纳米陶瓷涂层的性能及应用

性能和

纳米陶瓷涂料的应用， 席玉林， 王启红， 王国洋 中国船舶重工集团公司725研究院， 河南 洛阳471039）与微米级陶瓷涂层相比，纳米陶瓷涂层具有更细腻均匀的分散性，晶界数量显着增加，其硬度、韧性、耐磨性、粘接强度、耐腐蚀性、密度等方面都有明显提高，已在航空航天、造船、化工等工业领域得到应用。本文介绍了纳米陶瓷涂层的性能和应用。关键词：纳米结构;陶瓷涂层;性能;应用图分类号：TQ1174.7516 文档识别码：A 随着纳米技术的发展，纳米技术与涂层技术的结合为后者的发展带来了巨大的活力。传统陶瓷材料一般具有脆性高、抗热震性低的缺点，这在很多场合限制了陶瓷材料的使用。由于晶粒的细化，纳米陶瓷的晶界数量大大增加，材料的强度、韧性、超塑性等性能得到显著提高。同样，通过合适的方法制备的纳米结构陶瓷涂层的性能将比传统陶瓷涂层有显着提高，因此它已成为涂层技术研究的热点。在纳米陶瓷涂料的各种制备技术中，热喷涂是目前应用最广泛的工艺方法。在热喷涂过程中，纳米颗粒由于其较大的比表面积和高活性而熔化良好。同时，纳米颗粒撞击基材后剧烈变形，平铺效果优于微米级颗粒。因此，与传统的微米级陶瓷涂料相比，纳米陶瓷涂料的微观结构和结构有明显的变化，在韧性、硬度、耐磨性、粘接强度、致密性、导热性等方面具有优势。

目前，热喷涂纳米陶瓷涂料已在航空航天、造船、化工等工业领域得到应用。性能指标。目前陶瓷涂层断裂韧性的定量表征缺乏130常规微米涂层，（对于纳米结构A1涂层。结果表明：在被涂覆试样上掉落一英寸直径的钢球引起的涂层变形是冲击坑中心变形最大的，边缘处减小到零;传统陶瓷涂层表现出明显的开裂和剥落，而纳米结构涂层没有观察到宏观裂纹。比较常规涂层和纳米涂层的杯凸测试结果，纳米陶瓷涂层的性能，常规陶瓷涂层和纳米陶瓷涂层的抗变形性差异，可以从它们的裂纹扩展机理来理解。纳米陶瓷涂层中存在由纳米颗粒熔融凝固得到的基体相和未完全熔化的纳米颗粒组成的两相结构，断裂韧性时断裂韧性是反映材料抗裂纹不稳定和膨胀的能力 收到日期： 201006 作者简介：吴闯，1986年出生，男，淮安人， 江苏，硕士候选人。专业方向：材料科学。纳米陶瓷涂层的性能 Email: 以及在未熔融或半熔融颗粒与基体相结构界面上裂纹延伸的应用，这些颗粒不仅可以吸收裂纹生长能量，还可以防止和偏转裂纹扩展。然而，传统的陶瓷涂层主要是层状结构，由于层之间的结合不良，裂纹容易沿着层层扩展。因此，纳米陶瓷涂层的韧性明显优于常规陶瓷涂层。涂层本身的表面结合强度和粘接强度一般采用拉伸法进行测试，以检测涂层的拉伸粘结强度。

当然，涂层与基材之间界面的剪切强度也可以通过剪切试验来测试。将粉末与少量纳米粉末混合，通过等离子喷涂制备纳米结构涂层。他们首先混合水垢粉末，然后通过造粒，干燥等过程制备喷雾进料，然后随进料喷洒涂层样品。组织观察表明，涂层具有完全不同的微观结构，一部分是层间有柱状组织的完全熔融区，另一部分是保留原始颗粒结构特征的半熔融区。试验表明，研究了纳米改性涂层的制备和性能，无论是否采用全部纳米粉末颗粒或部分纳米混合粉末颗粒作为进料涂层，粘结强度均为普通涂层。首先，将三种常规Al粉末按照不同比例混合作为给料器，通过高速电弧喷涂制备涂层，然后用纳米结构粉末代替Al粉末，制备相同配比和工艺参数的纳米改性涂层。性能测试发现，两种涂层的硬度相当，但纳米涂层的结合强度约为传统涂层的倍。提高粘结强度的主要原因在于两个方面，一是未膨胀的层间裂纹对涂层残余应力的释放作用，二是喷涂过程中纳米结构进料的飞行速度高于普通粉末/3，有利于提高颗粒之间以及涂层与基体之间的结合强度。王全生等[10]采用等离子喷涂制备纳米结构Al涂层，其断裂形貌与传统的微米涂层有很大不同，变形颗粒内部形成两种结构，边缘附近仍具有定向结晶形成的柱状结构，而在中心，它具有等长结构特征，层状结构特征不再明显， 颗粒之间的结合得到改善，变形颗粒之间的焊接点较多，几乎连续分布。

