摘要：从超音速等离子喷涂工艺特点和涂层耐磨性能方面综述了超音速等离子喷涂耐磨涂层的研究进展。总结了超音速等离子喷涂技术在航空航天、石油机械等零部件制造和修复中的应用，并展望了超音速等离子喷涂的发展方向。
关键词：超音速等离子喷涂；耐磨涂层；耐磨性能
０ 引言
热喷涂技术是一种将涂层材料（粉末或丝材）送入某种热源（电弧、燃烧火焰、等离子体等）中加热至熔化或半熔化状态，并利用高速气流将其喷射到基体表面形成涂层的工艺。热喷涂技术包括火焰喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和激光喷涂等多种工艺［１，２］。其中超音速等离子喷涂（Ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｌａｓｍａ ｓｐｒａｙｉｎｇ，ＳＡＰＳ）［３，４］是２０世纪９０年代开发成功的新型热喷涂技术，其主要原理是借助超音速等离子射流，将入射其中的喷涂粉末熔融颗粒加速到音速以上（根据粒子的密度、尺寸和形状不同，速度大致在４５０～９００ｍ／ｓ）［５］，故其具有焰流温度高、粒子飞行速度快、沉积效率高、涂层质量好等优点。由于粒子的速度相对于传统等离子有大幅度提高，因而形成涂层的致密性和结合强度提高。
１ 超音速等离子喷涂的工艺特点
研究表明，影响涂层质量的关键因素之一是喷涂粒子的飞行速度［６，７］。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。超音速等离子喷涂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。粉末被送入能量密度更高、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。
与普通等离子喷涂（喷涂粒子速度２００～４００ｍ／ｓ）相比，超音速等离子喷涂的突出优势就是射流的速度高（４５０～９００ｍ／ｓ），涂层结合强度、致密性和孔隙率都有所改善。表１为多种热喷涂工艺的热源温度和粒子速度，可知与传统喷涂技术（火焰粉末喷涂、火焰丝材喷涂、爆炸喷涂）相比，ＳＡＰＳ喷涂粒子温度更高，可以更完全地熔融喷涂颗粒，使制备得到的涂层具有更好的结合强度和较小的孔隙率。与大气等离子喷涂（ＡＰＳ）相比，ＳＡＰＳ使得粒子可获得高速（使颗粒获得较高的动能），以超音速撞击基体达到与基底的紧密结合，从而提高涂层和基底的结合强度。
王海军等［８］采用大气等离子喷涂、超音速火焰喷涂和超音速等离子喷涂制备ＮｉＣｒ／Ｃｒ３Ｃ２涂层，实验结果表明超音速等离子喷涂和超音速火焰喷涂技术制备得到的涂层具有更高的致密性、硬度和结合强度。在高温摩擦测试下，超音速等离子喷涂和超音速火焰喷涂涂层的摩擦因数均低于等离子喷涂涂层，表现出更好的耐磨性能。虽然超音速火焰喷涂和超音速等离子喷涂制备出的涂层在综合性能方面相差不大，都具有良好的综合性能，但是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，延长零件的使用寿命。王海军［９］研究分析了超音速等离子喷涂与ＨＶＯＦ（高速氧燃气焰）喷涂ＷＣ－Ｃｏ涂层的冲蚀磨损性能，结果表明超音速等离子喷涂制备的涂层更为致密，涂层与基体结合紧密，界面没有明显缺陷。组织结构分析表明，超音速等离子喷涂涂层的质量优于ＨＶＯＦ涂层。涂层力学性能实验结果显示，超音速等离子喷涂涂层表面和截面显微硬度高于ＨＶＯＦ涂层，超音速等离子喷涂的涂层孔隙率、结合强度和冲蚀质量损失均有所改善。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。
