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等離子噴塗氧化鋁陶瓷塗層研究現狀及展望

時間:2013-08-27 10:28:38  來源:熱加工工藝  作者:張金星, 程西雲

  摘 要:簡述了等離子噴塗製備常規氧化鋁、Al2O3-TiO2、納米氧化鋁複合塗層及梯度塗層組織和性能的相關研究成果;簡述了激光重熔技術和等離子噴塗技術複合製備塗層的研究現狀;在粉末成分中加入低熔點緩衝相、稀土、碳納米管等改善塗層微觀組織,增強塗層功能,探討基於氧化鋁的特殊功能塗層,並對今後發展方向作了展望。
  
  關鍵詞:等離子噴塗; 氧化鋁; 梯度塗層; 碳納米管
  
  1 等離子噴塗氧化鋁塗層的研究
  氧化鋁陶瓷塗層大致經曆了氧化鋁塗層、 氧化鋁-氧化鈦塗層和納米氧化鋁塗層等階段, 粉末從微米級向納米級細化,從單一成分向複合化發展,塗層結構由單層過渡到多層或梯度漸變層。 利用等離子噴塗氧化鋁製備結構複合塗層和功能梯度塗層,是國內外研究陶瓷塗層微觀組織、耐磨損、耐腐蝕和耐高溫氧化等性能的熱點方向之一。
  1.1 常規氧化鋁塗層組織和性能
  研究初期表明, 等離子噴塗出氧化鋁陶瓷塗層呈片層狀,有少量孔隙、微裂紋及雜質,氧化鋁的典型晶體結構為穩定相 α-Al2O3,等離子噴塗後塗層中α-Al2O3均減少,主要以亞穩定相 γ-Al2O3存在[1-2]。氧化鋁塗層可用作常溫下的低應力磨粒磨損、 硬麵磨損、耐多種化工介質和化工氣體腐蝕、耐氣蝕和衝蝕塗層,還用於高溫下的耐燃氣氣蝕、熱障、高溫可磨耗塗層和高溫發射塗層。
  氧化鋁陶瓷材料有質脆、 對應力集中和裂紋敏感、抗熱震性差等固有弱點,與金屬材料的熱物理性能(如膨脹係數、彈性模量、熱導率等)差別大,等離子普通塗層本身結合強度低、 孔隙率高,在高溫差環境下,普通塗層很容易出現開裂甚至剝落。 為此,設計梯度塗層, 它是指從基體到塗層表麵在材料組成、結構、密度及功能上呈現連續變化的一種複合結構[3]。 氧化鋁梯度塗層無明顯的組織突變和宏觀層間界麵, 塗層的組織表現出宏觀不均勻性和微觀連續性分布特征, 塗層成分的梯度化極大地緩和材料之間熱物理性能差別產生的熱應力, 與普通氧化鋁雙層陶瓷塗層相比,氧化鋁梯度塗層的結合強度、耐磨性和抗熱震性能提高,孔隙率下降[4-7]。
  1.2 氧化鋁-TiO2塗層組織和性能
  由於 TiO2的熔點比 Al2O3低,而潤濕性比 Al2O3好,TiO2陶瓷塗層具有非常低的孔隙率, 耐磨性能好,不易發生化學反應,塗層韌性好,容易加工,可磨削到很高的表麵光潔度,耐大多數酸、鹽及溶劑的腐蝕, 是重要的耐腐蝕磨損塗層, 特別適合鈦及鈦合金、鋁及鎂合金噴塗高耐磨塗層的性能[8]。 正是因為TiO2具備這些特點, 使得 Al2O3-TiO2塗層比單一Al2O3塗層的質量有所改善。 目前,集中研究以 Al2O3+3%~50wt% TiO2的陶瓷塗層,尤其是 Al2O3-13wt%TiO2(簡稱 AT13,下同)塗層,在 540 ℃以下具有優異的耐磨、耐蝕和絕緣等綜合性能。
