料和加工技术情报分析中心季刊的纳米特集上刊载了共10篇文章，第一篇是美国国家纳米技术协调办公室主任JamesMurday对世界范围纳米研究的评述文章，其中就特别以这种纳米陶瓷涂层技术作为纳米投资早期回报的范例。还有一篇则是美国海军研究办公室项目审批官员Lawrence Kabacoff博士专门介绍这种纳米陶瓷涂层的文章。
Lawrence Kabacoff博士提到，这种涂层比普通涂层的结合强度更高，而且可以和所覆盖的材料一起变形。这一点对在极端环境和战争中工作的武器系统来说是很重要的，比如将会受到深水炸弹袭击的潜水艇。此外，美国海军的扫雷艇更需要应用此种纳米陶瓷涂层。
到2002年，美国海军已经将此项技术应用于诸多领域，包括进气管和潜水艇的排气阀(exhaust valves forsubmarines)，预期在未来十年内由于应用此技术每只船可以节省40万美元，总共将可节省2000万美元。此技术还用在了美国军舰乔治·华盛顿(USSGeorge Washington’S)的电动车和油泵轴上，并且将应用在水雷侦察舰(mine countermeasure ships)的主推进轴上，从而每只船每年可节约100万美元。DOD(Department of Defense)估计在通气管阀门上应用此涂层在10年内将减少2000万美元的维修费用。一位来自美国马里兰州海军水面作战中,t∑,(NavalSurface WarfareCenter)Carderock分部的海军工程师当时正试图将此纳米涂层技术应用于其它5个主要的舰船部件上，估计每年将会节约1000万美元的年度维修费用。由于应用此技术可减少潜水艇、舰船和航行器的总成本，因此其军事应用前景良好。
图3所示的部件是舰船上80t空气调节机组的减速齿轮装置。箭头所指处为施加涂层的区域。现在舰船上齿轮平均每6年更换一次，使用新型纳米陶瓷涂层后，不仅可延长更换时间，而且在发生磨损后还可以修代换，仅需要将损伤部位磨平喷涂纳米A1203FFi02涂层即可。据估算，仅此一项每年则可以为美国海军节省50万美元，按每只船舶使用寿命为30年来计算，则整个项目可以节省1300万美元的支出。若再考虑水泵、阀门，电机、内燃机、轴承、颈轴、传动装置，则由此节省的成本就相当可观了。
这种纳米结构热喷涂陶瓷涂层具有广泛的用途，可以应用的零部件包括(但不局限于)：潜水艇和舰船零部件、汽车和火车零部件、航空器零部件、金属轧辊、印刷卷辊、造纸用干燥轧辊、纺织机器零件、液压活塞、水泵、内燃机和汽轮机零部件、阀杆、阀门、活塞环、汽缸体、销子、支承轴、支撑板、挺杆、工具模具、轴瓦、重载后轴柄、凸轮、凸杆和密封件等。表3给出了一些美国海军舰船上应用的热喷涂纳米氧化物陶瓷涂层。图4则示出了两个经过热喷涂的纳米结构陶瓷涂层的美国海军潜艇部件。
这种纳米结构陶瓷涂层技术可以明显提高舰船、航天器和陆地车辆所用零部件的寿命，从而可为军事工业和民用工业每年节约数百亿美元的维修和替代费用。
当然，这项纳米涂层技术并非军事专用，民用前景更广。Warren泵公司(WarrenPump)用此技术制造商用燃气涡轮的螺杆泵转子和供油泵，印刷业的水压机辊上也使用了此技术。Inframat公司已经成立了一家新公司Nanopac，为的是希望将此技术应用在柴油机上。应用此技术可以延长从私人轿车到工业重型机械上运动机件的寿命。
现在，作者已将该技术带回国内并进一步创新。2006年11月底，中国船舶重工集团公司规划发展部在西安主持召开了“高性能精细纳米陶瓷喷涂材料研究”项目验收暨技术鉴定会。以著名科学家张立同院士为主任委员的项目验收暨鉴定委员会认为该项目技术先进，取得了多项创新成果，成功解决了陶瓷涂层韧性低和抗热震能力差的两大难题，与处于世界领先水平的美国海军在用的热喷涂纳米结构陶瓷粉体材料相比，主要性能达到了同等水平。这可为提高我军舰船装备水平提供技术支撑。
6展望
目前，对热喷涂纳米结构涂层的研究，主要集中在涂层的制备和表征以及涂层摩擦学、热学和电学性能方面的研究。由于热喷涂制备纳米结构涂层的研究时间还不长，从喷涂用纳米粉的生产到涂层的设计、制备、表征，以及热喷涂过程粉末颗粒的熔化机理、涂层的应用都需要进一步地探讨和研究。与传统涂层相比，纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障和抗热疲劳等方面会有显著改善，且部分涂层可以同时具有上述多种性能。热喷涂技术是制备纳米结构涂层的一种有效方法，在军事工业领域有着广阔的应用前景。
参考文献略
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