摩擦磨損造成的能量和物質(zhì)損失均源自材料表面，因此，各類表面工程技術(shù)已成為提高零構(gòu)件材料減摩、耐磨性能的重要方法，其中最常見的應(yīng)用便是耐磨涂層。市場上制備材料表面涂層的方法較多，包括熱噴涂、化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、電鍍等，熱噴涂技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的表面工程技術(shù)之—，在航空發(fā)動機、重型燃氣輪機等高端裝備的科研和生產(chǎn)中有著不可替代的作用。
減摩耐磨涂層是熱噴涂技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，以航空發(fā)動機為例，機匣氣路封嚴(yán)涂層、級間篦齒耐磨涂層、葉片榫頭抗微動涂層、葉尖耐磨涂層、葉片阻尼臺耐磨涂層等均采用熱噴涂技術(shù)制備。因此，國內(nèi)外研究人員對熱噴涂技術(shù)及其在減摩耐磨涂層中的應(yīng)用開發(fā)十分重視。
熱噴涂技術(shù)是利用熱源將粉末、絲材、棒材等原材料加熱到熔融、半熔融或塑性軟化狀態(tài)，同時通過高速氣流將其加速噴射撞擊到經(jīng)過預(yù)處理的工件表面，形成具有特定功能的涂層。與其他表面工程技術(shù)相比，熱噴涂技術(shù)易于實現(xiàn)以高沉積速率完成大面積涂層的生產(chǎn)，且噴涂過程可借助機器人實現(xiàn)自動化，有利于保證批量生產(chǎn)中涂層的生產(chǎn)效率和質(zhì)量穩(wěn)定。
熱噴涂技術(shù)的局限性小，對零件基材狀態(tài)、預(yù)處理沒有過高的要求，而且噴涂原料范圍廣，涵蓋金屬、合金、陶瓷、金屬-陶瓷、高分子材料等。因此，熱噴涂技術(shù)在航空航天、石油化工、電子電氣、汽車、醫(yī)療、海洋、礦業(yè)等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。
常見熱噴涂材料及應(yīng)用
影響熱噴涂涂層性能的主要因素是原料在噴涂焰流中的熔融狀態(tài)（溫度）和飛行速度（微粒的動能）。在大氣等離子噴涂之后出現(xiàn)的各種熱噴涂技術(shù)，無一不是通過提高微粒溫度或速度來獲得性能優(yōu)異的涂層。此外，由于等離子噴涂、爆炸噴涂等技術(shù)無法使用納米粉體進料，在制備納米結(jié)構(gòu)涂層時只能通過造粒將其制為微米級粉體用于噴涂，噴涂工藝和涂層性能均受到限制。因此，研究人員還開發(fā)了懸浮液等離子噴涂(SSPS)，以便獲得特定組織的納米結(jié)構(gòu)涂層。
大氣等離子噴涂(APS)是應(yīng)用最早、最廣的一種熱噴涂技術(shù)，整個噴涂過程在大氣環(huán)境下進行。APS通常利用Ar、N2和He作為工作介質(zhì)，其核心部件是等離子噴槍，工作原理是在陽極和陰極之間通入上述工作氣體作為介質(zhì)，使其電離并產(chǎn)生等離子弧，通過等離子弧的作用進一步將噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài)后進行噴涂。
APS制備的涂層因具有較高的結(jié)合強度等特點而成為摩擦學(xué)界研究的熱點，具有較高的溫度，但其噴涂過程中微粒的飛行速度較低（約300m/s），導(dǎo)致微粒在焰流中易出現(xiàn)氧化、分解或過熱等問題，難以滿足較高的工況要求。因此，研究人員在其基礎(chǔ)上研究出微粒飛行速度更高的超音速等離子噴涂。