这种现象表明，喷涂粉末纳米化后，颗粒的熔融状态得到改善，涂层的气孔明显减少，并且一些气孔位于变形颗粒内部，有利于提高涂层的粘结强度。硬度是陶瓷涂料的重要性能指标之一。在测量硬度时，必须考虑热喷涂工艺的特性和涂层的结构特性，即喷涂过程中高温颗粒快速冷却引起的淬透性，涂层硬度对喷涂工艺参数的强依赖性，以及涂层微观组织异质性引起的宏观硬度和微观硬度测量之间的差异。热喷涂陶瓷涂层的硬度最好通过显微硬度来衡量，应采取多个测量点来取其平均值作为涂层硬度值。在显微硬度方面，微米Al涂层的硬度约为400600HV，而纳米Al涂层的硬度值可以达到1019.WC-12Co涂层的显微硬度为1186HV米结构，WC-12Co涂层的显微硬度为1584HV。可以看出，晶粒的细化使纳米陶瓷涂层的硬度明显大于微陶瓷涂层的硬度。耐磨性是陶瓷涂料的重要应用性能之一，一般可以通过磨损试验来测量涂层的磨损率来表征。纳米陶瓷涂层的耐磨性明显优于传统陶瓷涂层。采用等离子喷涂法制备了Li，得到了纳米结构的YSZ涂层，并通过磨损试验与传统的微涂层进行了比较。结果表明，与相同组件常规涂层的耐磨WC-Co涂层相比，纳米结构涂层的磨损率保持稳定，是普通涂层的左右两边。同时，涂层的硬度和断裂韧性大大提高。

纳米结构涂层硬度和韧性的提高是耐磨性增加的主要原因。此外，在磨损过程中，微凸体的剪切或气孔等未完全熔化的颗粒可能会从涂层表面脱落，这些细颗粒分散在涂层与摩擦部分之间的润滑油膜中，起到“轴承”的作用。这些“微轴承”的存在降低了涂层的摩擦系数，从而提高了涂层的耐磨性。具有适当孔隙率的涂层孔隙率对于润滑摩擦和高温绝缘工件极为有利，但对耐腐蚀、高温氧化和耐高温侵蚀性极为有害。这一特点将为涂层系统设计提供重要的参考价值。确定涂层孔隙率的方法很多，大致可分为直接观察和间接测量方法。可以使用光学显微镜，扫描电子显微镜，X射线散射仪器进行直接测量，以测量开放或粘合强度陶瓷涂层的粘合强度，包括涂层与基材之间边界的闭合孔隙，并使用专门的计算软件对其进行分析。间接测量方法包括称量法、浮力法、汞孔隙率、射线照相法等。其中，称量方法简单实用，不需要专用仪器，但准确度稍差。测量时，测量涂层的重量以计算密度，然后将密度与涂层材料的真实密度进行比较，以找到涂层的孔隙率。Bartuli等[11]以纳米复合粉末为进料，采用HVOF法制备了不同组成比例的WC-Co涂料，并根据涂层的微观组织和性能数据优化了工艺参数。研究发现，孔

