熱噴涂制備納米涂層的研究現狀與展望

惠陽

【摘 ?要】納米材料具有較小尺寸的晶粒，同時擁有表面效應以及量子效應等優勢，在很多方面都具有典型性能，諸如光、熱、化學以及磁等方面，已經是當前重點研究的領域。應用納米涂層，提供給納米材料更新的發展方向。很多的制備納米涂層技術中，最為經濟有效的制備納米涂層的方式即為熱噴涂技術，可以展現出防腐蝕、耐磨、熱絕緣等功效。本文對于熱噴涂制備納米涂層的研究情況展開分析。

【關鍵詞】熱噴涂;納米涂層;制備;研究現狀;未來展望

在納米技術不斷進步與發展的情況下，傳統的表面工程邁進了納米表面工程時代。在納米表面工程中，熱噴涂為組裝納米材料成納米涂層非常有效的策略。納米涂層組裝是一項納米表面工程，經特殊工藝進行加工零維的納米質點、一維納米線成納米結構噴涂粉材，通過現代表面加工技術構建納米涂層，也能夠通過現代表面加工技術于基材表面直接的組裝為納米涂層。

一、熱噴涂納米涂層制備方法現狀分析

（一）等離子噴涂法（PS）

等離子噴涂工作氣體的構成就是Ar、N2或增添百分之五至十的H2。電極區納入了工作氣體之后，通過陰極、陽極之間所形成直流電弧，進行加熱離解為高溫等離子體，同時噴出于噴嘴，產生高速等離子焰流，每秒500米到1 500米之間。送粉氣進行載入噴涂粉末在離子焰流內，極快的產生受熱并且熔化，迅速在基體表面噴射沉積產生涂層。等離子噴涂納米涂層就是，可噴涂納米的材料非常多，納米涂層具有較少的孔隙，而且具備較強的結合率，能夠采取惰性氣體當作工作介質，所以能夠將納米粒子飛行期間形成的氧化問題明顯減少。

（二）超音速火焰噴涂法（HVOF）

燃料氣體跟助燃劑或者是液體燃料跟助燃劑，在采取相應比例于燃燒室中導入，同時進行混合的情況下，在電火花點燃基礎上產生爆炸式燃燒的情況。在燃燒以后所形成的高溫高壓氣體，基于噴嘴的作用下前提下，產生超音速焰流，并且送粉氣把噴涂粉末輸送到高溫燃氣內形成加熱熔融，進而隨著焰流高速噴射，在基體表面進行沉積，之后產生涂層。超音速火焰噴涂納米涂層的典型特征就是，納米粒子具有較快的運動速度，受熱溫度較低，同時具備均勻的受熱現象，可以集中能量，同時納米涂層內通常無氧化物，具備穩定的涂層化學成分，在一些硬質耐磨涂層中適用性較高。而且具備極高的致密度，同時具有較低的孔隙率以及較高的結合強度，能夠進行制備厚涂層。

（三）爆炸噴涂法（D-GUN）

先把相應比例O2、C2H2通過閥門系統，在混合室中進行混合，之后在槍筒中送進，之后在槍筒內進行送進霧化處理以后的噴涂粉末。通過火花塞點火，混合氣體出現燃燒以及爆炸的情況，由此形成爆轟波。爆轟波的高溫、高沖擊壓力狀態中，噴涂粉末出現熔融，而且被高速噴向基體表面進而產生涂層。結束了一次爆炸之后，把清洗氣N2送入到室內，把剩余的燃氣以及粉末進行清除，提供給下次的爆炸準備工作。爆炸噴涂納米涂層的特征也是相對顯著的，即具備致密的涂層以及較低的孔隙率，而且涂層相對平滑狀態。

（四）雙絲電弧噴涂法（TWAS）

把導電金屬絲材料（相反極性的兩根）當作自耗電極，基于喂料滾輪下連續的進給，一直到噴槍端口部位形成接觸，產生短路以及形成電弧。電弧產生的熱量，熔化了金屬絲材，再采取壓縮空氣，霧化處理熔化的金屬為微熔滴，之后在基體的表面部位進行噴射，最終產生涂層。雙絲電弧噴涂納米結構涂層的電弧噴涂的產生，主要是通過納米絲材電弧熔化以及霧化之后得到，完全的燃燒了粒子，所以具備相對穩定的噴涂質量，而且擁有較高的生產以及節能效率。

（五）冷噴涂法（CS）

工作氣、送粉載氣于高壓源加壓后加速。工作氣為形成高速的重要性介質，進入到腔膛前，預熱大約一百到六百攝氏度之間，使得顆粒流速提升。載氣受熱于另一加熱器之后，通過送粉器，把粉末在噴槍送進，混合其他的工作氣。基于Laval噴嘴作用中提供給工作氣攜帶粉體顆粒較強的超音速流動，按照完全固態模式在基體表面進行噴射沉積，最后產生涂層。冷噴涂納米涂層因為冷噴涂實施加速氣流溫度在600 ℃以下，同時具有較快的納米粒子速度，所以能夠防止產生氧化以及分解等問題，讓涂層具備最初納米粒子性質。

二、關鍵技術和發展趨勢

納米涂層材料制備包含了較多的關鍵技術。首先，就是納米粉末材料的輸送技術。納米顆粒具有較輕的質量，相較于表面積而言更大，實施噴涂期間，納米粉末不具有良好的流動性，所以很容易產生粉末輸送堵塞的問題，也阻礙納米顆粒直接的在基材表面形成涂層。所以，可以實施納米粉末粒子復合再造粒技術，進行制備存在納米晶結構的微米球形顆粒粉末材料。其次，納米粒子長大的抑制技術，使得于涂層內對于納米晶結構實施有效的保護。將噴涂粒子飛行速度進行提升，把噴涂熱源溫度減小，實施各種涂層制備技術（SPS，CGDS，HVOF等）為獲取納米晶涂層關鍵性模式。最后，納米合金粉末材料的制備技術。制備納米合金粉末材料舉措是較多的，氣體沉積法就是普遍應用到的方案，常見的就是等離子體以及高頻感應等。為了進一步的提升生產效率，減少成本支出，未來需要不斷的革新制備技術。

熱噴涂納米結構涂層把納米技術結合起了先進制造技術，具備廣闊的工業發展潛力，未來需要更加廣泛的應用熱噴涂涂層以及進一步的擴展應用領域。在未來的發展中，應該形成更健全完整的系統理論、應用理論，具體包括不斷的完善研究噴涂用納米粉體的開發以及生產，至設計、制備涂層，熱噴涂期間粉末顆粒熔化機理，應用涂層等等方面。同時將自動控制系統應用到納米熱噴涂工藝中不斷的推進，熱噴涂技術是工藝性階段上，依靠嚴格的規程以及經驗掌控涂層質量。通過全面地落實納米熱噴涂技術的全程自動監測以及控制，達到熱噴涂納米涂層技術更先進化的發展。另外，要加大力度探究熱噴涂納米涂層技術跟其它的納米表面，例如納米熱噴涂復合于納米激光重熔、納米熱噴涂復合于納米電刷鍍等，優化納米熱噴涂技術。

結束語

熱噴涂納米涂層技術在我國的發展相對較晚，其涵蓋了眾多的學科領域，相對復雜。但是當前納米材料制備技術的發展前景依然是非常廣闊的，需要未來進行不斷的深入研究，相繼改進已有技術，探索新型的技術手段，轉化成熱噴涂納米涂層技術的動力，推動產業化發展。

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（作者單位：陸軍裝甲兵學院）