淺談高性能陶瓷涂層的性能應(yīng)用

183　 2024-08-13 09:11:01

高性能陶瓷涂層是繼有機(jī)樹脂、金屬及合金之后涌現(xiàn)出來的一類非金屬無機(jī)涂層的總稱。近半個(gè)世紀(jì)以來伴隨著航天工程、電子軍工等尖端技術(shù)的發(fā)展，高性能陶瓷涂層也得到了持續(xù)高速的發(fā)展，這類新型高溫材料與金屬基體結(jié)合生產(chǎn)的涂覆零部件既綜合了整體陶瓷材料的特性，具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，也讓陶瓷涂層與基體金屬材料的高韌性、高塑性和高導(dǎo)電率彼此補(bǔ)充，保持原基材的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

1.成型方法

①固相沉積法：如自蔓延高溫合成法。

②氣相沉積法：如物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）。

③濕化學(xué)法：如溶膠-凝膠法、化學(xué)鍍及化學(xué)復(fù)合鍍等。

④熱噴涂法：如等離子噴涂、火焰噴涂等。該法約占陶瓷涂層市場(chǎng)份額的50%以上。

2.優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

①能靈活的將陶瓷材料的耐高溫、耐磨、耐蝕等特點(diǎn)與金屬材料的高強(qiáng)韌性、可加工性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性相結(jié)合，以彼之長(zhǎng)補(bǔ)其短，最大限度的發(fā)揮綜合優(yōu)勢(shì)滿足機(jī)械產(chǎn)品對(duì)結(jié)構(gòu)性能和環(huán)境性能的需要。

②可用于制備陶瓷涂層的材料品種繁多，且陶瓷與陶瓷、陶瓷與金屬、陶瓷與塑料等材料之間可按需組合使用。且容易與原有金屬加工的工裝條件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的技術(shù)改造。

③陶瓷涂層成型容易，沉積速率較快，涂層厚度可控。可采用不同燒結(jié)工藝在薄壁件、空心件和異形件表面噴涂，也可實(shí)現(xiàn)制品的局部噴涂強(qiáng)化。

④可在不同基材上制備陶瓷涂層，加工性能好。例如各類金屬、水泥、耐火材料、石料石膏等無機(jī)材料；塑料和有機(jī)材料；木材、紙板等，其性能均可通過噴涂陶瓷涂層加以改善。陶瓷涂層損壞后，金屬基體還可再使用，在此噴涂陶瓷陶瓷（其它基材若無損壞影響二次使用亦是如此）。

⑤物料耗費(fèi)少。陶瓷涂層的厚度一般在幾十微米到幾毫米之間，再者陶瓷材料密度較小，所以物耗小，但附加值高。

⑥可不受工件尺寸和施工場(chǎng)所限制。噴涂的產(chǎn)品可大可小，造型不受限制；既可在熱噴涂工廠內(nèi)施工，也可在現(xiàn)場(chǎng)施工。

缺點(diǎn)：

①塑性變形能力差，對(duì)應(yīng)力集中和裂紋敏感、抗熱震和抗疲勞性能差。

②陶瓷涂層材料與金屬材料的膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率差別大，使用中產(chǎn)生不同的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)影響其使用壽命。

③涂層與基體間是機(jī)械嵌合或分子力結(jié)合，雙方存在結(jié)合強(qiáng)度不同的問題。

3.應(yīng)用領(lǐng)域

①航空工業(yè)：熱障涂層作為現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件如火焰筒、加力燃燒室、渦輪葉片等通常采用等離子噴涂的Al2O3、ZrO2或多層金屬陶瓷復(fù)合涂層。而更精尖的宇航工業(yè)中零部件對(duì)材料的要求更加苛刻，性能穩(wěn)定可靠、重量輕、高性能的陶瓷涂層應(yīng)用在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室，短時(shí)間固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管有效的解決了高溫沖刷和隔熱問題。

②電力工業(yè)：火力發(fā)電站中煤粉機(jī)鍋爐的送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)葉片采用等離子噴涂WC/Co金屬陶瓷涂層，可降低風(fēng)機(jī)葉片在高速粉塵環(huán)境下的磨損。同原來未加涂層的葉片的產(chǎn)品相比使用壽命提高了4倍以上。大型水利樞紐工程的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)中的活塞桿，既要承受啟閉閘門時(shí)重載下往復(fù)滑動(dòng)的磨損，還要耐超時(shí)水汽的腐蝕。傳統(tǒng)的鍍鉻活塞桿使用一段時(shí)間后出現(xiàn)漏油，甚至卡死現(xiàn)象，直接影響到閘門的啟閉和定位。

③石油化工業(yè)：等離子涂層的陶瓷涂層柱塞的應(yīng)用實(shí)例很多，通常選用Cr2O3，Al2O3或Al2O3-TiO2陶瓷涂層。如石油勘探中的泥漿泵柱塞，化纖生產(chǎn)的C型泵及二氧化碳泵柱塞等。

為了防止被輸送的液體介質(zhì)的泄露，機(jī)械動(dòng)密封環(huán)和軸套采用噴涂陶瓷的零件，在端面密封方面已廣泛應(yīng)用于石油、化纖、化肥生產(chǎn)中。

球閥是用于輸送高溫高壓并含有固體顆粒和腐蝕性漿料的關(guān)鍵部件之一。對(duì)于密封性要求相當(dāng)嚴(yán)格，采用等離子噴涂Cr2O3或HVOF噴涂WC/Co涂層有效地解決了這個(gè)難題，其使用壽命提高約10倍。

④冶金工業(yè)：鋼板連續(xù)退火爐的托輥，采用等離子噴涂Al2O3 25% ZrO2復(fù)合涂層，比原高溫合金和石墨輥的使用壽命提高6~8倍。

熱浸鍍鋅用的沉沒輥采用HVOF噴涂金屬陶瓷涂層，具有優(yōu)異的耐熔融鋅的腐蝕和良好的耐磨性，這種新型的沉沒輥使用壽命達(dá)一個(gè)月，比原用的沉沒輥的壽命提高2倍以上。

熱浸鍍鋁用的沉沒輥曾是熱浸鍍鋁的技術(shù)關(guān)鍵，采用等離子噴涂尖晶石涂層，用水玻璃封孔處理，使用壽命顯著提高，可使用15天以上。

⑤輕工業(yè)：為了克服紗線和化纖對(duì)紡機(jī)零件的磨損，輕紡工業(yè)中大量零部件采用陶瓷涂層如：羅拉、槽輥、摩擦片等。通常采用等離子噴涂Al2O3-TiO2或Cr2O3涂層。

⑥印刷、包裝行業(yè)：在印刷行業(yè)中的墨斗輥、膠印輥，采用等離子噴涂Cr2O3陶瓷涂層，鑄鐵印刷輥采用Al2O3-TiO2涂層，聚乙烯等塑料薄膜印刷用的電暈輥采用等離子噴涂Al2O3涂層作為絕緣涂層，在包裝行業(yè)中的瓦楞輥采用等離子噴涂Cr2O3陶瓷涂層。