陶瓷喷涂简介

精密陶瓷主要为高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等烧结材料。

其原材料是经过一系列人工合成或提炼处理过的化工原料。

采用超精微细粉体（亚微米及纳米微粉）经超高温高压烧结后制成。

具备优异的耐高温、耐磨、耐腐蚀、绝缘等特性，在许多重要领域得到了越来越广泛的应用。

三氧化二铝陶瓷氧化铝为主要成分，有较好的绝缘性和耐磨性能，价格便宜。

作为精密陶瓷材料的代表，使用较为广泛。

高纯度的氧化铝（纯度99%上）适用于制作半导体制造设备部品。

主要用途半导体制造装置腔体内部品;搬送部品;液晶制造装置用品;真空装置用品;一般产业机械用部品等;氧化锆陶瓷氧化锆为主要成分，有其他材料无法达到的强度和破坏韧性。

适用于高腐蚀，高强度的环境。

主要用途半导体搬送用轨道；轴承部品；工业用到刀具等；氮化铝陶瓷具有很好的热传导性、绝缘性、防热、耐热冲击性。

可被用作防热耐热材料。

主要用途半导体制造装置用部品；防热性基材等。

碳化硅陶瓷碳化硅是硬度仅次于金刚石的材料比其他陶瓷材料有更好的耐热性、耐磨损性，在特别高温度的情况下（1700℃）其强度不会降低，属于高温构造材料。

在许多重要领域具有广泛应用。

主要用途半导体制造装置用品；燃烧器喷嘴等；氮化硅陶瓷与氧化铝相比，其高温强度，耐热冲击性更佳，作为耐热符合构造材料广泛应用。

主要用途半导体制造装置用部品；燃烧喷嘴；熔接治具等一、概述采用热喷涂技术不仅能提高机器设备的耐磨损性、耐腐蚀性、耐侵蚀性、热稳定性和化学稳定性，而且能赋予普通材料特殊的功能，诸如高温超导涂层、生物涂层、金刚石涂层、固体氧燃料电池（SOFCs）电极催化涂层等，因此，热喷涂技术必然会愈来愈引起人们的重视，并在各个工业领域获得越来越广泛的应用。

但是，实际零部件因其材质、形状、大小及其应用环境、服役条件等存在很大差别，要想成功采用热喷涂涂层来解决所面临的技术问题，必须遵循特定的过程，其中，最重要的有以下五个关键过程。

1．准确分析问题所在，明确涂层性能要求；2．合理进行涂层设计，包括正确选择喷涂材料、设备、工艺及遵循严格的涂层质量性能评价体系等；3．优化涂层制备工艺；4．严格控制涂层质量；5．涂层技术的经济可行性分析。

涂层设计起着承上启下的作用，是采用热喷涂技术成功解决实际问题的基础，是所有环节中最重要的环节之一，在进行涂层设计时要考虑涂层所涉及到的各个环节，具有明显的系统特性。

因此，为了获得满足使用性能要求的涂层，在进行喷涂前，必须进行周密、合理的涂层设计。

热喷涂涂层设计的主要内容包括：第一，根据零部件表面所处的工况条件或对已经发生表面失效的零部件的分析结果，确定零件表面涂层或表面涂层体系的技术要求，包括结合强度、硬度、厚度、孔隙多少及大小、耐磨性、耐蚀性、耐热性或其它性能等；第二，运用所掌握的热喷涂技术基础知识（包括喷涂材料、喷涂工艺、涂层性能等），进行经济技术可行性分析，以满足性能要求为基础，考虑涂层经济性，进而选择恰当的喷涂材料、设备及工艺方法；第三，编制合理的涂层制备工艺规范；最后，提出严格的涂层质量检测与控制标准、零件包装运输条件等。

现在，更为严格的要求甚至包括对喷涂原材料生产厂商提出全面质量管理要求。

所有上述内容构成一个完整的热喷涂涂层设计的全过程。

需要特别指出的是，热喷涂涂层的性能虽然主要取决于喷涂材料的性能，但还明显受到所选定的喷涂设备和喷涂工艺的影响。

同一种喷涂材料，当采用不同的喷涂设备、不同的喷涂工艺参数进行喷涂时，所得涂层的性能会存在很大差别。

此外，涉及制备涂层的其它各个环节都会决定最终的涂层性能，如表面预处理、冷却措施、涂层加工等，因此，只有对制备涂层的各个过程进行全面的质量控制，才可能获得性能满足要求的、质量稳定的涂层。