２ 超音速等离子喷涂涂层的耐磨性能
喷涂涂层的耐磨性能主要取决于涂层成分、相组成、粒度与含量。涂层的耐磨性能还与涂层的结合强度、硬度、孔隙率，涂层颗粒大小及碳化物颗粒大小和含量等因素有关。结合强度高、硬度高、孔隙率小且含有一定数量细小碳化物颗粒的涂层具有较好的耐冲蚀磨损性能。耐磨层材料一般包括陶瓷和金属合金。Ｃｒ２Ｏ３基陶瓷涂层具有优异的高温稳定性、耐化学腐蚀性、高硬度和低摩擦因数，因此，在高温、腐蚀和磨损环境中可作为一种有效的表面防护手段［１０－１３］。张建等［１４］采用超音速等离子喷涂技术在纯铜基体上制备Ｃｒ２Ｏ３－Ｎｉ－５％Ａｌ（质量分数）陶瓷涂层。涂层断口形貌为典型的片层状组织，在涂层的抛光截面上可见紧密的富铬带均匀分布；Ｃｒ２Ｏ３涂层的孔隙率为１．２％，显微硬度为１６４０ＨＶ０．３；涂层在室温下的摩擦因数约为０．４，其磨损机制为磨粒磨损。通过比较基体与涂层试样的摩擦因数变化，可知耐磨性能的提高主要是喷涂后涂层在不同阶段有不同的机理，在跑合阶段表现为减磨润滑，在稳定磨损阶段与基体相当，在严重磨损阶段表现为硬质耐磨。
郭永明等［１５］采用超音速等离子喷涂制备了ＮｉＣｒ－Ｃｒ３Ｃ２／Ｍｏ复合涂层，实验结果显示，制备的ＮｉＣｒ－Ｃｒ３Ｃ２／Ｍｏ复合涂层Ｍｏ相分布均匀，组织致密，硬度高；温度对涂层的摩擦系数影响显著，随温度的升高，摩擦系数呈先下降后上升再下降的趋势，７５０℃时因摩擦界面生成ＭｏＯ３减摩相使摩擦系数最低；ＮｉＣｒ－Ｃｒ３Ｃ２／Ｍｏ复合涂层在高温下以氧化疲劳剥落为主要失效机制，涂层表面复合氧化膜的形成特点将直接影响涂层的摩擦磨损性能，ＭｏＯ３的形成是显著提高涂层减摩效果的主要因素。王海斗等［１６］用超音速等离子喷涂技术制备了ＮｉＣｒＢＳｉ涂层，并对涂层的组织性能进行了综合分析，发现ＮｉＣｒＢＳｉ涂层的组织结构致密，孔隙率较低，但是内部仍存在少量的孔隙和夹杂；涂层与基体的结合强度接近５０ＭＰａ，涂层具有很好的耐磨性和优异的力学性能；涂层内部分布着拉应力状态的残余应力，其随着与涂层顶部距离的增加而逐渐降低。大气等离子喷涂在制备金属或者金属陶瓷涂层时，在层状结构的界面区域存在少量的氧化物条带，影响着层状结构之间的结合强度，进而影响涂层的耐磨性能。
研究发现涂层耐磨性能与超音速等离子喷涂工艺参数密切相关，其中影响较大的因素有喷涂距离、送粉量、功率等。鲍君峰等［１７］研究了工艺参数对超音速等离子喷涂ＷＣ－Ｃｏ涂层性能的影响，结果表明：喷涂距离和送粉量不变时，粒子平均温度和平均速度随功率增加而增加；功率和送粉量不变时，粒子平均温度和平均速度随喷涂距离的增加而降低；喷涂距离不变时，粒子速度随送粉量的增加呈先增后减的趋势；粒子温度随送粉量的增加而下降；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较大，粒子温度随电流的增大而升高；粉末粒子飞行的速度和温度越高，涂层致密性和硬度越大，耐磨性能越好。
