三、高效能超音速等離子噴涂系統(tǒng)制備的典型涂層

　　1．三氧化二鋁（Al2O3）涂層

　　Al2O3陶瓷涂層由于具有良好的耐磨性、耐熱性、耐蝕性、耐氧化性以及電絕緣性，被廣泛用作隔熱涂層、絕緣涂層以及耐滑動(dòng)摩擦磨損涂層。目前，一般采用等離子噴涂工藝制備Al2O3，陶瓷涂層。由于Al2O3，粉末熔點(diǎn)高、比重輕，因此制備出性能優(yōu)異的Al2O3涂層一直是個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。高效能超音速等離子噴涂系統(tǒng)焰流更加集中、射流速度更快，是制備性能優(yōu)異的Al2O3，涂層優(yōu)選的技術(shù)工藝方法。

　　使用從芬蘭引進(jìn)的SprayWatch-2iCCD在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)超音速等離子射流中的粒子速度、溫度進(jìn)行監(jiān)控。噴涂Al2O3中粒子的平均速度達(dá)到650m/s，平均溫度達(dá)3150℃左右。

　　如圖3所示，利用高效能超音速等離子噴涂系統(tǒng)制備的Al2O3涂層具有粒子熔化狀態(tài)好、變形充分、涂層非常致密、無(wú)分層、裂紋和明顯的孔隙等優(yōu)異特點(diǎn)。

　采用灰度法測(cè)量涂層孔隙率僅為0.86%，在ⅡMT-3型顯微硬度計(jì)上測(cè)得涂層截面的顯微硬度HV0.3平均達(dá)到1000以上。

　　2．碳化鎢（WC-Co）涂層

　　WC-Co是典型硬質(zhì)合金材料，由于WC-Co涂層有很高的硬度和良好的韌性，常用超音速火焰噴涂和爆炸噴涂制備超硬(1200～1400HV0.2)耐磨涂層。這兩種噴涂方法由于火焰流速度高、溫度較低，可以有效地減輕WC在噴涂過(guò)程中的分解現(xiàn)象，是制備WC-Co涂層較常用的工藝方法。采用常規(guī)等離子噴涂工藝進(jìn)行噴涂，由于等離子射流溫度高，WC粉末易發(fā)生氧化、脫碳和燒損，致使涂層性能降低。而使用高效能超超音速等離子噴涂系統(tǒng)(HEPJet)，可在較大范圍調(diào)控等離子射流的熱焓值，加上射流速度大幅提高，WC-Co粒子在射流中的停留時(shí)間縮短，涂層的氧化和失碳問(wèn)題比常規(guī)等離子噴涂大為減輕，涂層的密度引硬度也大幅提高。相對(duì)于超音速火焰噴涂和爆炸噴涂方法，涂層的沉積率和噴涂效率大幅提高，綜合成本顯著降低，涂層受氧化的程度也有所降低。

粒子的平均速度達(dá)420m/s，平均溫度達(dá)2600℃，利用高效能超音速等離子噴涂系制備的WC-Co涂層粒子變形充分，涂層均勻，非常致密，無(wú)分層、裂紋和明顯的孔隙。

從整體衍射曲線來(lái)看，涂層的WC相保持完好，證明射流速度的提高對(duì)抑制WC的分解和氧化效果明顯。

　　采用灰度法測(cè)量涂層孔隙率僅為0.66%，在ⅡMT-3型顯微硬度計(jì)上測(cè)得涂層截面的顯徽硬度HV0.3平均達(dá)到1300以上。

　　3．氧化鋯熱障涂層

　　熱障涂層(thermal barrier coatings，TBCs)是當(dāng)今熱噴涂技術(shù)領(lǐng)域研究最多、應(yīng)用水平最高，也是最有發(fā)展?jié)摿Φ纳贁?shù)幾種最重要的涂層之一。選用Y2O3復(fù)合穩(wěn)定的多晶ZrO2陶瓷粉末和NiCoCrAlY合金粉術(shù)，根據(jù)高效能超音速等離子噴涂的內(nèi)送粉特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了兩路內(nèi)送粉，分別輸送熔點(diǎn)高的陶瓷和熔點(diǎn)低的金屬至等離子射流的小同溫區(qū)的“雙通道、雙溫區(qū)”專(zhuān)用噴槍?zhuān)^好地解決了普通等離子噴涂梯度TBCs時(shí)，高熔點(diǎn)存在

