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等離子噴涂技術制備陶瓷涂層研究進展

更新時間  2021-12-29 15:32:11 閱讀

    等離子噴涂是采用壓縮電弧作熱源,連續的工作氣體(氟氣、氮氣、氫氣等)穿過壓縮電弧而電離,成為高溫高速的等離子焰流,噴涂材料通過等離子焰流加熱到熔化或半熔化狀態,并隨同等離子焰流以高速噴射并沉積在經過粗化的潔凈基材表面上,經淬冷凝固后形成噴涂層。其中壓縮電弧由普通電弧經機械壓縮、熱壓縮及自磁壓縮而產生。

    等離子噴涂技術的特點

    與其它熱噴涂相比等離子噴涂具有以下特點:

    (1)可噴涂材料極為廣泛。由于等離子噴涂時的焰流溫度很高,其中心溫度可達32000K,幾乎能熔化所有高熔點和高硬度的材料,所以很適合陶瓷與高熔點物質的噴涂,這是其它噴涂方法所不能實現的;

    (2)涂層致密,結合強度高。等離子噴涂能使粉末獲得較大的動能,且粉末溫度又高,所以噴涂獲得的涂層致密度高,結合強度高;

    (3)涂層厚度可以按需要控制,誤差可控制到0.025mm;

    (4)對工件的熱影響小。等離子噴涂對工件的熱輸入量小,噴涂后基材金相組織不會發生變化,工件幾乎不產生變形。在提高耐磨蝕、抗氧化、耐熱性能的同時,不影響機體原來的機械性能,同時可對精密工件進行噴涂;

    (5)噴涂效率高。采用高能等離子設備時,粉末的沉積效率可達8kg/h;

    (6)噴涂材料與被噴涂材料可以自由選擇和組合。

    等離子噴涂陶瓷涂層分類

    1、氧化物陶瓷涂層

    氧化物陶瓷具有較高的熔點,突出的機械性能和高溫化學穩定性,可用來提高基體材料的強度、硬度、耐磨性或生物性能。常用作涂層增強的氧化物陶瓷有:Al2O3、ZrO2、Cr2O3、SiO2、TiO2、MgO等。

    2、碳化物陶瓷涂層

    碳化物陶瓷的熔點極高,一般都在3000oC以上,因此抗氧化和高溫性能都很出色,多被用作刀具等超硬材料。常用作涂層增強的碳化物陶瓷有:TiC、WC、ZrC、SiC等。

    3、氮化物陶瓷涂層

    氮化物陶瓷抗氧化性突出,還具有很好的介電性能,但燒結工藝較其他陶瓷復雜。常用作涂層增強的氮化物陶瓷有:Si3N4、TiN、BN、AlN等。

    4、其他陶瓷涂層

    除了以上敘述的陶瓷種類,常被用作陶瓷涂層增強相的還有硼化物陶瓷、硅化物陶瓷和一些復相陶瓷等。

    應用

    1、耐磨涂層

    耐磨涂層是等離子噴涂涂層的典型應用,具有硬度高、熔點高、熱穩定性及化學穩定性好的特性,可以有效地保護基體材料,明顯改善材料的耐磨損、耐高溫、抗高溫氧化、耐熱沖擊、耐腐蝕性能。常見的耐磨涂層材料有氧化物類陶瓷如Al2O3、ZrO2、Cr2O3、等,以及金屬陶瓷、碳化物類陶瓷、硅化物類陶瓷、氮化物類陶瓷及硼化物類陶瓷等,如WC、TiC、Cr2O3、TiB2和TiCN等。

    2、耐蝕涂層

    近年使用較為廣泛的耐蝕涂層有Al2O3、TiO2、ZrO2、Cr2O3等金屬氧化物陶瓷。利用等離子噴涂技術,在低碳鋼表面噴涂一層陶瓷涂層,能獲得較好的耐磨性能和耐腐蝕性能,并且保持了其內部良好的韌性,從而保證了水工機械運行的可靠性和穩定性。

    3、熱障涂層

    熱障涂層是由隔熱性能優良的陶瓷氧化物層和起粘結作用的金屬粘結層組成,噴涂在耐高溫金屬、超合金基體上。陶瓷氧化物層作用是沿涂層向基體得到的溫度較低,使基體受到的溫度較低,形成一個溫度梯度,從而提升基體的抗高溫氧化性能及抗磨損性能。粘結層起到連接陶瓷涂層和基體的作用。由于熱障涂層降低了傳遞至基體材料的溫度,起到一定的隔熱作用,使零件可以安全可靠地在高溫下運轉,而且提高了工件的熱效率。熱障涂層具有硬度高、高化學穩定性、能顯著降低基材溫度的特點,因此被廣泛應用于航空發動機、汽輪機、渦輪機葉片。

等離子噴涂陶瓷涂層

    4、超導涂層

    超音速等離子噴涂超導陶瓷涂層已經有了一定的研究進展。等離子弧的溫度非常高,在沒有保護氣下可以噴涂復合氧化物陶瓷,也適用于噴涂形狀復雜的超導零件,具有高的沉積效率,對于厚膜涂層及較大面積的涂層也易于制備。在很多方面如微波元件、磁屏蔽器件、傳輸器件及量子電子器件有廣泛的應用。常用于等離子噴涂的超導陶瓷涂層材料,主要有釔鋇銅氧(YBaCuO)和鉍鍶鈣銅氧(BiSrCaCuO)。

    5、壓電陶瓷涂層

    壓電陶瓷是一種非常重要的功能陶瓷材料,主要應用于國防、航空航天及通信等方面。鈦酸鉛、鈦酸鋇是常用的壓電陶瓷材料,鈦酸鉛的特點是居里溫度高、機電耦合系數高和介電常數??;鈦酸鋇(BaTiO3)具有高介電性能、優異的鐵電、介電、熱釋電以及良好的壓電性能,作為一種重用壓電陶瓷材料在絕緣子、壓電傳感器、電容器等電子元件中應用廣泛。

    6、生物活性涂層

    生物活性涂層在臨床得到了廣泛應用,使用等離子噴涂技術是制備生物活性陶瓷材料的主要方法之一。使用具有生物活性的陶瓷粉末材料按一定的成分配比噴涂在金屬材料表面,使其具有良好的生物活性,結合了金屬材料和陶瓷材料的優勢,作為人工骨或人工關節植入人體。羥基磷灰石(HA)陶瓷是人體、動物骨骼和牙齒的重要無機成分,具備優異的生物相容性、骨組織誘導、耐腐蝕的特性,作為人工骨植入人體后,羥基磷灰石與人體骨骼形成化學鍵合,在臨床得到廣泛的應用。采用熱噴涂技術制備的羥基磷灰石涂層材料,兼具金屬材料的力學強度和生物陶瓷的生物學性能,其研究和應用已取得顯著進展。

文章來源:http://www.mxd1124.com/



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