谢兆钱等［１８］研究了超细ＷＣ－１２Ｃｏ涂层，发现不同工艺参数下涂层组成相有所区别，超细ＷＣ－１２Ｃｏ粉末喷涂时易被氧化、失碳，所以必须通过调节气、电参数，使超细ＷＣ－Ｃｏ在焰流中停留的时间相对更短，焰流温度更低。
ＷＣ－１２Ｃｏ涂层脱碳程度越低，耐磨性能越好。另外，工艺参数随喷涂材料颗粒变化而有所差异。鲍君峰等［１９］用超音速等离子喷涂获得３种ＷＣ－１２Ｃｏ粉末（烧结破碎、喷雾干燥和团聚烧结）涂层，研究表明用喷雾干燥ＷＣ－１２Ｃｏ粉 末 制 备 的 涂 层孔隙率（０．８６％）最低、显微硬度（１３３６ＨＶ０．１）最高、氧化失碳（０．９２％）最轻，显示出最好的耐磨性和综合性能。此外，采取一些后处理工艺如激光重熔、热处理、离子注入等可以提高涂层的内聚强度和力学性能，进一步提高涂层的使用性能，改善涂层耐磨性能。召煜等［２０］在４５钢基体上超音速等离子喷涂ＦｅＣｒＢＳｉ涂层，研究了２００～８００ ℃热处理对涂层的残余应力状态的影响。结果表明，随着退火温度的升高，涂层表面残余拉应力下降，残余应力由拉应力变为压应力；涂层的压应力值随着退火温度的升高而不断变大；适当的热处理工艺可以有效地降低涂层表面残余应力，提高耐磨性能。当退火温度在２６０℃左右时，涂层表面残余应力从拉应力转变为压应力，且压应力值随着退火温度的升高而不断增大，温度升高到大约４００ ℃以上时，压应力保持在８０ＭＰａ左右。张光胜等［２１］采用离子注入技术对Ｃｒ２Ｏ３涂层表面进行氮离子注入处理，发现氮离子注入后Ｃｒ２Ｏ３涂层的显微硬度有所提高，表面残余压应力增加，表面粗糙度降低。氮离子注入使涂层表层产生大量的间隙原子，减少了空位缺陷，起到了钉扎位错网络与裂纹的作用，减少了粘着磨损；同时离子注入使表层具有较大压应力，对磨损过程中裂纹的扩展具有抑制作用，从而降低了磨损量。另外Ｃｒ２Ｏ３涂层内部少量气孔的存在有利于润滑油的贮存和油膜的形成；注入层内形成了大量细小弥散分布的硬质析出相ＣｒＮ和Ｂ－Ｃｒ２Ｎ等，从而提高了Ｃｒ２Ｏ３涂层材料的磨损性能。
３ 超音速等离子喷涂工艺的应用
超音速等离子喷涂处于国际热喷涂技术的前沿，由于其等离子体射流速度通常可达到音速的５～８倍，远高于普通亚音速等离子喷涂，而射流速度的提高使其可以制备各种高密度、高质量的难熔金属和陶瓷涂层，特别是可以有效改善陶瓷涂层的致密性、韧性和结合强度，在航空航天、军事等领域具有广阔的应用前景，因而成为目前国际热喷涂界研究的热点之一。
目前，超音速等离子工艺在航空发动机与燃气轮机中成功应用于制备金属结合层与氧化锆陶瓷构成的热障涂层体系（ＴＢＣｓ）。由于热障涂层在使用过程中将发生氧化锆涂层的脱落而失效，致使寿命有限。采用“双通道、双温区”超音速等离子喷涂制备的新ＧＴＢＣｓ涂层［２２］，其内部合金与陶瓷成分连续变化，无明显内界面，涂层的抗热震性能大幅度提升。
超音速等离子喷涂工艺在造纸业中应用也相对比较广泛。瓦楞辊在造纸业的使用比例相当大，由于生产过程中，重压下参与啮合的只是齿的顶部和沟部一段很小的范围，相对滑动率很大，齿顶齿根磨损相当严重，目前瓦楞辊在制造材料的选择上已发挥到极限，但通过高效能超音速等离子喷涂ＷＣ－Ｃｏ涂层对磨损报废的瓦楞辊进行修复、硬化和耐磨处理，可使再制造处理的瓦楞辊性能超过新品，而且工艺简单、成本低，修复成本仅为新品的１／２～１／３。为了提高钢厂使用的各种高温炉辊的耐高温、耐磨损性能，通常采用热喷涂方法制备陶瓷涂层，目前高温段（高于８５０℃）辊子表面的涂层在很大程度上还依赖进口。国内通常采用爆炸喷涂技术制备涂层，但该技术喷涂效率太低。如果采用高效能超音速等离子喷涂技术，喷涂效率可比爆炸喷涂技术提高５～６倍，涂层质量与爆炸喷涂相当，而且还可以喷涂爆炸喷涂无法制备的高温耐磨陶瓷涂层。