陶瓷“夾生”和低熔點(diǎn)合金存在“過(guò)熔”的難題。獲得了陶瓷組分和金屬組分各自都良好熔化，沿涂層厚度方向呈均勻梯度分布的連續(xù)梯度熱障涂層系統(tǒng)CG-TBCs。

　　四、應(yīng)用

高效能超音速等離子噴涂系統(tǒng)(HEPJ)噴涂材料范圍廣，涂層組織致密、孔隙率小，與基體結(jié)合強(qiáng)度高，解決了許多重要裝備貴重零部件過(guò)去無(wú)法修復(fù)或使用壽命短的難題。由于其突出的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)多家單位有意訂購(gòu)選用。中國(guó)人民解放軍第6456工廠發(fā)動(dòng)機(jī)再制造生產(chǎn)線選用該套系統(tǒng)作為再制造關(guān)鍵技術(shù)，西安交通大學(xué)選用該套系統(tǒng)用于科研試驗(yàn)。高效能超音速等離子噴涂(HEPJ)系統(tǒng)必將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　1．熱障涂層

　　隨著主戰(zhàn)坦克、船艦、兩棲車(chē)輛裝備的動(dòng)力系統(tǒng)(如大功率柴油內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)饣驘熎啓C(jī))向高功率、高效能、高可靠性和長(zhǎng)壽命方向發(fā)展，其熱端工作部件(如活塞、活塞環(huán)、缸套、缸蓋、排氣管及渦輪導(dǎo)向葉片等)將經(jīng)受更嚴(yán)酷的高溫、高應(yīng)力和海洋環(huán)境(C1-1)以及復(fù)雜燃?xì)?S、SO2、SO3、V、K和Na)的沖蝕磨損和熱腐蝕、熱疲勞等協(xié)同作用，傳統(tǒng)的材料已難以滿足這種工況的要求，往往在遠(yuǎn)低于正常維修壽命的情況下，造成早期損傷、失效，嚴(yán)重影響裝備的戰(zhàn)斗力。熱障涂層的應(yīng)用可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金溫度，不僅可以大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，而且在同樣推力條件下節(jié)約燃料。為此，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，在國(guó)內(nèi)外受到廣泛關(guān)注與開(kāi)發(fā)。

　　2．耐磨、耐高溫涂層

　　瓦楞輥在造紙業(yè)的使用比例相當(dāng)大，由于生產(chǎn)過(guò)程中，重壓下參與嚙合的只是齒的頂部和溝部一段很小的范圍，相對(duì)滑動(dòng)率很大，齒頂齒根磨損相當(dāng)嚴(yán)重。目前在制造材料的選擇上已發(fā)揮到極限，但通過(guò)高效能超音速等離子噴涂WC-Co涂層對(duì)磨損報(bào)廢的瓦楞輥進(jìn)行修復(fù)、硬化和耐磨性處理，可使再制造處理的瓦楞輥性能超過(guò)新。而且工藝簡(jiǎn)單，成本低，修復(fù)成本僅為新品的1/2～l/3。

　　鋼廠使用的各種高溫爐輥，為了提高輥?zhàn)拥哪透邷?、耐磨損性能，通常采用熱噴涂方法制備陶瓷涂層，目前高溫段(大于850℃)輥?zhàn)颖砻娴耐繉釉诤艽蟪潭壬线€依賴(lài)進(jìn)口。國(guó)內(nèi)通常采用爆炸噴涂技術(shù)制備涂層，但該技術(shù)噴涂效率太低。如果采用高效能超音速等離子噴涂技術(shù)，噴涂效率可比爆炸噴涂技術(shù)提高5～6倍，涂層質(zhì)量與爆炸噴涂相當(dāng)，而且還可以噴涂爆炸噴涂無(wú)法制備的高溫耐磨陶瓷涂層。

　　五、結(jié)語(yǔ)

　　高效能超音速等離子噴涂技術(shù)(HEPJ)，具有能耗和氣耗低、噴涂材料范同廣、粉末沉積效率高及涂層質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，能制備出性能優(yōu)異的耐磨、耐蝕及熱障等涂層，已在國(guó)防、工業(yè)和航空航天等重要領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。

　　高效能超音速等離子噴涂技術(shù)(HEPJ)是再制造技術(shù)中一項(xiàng)先進(jìn)、高效、高質(zhì)量的表面強(qiáng)化與修復(fù)技術(shù)，對(duì)提升我國(guó)熱噴涂技術(shù)的整體水平產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用。