中国粉体网讯 因涂层材料适用范围广、基材适应性强、工艺灵活等特点，热喷涂陶瓷涂层作为一类新型耐磨涂层已经在很多领域获得成功应用。
热喷涂技术原理示意图
热喷涂陶瓷耐磨涂层根据材料种类可分为氧化物和非氧化物两大类。
氧化物耐磨涂层材料中使用较为广泛的是Al2O3和Cr2O3。为了改善单组分氧化物陶瓷涂层 (如纯Al2O3、Cr2O3等) 固有的高脆性、多孔隙以及较低的结合性能等缺陷, 通常添加低熔点TiO2或SiO2粉末形成多元复合粉末, 以改善粉末的喷涂工艺性能, 获得性能更加优异的复合氧化物陶瓷涂层。
非氧化物主要包括碳化物、氮化物、硼化物等陶瓷材料, 这些陶瓷经常具有比氧化物更高的硬度和更佳的耐磨损性能。然而, 由于高温气化和分解等问题, 难以直接通过熔融方式制备涂层。进一步考虑到复合提高材料塑、韧性问题, 一般加入Co、Ni等金属粘结相以形成陶瓷/金属复合材料涂层。常用的碳化物陶瓷耐磨涂层有WC-Co、Cr3C2-NiCr等。在500°C以下, WC-Co耐磨涂层材料具有优异的综合性能；在500°C ~ 900°C, Cr3C2-NiCr具有优异的抗氧化和耐磨损性能。
氧化物陶瓷涂层
Cr2O3、Al2O3等氧化物陶瓷涂层硬度和强度很高, 且摩擦系数低, 广泛应用于水泵密封环、柱塞、耐磨环、轴承面等表面耐磨零部件。
对等离子喷涂Al2O3、Al2O3-13wt% TiO2和Cr2O3等涂层的组织结构和干颗粒磨损性能的研究结果表明：Cr2O3涂层硬度较高，Al2O3-13wt% TiO2涂层具有优异的各向同性；在文献条件下，Al2O3涂层与100Cr6配副具有最优的干颗粒磨损性能，而Cr2O3涂层与烧结Al2O3配副则具有最优的耐磨性能。同时，对热喷涂Al2O3和Cr2O3涂层滑动磨损性能的研究发现：(1) Al2O3和Cr2O3涂层的磨损与载荷和滑动速度有关，存在最优的临界载荷和速度；(2) 在一定的载荷和速度下，涂层的磨损速率变化先减小、后稳定、最后快速增加并伴随着磨损机制的转变。
Al2O3和Cr2O3陶瓷涂层虽然具有良好的耐磨损性能和较低的摩擦系数, 但抗冲击性较差，加入TiO2、MoS2等陶瓷材料和固体润滑剂有利于改善其综合性能。Al2O3-TiO2复合陶瓷涂层具有硬度高、耐高温性和耐磨性优良等优点，广泛用于航空、航天、汽车和化纤等行业，有效延长了部件的使用寿命，是目前应用最广的一种复合氧化物陶瓷涂层。
碳/氮/硼化物陶瓷涂层
除氧化物陶瓷之外，还有碳化物、氮化物、硼化物等具有超高的硬度、优异的高温强度以及耐化学腐蚀和抗热震性等各种综合优异性能的其他陶瓷材料，比如典型的WC、ZrN、B4C、SiC、TiB2等超硬陶瓷材料。然而，由于这些材料在熔化之前优先发生分解或气化，因而难以直接采用热喷涂熔融或半熔的方式制备涂层。
陶瓷/金属复合结构涂层
为了有效发挥碳化物、氮化物、硼化物等超硬陶瓷材料的优越性能，可将这些陶瓷材料与一定量的金属复合起来构成陶瓷/金属复合结构材料 (即通常所说的金属陶瓷或硬质合金)，借助于金属粘结相的熔化来实现陶瓷颗粒的沉积。这不仅避免了陶瓷材料高温气化或分解问题，还合理回避了陶瓷材料的脆性问题。
使用最为广泛的是以碳化钨、碳化铬为硬质相的硬质合金，WC-Co是540°C以下硬度最高的耐磨涂层，具有良好的抗冲击性、韧性及结合性能，在许多工程领域都有广泛应用。采用爆炸喷涂可制备较为致密的WC-Co涂层，涂层磨损率随载荷和速度的增大而增大，当载荷超过40N时，出现磨损突变现象，裂纹扩展引起的脆性断裂是涂层失效的主要原因。为进一步提高WC-12Co涂层的减摩耐磨性，可以在WC-12Co合金喷涂粉末中添加不同比例的MoS2粉末；MoS2均匀分布于复合涂层中。当MoS2含量为2%时, 复合涂层的硬度、致密度变化不大，但摩擦系数和磨损率大幅度下降 (分别为WC-12Co涂层的50% 和36%), 显著提高了耐磨性能。
在冲蚀磨损条件下，对超音速火焰喷涂(HVOF)的WC-Co和Cr3C2-NiCr涂层冲蚀性能进行研究所得到的结果表明：HVOF金属陶瓷涂层具有致密的结构；粒子间的层间开裂脱落仍是涂层失效的主要原因。许多研究表明：随HVOF硬质合金中的碳化物颗粒尺寸的减小，涂层的耐磨损性能增强，纳米结构硬质合金涂层有望大幅度提高耐磨损性能。超音速火焰喷涂金属陶瓷涂层虽然具有优良的耐磨性能，但在高温高速喷涂过程中，会不可避免地发生碳化物的分解和溶解，当采用纳米结构粉末时，显著的WC分解与溶解使得采用HVOF难以制备纳米结构金属陶瓷。
超音速火焰喷涂 (HVOF) Cr3C2-NiCr涂层的断面组织形貌
为了解决碳化物分解和溶解问题，可以采用冷喷涂技术制备金属陶瓷复合涂层。冷喷涂是表面工程与增材制造领域一项革命性的固态材料沉积技术。它彻底颠覆了传统涂层制备需“先熔化、再沉积”的固有模式，通过将金属或合金粉末在完全固态下加速至超音速并撞击基体，实现涂层的低温、高效、高质量成形。固态成形过程完全避免了碳化物的分解溶解问题，因此对于纳米结构陶瓷金属复合涂层的制备尤其具有突出的优越性。
冷喷涂原理示意图
冷喷涂纳米WC-Co等粉末制备耐磨涂层的研究表明：采用同时含有微米WC和纳米WC颗粒的双尺度结构WC-Co粉末，通过冷喷涂可以制备双尺度结构WC-Co涂层；相比于HVOF制备的微米结构WC-Co涂层；双尺度结构WC-Co涂层同时具有高韧性和高硬度 (硬度高达1683±176Hv, 韧性高达18.9±4.0MPa m1/2，即呈现了同时强韧化现象，显著提高了涂层的耐磨损性能。
来源：
陈林等：热喷涂陶瓷涂层的耐磨应用及涂层结构调控方法
中国粉体网
（中国粉体网编辑整理/空青）
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