等离子喷涂技术制备陶瓷涂层研究进展

等离子喷涂是采用压缩电弧作热源，连续的工作气体(氟气、氮气、氢气等)穿过压缩电弧而电离，成为高温高速的等离子焰流，喷涂材料通过等离子焰流加热到熔化或半熔化状态，并随同等离子焰流以高速喷射并沉积在经过粗化的洁净基材表面上，经淬冷凝固后形成喷涂层。其中压缩电弧由普通电弧经机械压缩、热压缩及自磁压缩而产生。

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等离子喷涂技术的特点

与其它热喷涂相比等离子喷涂具有以下特点：

（1）可喷涂材料极为广泛。由于等离子喷涂时的焰流温度很高，其中心温度可达32000K，几乎能熔化所有高熔点和高硬度的材料，所以很适合陶瓷与高熔点物质的喷涂，这是其它喷涂方法所不能实现的；

（2）涂层致密，结合强度高。等离子喷涂能使粉末获得较大的动能，且粉末温度又高，所以喷涂获得的涂层致密度高，结合强度高；

（3）涂层厚度可以按需要控制，误差可控制到0.025mm；

（4）对工件的热影响小。等离子喷涂对工件的热输入量小，喷涂后基材金相组织不会发生变化，工件几乎不产生变形。在提高耐磨蚀、抗氧化、耐热性能的同时，不影响机体原来的机械性能，同时可对精密工件进行喷涂；

（5）喷涂效率高。采用高能等离子设备时，粉末的沉积效率可达8kg/h；

（6）喷涂材料与被喷涂材料可以自由选择和组合。

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等离子喷涂陶瓷涂层分类

1、氧化物陶瓷涂层

氧化物陶瓷具有较高的熔点，突出的机械性能和高温化学稳定性，可用来提高基体材料的强度、硬度、耐磨性或生物性能。常用作涂层增强的氧化物陶瓷有：Al2O3、 ZrO2、 Cr2O3、 SiO2、 TiO2、MgO等。

2、碳化物陶瓷涂层

碳化物陶瓷的熔点极高，一般都在3000ºC以上，因此抗氧化和高温性能都很出色，多被用作刀具等超硬材料。常用作涂层增强的碳化物陶瓷有：TiC、WC、ZrC、SiC等。

3、氮化物陶瓷涂层

氮化物陶瓷抗氧化性突出，还具有很好的介电性能，但烧结工艺较其他陶瓷复杂。常用作涂层增强的氮化物陶瓷有：Si3N4、TiN、BN、AlN等。

4、其他陶瓷涂层

除了以上叙述的陶瓷种类，常被用作陶瓷涂层增强相的还有硼化物陶瓷、硅化物陶瓷和一些复相陶瓷等。

应用

1、耐磨涂层

耐磨涂层是等离子喷涂涂层的典型应用，具有硬度高、熔点高、热稳定性及化学稳定性好的特性，可以有效地保护基体材料，明显改善材料的耐磨损、耐高温、抗高温氧化、耐热冲击、耐腐蚀性能。常见的耐磨涂层材料有氧化物类陶瓷如Al2O3、 ZrO2、 Cr2O3、等，以及金属陶瓷、碳化物类陶瓷、硅化物类陶瓷、氮化物类陶瓷及硼化物类陶瓷等，如WC、TiC、Cr2O3、 TiB2和TiCN等。

2、耐蚀涂层

近年使用较为广泛的耐蚀涂层有Al2O3、 TiO2、 ZrO2、 Cr2O3等金属氧化物陶瓷。 利用等离子喷涂技术，在低碳钢表面喷涂一层陶瓷涂层，能获得较好的耐磨性能和耐腐蚀性能，并且保持了其内部良好的韧性，从而保证了水工机械运行的可靠性和稳定性。

3、热障涂层

热障涂层是由隔热性能优良的陶瓷氧化物层和起粘结作用的金属粘结层组成，喷涂在耐高温金属、超合金基体上。陶瓷氧化物层作用是沿涂层向基体得到的温度较低，使基体受到的温度较低，形成一个温度梯度，从而提升基体的抗高温氧化性能及抗磨损性能。粘结层起到连接陶瓷涂层和基体的作用。由于热障涂层降低了传递至基体材料的温度，起到一定的隔热作用，使零件可以安全可靠地在高温下运转，而且提高了工件的热效率。热障涂层具有硬度高、高化学稳定性、能显著降低基材温度的特点，因此被广泛应用于航空发动机、汽轮机、涡轮机叶片。

4、超导涂层

超音速等离子喷涂超导陶瓷涂层已经有了一定的研究进展。等离子弧的温度非常高，在没有保护气下可以喷涂复合氧化物陶瓷，也适用于喷涂形状复杂的超导零件，具有高的沉积效率，对于厚膜涂层及较大面积的涂层也易于制备。在很多方面如微波元件、磁屏蔽器件、传输器件及量子电子器件有广泛的应用。常用于等离子喷涂的超导陶瓷涂层材料，主要有钇钡铜氧（YBaCuO）和铋锶钙铜氧（BiSrCaCuO）。

5、压电陶瓷涂层

压电陶瓷是一种非常重要的功能陶瓷材料，主要应用于国防、航空航天及通信等方面。钛酸铅、钛酸钡是常用的压电陶瓷材料,钛酸铅的特点是居里温度高、机电耦合系数高和介电常数小；钛酸钡（BaTiO3）具有高介电性能、优异的铁电、介电、热释电以及良好的压电性能，作为一种重用压电陶瓷材料在绝缘子、压电传感器、电容器等电子元件中应用广泛。

6、生物活性涂层

生物活性涂层在临床得到了广泛应用，使用等离子喷涂技术是制备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喷涂在金属材料表面，使其具有良好的生物活性，结合了金属材料和陶瓷材料的优势，作为人工骨或人工关节植入人体。羟基磷灰石（HA）陶瓷是人体、动物骨骼和牙齿的重要无机成分，具备优异的生物相容性、骨组织诱导、耐腐蚀的特性，作为人工骨植入人体后，羟基磷灰石与人体骨骼形成化学键合，在临床得到广泛的应用。采用热喷涂技术制备的羟基磷灰石涂层材料，兼具金属材料的力学强度和生物陶瓷的生物学性能，其研究和应用已取得显著进展。

参考来源：

[1]宋长虹等.等离子喷涂技术制备陶瓷涂层新进展

[2]殷亚康.等离子喷涂陶瓷涂层的应用

[3]刘前，王优强.等离子喷涂陶瓷涂层的研究进展