  文獻[9-12]報道采用等離子噴塗製備 Al2O3-TiO2塗層, 陶瓷塗層主要由金紅石型 TiO2、 銳鈦礦型TiO2、Magneli 相及 γ-Al2O3組成, 還含有少量 α-Al2O3和微晶或非晶。 與 Al2O3塗層相比,AT13 塗層中添加 TiO2使陶瓷層中孔隙減少塗層更加致密。
  AT13 塗層與 Al2O3塗層相比硬度較低,但其硬度分布的分散性較小,塗層的均勻性更好。在相同的摩擦磨損試驗條件下,AT13 塗層比 Al2O3塗層耐磨性更好。 噴塗製備梯度塗層的抗熱震性能比非梯度塗層好,塗層成分的梯度化緩解了熱應力,提高了抗熱震失效能力。
  1.3 納米氧化鋁塗層組織和性能
  傳統的陶瓷材料具有脆性大、韌性差等缺點,很容易被高速顆粒衝擊產生裂紋,發生脆性斷裂失效。陶瓷納米化是解決傳統陶瓷脆性問題的有效手段之一,納米陶瓷材料具有優異的強度、韌性、抗氧化性、耐蝕性和與金屬類似的超塑性。與傳統塗層相比,等離子噴塗納米結構塗層在強度、韌性、抗蝕、耐磨、熱障、抗熱疲勞等方麵有顯著改善,且部分塗層可以同時具有上述多種性能[13-14]。
  文獻[15-18]報道常規複合陶瓷塗層呈層狀堆積狀, 納米陶瓷層由部分熔化區以及與常規等離子噴塗類似的片層狀完全熔化區組成, 但片層狀結構並不十分明顯, 且塗層裂紋數量明顯減少。 納米結構複合陶瓷塗層中的部分熔化區又分為亞微米 Al2O3粒子鑲嵌在 TiO2基質相的三維網狀或骨骼狀結構的液相燒結區和經過一定長大但仍保持在納米尺度的殘留納米粒子的固相燒結區, 不同的部分熔化組織源於複合陶瓷粉末中 Al2O3與 TiO2之間的熔點差異。 納米陶瓷塗層中的顯微結構的變化改善了塗層的孔隙率和韌性, 塗層的顯微硬度和結合強度比傳統塗層有了明顯提高。在衝蝕過程中,常規陶瓷塗層表麵剝落嚴重, 而納米陶瓷塗層的衝蝕質量損失較小; 納米 AT13 塗層的熱震失效循環次數明顯高於常規氧化鋁塗層,且熱震溫度越高表現越明顯;火焰噴燒試驗表明, 納米 AT13 塗層失效時較常規塗層燒損麵積小,且抗燒蝕時間更長。
  2 激光重熔等離子噴塗 Al2O3塗層的研究
  等離子噴塗氧化鋁塗層已在工業得到廣泛,但等離子噴塗工藝製約塗層質量, 激光重熔為這一技術難題的解決提供了新的途徑, 激光重熔能克服等離子噴塗層的片層狀、孔隙率高、裂紋較多、塗層與基體機械結合等缺陷[19]。 國內外學者將激光重熔技術和等離子噴塗技術結合起來製備氧化鋁陶瓷複合塗層, 探究激光重熔對陶瓷塗層組織結構和性能的影響。
  2.1 激光重熔技術
  激光重熔技術是在惰性氣體保護下, 采用聚焦激光束連續輻照並掃過塗層, 快速加熱塗層的表麵至熔化狀態, 隨後的冷卻過程中向基材金屬快速傳熱,在大的冷卻速度下快速凝固,在噴塗陶瓷層表麵獲得結構均勻致密、晶粒細化的陶瓷塗層。
  2.2 激光重熔等離子噴塗氧化鋁塗層組織和性能
  激光重熔是一個快速加熱與冷卻的過程, 塗層中的傳質過程必然會導致其組織結構的變化, 這樣陶瓷塗層性能會有不同程度的改變。文獻[20-22]報道對等離子噴塗製備的 Al2O3塗層、AT13 塗層和納米 AT13 塗層進行激光重熔,重熔後塗層內部晶粒細小化、均勻化、致密化,層狀結構轉變為等軸晶層和柱狀枝晶結構, 並使 Al2O3產生相變,γ-Al2O3和 β-Al2O3完全消失, 全部轉化為α-Al2O3,塗層與基體的結合方式由機械結合轉變為冶金結合。 研究人員經長期試驗,普遍認為與等離子噴塗陶瓷塗層相比,塗層表麵經激光重熔後,陶瓷塗層與金屬基體的結合強度及塗層的致密度、硬度、耐磨性、 抗熱震性及抗衝蝕性等都得到了一定程度的改善。