徐滨士等［２３］用装备再制造技术国防科技重点实验室研究开发的ＨＥＰＪｔ高效能超音速等离子喷涂系统在坦克某磨损零部件表面制备了１２Ｃｏ－ＷＣ涂层［２４］，其在油润滑条件下耐砂粒磨损性能极为优异，无论砂粒尺寸如何变化、润滑油中砂粒含量有何不同，其耐磨性均明显优于原始基体。利用超音速等离子喷涂技术制备了用于坦克摩擦副耐细砂磨损涂层及Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＯ２纳米结构耐磨涂层，喷涂层很好地满足了再制造装备的耐磨、耐蚀等要求。泵、缸、阀是组成液压和气动系统的基本单元，在使用中磨损和介质腐蚀一直制约着其使用寿命。这些部件通常要求有较高的精度和较低的表面粗糙度，因而用常规方法难以获得性能优良的涂层。有文献报道超音速等离子喷涂涂层经磨削后精度和表面质量均较高，利用超音速等离子喷涂技术对泵轴进行强化和修复可以取得显著效果。
４ 结语
超音速等离子喷涂技术由于具有高温、高速的独特优点，且制备的陶瓷涂层结合强度和致密度高、孔隙率低，具有优良的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化和热冲击性能，已成为一些发达国家竞相研究的热点。但是超音速等离子喷涂也有其自身难以克服的缺点：
（１）超音速等离子喷涂工艺的影响因素较多，喷涂前需进行工艺参数的优化，有些最优工艺参数很难控制。影响超音速等离子喷涂的工艺参数主要有电弧功率、送粉量、气体流量、喷涂距离、喷枪移动速度以及基体金属的温度等。
（２）要求喷涂粉末的粒度细，粒度分布狭窄。由于超音速等离子喷涂大幅度提高了喷涂过程中颗粒的飞行速度，火焰温度又较低，粉末被加热时间仅有数千分之一秒，因此对喷涂粉末的粒度及分布要求很高。
（３）超音速等离子喷涂设备在喷涂参数适宜的情况下一般采用高电压运行方案，喷嘴寿命不长。
（４）能耗高，因而涂层成本高，另外喷涂时噪声较大。为改善喷涂工艺，提高超音速等离子喷涂效率，今后的发展方向是：
（１）开发智能化的超音速等离子系统设备，简化设备操作流程，固定喷涂工艺，以获得性能稳定、质量更加优良的涂层。
（２）对喷涂工艺参数不断优化，力求得到最佳涂层制备工艺参数。工艺参数的选择对涂层耐磨以及综合性能有较大影响，不合理的工艺参数会降低涂层结合强度，改变涂层相组成进而缩短涂层的使用寿命。
（３）热喷涂产业链是个完整的系统，喷涂原料的自主制造、喷枪和控制系统的整体设计、工业化实践等应通盘考虑。必须完善超音速等离子喷涂理论研究，实践在理论为指导的前提下方能得到满意的成果。因此，要不断完善超音速等离子喷涂理论研究并用它指导超音速等离子喷涂在实际中的应用。
（４）加大产学研联合力度，关注超音速等离子喷涂在航空、新能源、半导体、生物工程等高新技术领域的应用，促进热喷涂产业的优化和产品结构调整。
参考文献略
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