隙率与火焰温度和速度有关，如果适当选择这两个参数，孔隙率可以降低到1%左右。Zhu等人[12]也认为孔隙率与粒子速度有关，随着粒子速度的增加，孔隙率趋于下降。热喷涂纳米陶瓷涂层的应用目前，热喷涂技术制备纳米陶瓷涂层的研究主要集中在氧化物陶瓷和碳化物陶瓷上。根据涂层功能的不同，纳米陶瓷涂层的应用大致可分为以下几类。纳米结构ZrO热障涂层热障涂层（TBCs）主要用于高温气氛或热腐蚀性静态和动态气氛，可显著降低汽轮机部件表面温度，增加燃气轮机功率，提高热效率，并已成功应用于飞机发动机，并将扩展到柴油发动机和汽车和摩托车发动机。纳米结构热障涂层因其优越的性能而得到了广泛的研究和应用。纳米结构ZrO涂层导热系数低，热膨胀系数与金属相似，高温稳定性好，是表征热障涂层的主要性能指标。确定陶瓷涂层导热系数的常用方法包括激光法和调制波法。在激光方法中，将剥离的涂层放置在面向激光的一侧，并将热电偶放置在另一侧以测量温度变化。在调制波法中，圆盘形试样用正弦波或方波均匀加热，试样内部存在温度振荡。涂层的导热系数由试样正面和背面的温度振荡相移决定。

龚等[13]研究了常压等离子喷涂制备的纳米氧化锆（ZrO-4.5%层）和常规氧化锆（ZrO涂层）的微观结构和隔热性能。结果表明，纳米结构涂层主要包括两种微观结构，即互限纳米颗粒和柱状晶体结构。纳米结构涂料具有更好的隔热性能，厚度为400的涂料比传统的YSZ涂料多1350，56。6% 。这是由于稀土元素CE具有较大的原子质量和离子半径，这使得涂层的微观结构更加复杂。此外，高喷洒速度和再造粒进料的内部和外部温度梯度有助于保留涂层中的纳米结构，从而产生更细的颗粒。导热系数随着晶粒变小而降低。这主要是由于随着晶粒尺寸的减小，涂层内部的微观界面增加，界面距离减小，导热过程中声子的平均自由程减小。德拜的热力学理论表明，随着声子的平均自由程减小，材料的导热系数也会降低。因此纳米涂层厂家电话，纳米ZrO涂层的隔热性能优于普通微米ZrO[14]层的代表。Kear稳定的纳米ZrO层已经进行了研究，据信其高热障性能的主要原因是：减少了涂层中裂纹的长度，从而提高了涂层的断裂韧性;晶界增强了光电子的散射，从而降低了涂层的导热性。通过引入可控的微孔，改变了涂层中晶界和层之间的电子、光子散射和辐射。

这纳米结构热障涂层的

力学性能得到改善，具有高结合强度和大应力耐受性，提高了硬度和断裂韧性，并且涂层的成分和微观结构可以长时间保持稳定，因此热障和抗热震性更好。纳米结构WC Co涂层碳化钨Co）金属陶瓷涂层是一种优良的抗摩擦和耐磨材料。纳米结构WC Co涂层硬度高，粘接强度好，韧性好，可用于航空航天、汽车、冶金、电力等领域，增强母材的耐磨性和修复耐磨件。例如，航空发动机零件的工作条件非常苛刻（高温，高速，振动，高负载），并且受到粘着磨损，磨料磨损，腐蚀磨损和疲劳磨损，严重影响发动机性能和寿命。钛压机叶片阻尼台表面喷涂碳化钨涂层，叶片寿命从100小时延长到数万小时[15]由于热喷涂过程中火焰温度高，纳米WC非晶相，在涂层中起主要抗磨作用的WC Ganesh Skandan等人[16]提出了一类新型喷雾进料材料，用于81纳米的性能和———应用多模态尺度分布粉末中的陶瓷涂料。将涂层、纳米相WC颗粒（砂）Co基体（粘合剂粘接组合物）通过这种类型的进料制备。纳米相熔化相对容易，为粗WC子提供了延展性基体，而硬质粗颗粒具有良好的耐磨性，从而产生了优异的涂层耐磨性。

