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等離子噴涂技術在耐磨涂層、耐蝕涂層領域的應用
等離子噴涂技術在耐磨涂層、耐蝕涂層等傳統領域的應用已經較為廣泛，從上世紀50 年代至今，其應用領域由航空、航天擴展到了鋼鐵產業、汽車制造、石油化工、紡織機械、船舶等領域。近年來等離子噴涂技術在高新技術領域如納米涂層材料、梯度功能材料、超導涂層、生物功能涂層等方面的應用研究徐徐受到人們的正視。 接下來和壹佰一起了解一下。
等離子噴涂技術
1、 納米涂層材料
真空等離子噴涂制備了納米WC/Co 涂層。發現涂層硬度、韌性和耐磨性較常規涂層都有較大的改善，在40～60N 載荷下，納米WC/Co涂層磨損率僅為常規涂層的1/6。Connecticut 大學等對等離子噴涂納米結構Al2O3-TiO2 系涂層進行了系統的研究，包括納米粉末噴霧干燥團圓重構、等離子噴涂工藝參數優化、工藝診斷、模擬以及涂層結構與機能的分析，表明涂層具有雙態顯微結構，表現出獨特的優異機能。與對應的常規涂層比擬，結合強度增強100 %，磨粒磨損抗力進步300%，壓痕開裂抗力、彎曲和杯突試驗表現的剝落抗力要高得多。中國上海硅酸鹽研究所祝迎春等人研究了等離子噴涂過程中納米TiO2 的結構變化和粒子注入特性。研究發現，TiO2 納米顆粒由無定型轉化為銳鈦礦結構和金紅石結構。涂層表現出良好的Li + 注入電流和電化學不亂性。陳煌等利用大氣等離子噴涂技術在不銹鋼基體上制備了氧化鋯納米涂層。獲得的涂層結構致密，孔隙率約為7%，涂層和基體間的結合強度為45MPa，顯著優于傳統氧化鋯涂層與基體的結合強度。
2、 梯度功能材料(FGMs)
等離子噴涂制備梯度功能材料是目前材料學中倍受關注的研究領域之一，其研究范圍主要為梯度功能材料的設計、制備和機能評價三個方面。因為等離子焰流溫度高，特別合用于噴涂難熔金屬、陶瓷和復合材料涂層，這就為功能梯度材料的發展提供了更廣闊的空間。目前以NiCrAlY作為中間層向金屬上涂覆ZrO2 涂層成為大多數等離子噴涂FGMs 結構研究的熱門，已建立起很好的制備工藝。另外，已被研究的其他它體系還包括：Cu/W 和Cu/B4C、與Al2O3-Cr2O3 結合的Ni 基合金、具有CoCrAlY 或NiCoCrAlY的ZrO2、具有Mo 的TiC、具有YSZ 涂層的Ni-20%Cr、Ni/Al2O3、WC/Co 等。K.A.Khor 等人對YSZ/NiCoCrAlY體系的研究表明，與傳統的雙層材料比擬，功能梯度涂層具有更優異的機能。得到的FGM涂層的結合強度為18MPa，雙層涂層僅為9MPa，而涂層的抗熱輪回壽命FGM涂層是雙層涂層的6倍。SudarshanRangaraj 等設計了五種不同成分的YSZ 梯度涂層，研究了涂層設計對YSZ 涂層機能的影響，結果表明莫來石(mullite)成分的添加會降低涂層表面裂紋生長驅動力。
3 、超導涂層
等離子噴涂弧溫很高，特別合用于噴涂復合氧化物陶瓷，不需要保護氣氛，能夠噴涂具有復雜外形的超導制件，沉積效率高，輕易制備厚膜涂層和大面積涂層。適于等離子噴涂的超導陶瓷涂層材料主要有YBa2Cu3O7- x(YBCO) 和Bi2Sr2Cu2CaO。YBCO是一種典型的超導材料，臨界溫度為94K。等離子噴涂的YBCO 涂層因為噴涂過程中材料的氧損失，涂層結構中的孔隙、裂紋和粒子間的不平均接觸等不平均性，使涂層并不具有超導特性。只有對涂層在氧氣或空氣氣氛中進行適當的熱處理，使涂層形成致密、平均且較不亂的晶體結構，才能獲得超導性。YBCO 涂層的熱處理前提為920℃×1h，降至400℃再保溫1h。當將Bi2Sr2Cu2CaOy 陶瓷從高溫急冷或淬冷后，它會產生超導態。這一特性對等離子噴涂具有特別的意義，由于等離子噴涂能使涂層材料獲得高達106℃/s的急冷冷卻速率，只要調整好等離子噴涂前提和工藝參數，很輕易使Bi2Sr2Cu2CaOy 的噴涂態涂層具有超導特性。
4 、生物功能涂層
等離子噴涂技術是制備醫用生物涂層材料的有效方法。將特定組分的粉末材料經高溫熔化后沉積于金屬人工骨植入物表面，形成以韌性金屬為骨架，表面有陶瓷涂層的人工骨與人工關節，此方法充分施展了金屬和陶瓷兩類材料的長處。海內外對等離子噴涂羥基磷灰石(HA)涂層和鈦涂層的研究報導較多，并成功地應用于臨床試驗。羥基磷灰石涂層對生物體無毒，耐體液侵蝕，且對生物體組織有良好的適應性和親和性，耐長期運動過程中的磨損，有足夠的力學機能。鈦質植入體具有較好的化學不亂性，并且與組織結合良好，與體液相容。用真空等離子噴涂在不銹鋼牙根和接骨板上噴涂鈦涂層在臨床上已有成功的應用，這些涂層既利用了不銹鋼的強度，又利用了鈦涂層的生物相容性，防止不銹鋼中有毒元素的開釋。我國的上海硅酸鹽研究所在生物涂層材料的研究方面也取得了較好的進展。
5、其它應用
等離子噴涂時熔粒的冷卻速度可達105～106K/s，這種高速冷卻可在涂層中產生非晶態相的組織結構。大氣等離子噴涂Fe基非晶合金粉末(含Si、B、Cr、Ni 等)制備的高非晶含量的Fe基非晶合金涂層致密度高、孔隙率低、氧化物含量少，其顯微硬度在HV0.1700～950內，結合強度在27MPa以上。等離子噴涂壓電陶瓷涂層用于制作壓電元件無需粘貼，尤其合用于大面積存電傳感元件和壓電作功元件陣列的制作。另外大氣等離噴涂技術在制備固體氧化物燃料電池(SOFC)方面也有相關的研究和報道。
等離子噴涂技術是目前廣泛使用的材料表面涂層技術，該工藝沉積速度快，出產效率高，廣泛應用于航空航天，可植入醫療器械，汽車等領域，市場應用遠景廣闊。
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