浅谈高性能陶瓷涂层的性能应用

191　 2024-10-15 09:15:26

高性能陶瓷涂层是继有机树脂、金属及合金之后涌现出来的一类非金属无机涂层的总称。近半个世纪以来伴随着航天工程、电子军工等尖端技术的发展，高性能陶瓷涂层也得到了持续高速的发展，这类新型高温材料与金属基体结合生产的涂覆零部件既综合了整体陶瓷材料的特性，具有耐高温、耐化学腐蚀的优点，也让陶瓷涂层与基体金属材料的高韧性、高塑性和高导电率彼此补充，保持原基材的结构强度。

1.成型方法

①固相沉积法：如自蔓延高温合成法。

②气相沉积法：如物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）。

③湿化学法：如溶胶-凝胶法、化学镀及化学复合镀等。

④热喷涂法：如等离子喷涂、火焰喷涂等。该法约占陶瓷涂层市场份额的50%以上。

2.优缺点

优点：

①能灵活的将陶瓷材料的耐高温、耐磨、耐蚀等特点与金属材料的高强韧性、可加工性、导电导热性相结合，以彼之长补其短，最大限度的发挥综合优势满足机械产品对结构性能和环境性能的需要。

②可用于制备陶瓷涂层的材料品种繁多，且陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属、陶瓷与塑料等材料之间可按需组合使用。且容易与原有金属加工的工装条件结合，实现企业的技术改造。

③陶瓷涂层成型容易，沉积速率较快，涂层厚度可控。可采用不同烧结工艺在薄壁件、空心件和异形件表面喷涂，也可实现制品的局部喷涂强化。

④可在不同基材上制备陶瓷涂层，加工性能好。例如各类金属、水泥、耐火材料、石料石膏等无机材料；塑料和有机材料；木材、纸板等，其性能均可通过喷涂陶瓷涂层加以改善。陶瓷涂层损坏后，金属基体还可再使用，在此喷涂陶瓷陶瓷（其它基材若无损坏影响二次使用亦是如此）。

⑤物料耗费少。陶瓷涂层的厚度一般在几十微米到几毫米之间，再者陶瓷材料密度较小，所以物耗小，但附加值高。

⑥可不受工件尺寸和施工场所限制。喷涂的产品可大可小，造型不受限制；既可在热喷涂工厂内施工，也可在现场施工。

缺点：

①塑性变形能力差，对应力集中和裂纹敏感、抗热震和抗疲劳性能差。

②陶瓷涂层材料与金属材料的膨胀系数、热导率差别大，使用中产生不同的应力状态会影响其使用寿命。

③涂层与基体间是机械嵌合或分子力结合，双方存在结合强度不同的问题。

3.应用领域

①航空工业：热障涂层作为现代航空发动机的关键技术之一，航空发动机的热端部件如火焰筒、加力燃烧室、涡轮叶片等通常采用等离子喷涂的Al2O3、ZrO2或多层金属陶瓷复合涂层。而更精尖的宇航工业中零部件对材料的要求更加苛刻，性能稳定可靠、重量轻、高性能的陶瓷涂层应用在液体火箭发动机的推力室，短时间固体火箭发动机的尾喷管有效的解决了高温冲刷和隔热问题。

②电力工业：火力发电站中煤粉机锅炉的送风机和引风机叶片采用等离子喷涂WC/Co金属陶瓷涂层，可降低风机叶片在高速粉尘环境下的磨损。同原来未加涂层的叶片的产品相比使用寿命提高了4倍以上。大型水利枢纽工程的液压启闭机中的活塞杆，既要承受启闭闸门时重载下往复滑动的磨损，还要耐超时水汽的腐蚀。传统的镀铬活塞杆使用一段时间后出现漏油，甚至卡死现象，直接影响到闸门的启闭和定位。

③石油化工业：等离子涂层的陶瓷涂层柱塞的应用实例很多，通常选用Cr2O3，Al2O3或Al2O3-TiO2陶瓷涂层。如石油勘探中的泥浆泵柱塞，化纤生产的C型泵及二氧化碳泵柱塞等。

为了防止被输送的液体介质的泄露，机械动密封环和轴套采用喷涂陶瓷的零件，在端面密封方面已广泛应用于石油、化纤、化肥生产中。

球阀是用于输送高温高压并含有固体颗粒和腐蚀性浆料的关键部件之一。对于密封性要求相当严格，采用等离子喷涂Cr2O3或HVOF喷涂WC/Co涂层有效地解决了这个难题，其使用寿命提高约10倍。

④冶金工业：钢板连续退火炉的托辊，采用等离子喷涂Al2O3 25% ZrO2复合涂层，比原高温合金和石墨辊的使用寿命提高6~8倍。

热浸镀锌用的沉没辊采用HVOF喷涂金属陶瓷涂层，具有优异的耐熔融锌的腐蚀和良好的耐磨性，这种新型的沉没辊使用寿命达一个月，比原用的沉没辊的寿命提高2倍以上。

热浸镀铝用的沉没辊曾是热浸镀铝的技术关键，采用等离子喷涂尖晶石涂层，用水玻璃封孔处理，使用寿命显著提高，可使用15天以上。

⑤轻工业：为了克服纱线和化纤对纺机零件的磨损，轻纺工业中大量零部件采用陶瓷涂层如：罗拉、槽辊、摩擦片等。通常采用等离子喷涂Al2O3-TiO2或Cr2O3涂层。

⑥印刷、包装行业：在印刷行业中的墨斗辊、胶印辊，采用等离子喷涂Cr2O3陶瓷涂层，铸铁印刷辊采用Al2O3-TiO2涂层，聚乙烯等塑料薄膜印刷用的电晕辊采用等离子喷涂Al2O3涂层作为绝缘涂层，在包装行业中的瓦楞辊采用等离子喷涂Cr2O3陶瓷涂层。