等離子噴涂制備耐磨涂層的典型案例研究

程 翔

（河北機電職業技術學院 河北 邢臺 054000）

0 引言

在工業領域中，機械在運轉過程時，零部件會發生摩擦，容易產生大量的熱量，從而損失許多能量，導致巨大的資源浪費。此外，機械零部件間的摩擦還容易導致自身磨損。在工業生產中，80%的機械零件損壞都是由于表面摩擦而導致的。零部件損傷又極易引起機械故障，甚至誘發生產安全事故。據統計，我國因機械零部件摩擦導致的損失約占全國國民經濟總值的4.5%[1]。因此，為了減少機械運轉過程產生的損耗，提高機械工作效率，增強機械服役壽命，提升機械零部件表面的耐磨性能成為了關鍵點。

隨著工業技術的發展，表面工程技術成為了解決機械零部件磨損問題的重要技術手段。表面工程技術主要分為三類：一是通過特殊工藝處理基材材料表面，強化基材表面的強度硬度，如表面硬化技術[2]；二是通過特殊工藝來改變基材材料表面的組織，產生新相，如滲氮滲碳技術；三是通過涂覆工藝將高強度材料加工到基體材料表面，如等離子噴涂、氣相沉積技術。通過表面工程技術對機械零部件外表面進行特殊工藝加工，可以增強機械零部件表面的強度硬度，從而提升基體材料的耐磨損性能，減少機械零部件間相互運動導致的磨損，一定程度上解決了因機械零部件摩擦導致的能耗大、效率低、成本高等問題。

在表面工程技術中，等離子噴涂技術因其工藝簡單、可控性好、涂層強度高以及致密性好等優點，在工業領域應用范圍較為廣泛，常用于改善材料的耐腐蝕、耐磨損和耐高溫等性能。等離子噴涂技術能夠有效地提升機械零部件磨損性能，延長機械零部件的使用壽命，且不會改變基體材料的組織結構[3-4]。隨著等離子噴涂技術的發展，噴涂材料體系也在不斷的完善，涂層材料選擇趨于多樣化，可以根據高溫疲勞、輕/重載荷、高/低轉速等不同服役環境進行選擇，從而滿足基體材料表面磨損性能的提升需求。因此，為了更好地解決機械零部件表面磨損問題，發揮等離子噴涂技術的實際作用，本文對等離子噴涂技術的原理、特點及其工藝參數作了簡要的論述，并分析總結了典型金屬基和陶瓷基耐磨涂層的表面特點和磨損機制。通過分析現有典型等離子噴涂耐磨涂層，對等離子噴涂涂層未來研究方向提出了相關見解，供廣大科研工作者參考。

1 等離子噴涂技術

1.1 等離子噴涂技術的原理及其特點

等離子噴涂技術是熱噴涂技術的一種，主要以等離子弧為加熱源，將噴涂材料進行熔化，形成小液滴狀態，并以工作氣體帶出，使其噴射在基體材料表面，從而形成表面涂層，技術原理圖如圖1 所示。

等離子噴涂技術的工作氣體通常為氬氣或氮氣，再加上少量的氫氣，這些氣體在工作過程中被電弧加熱并離解，從而形成超高溫度的等離子氣體，溫度可高達14 000 ℃，最后壓縮成等離子射流而加速噴出。噴涂材料則是被高溫等離子氣體快速熔化為小液滴形態后，高速噴出至基體材料上，從而在基體材料表面擴散、鋪展形成致密涂覆層。

等離子噴涂技術的特點可以總結為以下4 點：一是超高溫特性，等離子弧中心溫度可高達14 000 ℃以上，足夠熔化任何難熔的材料；二是涂層緊密性好，等離子噴涂技術噴涂的粒子能在基體材料表面形成緊密的涂層，并與基體材料結合緊密；三是抗氧化性好，等離子噴涂用的工作氣體主要以氬氣或氮氣這類惰性氣體為主，在高溫下能夠較好地保護基體材料和噴涂材料不被氧化；四是可控性強，通過改變等離子噴涂技術參數，能夠精準地把控涂層厚度，并確保涂層表面較為平整。

1.2 等離子噴涂技術工藝參數對涂層的影響

等離子噴涂技術制備涂層時，需要控制好技術工藝參數，如氣體流量、功率、送粉量、噴涂距離等。這些工藝參數將影響涂層的致密性和表面形貌等。

（1）工作氣體流量：氣體流量主要會影響等離子弧的溫度，流量越大，帶走熱量越多，噴涂粉末熔化不充分，形成的涂層質量差；流量較小，熔化的粉末沒有足夠氣流來將其帶出，在基體材料表面上的沉積率較低。