二、零件工况分析零件工况分析是热喷涂涂层设计的基础，要获得经济、高效、高质量的涂层，首先必须对零部件的性能要求及工况条件进行准确分析，为选择涂层种类和材料提供依据。

根据失效分析理论，失效模式分析是失效分析的核心内容，是导致零部件失效的物理和（或）化学变化过程，在该过程中，零部件的尺寸、形状、状态或性能发生了变化，并由此引起整个机械产品的失效，例如，磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效等。

而决定零部件失效模式的主要因素包括零部件材料的性质和状态等内在因素和零部件工况条件等外在因素，其中，引起零部件失效的外在因素，即应力、环境和时间，是失效的诱发因素，通过零部件工况条件的深入分析可以了解清楚这些因素。

1．应力因素力是零部件工作的条件。

应力的种类、大小与状态的不同组合是引起不同失效模式的重要的或决定性因素。

应力种类包括持久、交变、冲击、接触、磨擦、冲刷等；应力状态包括单纯的拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲等应力和复合作用的拉弯、压弯、弯扭、拉扭、拉剪、弯剪、扭剪等应力。

应力因素可以单独、也可以与其它因素耦合在一起来诱发零部件的失效。

2．环境因素环境因素主要包括温度和介质两大因素。

工作温度一般可分为低温、常温、中温、高温和超高温五类；工作介质包括气相（真空、特殊气体、乡村大气、城市大气、工业大气等）、液相（淡水、海水、油、酸、碱、液态金属等）、固相（接触、摩擦、冲刷等）等。

环境因素与应力因素一样，既可以单独、也可以与其它因素耦合在一起来诱发零部件的失效。

3．时间因素时间不能作为独立因素来诱发失效产生，没有应力和环境因素的存在，时间因素就失去了意义。

但是，当时间因素与应立因素和环境因素耦合在一起时，它就变成一个非常重要的因素。

上述各种不同外界因素对零部件的失效起着各不相同的影响，从而产生不同的失效模式，各种主要失效模式与最主要、最典型的诱发因素之间的关系可参见相关资料。

在进行热喷涂涂层设计时，要特别注重对零部件表面失效产生影响的因素进行重点分析，这些因素可能单独作用于零部件，也可能耦合作用于零部件，而在耦合作用下，对零部件的破坏作用要严重得多。

例如，醋酸泵柱塞表面涂层，该涂层使用工况要求既耐磨损又耐腐蚀，如果不考虑醋酸腐蚀仅考虑提高耐磨性能，采用超音速火焰喷涂WC/Co、Cr3C2-NiCr类涂层均能满足要求，但该类涂层在醋酸条件下的耐腐蚀性能均被列为“不好”和“不推荐”涂层，因此，综合考虑，不能选用该喷涂材料及工艺来制备醋酸泵柱塞表面涂层。

除了上述外在因素，零部件材料的性质和状态等内在因素也对零部件的失效有重要影响，因此，在具体分析时，要把零部件工况条件与零部件性能要求以及不同基体材料与不同工艺、不同喷涂材料与不同喷涂工艺所制造的零部件性能结合起来，才有可能设计出高质量的、合理的涂层。

三、粘结底层材料选择当需要在金属基体上喷涂陶瓷涂层工作层时，由于陶瓷涂层材料在化学键、晶体结构和热物理性能等方面与金属材料存在相当大的差别，有必要先在金属基体上喷涂一层合金粘结底层，提高表面陶瓷涂层与基体金属之间结合强度的同时，还可以缓解两者之间热物理性能的差别。

在基体尺寸形状或结构难于进行喷砂或粗化处理时，也推荐采用粘结底层。

此外，对于工作层虽然为金属，但其热物理性能与基体金属相差较大，或两者的润湿性很差时，也推荐采用粘结底层。

1.常用粘结底层材料的性能要求一般来讲，作为粘结底层喷涂材料应具有以下四方面的性能特点：(1）与基体表面结合强度高，甚至能产生微区冶金结合。

特别是具有“自粘结”效应的Ni-Al型复合粉末，在热喷涂过程中，Ni与Al能发生化学反应，生成金属间化合物，并释放出大量热量，甚至这一反应过程能够持续到粉末碰撞到基体表面时仍在进行，该效应十分有利于变形粒子与基体表面形成微区冶金结合，从而提高粘结合底层与基体之间的结合强度。