超音速等離子噴涂(SPS)技術(shù)是利用等離子弧與高速氣流混合時出現(xiàn)的“擴展弧”可以得到穩(wěn)定聚集的超音速等離子射流，相比于大氣等離子噴涂，微粒飛行速度更高，微粒以更大的動能撞擊基體，有利于產(chǎn)生更強烈的釘扎作用和更好的鋪展，涂層致密度和結(jié)合強度也就更高。
采用SPS技術(shù)制備出的涂層具有致密的層狀結(jié)構(gòu)、較高的粘接強度等優(yōu)異性能，它不僅適用于制備高熔點陶瓷涂層，還適用于制備金屬-陶瓷復(fù)合涂層和常規(guī)金屬涂層。目前，SPS已經(jīng)成為較前沿的熱噴涂技術(shù)，并得到市場認(rèn)可。
一個比較典型的應(yīng)用是熱噴涂Mo涂層，Mo具有高熔點(2620℃)、高硬度、高強度、抗高溫粘結(jié)等優(yōu)點，熱噴涂Mo涂層作為耐磨涂層被廣泛應(yīng)用于材料表面強化或尺寸修復(fù)，Mo也可以作為熱噴涂耐磨涂層的增強相。由于Mo熔點高，以往主要采用APS制備，但APS鉬涂層易出現(xiàn)的孔隙降低了它的硬度和耐磨性。不過SPS技術(shù)雖可制備出結(jié)構(gòu)致密且結(jié)合強度高的涂層，但是在噴涂過程中仍存在碳化物脫碳、粉末氧化等問題。
超音速空氣燃料噴涂(HVAF)是在超音速火焰噴涂(HVOF)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩種噴涂技術(shù)的主要不同點是HVAF采用壓縮空氣為燃料代替氧氣，兩者在火焰溫度和粒子飛行速度方面也都有一定差異。
HVOF被廣泛用于金屬-陶瓷耐磨涂層的制備，包括WC-Co、WC-Co-Cr、NiCr-CrgCz等涂層；但是HVOF工藝中，碳化物在噴涂焰流中易發(fā)生脫碳而生成脆性相，極大地影響了涂層的耐磨性。
HVAF工藝火焰溫度較低（低于2000°C），但粒子噴射速度更高，較低的火焰溫度改善了原始粉末的過熔和過度氧化的問題，涂層中氧化物含量明顯減少，也有利于抑制噴涂原料中納米微粒在噴涂過程中的長大，在很大程度上改善了HVOF技術(shù)導(dǎo)致噴涂原料熱退化的現(xiàn)象。因此，相比HVOF技術(shù)，HVAF技術(shù)能以較高的沉積效率，制備出孔隙率低、與基體結(jié)合強度高的涂層。
HVAF較低的焰流溫度有助于進一步抑制噴涂過程中非晶材料的過熱和結(jié)晶，在制備鐵基非晶涂層方面有著明顯的優(yōu)勢。鐵基非晶材料具有低成本、高強度、高耐磨性等優(yōu)點，并且熱噴涂過程中熔融粒子冷凝速度極高，利于非晶的形成，所以熱噴涂鐵基非晶涂層是硬質(zhì)耐磨涂層的研究熱點。
爆炸噴涂技術(shù)的原理是利用氣體爆炸后產(chǎn)生的能量將粉末原料加熱熔化，使其以極高速度沉積在工件表面，形成堅固的涂層。該技術(shù)在航空發(fā)動機等關(guān)鍵零部件修復(fù)和耐磨防護中表現(xiàn)出無法替代的優(yōu)勢，受到世界范圍的研究和重視，已成為生產(chǎn)高質(zhì)量耐磨涂層最有效的技術(shù)。
爆炸噴涂也特備適合制備多相復(fù)合涂層，例如用于彈性箔片氣體軸承啟停階段的潤滑防護的寬溫域固體潤滑涂層NiCr-Cr2O3-Ag-BaF2/CaF2涂層(PS304)，其中金屬粘接相、潤滑相（軟金屬Ag、氟化物共晶）、陶瓷耐磨相之間理化性能差別大，采用爆炸噴涂的結(jié)合強度高于APS、HVOF所制備的該涂層，同時相比于HVOF，爆炸噴涂可以沉積更多的BaF2/CaF2。
由于爆炸噴涂是脈沖式進行的，基體受熱時間短，碳化物粉末原料發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象的程度較其他熱噴涂技術(shù)低，因而可以保證涂層組織與粉末成分的一致性，這一特點也使其在沉積易分解材料方面具有一定優(yōu)勢。