众所周知，纳米结构的自润滑涂层主要发生在固体表面上。与一般摩擦部件不同，在极端条件下使用的机构很多，例如在真空、低温或高温环境中工作的运动接头等，为了保证其正常运行，必须开发特殊的润滑材料和润滑方法。研究表明[17]硫化物大多是密集排列的六方晶体结构，容易沿着底面滑动，具有优异的抗摩擦和抗磨损效果。咬;硫化层可以软化接触面的微凸体，缩短磨合时间。硫化层的存在使接触面出现“亚硫化”现象，增加了硫化层的实际深度，从而延长了硫化层的存在时间，有利于保持稳定的损耗阶段，增加涂层的使用寿命。王[18]在已有沉积固体自润滑涂层技术的基础上，根据摩擦学和金相学的基本原理，采用特殊的纳米结构复合材料作为喷雾进料，通过高温火焰喷涂制备了含有FeS的滑动涂层。先进的纳米结构固体自润滑复合材料具有均匀致密的涂层结构，不仅摩擦系数小，而且具有良好的耐磨性和抗重载性。这种涂层可用于各种机械零件，如塞子、活塞环、气缸体、轴承、齿轮、销、轴承、重型后轴柄、凸轮、凸轮、凸轮，特别是辊子、支撑轴等难以润滑的零件，具有非常广阔的应用前景。由王佑发明并由Inframat生产的纳米结构Al陶瓷涂层已通过多次检查和试验获得了美国海军的申请证书，并已用于美国海军装备的数百个零件[19，20]。

与传统涂料相比，这种纳米陶瓷涂料具有优异的韧性、耐磨性、抗热震性和良好的加工性，其与同类常规商用涂料的性能比较见下表。 常规结构和纳米结构 铝涂层性能与传统纳米性能的比较 改进程度 Al TiOAl韧性差 优异的表亮硬度 （HVN） 1000 1000 耐磨性 抗弯性 粘接强度 1040 10良好 涂层剥离 优秀 极佳 非常显著 弯曲 180 无剥离 显然大于1900纳米的8000 Al涂层克服了常规涂层的粘接强度和韧性低的缺陷，具有较长的使用寿命和可靠性，因此可以大量替代常规陶瓷涂层，也可以应用于一些以前难以应用涂层的地方。例如，如果使用常规涂层，远洋船舶上长期承受扭转应力的传动轴会很快失效，而具有优异抗扭转疲劳性的纳米AL涂层是解决这些轴严重磨损的可行方法。此外，由于其价格低廉和避免污染的优点，它也是硬铬镀层[21]金属磨损的替代品，更换这些部件需要切断潜艇外壳，这是非常昂贵的。纳米陶瓷涂层技术的应用可以通过显着提高耐磨性和耐腐蚀性来降低生命周期成本。此外，这种涂层具有比普通涂层更高的粘合强度，并且可以与覆盖的基材一起变形。这一点对于在极端环境和战争中工作的武器系统，如纳米结构AL涂层热喷涂纳米AL涂层具有优良的韧性、耐腐蚀性、电绝缘性和摩擦耐磨性，适用于耐磨、耐腐蚀、电绝缘等环境，已应用于军工和民用工业。

被深水炸弹攻击的潜艇非常重要。综上所述，热喷涂纳米结构AL涂层用途广泛，可应用的零件包括：潜艇和船舶零件，汽车和火车零件，飞机零件，金属辊，印刷辊，造纸干辊，纺织机械零件，液压活塞，水泵，内燃机和涡轮机零件，阀杆，阀门，活塞环， 气缸体、销、支撑轴、支撑板、挺杆、工具模具、轴承、重型后轴柄、凸轮、凸轮和密封件。这种纳米结构陶瓷涂层技术可以显著延长船舶、航天器和陆地车辆中使用的部件的寿命，每年为军事和民用工业节省数百亿美元的维修和更换成本。航空航天、机械、造船、化工等工业领域得到了很好的应用。随着纳米技术的进一步发展，纳米陶瓷涂层的种类将进一步丰富，性能将进一步提高，其应用将越来越广泛。参考文献： 功能材料与纳米技术[M].北京： 化学工业出版社，2002.纳米结构陶瓷涂层的制备技术[J].材料开发与应用，2010，25（ 109-112.Gell M，Jordan H，etal.等离子喷涂纳米结构的表面涂层技术， 2001，146-147： 48-54.13-15.Li F，廖华，王茹纳米结构粉末提高耐磨性等离子喷涂钇稳定氧化锆涂层[J]. 摩擦学，2004，37：77-84. 朱春，健之村，等. 常规WC-Co涂层沉积等离子喷涂摩擦学特性[J].固体薄膜， 2001，388： 277-282. 乔丹 H，盖尔M，索恩 H，埃塔尔.制备等离子喷涂纳米结构氧化铝-二氧化钛涂层的优越性能[J].材料科学工程师A，2001，301： 80-89. 纳米陶瓷材料在热喷涂中的应用研究进展[J].等离子喷涂纳米13%TiO涂层的微观结构与性能[J].稀有金属材料与工程，2007，36： 530-532.Bartuii C，Valente T，Cipri F，et al.纳米结构耐磨WC-Co涂层沉积第一届国际表面工程第十三届国际表面工程大会，2002. 朱春，幸村健，等. 摩擦学特性 常规WC-Co涂层沉积等离子体喷涂[J].固体薄膜纳米涂层厂家电话， 2001，388： 277-282. 龚琦. 微结构隔热能力等离子喷涂纳米结构氧化铈稳定氧化锆涂层[J] 纳米TiO涂层是在钢基体表面制备纳米TiO涂层纳米涂层厂家电话，将光照射下产生的电子注入钢基体中，使其电位低于腐蚀电位，达到防腐的目的。

