淺談高性能陶瓷涂層的性能應用

269　 2024-09-02 09:48:51

高性能陶瓷涂層是繼有機樹脂、金屬及合金之后涌現出來的一類非金屬無機涂層的總稱。近半個世紀以來伴隨著航天工程、電子軍工等尖端技術的發展，高性能陶瓷涂層也得到了持續高速的發展，這類新型高溫材料與金屬基體結合生產的涂覆零部件既綜合了整體陶瓷材料的特性，具有耐高溫、耐化學腐蝕的優點，也讓陶瓷涂層與基體金屬材料的高韌性、高塑性和高導電率彼此補充，保持原基材的結構強度。

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）、化學氣相沉積（CVD）。

③濕化學法：如溶膠-凝膠法、化學鍍及化學復合鍍等。

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份額的50%以上。

2.優缺點

優點：

①能靈活的將陶瓷材料的耐高溫、耐磨、耐蝕等特點與金屬材料的高強韌性、可加工性、導電導熱性相結合，以彼之長補其短，最大限度的發揮綜合優勢滿足機械產品對結構性能和環境性能的需要。

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合，實現企業的技術改造。

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

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、石料石膏等無機材料；塑料和有機材料；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所限制。噴涂的產品可大可小，造型不受限制；既可在熱噴涂工廠內施工，也可在現場施工。

缺點：

①塑性變形能力差，對應力集中和裂紋敏感、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、熱導率差別大，使用中產生不同的應力狀態會影響其使用壽命。

③涂層與基體間是機械嵌合或分子力結合，雙方存在結合強度不同的問題。

3.應用領域

①航空工業：熱障涂層作為現代航空發動機的關鍵技術之一，航空發動機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或多層金屬陶瓷復合涂層。而更精尖的宇航工業中零部件對材料的要求更加苛刻，性能穩定可靠、重量輕、高性能的陶瓷涂層應用在液體火箭發動機的推力室，短時間固體火箭發動機的尾噴管有效的解決了高溫沖刷和隔熱問題。

②電力工業：火力發電站中煤粉機鍋爐的送風機和引風機葉片采用等離子噴涂WC/Co金屬陶瓷涂層，可降低風機葉片在高速粉塵環境下的磨損。同原來未加涂層的葉片的產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啟閉機中的活塞桿，既要承受啟閉閘門時重載下往復滑動的磨損，還要耐超時水汽的腐蝕。傳統的鍍鉻活塞桿使用一段時間后出現漏油，甚至卡死現象，直接影響到閘門的啟閉和定位。

③石油化工業：等離子涂層的陶瓷涂層柱塞的應用實例很多，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的泄露，機械動密封環和軸套采用噴涂陶瓷的零件，在端面密封方面已廣泛應用于石油、化纖、化肥生產中。

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鍵部件之一。對于密封性要求相當嚴格，采用等離子噴涂Cr2O3或HVOF噴涂WC/Co涂層有效地解決了這個難題，其使用壽命提高約10倍。

④冶金工業：鋼板連續退火爐的托輥，采用等離子噴涂Al2O3 25% ZrO2復合涂層，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一個月，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關鍵，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：為了克服紗線和化纖對紡機零件的磨損，輕紡工業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：在印刷行業中的墨斗輥、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，在包裝行業中的瓦楞輥采用等離子噴涂Cr2O3陶瓷涂層。

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