(2）具有抗氧化耐腐蚀能力。

特别是作为陶瓷涂层的粘结底层，当在高温下工作时，环境中的氧气和腐蚀介质能够通过陶瓷涂层的孔隙侵入到粘结底层，这就要求粘结底层在高温下能形成致密的氧化物保护膜，以保护基体金属不被氧化和环境介质的腐蚀。

(3）涂层表面具有合适的粗糙度，它不仅能为喷涂工作层提供良好的粗化表面，有利于提高工作层与粘结底层之间的结合强度，而且对工作层表面的粗糙度也有直接影响。

(4）具有合适的热物理性能，特别是热膨胀系数、热导率等，最好介于基体材料和工作层之间，以减小两者之间的热膨胀不匹配性，降低涂层内的热应力和体积应力，有利于提高涂层的使用寿命。

鉴于粘结底层的重要性，在进行涂层设计时，应综合考虑基材热物理特性和具体工况条件谨慎选择。

2.粘结底层材料选择方法多层结构示意图多层结构热膨胀行为示意图有的多层结构则具有多种功能，例如，为了显著提高汽轮机用热障涂层的使用寿命和工作可靠性，Leed等人提出在金属粘结层和热障涂层之间增加阻止氧扩散涂层，并在金属粘结层和阻止氧扩散涂层、热障涂层和阻止氧扩散涂层之间增加梯度过渡层，以阻碍氧扩散到金属粘结层，形成脆性的金属-陶瓷界面，4．梯度结构在热障涂层中，由于粘结层金属和氧化锆陶瓷的热膨胀系数差异较大，这种差异将导致涂层内应力过大，并且在热循环条件下常发生陶瓷涂层的早期破坏。

为了减小内应力，提高涂层与基体的结合强度，材料科学家开始在常规热障涂层中引入功能梯度材料制备技术。

日本学者新野正之、平井敏雄和渡边龙三首先提出了FGM的概念，与此同时，中国学者袁润章等也提出了FGM的概念，并率先在国内开展了这方面的研究。

FGM的设计思想是针对两种或两种以上性质不同的材料，通过连续改变其组成、组织、结构与孔隙等要素, 使其内部界面消失，得到性能呈连续平稳变化的新型非均质复合材料。

借助功能梯度材料的概念，使热障涂层结构梯度化，相应地，热膨胀系数将沿涂层厚度方向逐渐变化，从而缓和涂层制备过程中和热循环使用过程中产生的热应力。

梯度功能材料为金属/陶瓷涂层材料无法解决的热应力缓和问题提供了一种有效的方法，这为热障涂层的应用带来了令人兴奋的前景，因此倍受世界各国材料界的重视。

德国与美国继日本之后也开始大规模的研制，我国也将此研究列入了“863”计划，短短十几年中，迅速发展取得了令人瞩目的成就。

航天、航空、飞机、卫星、运载火箭等需要耐超高温的热屏障材料，核反应堆、发动机用耐热材料、热遮蔽材料，使用FGM热障涂层后可大幅度提高热效率。

国内已经对功能梯度热障涂层的抗热震性能进行了研究，王富耻等人对等离子喷涂方法制备的ZrO2-NiCrAl 系梯度热障涂层在瞬态热负荷下的破坏机理进行了研究，指出：陶瓷面层除了冷却过程中的径向拉力超过陶瓷材料的强度导致涂层破坏的模式以外，在加热的过程中陶瓷层间界面出现大的轴向拉伸应力，最终可以导致涂层剥落。

朱景川等人对ZrO2-Ni系梯度热障涂层的热冲击与热疲劳行为进行了研究，结果表明：ZrO2-Ni系梯度热障涂层的抗热冲击参数呈梯度分布，热冲击破坏符合热疲劳损伤机理，裂纹的准静态扩展为其控制因素；热疲劳裂纹在梯度层内以微孔聚集、连接方式萌生和扩展，而在梯度层间无横向贯穿裂纹，克服了传统涂层的热应力剥落问题。