  2.3 激光重熔缺陷
  激光表麵重熔工藝由於所用塗層材料與金屬基體之間熔點、熱膨脹係數、彈性模量和導熱係數的差異, 再加上激光重熔過程中形成的熔池區域的溫度梯度很大, 由此所產生的熱應力易導致裂紋和塗層剝落等問題。目前,激光重熔等離子噴塗氧化鋁陶瓷塗層還處於實驗階段, 需要進一步深入快速凝固理論和具體激光工藝參數的研究。
  3 基於氧化鋁塗層的組分添加改性
  3.1 添加低熔點緩衝相
  在塗層材料中添加少量組分, 能改善塗層微觀組織, 形成良好性能塗層。 為了解決純陶瓷塗層中的裂紋及與金屬基體的高強結合, 使用粉末加入低熔點高膨脹係數的 CaO、SiO2、TiO2等緩衝相可以鬆弛應力,減少裂紋的形成,提高粉末潤濕性,增加塗層韌性,改善其摩擦磨損性能[23-24]。
  3.2 添加稀土元素
  在陶瓷塗層中加入少量稀土元素或稀土氧化物,可提高金屬陶瓷塗層的致密性,增加塗層韌性,彌散陶瓷硬質相使塗層組織趨向均勻化; 減少複合塗層中雜質和氣體的不良影響, 提高塗層組織的致密度;減緩微裂紋的產生和擴展,提高塗層的結合強度、摩擦學性能和抗熱衝擊性能[25-26]。
  3.3 添加碳納米管
  碳納米管(簡稱 CNTs)作為一種新型電磁材料,具有獨特的拓撲結構、特殊的電磁特性、優異的力學性能和穩定的物化性質等, 是新一代最具發展潛力的高溫吸波劑。 在氧化鋁陶瓷粉末中添加碳納米管, 研究塗層組織和性能是國內外熱噴塗最新的方向之一。 文獻[27-29]報道國內外學者研究不同含量CNTs 增強等離子噴塗氧化鋁陶瓷塗層強化機理和晶粒生長行為, 以及等離子噴塗 CNTs/Al2O3-TiO2複合塗層組織和性能的改善效果。
  3.4 製備特殊功能塗層
  隨著設備不斷升級, 需要高功能的塗層以滿足嚴苛條件下的工作環境, 要求不斷開發新的功能塗層。 目前,自潤滑、自愈合或微膠囊自修複塗層等智能塗層開始出現端倪,越來越多的學者投入研究。文獻[30-31]報道氧化鋁陶瓷粉末中添加適量大小相當的固體潤滑劑(如石墨、MoS2、WS2等),通過等離子噴塗製備自潤滑或自愈合塗層, 在高溫下填充封閉了塗層中的裂紋與孔隙, 以滿足高溫潤滑或自愈合效果。
  4 結語與展望
  本文對等離子噴塗製備氧化鋁、Al2O3-TiO2、納米氧化鋁複合塗層進行綜述, 簡述了激光重熔對等離子噴塗氧化鋁塗層的影響, 對研究其他陶瓷材料有很好的借鑒作用。 基於氧化鋁陶瓷塗層, 有針對性地添加各類組分,改進塗層質量,為等離子噴塗技術和激光重熔技術製備特殊功能塗層提供可靠的工藝手段。 隨著納米材料和激光重熔深入研究,對改善等離子噴塗氧化鋁塗層的組織和性能具有重大意義,預計在航空航天、機械化工、鋼鐵冶金等工業領域應用會愈來愈廣泛。
  參考文獻略
  


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