（2）噴涂功率：噴涂功率直接影響等離子噴涂設備輸出的能量。噴涂功率較大時，設備輸出能量高，等離子氣體溫度較高，噴涂材料容易過熱，甚至氣化，涂層將產生許多氣孔；噴涂功率較小時，設備輸出能量低，等離子氣體溫度較低，噴涂材料并不能完全熔化，影響涂層質量。

（3）送粉量：送粉量主要需要根據噴涂功率來調節。送粉量過大，噴涂材料難以熔化不完全，涂層質量較差；送粉量過小，沉積效率較低，且容易形成孔隙率較大的涂層。

（4）噴涂距離：噴涂距離會影響等離子射流與基體材料表面撞擊時的速度和溫度。噴涂距離過大，等離子射流到達基體表面的溫度較低，動能較小，導致在基體材料表面難以完成扁平化，涂層強度和噴涂效率均會降低，孔隙率也會增大；噴涂距離過小，噴涂材料受熱時間較短，粒子未熔化完全就到達了基體材料表面，將導致涂層與基體材料的結合強度較低，且容易讓基體材料變形，使得涂層應力增加。

2 典型金屬基耐磨涂層

等離子噴涂技術在制備耐磨涂層方面應用十分廣泛，特別是在制備金屬基耐磨涂層方面[5]。為了讓等離子噴涂技術工程人員更加了解金屬基耐磨涂層，本文主要介紹鐵基、鎳基、鉬基等三種典型的金屬基耐磨涂層。

2.1 鐵基耐磨涂層

鐵基合金具有良好的力學性能且經濟適用性較強，可以作為耐磨涂層，如FeCrBSi 合金粉末。FeCrBSi 合金粉末熔融溫度較低，且具有良好的浸潤性，但通過等離子噴涂技術制備的FeCrBSi 合金涂層，表面硬度較低，且容易發生塑性變形，表面磨損機制屬典型的磨粒磨損。因此，通常會加入其他的成分，如制備FeCrBSi/FeS 復合涂層。FeS 具有固體潤滑作用，能夠使得等離子噴涂FeCrBSi/FeS 復合涂層具有更好的耐磨性能。鐵基合金涂層最為常見的磨損是磨粒磨損和涂層剝落。

2.2 鎳基耐磨涂層

鎳基合金材料作為噴涂材料，主要是由于其熱穩定性好、硬度高、耐磨性好等，其中應用最廣泛的NiCrBSi涂層。等離子噴涂技術制備NiCrBSi 耐磨涂層，可以利用等離子重熔處理而得到更好的耐磨涂層。有學者表明，利用等離子重熔處理后得到的NiCrBSi 涂層在25 ℃以及600 ℃以下均能表現出更好的耐磨性能。除了重熔處理之外，等離子噴涂制備NiCrBSi 涂層，還可以通過加入一些硬質相來提升涂層的耐磨性能，如加入Cr、Co 等。

2.3 鉬基耐磨涂層

鉬基合金材料的優點主要有耐磨耐腐蝕性能好、硬度高、熔點高等，常應用于電子電工、航空航天、軍事裝備等領域。通過等離子噴涂技術制備的鉬基合金耐磨涂層，由于其降低了涂層被氧化程度，減少了開裂脫落的情況發生。鉬基耐磨涂層中的 MoO2和 MoO3能夠作為潤滑相，從而改善潤滑效果，提升涂層的耐磨性能。鉬基耐磨涂層的耐磨性能與磨損環境和負載有很大的關系。

總之，金屬基合金材料主要是由于其具有優異性的性能，常作為等離子噴涂材料。金屬基耐磨涂層磨損機制多為塑性變形和磨粒磨損。金屬基耐磨涂層可以通過加入其他成分、表面處理、工藝優化等手段，來改善涂層的摩擦學性能。

3 典型陶瓷基耐磨涂層

陶瓷具有高剛度、高硬度、高熔點、低熱導率、熱膨脹系數小、化學穩定性好、絕緣能力強等優點。陶瓷涂層相比金屬材料涂層能更為有效地提升基體材料的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫以及抗氧化性能等。陶瓷耐磨涂層不僅具有金屬的韌性和加工性能好等特性，也具備陶瓷的耐高溫、耐腐蝕以及耐磨損等優點。陶瓷根據化學組成可以分為兩大類，見表1。