超低壓等離子噴涂技術(shù)(VLPPS)是在低壓/真空等離子噴涂(LPPS)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過熔化液滴在進一步降低壓力的真空室中，同時大幅提高等離子噴槍功率，將粉未加熱、加速，并達到一定比例的氣化，最終沉積形成涂層。LPPS在5000~20000Pa下進行，而VLPPS是在小于100Pa的低壓室中應(yīng)用100kW以上大功率等離子噴槍進行噴涂。
傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù)主要用于制備厚度超過100um的涂層，由于VLPPS的焰流溫度和速度分布比LPPS更均勻，且覆蓋面積大，且等離子體焰流及噴射距離較長，適用于快速制備大面積、致密均勻的薄涂層，可填補在大型基材上制備厚度為5~100um涂層技術(shù)的空白。VLPPS涂層的微觀形貌既可以呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)（類似于APS和LPPS涂層），也可以呈現(xiàn)出柱狀結(jié)構(gòu)（類似于PVD或CVD涂層）。
目前，VLPPS作為一項前沿的熱噴涂技術(shù)多被用于制備熱障涂層，研究人員主要研究其抗氧化性能，應(yīng)用該技術(shù)制備減摩耐磨涂層的相關(guān)研究較少。
6.懸浮液等離子噴涂
納米結(jié)構(gòu)有利于提高涂層韌性、耐磨性等方面，但由于納米顆粒的粒徑小、質(zhì)量小，傳統(tǒng)的熱噴涂過程中無法在常規(guī)條件下直接注入納米粉末原料，從而出現(xiàn)粉末團聚，堵塞進粉系統(tǒng)等問題。此外納米粉末由于熱能較高，在噴涂過程中會迅速分解。懸浮液等離子噴涂(SSPS)技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一問題，它的核心原理是將原始粉末和水或有機溶劑混合在一起形成懸浮液，主要用于納米涂層的制備，應(yīng)用此方法制備納米涂層時可在很大程度上避免出現(xiàn)粉末團聚、堵塞進粉系統(tǒng)等問題。
由于粒子在注入等離子射流之前就為液態(tài)，焰流密度較高，因此SSPS中等離子體流向基體的熱流密度比常規(guī)APS在相同功率水平下的熱流密度要高一個數(shù)量級，可以制備傳統(tǒng)噴涂技術(shù)不能制備的涂層，如直接將APS工藝無法噴涂的顆粒（如SiC）摻入陶瓷基體中。
7.高速電弧噴涂
電弧噴涂技術(shù)主要應(yīng)用于防護涂層中，其原理是應(yīng)用2根連續(xù)且均勻送進的金屬絲短接產(chǎn)生電弧，并以此熔化金屬絲，外加壓縮空氣使熔融顆粒霧化并且加速，熔融的液滴撞擊經(jīng)過預(yù)處理的基材表面發(fā)生變形、展平，并快速凝固、沉積，逐漸形成涂層。
早期的電弧噴涂技術(shù)制備的涂層存在孔隙率較大、與基體的結(jié)合強度較低等問題，因此，研究人員在普通電弧噴涂技術(shù)的基礎(chǔ)上研究出高速電弧噴涂技術(shù)(HVAS)。HVAS對噴槍部分進行了優(yōu)化，在一定程度上提高了霧化氣體壓力和流速，縮短了粒子飛行時間，降低了粒子被氧化的程度，提高了粒子變形與合金化程度，從而改善了涂層的微觀結(jié)構(gòu)。相比普通的電弧噴涂，HVAS具有較高的電弧穩(wěn)定性、沉積效率以及涂層組織致密程度。
不同熱噴涂耐磨涂層的應(yīng)用領(lǐng)域
不同熱噴涂工藝的優(yōu)缺點及適用情況
文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號：粉體圈