纳米TiO涂层用于钢腐蚀防护，并且

相当于电镀牺牲金属的阴极保护，只是纳米TiO涂层不发生阳极溶解，因此可以用作永久性防腐涂层。纳米涂层用于不锈钢防腐可以达到良好的效果。在用量最大的低碳钢上，纳米TiO涂层如果能达到规定的防腐效果，就具有更大的科学意义和经济价值[22]纳米TiO光催化涂层可以有效降解多种有机化合物，消除室内有机污染气体[23]。在一些密封的空间，如航天器的机舱，空气质量难以控制，有害气体的排放和细菌的生长会影响工作人员的健康。纳米光催化涂料的使用对一些特殊环境具有重要的现实意义，但纳米光催化涂料的制备是一个棘手的高技术难题，由于成本、性能等诸多原因，尚未大规模进入市场。[10][11]结论 由于纳米陶瓷涂层晶粒的细化，晶粒分散均匀，晶界数大大增加，颗粒平整度明显优于微米级颗粒，涂层结构更致密。因此，与微米级陶瓷涂层相比，纳米陶瓷涂层在强度、韧性、耐磨性、粘接强度、耐腐蚀性、密度等方面将有明显的提高。由于纳米陶瓷涂层在高温热障、磨损损失、自润滑、耐腐蚀等功能方面具有优势，已应用于航空[12][13]83涂料技术，2006，201 3l09-3ll5。基尔热喷涂压制纳米材料[J].纳米结构材料，1997，8 热喷涂技术在航空发动机上的应用[J].航空制造工程，1994，4： 9-11.斯坎丹 G，姚 R，基尔 H，埃塔尔. 多模态材料：新型原料热喷涂硬质涂层 材料， 2001，44： 1699-1702.王妍，刘燕耐磨激光重熔M80S20合金涂层 摩擦学快报，2004，17（ 165-168.Kabacoff纳米陶瓷涂层的耐磨韧性远高于常规涂层[J].安普蒂亚克，2002，6（ 在国外军舰上的应用[J].中国表面工程，2008，21（ 高强度韧性耐磨纳米Al纳米TiO涂层的制备及其在金属防腐中的应用[J].腐蚀与防护，2007，28（涂层性能测试[J].北京工业大学学报，2004（ 41-44.19] [14] [20] [15] [16] [21] [22] [17] 不含稀土元素 皇家化学，1993，PP： 169-176. 纳米和亚微结构硫化物自润滑涂层产生的热喷涂 [23] Socity [18]性质 纳米结构陶瓷涂料 吴闯，席玉林，王启红，王国阳 洛阳船舶材料研究所，河南 洛阳 471039） 摘要： 纳米结构陶瓷涂层的晶粒化显著减少，晶粒分散更均匀，晶粒边界也增大 显著。结果，纳米结构陶瓷涂层的性能，包括硬度、韧性、耐磨性、粘结强度、耐腐蚀密度等性能均有明显提高。纳米结构陶瓷涂料因此在航空航天、造船、化工等多个领域被广泛应用于纳米结构陶瓷涂料的细节。关键词： 纳米结构;陶瓷涂层;财产;应用