表1 陶瓷分類

3.1 氧化物陶瓷耐磨涂層

氧化物陶瓷涂層中，Al2O3陶瓷涂層應用較為廣泛，但Al2O3陶瓷脆性較大，一般需添加一定量的TiO2來提升涂層性能[6-9]。TiO2的加入，能夠改善涂層的斷裂韌性，從而制備出表面性能較好的Al2O3-TiO2耐磨涂層。Al2O3-TiO2耐磨涂層在不同的滾滑方式下，實效形式主要表現為粘著脫層和表面磨損。Al2O3-TiO2涂層發生表面磨損時，將產生大量的磨損顆粒堆積形成一層過渡膜，使得涂層產生脆性斷裂。為了提升Al2O3-TiO2耐磨涂層的耐磨損性能，一般通過優化噴涂工藝參數來提升涂層表面性能，從而獲得耐磨損性能好的涂層。

Cr2O3基陶瓷耐磨涂層具有耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、高硬度等優點，是使用較廣泛的一種陶瓷涂層。Cr2O3基陶瓷耐磨涂層需要添加一定量的TiO2來提升涂層性能。但TiO2的加入，將增加耐磨涂層的孔隙率，并且在相對滑動過程中，產生更大的摩擦阻力，因此找到最佳配比是關鍵點。Cr2O3-TiO2耐磨涂層進行滾滑磨損實驗時，失效方式主要表現為3 種，即分層失效、剝落失效以及磨損失效。失效情況與噴涂涂層表面粗糙度有關，粗糙度越大，破壞程度越嚴重。Cr2O3-TiO2耐磨涂層還表現出自潤滑特性。

TiO2具有成本低廉、安全無毒、化學性質穩定等優點，主要應用在涂料、塑料等行業[10]。在制備耐磨涂層方面，主要是作為少量添加物來改善涂層的性能，如Cr2O3-TiO2耐磨涂層、Al2O3-TiO2耐磨涂層等。當然，TiO2也可以作為制備耐磨涂層的主要氧化物陶瓷，如TiO2-SiAlON 耐磨涂層。

3.2 非氧化物陶瓷耐磨涂層

相比于氧化物陶瓷耐磨涂層，非氧化物陶瓷耐磨涂層的應用更少，常見的是WC 基陶瓷耐磨涂層。WC 陶瓷材料具有較高的硬度和優異的耐磨損性能，且WC 相有彌散強化的作用，是一種性能較好的耐磨涂層材料[11]。但WC 陶瓷材料脆性較高，通常需要加入Co 粉末等作為粘結相來改善WC 基陶瓷耐磨涂層的韌性。與WC-Co 耐磨涂層相比，WC-Co-Cu-BaF2/CaF2耐磨涂層的耐磨性能則更好，在不同溫度下的平均摩擦系數更低，主要是因為WC-Co-Cu-BaF2/CaF2耐磨涂層磨損表面產生的摩擦產物層具有較高的附著性和可塑性，能夠起到高溫潤滑劑的作用，在高溫摩擦領域極具實用價值。

總之，陶瓷基耐磨涂層的脆性較大，通常需要添加其他韌性較好的粘結相來提高耐磨涂層的韌性強度。陶瓷基涂層磨損機制多為粘著磨損和磨粒磨損。

4 結語和展望

等離子噴涂技術在制備耐磨涂層方面應用較為廣泛，主要是因為其具有超高溫特性、涂層緊密性好、抗氧化性好以及可控性強等優點。本文系統闡述了等離子噴涂技術制備的典型金屬基和陶瓷基耐磨涂層，并得出了以下兩個結論：一是金屬基合金材料主要是由于其具有優異性的性能，常作為等離子噴涂材料。金屬基耐磨涂層磨損機制多為塑性變形和磨粒磨損。金屬基耐磨涂層可以通過加入其他成分、表面處理、工藝優化等手段，來改善涂層的摩擦學性能。二是陶瓷基耐磨涂層的脆性較大，通常需要添加其他韌性較好的粘結相來提高耐磨涂層的韌性強度。陶瓷基涂層磨損機制多為粘著磨損和磨粒磨損。

等離子噴涂技術已經發展了較長時間，期間不斷地探索出新的噴涂材料和工藝方法，以制備出性能優異的耐磨涂層。根據典型耐磨涂層的總結分析，在此提出3 個技術發展方向，僅供研究者們參考。一是在現有陶瓷基噴涂材料基礎上，不斷地開發新型陶瓷材料在等離子噴涂技術中的應用，豐富等離子噴涂材料體系；二是將智能化控制技術和等離子噴涂技術相結合，讓噴涂工藝控制更加智能化、精準化，實現耐磨涂層制備工藝優化；三是探索等離子噴涂技術的新型應用領域，將等離子噴涂耐磨涂層應用到更為廣泛的工業領域。